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光束傳輸信息的原理

作者：東譜科技瀏覽：發表時間：2019-11-25 09:00:00 來源：光電資訊

今天聊聊用光束來傳輸信息的原理，是采用光束來傳輸信息。

光用於數據傳輸中具有很大的潛力實現非常高的數據速率。這主要是光波頻率高的結果，因此也可以常用非常寬的光學帶寬。

例如，在光纖中傳輸波長範圍為1300 nm到1600 nm的光，對應的帶寬為43 THz，這比采用電纜高了幾個數量級。盡管現在還無法完全達到理論上如此高的帶寬，光鏈路（自由空間鏈路或者光纖鏈路）的傳輸容量遠遠大於電纜或者無線電通信鏈路。

對於有限光帶寬情況，容許的數據傳輸的比特率依賴於傳輸系統的信噪比。根據Shannon-Hartley理論，實際的無誤比特率與1的對數值與信噪比的和成正比。信噪比很高時，光纖傳輸系統也無法達到理論預測的水平，因為非線性效應會引起信號畸變。實際中，可以得到的光譜效率約為光帶寬每赫茲為1 bit/s，依賴於調製格式。高級調製格式，例如差分正交相移鍵控（DQPSK），可以得到更高的光譜效率。

波導傳輸與自由空間傳輸對比

大多數情況下，光數據傳播采用光纖作用傳輸介質（光纖通信），因為在光在光纖中由於損耗極低可以傳輸非常長的距離，不存在對準問題，不存在大氣擾動以及類似效應。當然自由空間光通信也具有許多應用，例如地球軌道衛星間，遙遠的宇宙飛船與地面站之間，或者城市寫字樓間的短距離之間。

比特率問題

即使數字傳輸系統也不是無誤的，統計的漲落是受噪聲（激光器噪聲，放大器噪聲，散粒噪聲，接收器的附加噪聲）影響的，是一小部分傳輸的比特是缺損的。比特誤碼率（也就是不正確的傳輸比特所占的比例）強烈依賴於傳輸功率，而傳輸功率需要足夠高使比特誤碼率低於一個可接受的水平（例如，地球上的通信系統要求為10−12，而控製衛星需要10−6）。

實際上誤碼可以被檢測出來（采用一些校驗方法）並且糾正。誤碼糾正機製可以利用傳輸數據一定程度的冗餘度或者重新傳輸被破壞的數據包。其它的一些有害的效應，例如光纖損耗或者長鏈路中存在的各種色散效應，或者自由空間中傳輸的背景光，可以通過提高傳輸功率進行補償。為了保持一定的比特誤碼率需要提高光功率稱為功率損耗，更具體的也可以叫做色散損耗，如果這是考慮的因子是色散。

長距離到短距離

光數據傳輸被應用到很多領域，例如，電話，互聯網流量，有線電視，主要是一些至少為幾千米的長距離傳輸。但是，光系統有滲透到越來越短距離應用領域的趨勢。尤其是在日本，網絡連接已經通過光纖傳輸到用戶家庭中（光纖入戶）。

現今局域網（LANs）在數據速率為100 Mbit/s時采用電纜是可以正常工作的，但是當速率為10 Gbit/s時，需要采用光連接器，因為電纜在微波頻段非常昂貴，損耗很大。不久的超級計算機會在短距離內采用光互聯。

光板對板連接，光芯片對芯片連接甚至芯片間連接很受重視，並且已經有了一定的發展。例如，現在CPU芯片中電數據傳輸線所占的比重在增加。在高數據速率時，采用光學方法實現上述數據傳輸線功能會在空間和能量消耗更小。而面臨的問題就是需要發展合適的微激光器或者納米激光器，可以工作在非常小的功率水平，同時可以製作在二氧化矽襯底上。

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