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光學(xué)百科-光數(shù)據(jù)傳輸

閱讀:53      發(fā)布時(shí)間:2025-7-14
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定義:
采用光束來(lái)傳輸信息,例如在光纖中

光用于數(shù)據(jù)傳輸中具有很大的潛力實(shí)現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率。這主要是光波頻率高的結(jié)果,因此也可以常用非常寬的光學(xué)帶寬。例如,在光纖中傳輸波長(zhǎng)范圍為1300 nm到1600 nm的光,對(duì)應(yīng)的帶寬為43 THz,這比采用電纜高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。盡管現(xiàn)在還無(wú)法達(dá)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜或者無(wú)線電通信鏈路。 
對(duì)于有限光帶寬情況,容許的數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋忍芈室蕾囉趥鬏斚到y(tǒng)的信噪比。根據(jù)Shannon-Hartley理論,實(shí)際的無(wú)誤比特率與1的對(duì)數(shù)值與信噪比的和成正比。信噪比很高時(shí),光纖傳輸系統(tǒng)也無(wú)法達(dá)到理論預(yù)測(cè)的水平,因?yàn)榉蔷€性效應(yīng)會(huì)引起信號(hào)畸變。實(shí)際中,可以得到的光譜效率約為光帶寬每赫茲為1 bit/s,依賴于調(diào)制格式。高級(jí)調(diào)制格式,例如差分正交相移鍵控(DQPSK),可以得到更高的光譜效率。 

波導(dǎo)傳輸與自由空間傳輸對(duì)比 
大多數(shù)情況下,光數(shù)據(jù)傳播采用光纖作用傳輸介質(zhì)(光纖通信),因?yàn)樵诠庠诠饫w中由于損耗極低可以傳輸非常長(zhǎng)的距離,不存在對(duì)準(zhǔn)問(wèn)題,不存在大氣擾動(dòng)以及類似效應(yīng)。當(dāng)然自由空間光通信也具有許多應(yīng)用,例如地球軌道衛(wèi)星間,遙遠(yuǎn)的宇宙飛船與地面站之間,或者城市寫(xiě)字樓間的短距離之間。 

比特率問(wèn)題 
即使數(shù)字傳輸系統(tǒng)也不是無(wú)誤的,統(tǒng)計(jì)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?shù)谋忍厥侨睋p的。比特誤碼率(也就是不正確的傳輸比特所占的比例)強(qiáng)烈依賴于傳輸功率,而傳輸功率需要足夠高使比特誤碼率低于一個(gè)可接受的水平(例如,地球上的通信系統(tǒng)要求為10?12,而控制衛(wèi)星需要10?6)。實(shí)際上誤碼可以被檢測(cè)出來(lái)(采用一些校驗(yàn)方法)并且糾正。誤碼糾正機(jī)制可以利用傳輸數(shù)據(jù)一定程度的冗余度或者重新傳輸被破壞的數(shù)據(jù)包。其它的一些有害的效應(yīng),例如光纖損耗或者長(zhǎng)鏈路中存在的各種色散效應(yīng),或者自由空間中傳輸?shù)谋尘肮?,可以通過(guò)提高傳輸功率進(jìn)行補(bǔ)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(zhǎng)距離到短距離 
光數(shù)據(jù)傳輸被應(yīng)用到很多領(lǐng)域,例如,電話,互聯(lián)網(wǎng)流量,有線電視,主要是一些至少為幾千米的長(zhǎng)距離傳輸。但是,光系統(tǒng)有滲透到越來(lái)越短距離應(yīng)用領(lǐng)域的趨勢(shì)。尤其是在日本,網(wǎng)絡(luò)連接已經(jīng)通過(guò)光纖傳輸?shù)接脩艏彝ブ校ü饫w入戶)?,F(xiàn)今局域網(wǎng)(LANs)在數(shù)據(jù)速率為100 Mbit/s時(shí)采用電纜是可以正常工作的,但是當(dāng)速率為10 Gbit/s時(shí),需要采用光連接器,因?yàn)殡娎|在微波頻段非常昂貴,損耗很大。不久的超級(jí)計(jì)算機(jī)會(huì)在短距離內(nèi)采用光互聯(lián)。 
光板對(duì)板連接,光芯片對(duì)芯片連接甚至芯片間連接很受重視,并且已經(jīng)有了一定的發(fā)展。例如,現(xiàn)在CPU芯片中電數(shù)據(jù)傳輸線所占的比重在增加。在高數(shù)據(jù)速率時(shí),采用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)傳輸線功能會(huì)在空間和能量消耗更小。而面臨的問(wèn)題就是需要發(fā)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(shí)可以制作在二氧化硅襯底上。

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