自古以來(lái),光就理所當(dāng)然地被視為這個(gè)宇宙最原始的事物之一。實(shí)際上,它也是我們一生中見(jiàn)得最多的東西,它在人們的心目中,永遠(yuǎn)代表著生命、活力和希望。
微波和光纖通信技術(shù)如何讓你的通訊更通暢
發(fā)布時(shí)間:2018-04-25 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】強(qiáng)大的電磁波,在通信領(lǐng)域有兩個(gè)親兒子級(jí)別的應(yīng)用,即微波技術(shù)和光纖通信技術(shù)。它們貌合神離,都想獨(dú)自繼承電磁波在通信領(lǐng)域的疆土,于是上演了一場(chǎng)場(chǎng)精彩的“奪嫡大戰(zhàn)”。
自古以來(lái),光就理所當(dāng)然地被視為這個(gè)宇宙最原始的事物之一。實(shí)際上,它也是我們一生中見(jiàn)得最多的東西,它在人們的心目中,永遠(yuǎn)代表著生命、活力和希望。
然而,這備受人們崇敬的“光”,居然只是“電磁波”王座下,一位普通的王子,這究竟是怎么回事兒?下面有請(qǐng)赫茲先生為我們解答。
電磁波存在?赫茲做出了證明
什么是電磁波?它一種虛無(wú)縹緲的東西,看不見(jiàn)摸不著,在赫茲實(shí)驗(yàn)之前,誰(shuí)也沒(méi)有見(jiàn)過(guò)或驗(yàn)證過(guò)它的存在。可是,赫茲堅(jiān)信它存在,因?yàn)樗躯溈怂鬼f(Maxwell)理論的一個(gè)預(yù)言。而麥克斯韋理論……哦,它在數(shù)學(xué)上完美得簡(jiǎn)直像一個(gè)奇跡!仿佛是上帝之手寫(xiě)下的詩(shī)篇。這樣的理論,很難想象它是錯(cuò)誤的。
為了證明自己的想法,赫茲設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn),系統(tǒng)由一個(gè)發(fā)生器電路和一個(gè)接收器電路組成,其裝置圖如下:
赫茲的裝置圖
通過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn),赫茲完美地證明了電磁波的存在,經(jīng)典物理學(xué)的一個(gè)新高峰--電磁理論被建立起來(lái)??梢赃@么說(shuō),偉大的法拉第為它打下了地基,偉大的麥克斯韋建造了它的主體,最后,偉大的赫茲為這座大廈封了頂。
電磁波是如此的強(qiáng)大,它的疆土從微波到X射線,從紫外線到紅外線,從γ射線到無(wú)線電波,即使為世人所歌頌、崇拜數(shù)萬(wàn)年的光(其實(shí)特指可見(jiàn)光),也只不過(guò)是它統(tǒng)治下的一個(gè)小小的國(guó)度罷了。
電磁波頻譜(可見(jiàn)光不過(guò)是其中一小部分)
電磁波的兩個(gè)“親兒子”—微波技術(shù)和光纖通信技術(shù)
強(qiáng)大的電磁波,在通信領(lǐng)域有兩個(gè)親兒子級(jí)別的應(yīng)用,即微波技術(shù)和光纖通信技術(shù)。它們貌合神離,都想獨(dú)自繼承電磁波在通信領(lǐng)域的疆土,于是上演了一場(chǎng)場(chǎng)精彩的“奪嫡大戰(zhàn)”。
電磁波頻譜圖(藍(lán)色微波,綠色通信光波)
首先出場(chǎng)的是我們“四爺”微波,微波是指,波長(zhǎng)在毫米到米的電磁波(頻率為300Mhz~300Ghz)。由上圖可見(jiàn),微波的勢(shì)力范圍還是非常寬的,從毫米到米都是它的地盤(pán)。
“四爺”的優(yōu)勢(shì)在于,可實(shí)現(xiàn)任何方向的發(fā)射,可重構(gòu)性較好,易于實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)設(shè)備的互聯(lián)。但是它會(huì)受限于帶寬,而且長(zhǎng)距離傳輸高頻信號(hào)時(shí)損耗較大,微波信號(hào)會(huì)被大氣吸收。
這就好比,如果把通信當(dāng)作過(guò)年回家的旅程,那么微波就是本地一個(gè)快樂(lè)的“的哥“,市內(nèi)想開(kāi)去哪里就去哪里,自由散漫。但是請(qǐng)注意,微波這個(gè)”的哥“也是有些問(wèn)題的,他只能在本市轉(zhuǎn)悠(距離近),小車(chē)裝不了幾個(gè)人(帶寬不大),滿嘴跑火車(chē)還不太靠譜(易受電磁干擾)。
正所謂打虎親兄弟,“四爺”微波可是有幾個(gè)兄弟支持的,按波長(zhǎng)排名,它們分別是“大爺”長(zhǎng)波、“二爺”中波和“三爺”短波,這四位爺合稱(chēng)無(wú)線電波,在應(yīng)用上,最常見(jiàn)的就是我們聽(tīng)的收音機(jī)電臺(tái)。
無(wú)線電波用途分配表
前三位爺頻率比微波低、傳播損耗小、覆蓋距離遠(yuǎn)、繞射能力也強(qiáng),但是這三位不是嫡系皇子,先天不足。換成專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)就是,低頻段的頻率資源緊張,系統(tǒng)容量有限,因此低頻段的無(wú)線電波僅用于廣播、電視、尋呼等系統(tǒng)?;诖藷o(wú)線電波系的兄弟幾個(gè)里,大伙兒就讓四爺“微波”上場(chǎng),去爭(zhēng)一爭(zhēng)這皇位。
無(wú)線電通訊之父 伽利爾摩·馬可尼(拜一拜祖師爺)
另一位出場(chǎng)的則是我們的“八爺”光纖通信,它用的通信光波一般是指,波長(zhǎng)在近紅外區(qū)(800nm~1700nm)的電磁波。光纖通信的損耗較低、帶寬大、速率高、抗電磁干擾、且可實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用。
我們還是把通信當(dāng)作回家過(guò)年的旅程,光纖通信就可以被看成一位火車(chē)司機(jī)。他開(kāi)的火車(chē)不耗油,速度賊快(速率高),車(chē)上能坐好幾千人(帶寬大),也不會(huì)堵車(chē)(抗電磁干擾)。最棒的是,如果有必要,他還能在后面再接幾節(jié)車(chē)廂跑(波分復(fù)用)。但是,它必須沿著鐵軌(光纖)走,我們貌似不太可能給你家門(mén)口修一條鐵軌,所以要回家直接跟光纖通信先生走也不太合理。
通信光纖
而且光纖通信需要的軌道不是一般的東西,而是主要成分為二氧化硅的光導(dǎo)纖維。為什么它能夠做到低損耗呢?這就是我們“八爺“手段高了,光纖材料(石英)是有損耗譜的,分別會(huì)在850nm、1310nm和1550nm處有三個(gè)低損耗窗口,光纖通信就利用這三個(gè)低損耗窗口做文章,賺得腦滿腸肥,所謂跟“八爺”要發(fā)財(cái)就是這么來(lái)的。
光纖的損耗特性圖
一個(gè)好漢三個(gè)幫,“八爺”這位好漢身邊也是有很多幫手的,它們分別是光波陣營(yíng)里的可見(jiàn)光、紫外線、X射線及γ射線。
為什么光纖通信只用不寬的近紅外波段(800~1700nm),而不是把它們都拿來(lái)用呢?一般來(lái)說(shuō),通信用的光波需要是單色光,因?yàn)閱紊獾淖V線寬度窄,長(zhǎng)距離傳輸后色散較小,因而單色光能更高效、更準(zhǔn)確、更遠(yuǎn)距離地傳輸信息。這可以理解為,你把力量聚于一點(diǎn)打出去,自然是力量大,打得遠(yuǎn)。而眾所周知,可見(jiàn)光分為紅橙黃綠藍(lán)靛紫,不是單色光,所以它不能用來(lái)通信。
太陽(yáng)光頻譜圖
再看近紫外區(qū),雖然這是單色光,但是它能量太大,會(huì)和二氧化硅發(fā)生拉曼散射,就好比你拳頭太大了,有砂鍋那么大,打出去就被卡住了,也不能用來(lái)通信。X射線及γ射線能量比紫外線還大,就更不能用了。
故而,我們只能用低能量且單色的近紅外區(qū)的光,來(lái)進(jìn)行通訊了。
好了,兩位主角都介紹完了,“奪嫡之戰(zhàn)”正式開(kāi)始。為了獲得通訊領(lǐng)域的大好江山,微波王子和光纖通訊王子,帶著各自的擁躉磨刀霍霍,試圖進(jìn)行一場(chǎng)龍爭(zhēng)虎斗,拼個(gè)你死我活,決出一個(gè)勝者當(dāng)這里的王。這時(shí)科學(xué)家們坐不住了,紛紛出來(lái)“勸架”。
科學(xué)家們開(kāi)始給他們分析:你們一個(gè)短距離很好用,但是長(zhǎng)距離就不行,就好比坐汽車(chē),拉的東西少、速度慢,但是可以在城里隨便跑(微波);另一個(gè)長(zhǎng)距離很穩(wěn)定但是需要線路,就好比火車(chē),拉的東西多、速度快但是你得有鐵軌,沒(méi)有鐵軌跑不了(光纖通信)。
不如你們?nèi)¢L(zhǎng)補(bǔ)短,共坐江山。在傳輸信號(hào)的時(shí)候用光纖,又快又穩(wěn),等到了目的地城市,就用微波,隨意去哪兒都可以。
這就好比春節(jié)你回家,先坐汽車(chē)到火車(chē)站(微波調(diào)制),然后坐火車(chē)到你們那個(gè)城市(光纖傳輸),最后再坐汽車(chē)到你家里(微波解調(diào)),解決方式簡(jiǎn)直完美。具體怎么實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合呢,這就是微波光子技術(shù)了。
典型的微波光子傳輸鏈路
微波光子技術(shù):微波與光纖的取長(zhǎng)補(bǔ)短
上圖是一個(gè)基本的微波光子傳輸鏈路。這個(gè)過(guò)程主要包括電光調(diào)制,光纖傳輸和光電解調(diào)。電光調(diào)制主要是利用調(diào)制器將攜帶信息的微波信號(hào)加載到光載波上,實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換;光纖傳輸包含長(zhǎng)距離和短距離傳輸;光電解調(diào)實(shí)質(zhì)上可以認(rèn)為是電光調(diào)制的逆過(guò)程,即利用光電探測(cè)器將攜有信息的微波號(hào)從光載上解調(diào)下來(lái)。
微波光子技術(shù)就像人騎馬這個(gè)過(guò)程,微波是這個(gè)人,光纖通信是那個(gè)馬。微波光子技術(shù)就是將微波(人)調(diào)制(騎)到通信光波(馬)上,經(jīng)過(guò)光纖傳輸一段距離之后,再解調(diào)(人下馬),最后提取微波信號(hào)(回家)。
通過(guò)微波光子技術(shù),我們終于很好的把微波技術(shù)和光纖通信技術(shù)結(jié)合起來(lái),取長(zhǎng)補(bǔ)短實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的通訊手段。
眾所周知,隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展;尤其是近幾年移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的沖擊,人們對(duì)通信速率的要求越來(lái)越高。目前有線/無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),數(shù)據(jù)傳輸主要使用的是低頻段的電磁波,即頻率在百兆赫茲(108HZ)到千兆赫茲(109HZ)之間,其頻譜帶寬非常有限,頻譜資源也日益緊缺。而近二十年來(lái),人們對(duì)通信速率的需求增長(zhǎng)極快,無(wú)論是有線通信還是無(wú)線通信,幾乎每五年都會(huì)增長(zhǎng)10倍左右,因此超高速、大帶寬傳送網(wǎng)絡(luò)發(fā)展是必然趨勢(shì)。
高速通信的需求變化
超高速就好比,坐高鐵肯定比坐火車(chē)爽;大帶寬就比如,家里人多了自然是要換個(gè)大房子,所以超高速、大帶寬實(shí)際上反映了我們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)文化需求。而微波光子學(xué)研究的課題,就恰好解決了人們這個(gè)需求。
在生活中,微波光子學(xué)具體的應(yīng)用有很多,最早被大家所熟知的便是基于模擬調(diào)制的有線電視,此外還有無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、雷達(dá)組網(wǎng)、深空探測(cè)、電子對(duì)抗、 精密測(cè)繪、高速傳感網(wǎng)等等。
微波光子學(xué)應(yīng)用
最終,電磁波的兩位親兒子--微波技術(shù)和光纖通信技術(shù),達(dá)成了共識(shí):一起登上王座,勠力同心,共同經(jīng)營(yíng)通訊領(lǐng)域這片“大好河山”,他們的新王國(guó)就叫微波光子學(xué)帝國(guó)。
出品:科普中國(guó)
制作:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所 蘇濤
*監(jiān)制:中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心 *
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