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光波技术的发展

时间:2022-11-04 百科知识 版权反馈
【摘要】:量子光通信概念的提出及相关技术的开发,必将在光通信领域产生一场深刻的变革。实现量子光通信的关键技术是光子计数技术、光量子无破坏检测技术和相应的激光器技术。光波技术理论是光通信技术和光传感技术的理论基础,主要讲述光在具有一定边界条件的透明介质中传播的基本规律和性质。同步光网络是第二代光通信网络,今后的发展方向是建设全光网络。可以说,现代光通信技术的每一次重大突破都是根据已有理论有意识探索的结果。

20世纪70年代至90年代,光波技术的发展是以光纤通信为主线的,基本上以提高光纤链路传输速率和延长传输距离为目标。20世纪90年代以后逐渐进入光网络时代。光网络是以网络节点互联而形成的全光透明网络。为了实现光信号的透明传输,网络节点必须在光域完成选路、交换等功能。因而光信息技术,如光缓存、光逻辑、光交换等,已成为光波技术的前沿领域。近年提出的量子光通信概念,更预示着在通信以及信息系统领域一个新的发展时期的到来。通信网从目前的光电混合网向全光网过渡,还有很长的路要走,这其中的主要原因是光信息处理技术尚不成熟,如光缓存、光逻辑等都还处于实验室研究阶段。与波长路由技术紧密相关的波长变换技术距实用化也还有一定的距离,但这些领域的研究工作在不断地取得突破。各种类型的全光实验网也在小范围内运行,它预示着通信网向第三代的全光网过渡并不是遥不可及的事情。经典通信包括相干通信、光孤子通信等新的通信技术都受到经典信道中高斯噪声的制约,其信道容量都是有限的。近年提出的量子光通信概念,以光量子作为信息载体,而非传统的光波(波长极短的电磁波)作为信息载体光量子的传输与作用服从量子力学规律,而量子光通信则遵从量子信息论。按照量子光通信的概念,一个光子有可能将无限多的信息(量子比特)传递给无限多个分支终端。量子光通信概念的提出及相关技术的开发,必将在光通信领域产生一场深刻的变革。

经典光通信遵从香农的信息论,根据香农定理,一个光子能够承载的信息量的理论极值是1.44bit。但实际系统则远远达不到这个极限值,即使采用PSK调制的相干光通信系统也只能达到bit/光子。但是如果对于量子光通信,采用量子计数方式接收,则在误码率为10-9的条件下,可达ρ=21.6bit/光子。如果改进调制方式,可达到ρ=hν/kT,式中ν是光频率,k是波尔兹曼常数,T是绝对温度。在室温T=300K,λ=1.0μm时,ρ=69bit/光子。如果在低温条件下工作,还可将其提高2~3个数量级。实现量子光通信的关键技术是光子计数技术、光量子无破坏检测技术和相应的激光器技术。目前量子光通信已进入实验研究阶段,其中许多技术难题还有待解决。

光波技术理论是光通信技术和光传感技术的理论基础,主要讲述光在具有一定边界条件的透明介质中传播的基本规律和性质。在现代通信技术的发展中,人们发现,要建立光通信系统,首先必须解决两个基本问题:一是要有可以高速调制的相干光源,二是要有损耗足够低的光波传输介质。1960年,世界上第一台激光器——红宝石激光器在美国休斯公司问世。1970年,美国康宁公司用气相沉积法拉制出了世界上第一根有实用价值的单模光纤。此后,光纤通信技术和光纤传感技术迅速发展起来。目前,除用户线以外,光纤传输已完全代替了传统的电缆通信,形成了所谓同步光网络或称光电混合网络。同步光网络是第二代光通信网络,今后的发展方向是建设全光网络。在技术发展的同时,光波导理论,也就是以Maxwell电磁波理论为基础研究光在波导中的传输特性的理论也逐步形成了,并在技术的发展中发挥了重大的指导和推动作用。可以说,现代光通信技术的每一次重大突破都是根据已有理论有意识探索的结果。因此,本书从讲述光的Maxwell电磁波理论开始。

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