內容簡介
為瞭獲得高頻通信係統中的可調諧微波信號源等,本書首先分析高頻微波信號光學産生方法的國內外研究進展;在分析光縴中受激布裏淵散射效應的基礎上,設計單縱模環形腔布裏淵激光器;利用獲得的單縱模激光器,提齣基於單縱模激光器融閤布裏淵散射移頻單元的多帶寬高頻微波信號産生的方法,並分析微波信號的性能;提齣並實驗驗證瞭多環結構受激布裏淵散射效應的微波信號産生的方法;從理論上分析受激布裏淵散射放大效應的基本原理,提齣獲得多波長布裏淵激光器的方法,利用該多波長激光器,實驗分析獲得高頻微波信號産生的方法;從理論上分析布裏淵散射效應在通信係統中的信號傳輸速度的控製性能,提齣高頻通信係統速度控製係統的方法,並分析其性能。
作者簡介
王如剛,鹽城工學院信息工程學院副教授,博士。主要從事光縴通信及光縴傳感技術的研究。研究領域:高頻通信載波信號的光學産生技術、光縴傳感技術等。已在國內外期刊上發錶論文十餘篇。
周鋒,鹽城工學院信息工程學院講師,博士在讀。主要從事光縴傳感網絡的研究。研究領域:光縴傳感網絡的組網、光縴傳感網絡的安全等。已在國內外期刊上發錶論文十餘篇。
內頁插圖
目錄
第1章緒論
1.1研究意義
1.2高頻微波信號光學産生方法的國內外研究現狀
1.2.1外部調製方法
1.2.2光注入半導體激光器方法
1.2.3光電振蕩器微波信號産生方法
1.3研究內容分析
1.4研究思路與框架結構
1.4.1研究思路
1.4.2研究框架結構
參考文獻
第2章光縴中的布裏淵散射效應及其激光器設計
2.1光縴中的布裏淵散射
2.1.1自發布裏淵散射
2.1.2受激布裏淵散射
2.2光縴中布裏淵散射特性
2.2.1布裏淵散射譜特性
2.2.2布裏淵頻移與溫度和應力的關係
2.3光縴中布裏淵散射閾值分析
2.4基於布裏淵散射的單縱模激光器設計
2.4.1布裏淵激光器理論分析
2.4.2實驗係統
2.4.3實驗結果與分析
2.5本章小結
參考文獻
第3章基於單環結構的布裏淵散射效應的寬帶微波信號産生技術
3.1差頻結閤平衡檢測基本原理
3.2基於布裏淵散射的可調微波信號産生的實驗係統
3.2.1溫度控製係統設計
3.2.2性能分析
3.3可調諧微波信號産生的實驗結果與分析
3.4本章小結
參考文獻
第4章基於雙環結構的布裏淵散射效應的寬帶微波信號産生技術
4.1光外差法産生微波信號原理
4.2基於布裏淵散射的可調微波信號産生機理
4.3基於布裏淵激光器的可調諧微波信號産生方法
4.3.1實驗係統
4.3.2實驗結果與分析
4.4本章小結
參考文獻
第5章基於多波長布裏淵激光器的可調諧微波信號産生技術
5.1受激布裏淵散射放大效應理論分析
5.2基於布裏淵散射放大效應的多波長激光器研究
5.2.1實驗結構
5.2.2實驗結果與分析
5.3基於多波長布裏淵激光器的微波信號産生研究
5.3.1實驗裝置
5.3.2結果與分析
5.4本章小結
參考文獻
第6章基於布裏淵散射光電振蕩器的高頻微波信號産生技術
6.1光電振蕩器基本原理
6.2基於布裏淵散射光電振蕩器的微波信號産生技術的
階段性研究成果
6.3基於布裏淵散射光電振蕩器微波信號産生方法的
研究計劃
6.3.1研究的主要內容
6.3.2擬采取的研究方法和技術路綫
6.4本章小結
參考文獻
第7章光縴中的布裏淵散射效應在通信信號速度控製係統中的應用
7.1基於布裏淵散射效應的通信信號傳輸速度控製理論分析
7.2基於布裏淵散射效應的單通道通信信號速度控製
係統實驗研究
7.2.1半導體光放大器性能分析
7.2.2實驗裝置
7.2.3實驗結果與分析
7.3基於布裏淵散射效應的多通道通信信號速度控製
係統實驗研究
7.3.1實驗裝置
7.3.2實驗結果與分析
7.4本章小結
參考文獻
前言/序言
隨著互聯網業務和網絡電視等多媒體業務的迅速發展,無綫通信技術已經發展到瞭新的階段,但隨著用戶數量的增多以及對帶寬需求的增加,無綫通信係統又麵臨頻譜資源受限的挑戰。為瞭解決此問題,無綫通信技術必須拓寬頻率範圍,將通信頻段提高至微波信號頻段,因此,光載無綫技術應運而生。光載無綫技術結閤光縴通信技術和無綫通信技術,充分利用瞭光縴低損耗、高容量以及抗電磁乾擾等優點,能夠實現低成本、大容量的超寬帶無綫接入和有綫傳輸,為下一代融閤接入網提供瞭技術支撐。同時,光載無綫技術既能滿足信號帶寬的需求,又能剋服未來的光無綫接入網中的頻率擁堵等問題。在光載無綫技術中,微波信號的光學産生是實現低成本高性能光載無綫傳輸係統的關鍵,而使用電子器件産生微波信號的傳統方法受限於電子器件的瓶頸,對産生高頻微波信號具有一定的挑戰性。目前,使用光學方法産生微波信號是最有前途的解決方案,在過去的幾年裏,國內外對光生微波技術開展瞭大量的研究。從這些研究可以看齣,布裏淵散射效應是光縴中常見的一種散射,其散射光相對入射光具有一定的頻移,且頻移量與外界環境的溫度和應力呈綫性關係。利用光縴中的布裏淵散射特性可以實現微波信號的産生、交換及獲取等,這些方麵都是實現光載無綫技術的核心。因此,係統地研究光縴中的布裏淵散射效應在光載無綫通信技術中的應用,不僅具有學術價值,而且具有十分重要的社會意義。
本書首先討論光縴中泵浦光場、斯托剋斯光場和聲波場之間相互作用而産生自發和受激布裏淵散射的機理,分析光縴中布裏淵散射的性能,設計單縱模布裏淵激光器;其次,利用獲得的單縱模布裏淵激光器,提齣基於單縱模激光器融閤布裏淵散射移頻單元的多帶寬微波信號産生的方法,並分析産生的微波信號性能;在此基礎上,提齣並實驗驗證多環結構的布裏淵散射效應的微波信號産生方法;從理論上分析受激布裏淵散射放大效應的基本原理,利用受激布裏淵放大效應結閤獲得的單縱模布裏淵激光器,提齣多波長布裏淵激光器的方法,利用該多波長布裏淵激光器設計高頻微波信號産生的方案;分析布裏淵散射光電振蕩器微波信號産生的基本原理,提齣利用光注入DFB激光器結閤液芯單模光縴布裏淵散射效應的光電振蕩器微波信號産生的技術;最後,分析多布裏淵增益綫的縱模間隔對信號延遲和增益控製性能的影響,獲得優化的縱模間隔,針對目前的高速通信係統,提齣基於半導體激光器的高頻通信速度控製係統,通過實驗分析可調諧和多通道寬帶控製係統的性能。
希望以上的研究方法和觀點能夠對我國微波信號光學産生技術的研究與實現提供一些技術上的支持,對關注光縴通信和光縴傳感技術發展的學者以後的進一步研究提供一些藉鑒,為光電子技術企業經營者的理性決策提供一些參考。
本書得到瞭鹽城工學院學術專著齣版基金、江蘇省六大人纔高峰項目(DZXX��028)、中國博士後科學基金資助項目(2015M571637)、江蘇省産學研前瞻性項目(BY2015057.39,BY2016065.03)、江蘇省高校自然科學研究基金項目(14KJB510034)和鹽城工學院人纔引進(KJC2013014)項目的資助。
由於作者水平有限,時間倉促,不足和不妥之處在所難免,懇請讀者批評指正。
作者
2016年8月
現代通信網絡的光學基石:光縴通信係統概覽 一、 引言:信息時代的澎湃動脈 人類文明的每一次飛躍,都伴隨著信息傳遞方式的革新。從烽火狼煙到電報電話,再到如今無處不在的互聯網,信息傳遞的速度和容量已成為衡量一個時代發展水平的關鍵指標。在這個信息爆炸的時代,光縴通信以其前所未有的帶寬、極低的損耗和強大的抗乾擾能力,成為瞭現代通信網絡的絕對主力,支撐著全球經濟、文化和科技的蓬勃發展。本書旨在為讀者勾勒齣光縴通信係統壯麗的藍圖,深入剖析其核心組成部分、工作原理以及在不斷演進的通信技術中所扮演的關鍵角色,但並不會聚焦於某一特定物理現象,而是提供一個更宏觀、更全麵的視角。 二、 光縴通信係統的基本構成:從源頭到終端的信號之旅 一個完整的光縴通信係統,就好比一條復雜而高效的“信息高速公路”,它需要精確協作的各個環節纔能將數字信息準確無誤地從發送端送達接收端。我們將從以下幾個關鍵模塊展開論述: 1. 信源與編碼:信息的“源頭活水” 數字信號的産生: 無論是語音、圖像還是數據,最終都需要轉化為數字信號纔能通過光縴進行傳輸。這一過程通常涉及模擬信號的采樣、量化和編碼,如脈衝編碼調製(PCM)等。 信源編碼: 為瞭提高傳輸效率並減少冗餘,我們會對原始數字信號進行壓縮編碼。這包括有損編碼(如JPEG、MP3)和無損編碼(如LZ77、Huffman編碼),其目標是在保證可接受的失真程度下,最大程度地降低數據量。 信道編碼: 在傳輸過程中,信號不可避免地會受到噪聲和乾擾的影響,導緻誤碼率的增加。信道編碼的作用是在原始數據中添加冗餘信息(校驗位),使得接收端能夠檢測甚至糾正一定數量的錯誤,從而提高傳輸的可靠性。常見的信道編碼方案包括捲積碼、裏德-所羅門碼(RS碼)、Turbo碼和LDPC碼等。這些編碼技術是現代通信係統能夠達到高誤碼率性能的關鍵。 2. 光發送端:點亮信息傳輸的“引擎” 光源: 光發送端的核心是産生高穩定、高功率的光信號。激光器(Laser Diode, LD)和發光二極管(Light Emitting Diode, LED)是兩種主要的光源。激光器具有光譜窄、相乾性好、輸齣功率高等優點,尤其適用於長距離、高速率的光縴通信係統。LED則成本較低,但性能相對遜色,多用於短距離、低速率的通信。 調製器: 將數字電信號轉化為光信號的過程稱為光調製。常見的調製方式包括: 強度調製(Intensity Modulation, IM): 根據數字信號的0和1,控製光源的開關或光強度的變化。這是最簡單、最常用的調製方式,常與非歸零(NRZ)或歸零(RZ)編碼結閤使用。 相位調製(Phase Modulation, PM)和頻率調製(Frequency Modulation, FM): 通過改變光的相位或頻率來攜帶信息。這些調製方式通常需要更復雜的光學器件和接收端技術,但能提高頻譜利用率和抗乾擾能力。 相乾檢測技術: 結閤相位和幅度信息進行調製,如正交幅度調製(QAM),能夠極大地提高傳輸容量,是現代高速光通信的關鍵技術。 驅動電路: 驅動電路負責將數字電信號以閤適的電平、頻率和時序驅動光調製器,實現精確的光信號生成。 3. 光縴傳輸介質:信息的“高速公路” 光縴的種類: 單模光縴(Single-mode Fiber, SMF): 縴芯直徑極小(約9微米),隻允許基模傳輸,具有極低的色散和衰減,是長距離、大容量通信的首選。 多模光縴(Multi-mode Fiber, MMF): 縴芯直徑較大(50或62.5微米),允許多個模式的光傳輸。多模光縴存在模間色散,限製瞭其傳輸距離和速率,但成本較低,適用於短距離應用。 傳輸損耗: 光在光縴中傳輸時,會因為材料吸收、散射、彎麯等原因産生損耗,導緻光信號強度下降。低損耗光縴是實現長距離通信的基礎。 色散: 色散是指不同波長或不同模式的光在光縴中傳播速度不同的現象,它會導緻信號展寬,影響信號的恢復。主要的色散包括: 材料色散: 光縴材料的摺射率隨波長變化引起。 波導色散: 光縴結構(縴芯和包層)對不同模式的限製作用不同引起。 模式色散(僅限多模光縴): 不同模式在光縴中傳播路徑不同導緻。 偏振模色散(PMD): 光縴的非均勻性導緻不同偏振態的光傳播速度不同。 偏振相關損耗(PDL): 光縴對不同偏振態的光吸收或散射程度不同。 非綫性效應: 當光功率足夠高時,光縴材料的非綫性光學效應會變得顯著,例如受激拉曼散射(SRS)、受激布裏淵散射(SBS)、自相位調製(SPM)和交叉相位調製(XPM)等。這些效應會影響信號的傳輸質量,甚至導緻信號失真,需要通過係統設計和補償技術來加以抑製。 4. 光放大器:彌補損耗的“能量站” 摻鉺光縴放大器(EDFA): 是目前最成熟、應用最廣泛的光放大器,通過摻雜稀土元素鉺,利用泵浦光實現光信號的增益。EDFA具有高增益、低噪聲、寬帶寬的特點,是實現超長距離光通信的關鍵技術。 半導體光放大器(SOA): 利用半導體材料實現光信號的放大,結構緊湊,易於集成,但噪聲性能和增益平坦度相對不如EDFA。 拉曼放大器(Raman Amplifier): 利用光縴本身的非綫性效應(如受激拉曼散射)來實現放大,可以在任何波長範圍內實現放大,且可實現分布式放大,與EDFA配閤使用可進一步提升傳輸性能。 5. 光接收端:解碼信息的“監聽器” 光電探測器(Photodetector): 將接收到的微弱光信號轉換為電信號。常用的光電探測器包括PIN光電二極管和雪崩光電二極管(APD)。APD具有內建的增益,能提供更高的靈敏度。 解調器: 根據調製方式,將轉換後的電信號進行解調,恢復齣原始的數字電信號。 信號處理與再生: 接收到的電信號可能存在噪聲和失真。信號處理單元通過濾波、均衡、時鍾恢復等技術,最大限度地減少信號劣化。對於長距離傳輸,還需要光信號的再生(OEO再生),即將接收到的光信號先轉換為電信號,再重新進行編碼、整形和發射,以消除纍積的噪聲和失真。 三、 光縴通信係統的關鍵技術發展方嚮 隨著信息需求的爆炸式增長,光縴通信係統正朝著更高容量、更長距離、更靈活、更智能的方嚮發展: 1. 更高的數據速率: 更高階的調製格式: 如16QAM、64QAM甚至1024QAM,利用同一波長承載更多比特信息。 更高容量的光譜利用: 波分復用(WDM): 將不同波長的多路光信號復用到同一根光縴中傳輸,極大地提高瞭光縴的傳輸容量。密集波分復用(DWDM)係統可在一個光縴中集成幾十甚至上百個波道。 空分復用(SDM): 利用光縴的空間維度,在同一根光縴中傳輸多路信號,如多芯光縴(MCF)和模式復用光縴(MOF)。 相乾光通信: 結閤高級調製格式和相乾檢測技術,實現對光信號的相位、幅度、偏振等信息的精確調控和檢測,是當前高速光通信的主流技術。 2. 更智能的網絡管理: 軟件定義網絡(SDN)與網絡功能虛擬化(NFV): 將網絡控製平麵與數據平麵分離,使網絡配置和管理更加靈活和自動化,能夠根據業務需求動態調整網絡資源。 人工智能(AI)在光網絡中的應用: 用於故障預測與診斷、網絡優化、流量調度、資源分配等方麵,提升網絡運維效率和可靠性。 3. 下一代光縴技術: 大有效麵積光縴(Large Effective Area Fiber, LEAF): 減小光縴的有效麵積,降低非綫性效應的影響,適用於更高功率和更高速率的傳輸。 低模間色散光縴(Reduced-)/零模間色散光縴(): 優化光縴結構,減小或消除模間色散,提升多模光縴的傳輸性能。 新材料與新結構光縴: 如空心光縴(Hollow-core fiber)和光子晶體光縴(PCF),有望在未來實現超低損耗、超低非綫性或全新的光傳輸特性。 四、 光縴通信在現代社會中的重要作用 光縴通信係統已經滲透到現代社會的方方麵麵,構成瞭信息時代的基石: 互聯網骨乾網: 提供高帶寬、低延遲的連接,支撐著全球互聯網的暢通無阻。 移動通信網絡(5G/6G): 為基站提供高容量迴傳(backhaul)和前傳(fronthaul),是實現高速無綫通信的關鍵。 數據中心互聯(DCI): 連接日益增長的數據中心,滿足海量數據傳輸的需求。 企業與傢庭接入: 光縴到戶(FTTH)為用戶提供瞭超高速的互聯網接入,改變瞭人們的工作、學習和娛樂方式。 科研與軍事應用: 高速、大容量的光縴通信為科學研究(如粒子加速器、射電望遠鏡)和國防通信提供瞭強大的支持。 五、 結論 光縴通信係統是一項集光學、電子、材料、通信等多學科知識於一體的復雜而精密的工程。從信源編碼到光電轉換,從光縴傳輸到光信號放大,再到最終的信號解調,每一個環節都凝聚瞭無數科學傢的智慧和努力。隨著技術的不斷進步,光縴通信必將在未來的信息社會中扮演愈發重要的角色,驅動人類文明邁嚮新的高度。本書以宏觀的視角,為您揭示瞭這一“信息高速公路”的運作奧秘,並展望瞭其激動人心的未來發展圖景。