信息与通信工程专业科技英语翻译12

电磁频谱和光通信

仔细研究表12.1中的频率表可以看到各种光学技术用于信息传输的不同潜力。

人们所感兴趣的“现代”常规通信系统的信息传播速率通常相应于电话系统中的音频、商用广播系统中的无线电频率、或是最先进的视频节目分配系统中的数字电视数据率。这些数据率通常低于几个吉赫兹（GHz）。如果传输这样的信息不是将它加载到光纤上，而是加载在略高于最大速率的射频载波上，则此射频载波就会是厘米波或是波长更长一些的波。用光载波则有很大的优越性。一个明显的优点就是光纤的低损耗和方向性。载波的数据率显然必须高于信息速率。通信系统的一个基本原则是频率愈高，技术就愈复杂。处理微波就比处理无线电波更困难。随着波长减小到接近于电路元件的尺寸，电路单元就不再是集总的，导线可起到反射元件以及（或）天线的作用，集总单元则成为电磁谐振器。这通常意味着当发送的信息较多时，代价也较高，因此在较高的信息率要求较高的频率这层意义上，要考虑每秒传输1比特信息的成本问题。于是，观察上述频率表得到的第一个结论就是，对于频率为数百特赫兹（THz）的光载波而言，信息的带宽在某种意义上是免费的。就是说与大多数器件相比，光的波长是如此之小，以至于所用技术与电和微波有根本的不同。一旦我们具备了这样的技术，则无论信息率有多高，再也没有必要改变载波了，因为载波频率高于任何现实信息率所能达到的程度。不过带宽也不是完全免费的，因为编码器和解码器必须工作在相应于信息率的频率上，而系统其余部分大都只需要处理载波和调制。如果一个元件可以工作在5×1014Hz的频率上，在这个频率信息偏移千分之一（相应于500吉赫兹的信息率）对器件的性能将没有什么影响。因此，只要系统已经建立起来，大体上就可以随意升级系统而不会涉及常规系统中改变电磁载波所需付出的那种代价。

光波的宽频带一个结果就是光载波可以同时携带许多不同电话信号和电视节目等。通常实现这种同时传输多路信息的过程（至少以同步格式实现）称为时分复用。其原理是：如果要复用16个1 Mbps的不同信道，可将每一比特所占时间除以16，然后将16个数据比特交织成一个持续1微秒的复合比特（即比特率为1 Mbps），这一复合比特实际上带有16比特的信息。电话通信所用的数据率是kbps，光载波的Tbps带宽使实现TDM有了极大的可能。当然，TDM并不是人们可以使用的唯一复用方案。可以设想将相隔几个吉赫兹的若干子载波加载到光载波上。其中每一个载波又可以被调制到信息的频率，然后在输出端按其不同的载波波长来表示。根据不同的实现方法，这种方案称为波分复用（WDM）或子载波调制。现在有许多随着不断增大的信息流量而扩大链路吞吐量的方案，都涉及到将许多TDM信号与WDM载波结合的技术。实际上，WDM密度所受到的并不是带宽而是功率。就是说，每个信道要求有一定的功率。于是信道愈多所需功率也愈大。在达到一定的功率时光纤的非线性变得重要起来，这种非线性趋于和信号相混合。目前正在进行大量的研究，努力寻求对这种非线性的均衡处理。

光载波极高的载波频率也有缺点，当它通过光速与光的波长相联系时尤其如此。光波的周期不到2毫微微秒（2×10−15秒）。这意味着对相位的控制要达到毫微微秒级以下的时间间隔。虽然这种技术正在出现，但它们十分复杂，比处理微波或无线电频率的波形复杂得多。因为这样，相干光的接收至今仍然是一项实验室技术。随着信噪比的提高，看来稀土金属掺杂光纤放大器的发展使通信系统中不再需要用相干技术。

光波的周期短还意味着半微米左右的短波长。光波波长之小使发射和接收模块得以小型化，这就使光通信系统的尺寸、重量以至价格与相应的微波、无线电波通信系统相比都大为降低。在微波情况下，开放的微波信道的封装密度愈高，窜音就愈严重。另一方面，无论将光纤包装得多紧密，只要包层设计得当基本上就不会有窜音。这导致光纤可用作空分复用（SDM）极佳媒体这样的优良性质，就是说，可将多个传输不同信息流的信道紧密地封装在一起。

虽然相干光通信系统的所有优点还有待于落实在具体成果中，光辐射的另一性质却使目前的光通信系统不利于应用。这里，重要的性质是光子能量的属性。如表12.1所示，光子能量大约在2eV 到4eV之间。看起来这是效率方面的一个优点。不过，具有这样的光子能量需要付出高昂的代价。因为单个光子是可检测到的，发射/接收过程必然具有颗粒性。如所周知，即使在一场稳定的降雨中，雨滴落地的概率（作为时间的函数）服从Poisson分布，这意味着有成串的雨滴。一滴雨更会在前一滴落下之后立即落下。雨滴是缺乏耐心的，不会等待。几乎以同样的方式，即使在恒定偏置电流条件下激光也发出光子束。这就产生一种噪声，通常称为散粒噪声或量子噪声。在发射/检测过程中，这一问题对于模拟通信变得相当严重，尽管在数字通信中要轻微得多。

如上所述，热声子的平均能量大体上是波尔兹曼常数k乘以温度T，在室温下大约是1/40电子伏特。由于单个光子是可测量的，光量子检测器能在室温下工作。因此如果受到散粒噪声的，光的直接检测会十分灵敏。另外，直接检测与强度调制方案完全兼容，在这些方案中电源实质上只是简单地接通或断开。这种调制方案最容易实现。光的波长很小，可以使用小型的光源和检测器以及微米级的波导，于是用直接检测方案可实现在许多领域具有竞争力的小巧的宽带系统，这些领域中特别引人注目的是当前电信传输中的应用，尽管无数其他应用也在不断涌现出来。如前所述，（线路）成本并非电信系统中真正重要的考虑因素，通信设备的成本主要受到其他因素的制约，因此这些应用比预料的出现得慢。在消费电子学中，我们不必操心通路的权利或安装问题。现在用光技术将相距几米的个人计算机连接起来是如此昂贵，使得光纤还未能进入消费市场。但是在这种情况下连接的高昂成本并不是根本性的问题，而是一个历史阶段性的问题。目前在毫米级纤芯塑料方面的发展就是一个采用比玻璃光纤便宜得多的技术的实例。光纤连接的元件成本和封装成本正在下降，新的应用也正在出现。