光學(xué)百科-光數(shù)據(jù)傳輸

定義：
采用光束來傳輸信息，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，在光纖中傳輸波長范圍為1300 nm到1600 nm的光，對應(yīng)的帶寬為43 THz，這比采用電纜高了幾個數(shù)量級。盡管現(xiàn)在還無法達(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)大于電纜或者無線電通信鏈路。 
對于有限光帶寬情況，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)際的無誤比特率與1的對數(shù)值與信噪比的和成正比。信噪比很高時，光纖傳輸系統(tǒng)也無法達(dá)到理論預(yù)測的水平，因?yàn)榉蔷€性效應(yīng)會引起信號畸變。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的距離，不存在對準(zhǔn)問題，不存在大氣擾動以及類似效應(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，或者城市寫字樓間的短距離之間。 

比特率問題 
即使數(shù)字傳輸系統(tǒng)也不是無誤的，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出來（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距離傳輸。但是，光系統(tǒng)有滲透到越來越短距離應(yīng)用領(lǐng)域的趨勢。尤其是在日本，網(wǎng)絡(luò)連接已經(jīng)通過光纖傳輸?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時采用電纜是可以正常工作的，但是當(dāng)速率為10 Gbit/s時，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。不久的超級計(jì)算機(jī)會在短距離內(nèi)采用光互聯(lián)。 
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，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，采用光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)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(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，同時可以制作在二氧化硅襯底上。