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微波和光纤通信技术如何让你的通讯更通畅

时间:2018-04-24 阅读:
强大的电磁波,在通信领域有两个亲儿子级别的应用,即微波技术和光纤通信技术。它们貌合神离,都想独自继承电磁波在通信领域的疆土,于是上演了一场场精彩的“夺嫡大战”。

自古以来,光就理所当然地被视为这个宇宙最原始的事物之一。实际上,它也是我们一生中见得最多的东西,它在人们的心目中,永远代表着生命、活力和希望。

然而,这备受人们崇敬的“光”,居然只是“电磁波”王座下,一位普通的王子,这究竟是怎么回事儿?下面有请赫兹先生为我们解答。

电磁波存在?赫兹做出了证明

什么是电磁波?它一种虚无缥缈的东西,看不见摸不着,在赫兹实验之前,谁也没有见过或验证过它的存在。可是,赫兹坚信它存在,因为它是麦克斯韦(Maxwell)理论的一个预言。而麦克斯韦理论……哦,它在数学上完美得简直像一个奇迹!仿佛是上帝之手写下的诗篇。这样的理论,很难想象它是错误的。

为了证明自己的想法,赫兹设计了一个实验,系统由一个发生器电路和一个接收器电路组成,其装置图如下:

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赫兹的装置图

通过这个实验,赫兹完美地证明了电磁波的存在,经典物理学的一个新高峰--电磁理论被建立起来。可以这么说,伟大的法拉第为它打下了地基,伟大的麦克斯韦建造了它的主体,最后,伟大的赫兹为这座大厦封了顶。

电磁波是如此的强大,它的疆土从微波到X射线,从紫外线到红外线,从γ射线到无线电波,即使为世人所歌颂、崇拜数万年的光(其实特指可见光),也只不过是它统治下的一个小小的国度罢了。

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电磁波频谱(可见光不过是其中一小部分)

电磁波的两个“亲儿子”—微波技术和光纤通信技术

强大的电磁波,在通信领域有两个亲儿子级别的应用,即微波技术和光纤通信技术。它们貌合神离,都想独自继承电磁波在通信领域的疆土,于是上演了一场场精彩的“夺嫡大战”。

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电磁波频谱图(蓝色微波,绿色通信光波)

首先出场的是我们“四爷”微波,微波是指,波长在毫米到米的电磁波(频率为300Mhz~300Ghz)。由上图可见,微波的势力范围还是非常宽的,从毫米到米都是它的地盘。

“四爷”的优势在于,可实现任何方向的发射,可重构性较好,易于实现无线网络和移动设备的互联。但是它会受限于带宽,而且长距离传输高频信号时损耗较大,微波信号会被大气吸收。

这就好比,如果把通信当作过年回家的旅程,那么微波就是本地一个快乐的“的哥“,市内想开去哪里就去哪里,自由散漫。但是请注意,微波这个”的哥“也是有些问题的,他只能在本市转悠(距离近),小车装不了几个人(带宽不大),满嘴跑火车还不太靠谱(易受电磁干扰)。

正所谓打虎亲兄弟,“四爷”微波可是有几个兄弟支持的,按波长排名,它们分别是“大爷”长波、“二爷”中波和“三爷”短波,这四位爷合称无线电波,在应用上,最常见的就是我们听的收音机电台。

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无线电波用途分配表

前三位爷频率比微波低、传播损耗小、覆盖距离远、绕射能力也强,但是这三位不是嫡系皇子,先天不足。换成专业术语就是,低频段的频率资源紧张,系统容量有限,因此低频段的无线电波仅用于广播、电视、寻呼等系统。基于此无线电波系的兄弟几个里,大伙儿就让四爷“微波”上场,去争一争这皇位。

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无线电通讯之父 伽利尔摩·马可尼(拜一拜祖师爷)

另一位出场的则是我们的“八爷”光纤通信,它用的通信光波一般是指,波长在近红外区(800nm~1700nm)的电磁波。光纤通信的损耗较低、带宽大、速率高、抗电磁干扰、且可实现波分复用。

我们还是把通信当作回家过年的旅程,光纤通信就可以被看成一位火车司机。他开的火车不耗油,速度贼快(速率高),车上能坐好几千人(带宽大),也不会堵车(抗电磁干扰)。最棒的是,如果有必要,他还能在后面再接几节车厢跑(波分复用)。但是,它必须沿着铁轨(光纤)走,我们貌似不太可能给你家门口修一条铁轨,所以要回家直接跟光纤通信先生走也不太合理。

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通信光纤

而且光纤通信需要的轨道不是一般的东西,而是主要成分为二氧化硅的光导纤维。为什么它能够做到低损耗呢?这就是我们“八爷“手段高了,光纤材料(石英)是有损耗谱的,分别会在850nm、1310nm和1550nm处有三个低损耗窗口,光纤通信就利用这三个低损耗窗口做文章,赚得脑满肠肥,所谓跟“八爷”要发财就是这么来的。

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光纤的损耗特性图

一个好汉三个帮,“八爷”这位好汉身边也是有很多帮手的,它们分别是光波阵营里的可见光、紫外线、X射线及γ射线。

为什么光纤通信只用不宽的近红外波段(800~1700nm),而不是把它们都拿来用呢?一般来说,通信用的光波需要是单色光,因为单色光的谱线宽度窄,长距离传输后色散较小,因而单色光能更高效、更准确、更远距离地传输信息。这可以理解为,你把力量聚于一点打出去,自然是力量大,打得远。而众所周知,可见光分为红橙黄绿蓝靛紫,不是单色光,所以它不能用来通信。

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太阳光频谱图

再看近紫外区,虽然这是单色光,但是它能量太大,会和二氧化硅发生拉曼散射,就好比你拳头太大了,有砂锅那么大,打出去就被卡住了,也不能用来通信。X射线及γ射线能量比紫外线还大,就更不能用了。

故而,我们只能用低能量且单色的近红外区的光,来进行通讯了。

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好了,两位主角都介绍完了,“夺嫡之战”正式开始。为了获得通讯领域的大好江山,微波王子和光纤通讯王子,带着各自的拥趸磨刀霍霍,试图进行一场龙争虎斗,拼个你死我活,决出一个胜者当这里的王。这时科学家们坐不住了,纷纷出来“劝架”。

科学家们开始给他们分析:你们一个短距离很好用,但是长距离就不行,就好比坐汽车,拉的东西少、速度慢,但是可以在城里随便跑(微波);另一个长距离很稳定但是需要线路,就好比火车,拉的东西多、速度快但是你得有铁轨,没有铁轨跑不了(光纤通信)。

不如你们取长补短,共坐江山。在传输信号的时候用光纤,又快又稳,等到了目的地城市,就用微波,随意去哪儿都可以。

这就好比春节你回家,先坐汽车到火车站(微波调制),然后坐火车到你们那个城市(光纤传输),最后再坐汽车到你家里(微波解调),解决方式简直完美。具体怎么实现两者的结合呢,这就是微波光子技术了。

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典型的微波光子传输链路

微波光子技术:微波与光纤的取长补短

上图是一个基本的微波光子传输链路。这个过程主要包括电光调制,光纤传输和光电解调。电光调制主要是利用调制器将携带信息的微波信号加载到光载波上,实现微波信号到光信号的转换;光纤传输包含长距离和短距离传输;光电解调实质上可以认为是电光调制的逆过程,即利用光电探测器将携有信息的微波号从光载上解调下来。

微波光子技术就像人骑马这个过程,微波是这个人,光纤通信是那个马。微波光子技术就是将微波(人)调制(骑)到通信光波(马)上,经过光纤传输一段距离之后,再解调(人下马),最后提取微波信号(回家)。

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通过微波光子技术,我们终于很好的把微波技术和光纤通信技术结合起来,取长补短实现了最优的通讯手段。

众所周知,随着互联网的迅速发展;尤其是近几年移动互联网的冲击,人们对通信速率的要求越来越高。目前有线/无线通信网络,数据传输主要使用的是低频段的电磁波,即频率在百兆赫兹(108HZ)到千兆赫兹(109HZ)之间,其频谱带宽非常有限,频谱资源也日益紧缺。而近二十年来,人们对通信速率的需求增长极快,无论是有线通信还是无线通信,几乎每五年都会增长10倍左右,因此超高速、大带宽传送网络发展是必然趋势。

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高速通信的需求变化

超高速就好比,坐高铁肯定比坐火车爽;大带宽就比如,家里人多了自然是要换个大房子,所以超高速、大带宽实际上反映了我们日益增长的物质文化需求。而微波光子学研究的课题,就恰好解决了人们这个需求。

在生活中,微波光子学具体的应用有很多,最早被大家所熟知的便是基于模拟调制的有线电视,此外还有无线通信网络、雷达组网、深空探测、电子对抗、 精密测绘、高速传感网等等。

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微波光子学应用

最终,电磁波的两位亲儿子--微波技术和光纤通信技术,达成了共识:一起登上王座,勠力同心,共同经营通讯领域这片“大好河山”,他们的新王国就叫微波光子学帝国。

出品:科普中国

制作:中国科学院半导体研究所 苏涛

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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