通信工程导论Word文档下载推荐.doc
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2.2光纤损耗与色散
2.3特种抗弯曲光纤的诞生
2.4*欧盟加速光纤通讯技术的研发创新
三:
光纤通信的展望:
3.1光纤无线融合传输技术
3.2*光通信的畅想
一光导纤维
光通常情况下沿直线传播,而进入不同介质时,比如光从水中射向空气,当入射角大于某一角度时,折射光线消失,全部光线都反射回水中。
表面上看,光好像在水流中弯曲前进。
这就是全反射的作用。
后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维,当光线以合适的角度射入玻璃纤维时,光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。
由于这种纤维能够用来传输光线,所以称它为光导纤维。
起初,用玻璃丝来通信要求光纤对光能的损失为20db/km,,当时即便是最好的玻璃—照相机镜头玻璃,损失也在700db/km。
1966年,高锟提出单模光波导结构模型,1972年,美国康宁公司耗资3000万制造出20米长损耗小于20db/km的光纤样品。
硬件的完善往往取决于纯净度,现在的光纤纯度很高,几乎不含杂质,所以在一定波段上传输损耗很小。
常用的石英光纤,最小损耗波长为1.55um,其次为1.3um,每千米损耗不到1dB。
这一成就使因特网与无线移动通信网的发展有了坚实保障。
光纤通信也成为了信息时代的重要支柱。
二:
光信息传输技术
2.1光纤结构与原理
光纤的主要成分是二氧化硅(SiO2),由纤芯、包层、涂覆层组成。
纤芯为掺杂的二氧化硅(如二氧化锗),以提高纤芯折射率。
直径一般5~50um。
包层为纯二氧化硅,外径125um。
涂覆层为环氧树脂,硅橡胶等高分子材料,外径250um,用于增强柔韧性和机械强度(国际电信联盟(ITU-T)标准:
光纤外径统一为125um,多模光纤芯径50um,单模光纤芯径9um)
多模光纤与单模光纤:
按光纤传输模式分类
光纤模式:
能在光纤中传播的电磁波不但要满足芯包界面全反射条件,还要满足相干加强条件。
对具体光纤结构,只有一系列特定的电磁波可以在光纤中有效传播,这些特定的电磁波称为光纤模式。
单模光纤:
光纤中只传播一种模式,芯径4~10um。
无模式色散,传光性能好,适用大容量、长距离通信。
因截面小,制造、连接、耦合困难。
多模光纤:
光纤中传播多种模式,芯径约50um,SI或GI型。
SI型模式色散大,带宽窄。
制造、连接、耦合容易。
单模工作条件:
V<
2.405。
2.2光纤损耗与色散
世界上不可能存在毫无杂质的玻璃,起初让光纤通信能够商用化,降低杂质是必须克服的难关。
战争史上曾发现制造低杂质玻璃的方法—搅拌。
1970年,Coring宣布利用化学气相沉积法制造出了损耗率为20db/km的试验性单模光纤,奠定了光纤通信的基础。
前人执着于这方面的研究,源于损耗左右着通信的质量。
研究发现:
光束的发散角不为零时,光功率与传输距离之间呈平方反比关系。
即距离增加一倍,功率密度减小到四分之一,即。
指数衰减规律:
光纤损耗系数:
现实生活中,光纤商用化距离遍布全国,有着八横八纵,即便看似很小的系数乘以距离也会造成极大的损耗,当年高锟研究玻璃纤维时也面临着两大障碍:
1.光在一般玻璃中能减达到3db/m,2.千米以上长度的微细玻璃纤维如何生产与稳定。
而结论就是降低杂质铁离子于减少散射。
在玻璃中,光波能减的主要原因是杂质铁离子吸收光能,实验数据发现:
铁离子含量减到百分之一以下,,就能实现20db/km.所以所有的研究都是值得的,即便1970年的康宁公司耗资3000万初步实现这一想法也这么认为。
那么,光纤为什么会有这么难以解决的损耗问题。
通常有:
吸收损耗
本征吸收损耗、杂质吸收损耗、原子缺陷吸收损耗。
散射损耗
瑞利散射损耗、结构不完善散射损耗、非线性效应散射损耗。
其它损耗
弯曲损耗、连接损耗、耦合损耗。
在应用中,除了损耗作用,这里再介绍一下色散作用:
回忆一下我们小时候与小伙伴玩过的两人三足跑,两个人动作保持一致才能有效地到达终点,现在有十个人站成一排,同样的规则,大家彼此都是独立的个体,必然有快有慢,在跑步中必须保持同样的节奏,才能完成。
同样,在一根传输线中,有许多不同频率或不同模式的信号,如果不加以控制,就会在传播过程中,因群速度不同互相散开,引起信号波形失真,脉冲展宽。
而这一物理现象将直接导致光信号在传输过程中的畸变,从而影响通信的可靠性。
如下图所示,同一起跑线的信号到达终点的时间不同而产生的脉冲展开现象,也可形象的用时延差定义。
脉冲展宽导致接收端无法将相邻的脉冲分开,从而导致误码。
因此,射散特性限制了光纤的传输容量。
2.3特种抗弯曲光纤的诞生
克服损耗的过程同时也是制造工艺完善的过程,上文提到的化学气相沉积法(MCVD-ModifiedChemicalVapourDeposition)与棒外化学汽相沉积法(OVD-OutsideChemicalVapourDeposition)轴向汽相沉积法(VAD-VapourphaseAxialDeposition)微波等离子体激活化学汽相沉积法(PCVD-PlasmaactivatedChemicalVapourDeposition)在国际广泛使用
轴向汽相沉积法,即VAD法实物图
在商业化的过程中,客户始终是利益的核心,研究了那么多类型的光纤终于要一展神威了。
可在架设的过程中很快发现,弯曲对缆芯损伤较大,在焊接过程中只有缆芯对接才能保证信号的有效传输,光纤已经铺到了门外,如何在保证成本的情况下有效地进入户内。
特
种
抗
弯
曲
光
纤
入
户
2007年7月,康宁基于nanoStructures™的新型光纤能够适用于角度很小的转角而不会出现信号丢失
2.4欧盟加速光纤通讯技术的研发创新*聚焦国际前沿
资料:
{欧委会正式对外宣布,由爱尔兰都柏林三一学院电信研究中心(CTVR)教授MarcoRUFFINI博士领导的,欧盟8个成员国主要电信科研机构和大型跨国集团,包括电信运营商和设备供应商如Telefonica、TelecomItalia、Alcatel-Lucent、Nokia-Siemens和数10家创新型中小企业在内的,欧洲DISCUS研发团队组建完成,将启动更廉价、更快速、更绿色的全光宽带(ALL-OpticalBroadband)研发创新项目。
研发团队的研发创新活动将主要聚焦于:
1)提高能效、简化操作和改进引入技术的整间断大容量体互联网结构优化设计;
2)利用先进光子学技术(Photonics)难以想象的带宽特性及其灵活性,加速光子学技术在固定互联网的推广应用;
3)根据平等原则,为所有的互联网用户接入点提供同等的优质高速宽带服务,典型的核心带宽在10Gb/s到100+Gb/s之间,直接连至用户;
4)无缝衔接整合无线与固定光子学技术互联网,向用户提供最佳成 本效益的无线或固定或移动的自动接入及网络流量,不牺牲延迟或带宽。
}
聚焦点同时也是创新点,给我们的启示也是发展点。
物联时代下的光通信,各国都在发展,无论从科技还是从经济,光通信都是热点。
三:
3.1光纤无线融合传输技术
理论:
利用新型的低成本光纤无线融合传输技术替换常规的无线传输技术,把远端ADC/DAC等数字化单元剥离并上移到基带池云机房,通过光纤中多域混合复用技术,用光信号“直接”传输未经数字化的天线,待发射或接收到几十甚至几百路模拟无线信号,就可以构建大规模阵列天线MIMO技术与大规模协作的云架构完美结合的5G无线网络。
EPON作为光纤宽带接入网技术的首选,存在接入不灵活,光纤到家成本相对较高等缺点,WiMAX灵活性高和易用性,其无线信道却不稳定且每用户分到的带宽有限。
将EPON和WiMAX融合,为5G时代铺路。
3.2*光通信的畅想
光纤入户存在的最后一公里问题,无线光通信有效地完善着。
未来全光网络的实现必然以光纤为载体架设,我们不仅要在地球上实现覆盖,还要进军外太空,这种技术可能当下除非应紧的时候采用,更多的是在实验室里实现,可又有谁知道18个月后又是什么样,今天匪夷所思的理论也许刚走出实验室就能实现商用化。
而光纤网络也许会被更安全的虚拟光纤替代。
无论是有线还是无线,便利都是始终的标准。
既然光通信,本文基本上在研究前人的成果,而且侧重于有线,本文最后对光通信技术进行适当联想。
既然迈向5G时代,全球的网络覆盖必不可少,陆上海中的光纤架设正在完善,但大洋深处,沙漠中,一些欠发达国家,甚至刚刚拍完北极熊或者企鹅就能将照片上传的技术尚未实现。
无线的资源是有限的,每一段频谱都有标价甚至无价,那么与其去争这么少的资源,不如对现有资源在开发,也许司空见惯的路边的小草隐藏着未来医药的良方。
红外技术日臻成熟,红外网络也有不断尝试。
大气中距离不到4000米覆盖,如果利用红外实现这些地区的网络覆盖,设想如下:
选取短波红外作为研究对象,由基站释放红外信号,利用仿生学角度感知红外信号。
红外的穿透性较弱,影响着距离。
但红外作为光,它是由粒子组成的,遇到障碍物时能否从间隙中传过去。
以每个光子为研究单位,携带着信息进行传输,能自由在一定空间内离散与聚合,这样能有效提高穿障能力。
如果这一技术能实现,将一举两得,因为之前提到的光纤入户问题也随之解决了。
在弯曲时造成的信号能减,会因为光子在可控范围内的自由离散整合而解决。
那么如何做到可控,粒子之间存在引力与斥力,在r0的时候相等,但没有绝对不变的值,我不清楚加速或减速或改变场是否能改变r0,只要粒子与粒子间的相互作用力可控,那么就能实现光子的离散与聚合,从而更大限度的实现光传输。
参考文献:
1.《光电工程导论》
2.《宽带无线通信技术基础》.
3.张敏明教授关于《面向5G的光纤无线融合技术》的报告
4.卞现泽《EPON和WiMAX融合接入网的带宽分配研究》
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