21世紀高新技術論文

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　　高新技術論文篇一

　　題目：ROF技術概述及ROF系統(tǒng)的應用進展

　　學院：物理與光電工程學院 班級：09物理學

　　姓名：鄒永亮 學號：20091306020

　　2011年12月5號ROF技術概述及ROF系統(tǒng)的應用進展為滿足人們對寬帶無線多媒體服務(如視頻、音頻和因特網(wǎng)數(shù)據(jù))的迫切需求, 未來無線網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢之一是提高射頻(RF)工作頻率。如何最大限度地改善 通信性能和降低基站的建設成本將是取得商業(yè)成功的關鍵所在。光載射頻(ROF)

　　系統(tǒng)屬于一種模擬光纖鏈路，ROF 利用光學器CS)傳輸?shù)礁咏脩艚K端的分布式基站。為了克服電子瓶頸的限制，人們更傾向于用光學方式產(chǎn)生微波/毫米波信號，產(chǎn)生方法包括內(nèi)調(diào)制法、外調(diào)制法和光外差法等。利用馬赫-曾德(MZ)調(diào)制器產(chǎn)生光載 RF 信號是一種簡單而有效的方法。普通的強度調(diào)制產(chǎn)生的是雙邊帶(DSB)型 光載 RF 信號, 在光纖色散的影響下，基站中檢測出的 RF 信號出現(xiàn)周期性衰落的現(xiàn)象。為了克服周期性衰落效應，可以采用光單邊帶調(diào)制(OSSB+C)方式。

　　在基于 OSSB+C 調(diào)制的 ROF 鏈路中，基帶信號往往被兩個光分量所攜帶，在光纖色散的影響下，各路基帶信號到達光電檢測器的時間不同步，導致檢測出的RF 信號所攜帶的基帶信號波形產(chǎn)生失真。本文綜合分析了頻帶間色散和頻帶內(nèi)色 散對基帶信號波形產(chǎn)生的影響。根據(jù)波形失真程度和整個 ROF 鏈路誤碼率的對應關系，得出了 ROF 鏈路傳輸容量的理論上限(以誤碼率由于多種原因，RF 信號通過光強調(diào)制器對光載波進行調(diào)制時的調(diào)制深度通常較小 (即調(diào)制指數(shù)小)，導致調(diào)制產(chǎn)生的光載 RF 信號的載邊比不合理。本文對OSSB+C 調(diào)制方式建立了準確的理論模型，在此基礎上分析出光載 RF 信號的載邊 比可以由調(diào)制指數(shù)來調(diào)節(jié)，并且存在一個最優(yōu)的調(diào)制指數(shù)可以使載邊比達到理想

　　狀態(tài)。針對光調(diào)制器在小信號調(diào)制狀態(tài)下 (即調(diào)制指數(shù)小)產(chǎn)生的光載 RF 信號載邊 比不合理的問題，我們對 MZ 調(diào)制器的結構進行了改進, 提出了一種基于 1×3 多模 干涉耦合器的三臂 MZ 調(diào)制器，該三臂調(diào)制器不用改變調(diào)制指數(shù)就能改善光載 RF 信號的載邊比。調(diào)制器中包含了一條“直流臂”，通過控制直流臂上的直流偏置可以 調(diào)節(jié)光載 RF 信號的載邊比。多模干涉耦合器是一種集成光學耦合器。在 ROF 技 術中融合集成光學領域的技術是一件很有意義的事情。光調(diào)制器是一種非線性器件，RF 信號驅(qū)動 MZ 調(diào)制器產(chǎn)生光載 RF 信號的過程中會出現(xiàn)一些無用的高階諧波分量。本文提出了一種新型的基于 1×4 多模干涉耦合器的四臂 MZ 調(diào)制器，可以在實現(xiàn)光單邊帶調(diào)制的同時把主要的高階諧波分量抑制掉，增強調(diào)制過程的線性化。抑制高階諧波分量對于單信道/多信道 ROF 鏈路都具有重要意義。由于利用了 1×4 多模干涉耦合器各輸出端口之間固有的光波相位關系，調(diào)制器可以工作在無偏置狀態(tài)下。多模波導中多個傳導模式間的相長性干涉產(chǎn)生的自鏡像效應是多模干涉耦合器件的基本工作機制。相應的, 自鏡像理論也是人們一直沿用的設計多模干涉耦合器的理論。但隨著弱導材料光通信器件的發(fā)展，傳統(tǒng)的自鏡像理論逐漸暴露出了其不足之處——設計弱導材料多模干涉耦合器件時產(chǎn)生的設計誤差較大。本文指出了產(chǎn)生設計誤差的主要原因并提出了一種改進的自鏡像理論，并在此基礎上提 出了兩種具體的器件設計方法。通信技術的最高目標是用各種可能的網(wǎng)絡技術，滿足 Wherever，Whatever 進行信息交換的要求。移動化與寬帶化的結合是無線通信主

　　要的發(fā)展趨勢。為實現(xiàn)這一目標，需要把不同的網(wǎng)絡技術和通信技術進行融合，使其互相補充，揚長避短為了增加寬帶無線通信系統(tǒng)的傳輸容量，不可避免的要提高工作頻率。隨著工作頻率的不斷提高，無線信號在大氣中的衰減增加，基站覆蓋范圍減小，這樣就需要大量的基站以實現(xiàn)一定范圍的覆蓋，網(wǎng)絡的建設及維護成本急劇增加。在眾多的簡化基站結構、降低網(wǎng)絡成本的技術中，光載射頻(ROF)技術成為近年來通信技術領域的亮點。ROF 技術結合了無線通信技術和光纖通信技術的優(yōu)勢，以模擬光纖鏈路代替金屬導線/大氣來傳送寬帶無線信號，光纖通信技術的日益成熟，為 ROF 技術的發(fā)展提供了良好的條件。借助 ROF 技術可以以較低的成本拉近用戶和基站距離，為用戶提供高帶寬、業(yè)務靈活性強的接入手段，滿足用戶對移動數(shù)據(jù)業(yè)務及多媒體業(yè)務的需求。智能交通系統(tǒng)能夠提供交通信息，如電子導航、電子信息、路況信息以及娛樂( 多媒體) 服務等。若將此系統(tǒng)擴展到定位系統(tǒng)可以比GPS 更快捷和準確。

　　1.2.1 蜂窩移動通信系統(tǒng)

　　在第二、三代(3G)蜂窩移動通信系統(tǒng)中，ROF 系統(tǒng)的主要應用是建筑物內(nèi)部的覆蓋，典型應用場景如地鐵站、火車站、機場、大型商場、展覽中心等。在這些大型建筑物內(nèi)，建立一個中心基站和分布式天線系統(tǒng)(DAS)，以實現(xiàn)有效覆蓋。在第四代移動系統(tǒng)(或稱 B3G)中，隨著工作頻率的提高(3～5GHz)，傳統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)采用的結構不能直接照搬到 B3G 系統(tǒng)中，否則基站及移動終端的發(fā)射 功率要增加 10～20 倍甚至更高，移動終端工作在如此高的發(fā)射功率狀態(tài)下顯然是 令人無法接受的，因為這不利于節(jié)省電池能量以及減小微波輻射對人體的傷害。

　　為了在保證高傳輸速率的情況下降低發(fā)射功率，B3G 系統(tǒng)將采用一種基于 ROF 技 術的新型小區(qū)結構，稱為“泛小區(qū)”，其基本思想是在小區(qū)的多

　　1.2.2 無線局域網(wǎng)

　　由前面的分析可以得知，寬帶無線接入系統(tǒng)(如 WLAN)的工作頻率不斷增加，甚至高達 50～70GHz。目前使用的無線局域網(wǎng)的頻段為 2.4 GHz，數(shù)據(jù)速率近 11 Mbit/s，也有可能達到 45Mbit/s，而將來的無線局域網(wǎng)則要求數(shù)據(jù)速率達到 100 Mbit/s 以上，因此需要更大的帶寬。高頻信號的傳播受到高衰減和視距傳輸?shù)睦_，對建筑物內(nèi)的應用而言上述問題更為嚴重，因為信號傳播要受很多物體的影響，比如墻、家具等。要覆蓋整個建筑需要數(shù)量龐大的 AP(access point)，系統(tǒng)的 成本激增。但如果采用 ROF 技術，通過光纖傳輸 RF 信號，則 AP 不需要具有復 雜的 RF 信號處理功能，這些功能可以集中在一個單獨的處理的 (RGResidentialGateway)上，因此 AP 的結構得到簡化，整個系統(tǒng)的可行性增加，因為這個頻段的系統(tǒng)許多獨特的優(yōu)點。雖然信號傳播損耗較高，但是對于近距離傳輸并不重要，而且可以在較小的干擾條件下實現(xiàn)頻率復用。

　　1.2 ROF 系統(tǒng)的應用進展

　　1980年代美國首次將ROF系統(tǒng)用于軍事用途。1990年，Cooper等提出將ROF用于無線通信。ROF技術得到了快速的發(fā)展，典型的例子是2000年的悉尼奧運會上，采用了名為BriteCell的radio over fiber系統(tǒng)來解決無線業(yè)務大量集中的問題，該系統(tǒng)有500個遠端天線。在開幕式上短短幾分鐘時間里，運動場中就有約11萬名觀眾打了17萬5千個電話。如果沒有BriteCell系統(tǒng)及時處理如此龐大而集中的業(yè)務量是難以想象的ROF系統(tǒng)具有易安裝、低功耗、成本低等優(yōu)點，目前主要用于蜂窩移動通信系統(tǒng)、寬帶，無線接入、智能交通系統(tǒng)以及軍事系統(tǒng)中。

　　1.2.3 智能交通系統(tǒng)

　　智能交通系統(tǒng)(ITS) 應用最新的移動通信技術來提高交通信息的傳輸能力，使交通變得更為安全、高效和舒適。ITS主要包括兩種系統(tǒng) (RVC)和 (VVC)。目前日本已經(jīng)研制出基于ROF技術的RVC實驗系統(tǒng)。 預計RVC系統(tǒng)中的每個移動終 端能達到2～10 Mbps的速率，RVC系統(tǒng)可以提供多種業(yè)務，其工作頻率可能在40GHz或60 GHz。實現(xiàn)RVC系統(tǒng)的關鍵技術之一，就是建立基于ROF技術的RF信號傳輸網(wǎng)絡。用模擬光纖鏈路在中心站(CS)和基站(BS)之間傳輸毫米波信號。各基站只起到光/電轉(zhuǎn)換的作用，對傳輸?shù)男畔⒍允峭该鞯摹?/p>

　　在歐洲， 63～64 GHz 和76～77 GHz 的頻段已經(jīng)分配給基于ROF技術的智能交通系統(tǒng)，其目標是在主干道上實現(xiàn)連續(xù)的移動通信網(wǎng)絡覆蓋以便實現(xiàn)智能交通。因此 B3G 系統(tǒng)中的蜂窩覆蓋層(CCL)將會與傳統(tǒng)的蜂窩覆蓋層在結構上有著根本性的差異。目前，可以傳輸個人數(shù)據(jù)蜂窩網(wǎng)信息的 ROF 網(wǎng)絡已經(jīng)在日本實現(xiàn)并進入了實用化階段。

　　1.2.4 軍事應用

　　ROF技術為解決高速雷達數(shù)據(jù)以及雷達信號的遠距離傳輸問題提供了有效途徑。ROF技術使得雷達控制站同它們的天線在空間上遠距離分開成為可能，因而雷達站不容易被敵方發(fā)現(xiàn)并摧毀。對于多基地雷達而言，多站間的信號傳輸距離可能會達到幾十到幾百公里。這樣的傳輸距離對于電纜傳輸鏈路而言是遙不可及的，但基于ROF技術的光纖鏈路而言卻并無太大困難。對于軍事平臺上的大量RF信號傳輸系統(tǒng)而言，同軸電纜的體積和重量一直是重要的問題。在軍用飛機、潛艇以及水面艦艇中同軸電纜的尺寸和重量應該盡可能的減小。此外，把不易彎曲的銅線電纜和波導安裝在窄的空間也是一個大問題。而借助ROF技術，則可有效的解決上述問題

　　高新技術論文篇二

　　21世紀高新技術展望

　　結課論文

　　學院：材料與冶金學院

　　班級：09冶金一班

　　學號：0961102109

　　姓名：張帥

　　關鍵字：產(chǎn)生 特點 應用

　　摘要：激光具有單色性好、方向性強、亮度高等特點?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的激光工作物質(zhì)有幾千種，波長范圍從軟X射線到遠紅外。 激光技術的核心是激光器，激光器的種類很多，可按工作物質(zhì)、激勵方式、運轉(zhuǎn)方式、工作波長等不同方法分類。根據(jù)不同的使用要求，采取一些專門的技術提高輸出激光的光束質(zhì)量和單項技術指標，比較廣泛應用的單元技術有共振腔設計與選模、倍頻、調(diào)諧、Q開關、鎖模、穩(wěn)頻和放大技術等。

　　【簡介】

　　激光的最初中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞的頭一個字母組成的縮寫詞。意思是“受激輻射的光放大”。激光的英文全名已完全表達了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學家錢學森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。

　　激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、半導體之后，人類的又一重大發(fā)明。它的原理早在 1916 年已被著名的物理學家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但要直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是在有理論準備和生產(chǎn)實踐 迫切需要的背景下應運而生的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學科學和光學技術獲得了新生，而且導致整個一門新興產(chǎn)業(yè)的 出現(xiàn)。激光可使人們有效地利用前所未有的先進方法和手段，去獲得空前的效益和成果，從而促進了生產(chǎn)力的發(fā)展。

　　【激光產(chǎn)生】

　　若原子或分子等微觀粒子具有高能級E2和低能級E1,E2和E1能級上的布居數(shù)密度為N2和N1，在兩能級間存在著自發(fā)發(fā)射躍遷、受激發(fā)射躍遷和受激吸收躍遷等三種過程。受激發(fā)射躍遷所產(chǎn)生的受激發(fā)射光，與入射光具有相同的頻率、相位、傳播方向和偏振方向。因此，大量粒子在同一相干輻射場激發(fā)下產(chǎn)生的受激發(fā)射光是相干的。受激發(fā)射躍遷幾率和受激吸收躍遷幾率均正比于入射輻射場的單色能量密度。當兩個能級的統(tǒng)計權重相等時，兩種過程的幾率相等。在熱平衡情況下N2N1,這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。在這種情況下，受激發(fā)射躍遷占優(yōu)勢。光通過一段長為l的處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的激光工作物質(zhì)(激活物質(zhì))后，光強增大eGl倍。G為正比于(N2-N1)的系數(shù)，稱為增益系數(shù)，其大小還與激光工作物質(zhì)的性質(zhì)和光波頻率有關。一段激活物質(zhì)就是一個激光放大器。

　　如果，把一段激活物質(zhì)放在兩個互相平行的反射鏡(其中至少有一個是部分透射的)構成的光學諧振腔中(圖1)，處于高能級的粒子會產(chǎn)生各種方向的自發(fā)發(fā)射。其中，非軸向傳播的光波很快逸出諧振腔外：軸向傳播的光波卻能在腔內(nèi)往返傳播,當它在激光物質(zhì)中傳播時，光強不斷增長。如果諧振腔內(nèi)單程小信號增益G0l大于單程損耗δ(G0l是小信號增益系數(shù))，則可產(chǎn)生自激振蕩。原子的運動狀態(tài)可以分為不同的能級，當原子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的光子(所謂自發(fā)輻射)。同樣的，當一個光子入射到一個能級系統(tǒng)并為之吸收的話，會導致原子從低能級向高能級躍遷(所謂受激吸收);然后，部分躍遷到高能級的原子又會躍遷到低能級并釋放出光子(所謂受激輻射)。這些運動不是孤立的，而往往是同時進行的。當我們創(chuàng)造一種條件，譬如采用適當?shù)拿劫|(zhì)、共振腔、足夠的外部電場，受激輻射得到放大從而比受激吸收要多，那么總體而言，就會有光子射出，從而產(chǎn)生激光。

　　【激光的特點】

　　(一)定向發(fā)光

　　普通光源是向四面八方發(fā)光。要讓發(fā)射的光朝一個方向傳播，需要給光源裝上一定的聚光裝臵，如汽車的車前燈和探照燈都是安裝有聚光作用的反光鏡，使輻射光匯集起來向一個方向射出。激光器發(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。1962年，人類第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，按照其光斑直徑將覆蓋整個月球。

　　(二)亮度極高

　　在激光發(fā)明前，人工光源中高壓脈沖氙燈的亮度最高，與太陽的亮度不相上下，而紅寶石激光器的激光亮度，能超過氙燈的幾百億倍。因為激光的亮度極高，所以能夠照亮遠距離的物體。紅寶石激光器發(fā)射的光束在月球上產(chǎn)生的照度約為0.02勒克斯(光照度的單位)，顏色鮮紅，激光光斑明顯可見。若用功率最強的探照燈照射月球，產(chǎn)生的照度只有約一萬億分之一勒克斯，人眼根本無法察覺。激光亮度極高的主要原因是定向發(fā)光。大量光子集中在一個極小的空間范圍內(nèi)射出，能量密度自然極高。

　　(三)顏色極純

　　光的顏色由光的波長(或頻率)決定。一定的波長對應一定的顏色。太陽光的波長分布范圍約在0.76微米至0.4微米之間，對應的顏色從紅色到紫色共7種顏色，所以太陽光談不上單色性。發(fā)射單種顏色光的光源稱為單色光源，它發(fā)射的光波波長單一。比如氪燈、氦燈、氖燈、氫燈等都是單色光源，只發(fā)射某一種顏色的光。單色光源的光波波長雖然單一，但仍有一定的分布范圍。如氪燈只發(fā)射紅光，單色性很好，被譽為單色性之冠，波長分布的范圍仍有0.00001納米，因此氪燈發(fā)出的紅光，若仔細辨認仍包含有幾十種紅色。由此可見，光輻射的波長分布區(qū)間越窄，單色性越好。

　　激光器輸出的光，波長分布范圍非常窄，因此顏色極純。以輸出紅光的氦氖激光器為例，其光的波長分布范圍可以窄到2×10-9納米，是氪燈發(fā)射的紅光波長分布范圍的萬分之二。由此可見，激光器的單色性遠遠超過任何一種單色光源。

　　此外，激光還有其它特點：相干性好。激光的頻率、振動方向、相位高度一致，使激光光波在空間重疊時，重疊區(qū)的光強分布會出現(xiàn)穩(wěn)定的強弱相間現(xiàn)象。這種現(xiàn)象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源發(fā)出的光，其頻率、振動方向、相位不一致，稱為非相干光。

　　閃光時間可以極短。由于技術上的原因，普通光源的閃光時間不可能很短，照相用的閃光燈，閃光時間是千分之一秒左右。脈沖激光的閃光時間很短，可達到6飛秒(1飛秒=10-15秒)。閃光時間極短的光源在生產(chǎn)、科研和軍事方面都有重要的用途。

　　【激光在各行業(yè)中的應用】

　　應用于牙科的激光系統(tǒng)

　　依據(jù)激光在牙科應用的不同作用，分為幾種不同的激光系統(tǒng)。區(qū)別激光的重要特征之一是：光的波長，不同波長的激光對組織的作用不同，在可見光及近紅外光譜范圍的光線，吸光性低，穿透性強，可以穿透到牙體組織較深的部位，例如氬離子激光、二極管激光或Nd：YAG激光(如圖1)。而Er：YAG激光和CO，激光的光線穿透性差，僅能穿透牙體組織約0.01毫米。區(qū)別激光的重要特征之二是：激光的強度(即功率)，如在診斷學中應用的二極管激光，其強度僅為幾個毫瓦特，它有時也可用在激光顯示器上。

　　用于治療的激光，通常是幾個瓦特中等強度的激光。激光對組織的作用，還取決于激光脈沖的發(fā)射方式，以典型的連續(xù)脈沖發(fā)射方式的激光有：氬離子激光、二極管激光、CO2，激光;以短脈沖方式發(fā)射的激光有：Er：YAG激光或許多Nd：YAG激光，短脈沖式的激光的強度(即功率)可以達到1,000瓦特或更高，這些強度高、吸光性也高的激光，只適用于清除硬組織。

　　激光雷達(laser radar)是指用激光器作為輻射源的雷達。激光雷達是激光技術與雷達技術相結合的產(chǎn)物 。由發(fā)射機 、天線 、接收機 、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)射機是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器等;天線是光學望遠鏡;接收機采用各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等。激光雷達采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測方法分直接探測與外差探測。

　　激光武器是一種利用定向發(fā)射的激光束直接毀傷目標或使之失效的定向能武器。根據(jù)作戰(zhàn)用途的不同，激光武器可分為戰(zhàn)術激光武器和戰(zhàn)略激光武器兩大類。武器系統(tǒng)主要由激光器和跟蹤、瞄準、發(fā)射裝臵等部分組成，目前通常采用的激光器有化學激光器、固體激光器、CO2激光器等。激光武器具有攻擊速度快、轉(zhuǎn)向靈活、可實現(xiàn)精確打擊、不受電磁干擾等優(yōu)點，但也存在易受天氣和環(huán)境影響等弱點。激光武器已有30多年的發(fā)展歷史，其關鍵技術也已取得突破，美國、俄羅斯、法國、以色列等國都成功進行了各種激光打靶試驗。目前低能激光武器已經(jīng)投入使用，主要用于干擾和致盲較近距離的光電傳感器，以及攻擊人眼和一些增強型觀測設備;高能激光武器主要采用化學激光器，按照現(xiàn)有的水平，今后5—10年內(nèi)可望在地面和空中平臺上部署使用，用于戰(zhàn)術防空、戰(zhàn)區(qū)反導和反衛(wèi)星作戰(zhàn)等。

　　【中國激光研究新進展對軍事科學意義重大】

　　據(jù)中國科學院消息，經(jīng)過中國科學院物理所王樹鐸研究開發(fā)小組人員的努力，首次實現(xiàn)了對大面積準分子激光能量的直接測量，其有效測量直徑達100mm，在熱釋電型激光探測器的尺寸上為世界之最。經(jīng)過與中國原子能科學研究院的有關專家合作以及在國家實驗室進行的試驗表明，此系統(tǒng)在不同能量區(qū)域(10-20J和100-200mJ)均達到了預期的技術指標。

　　據(jù)介紹，激光聚變研究是一個很有發(fā)展前途的能源開發(fā)課題，激光可控熱核聚變反應必將給人類生活帶來新的轉(zhuǎn)折。激光聚變在軍事科學研究中也具有重要意義。在激光聚變實驗，特別是在間接驅(qū)動聚變研究中，為了生產(chǎn)強的輻射驅(qū)動場，人們正在追求高的X光轉(zhuǎn)換效率，良好的輻射輸運環(huán)境，最佳的輻射驅(qū)動場。在這些研究過程中，對準分子激光的能量進行直接監(jiān)測和研究是非常重要的。

　　該項研究成果表明，該項目的研究開發(fā)除了有實力對已開發(fā)的產(chǎn)品市場不斷開拓外，對國家正在發(fā)展的應用需求項目也具備了承擔和開發(fā)能力。 參考文獻：

　　[1]孫長庫 葉聲華《激光測量技術》。

　　[2]蘇顯渝 李繼陶《信息光學》。