光通信研究方向十篇

光通信研究方向篇1

[关键词]量子计算 量子通信 通信效率 安全通信

中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）09-0128-01

引言

随着科学技术的飞速发展，量子信息学逐渐得到人们的关注与重视，在近代物理学、计算机科学等领域都有所涉及。通过量子力学的基础，不断的发展与延伸。量子信息学，是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的态叠加原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学。包括量子密码术、量子通信、量子计算机等几个方面。我们在这里，着重的了解一些量子通信。

一、 量子通信协议概念

1，量子通信协议定义

量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。其中隐形传送是指脱离实物的一种“完全”的信息传送。可以想象：先提取原物的所有信息，然后将这些信息传送到接收地点，接收者依据这些信息，选取与构成原物完全相同的基本单元，制造出原物完美的复制品。实际上是一种对于通信地保密性的传输。是一种在理论上可以保证通信绝对安全的一种通信方式。由于量子力学中的不确定性原理，是不允许精确地提取原物的全部信息，因此长期以来，隐形传送不过是一种幻想而已。

2，量子通信与光通信的区别

量子通信与光通信的区别，在于在通信中用的光的强度是不同的。光通信一般采用是强光，包括无线电、微波、光缆、电缆等具体形式。通过偏振或相位等的调制方式来实现。量子通信讨论的是光子级别的很弱的光，通过对光子态的调制，但是主要利用了光子的特性，量子态不可克隆原理和海森堡不确定性关系。这也是区别于光通信的重点。

二、量子通信基本方式

量子通信在量子力学原理的基础上，通过量子态编码和携带信息进行加工处理，将信息进行传递。只要包括：量子隐形传态、量子密钥分发等，下面主要介绍这两个组成部分：

1，量子隐形传态

量子隐形传态，又称量子遥传、量子隐形传输。经由经典通道和EPR 通道传送未知量子态。利用分散量子缠结与一些物理讯息的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。它传输是量子态携带的量子信息。想要实现量子隐形传态，要求接收方和发送方拥有一对共享的EPR对，即BELL态（贝尔态）。发送方对他的一半EPR对与发送的信息所在的粒子进行结合，而接收方所有的另一半EPR对将在瞬间坍缩为另一状态。根据这条信息，接收方对自己所拥有的另一半EPR对做相应幺正变换即可恢复原本信息。到乙地，根据这些信息，在乙地构造出原量子态的全貌。量子隐形传态大致可以这样描述：准备一对纠缠光子对，一个光子发送给有原始量子态（即第三个光子）的甲方，另一个光子发送给要复制第三光子的量子态的乙方。甲方让收到的一个光子与第三光子相互干涉（“再纠缠”），再随机选取偏振片的方向测量干涉的结果，将测量方向与结果通过普通信道告诉乙方；乙方据此选择相应的测量方向测量他收到的光子，就能使该光子处于第三光子的量子态。

量子隐形传态作为量子通信中最简单的一种，是实现全球量子通信网络的可行性的前提研究。它的存在与应用，可以完全的保证用户的信息安全，通信保密，同时如果出现有人窃听的现象，将会及时的进行信息的改变，保证内容的“独一无二”。

2，量子密钥分发

量子密钥分发以量子物理与信息学为基础，是量子密码研究方向中不可缺少的重要部分。被认为是安全性最高的加密方式，实现绝对安全的密码体制。当然这只是理论上的内容，在现实生活中还是有一定的差距。只是理论上具有无条件的安全性。1969年提出用量子力学的理论知识进行加密信息处理。到了1984年，第一次提出量子密钥分发协议，即BB84协议。随后又提出B92协议。2007年，中国科学技术大学院士潘建伟小组在国际上首次实现百公里量级的诱骗态量子密钥分发，解决了非理想单光子源带来的安全漏洞。后又与美国斯坦福大学联合开发了国际上迄今为止最先进的室温通信波段单光子探测器――基于周期极化铌酸锂波导的上转换探测器。解决了现实环境中单光子探测系统易被黑客攻击的安全隐患。保证了非理想光源系统的安全性。生成量子密钥大致为：准备一批纠缠光子对，一个光子发送给发信方，另一个光子发送给收信方。测量光子极化方向的偏振片的方位约定好两种。两人每次测量一个光子时选择的方向都是随机的，但要记录下每次选择的方向，当然也要记录下每次测量的结果，有光子通过偏振片就记1，无光子通过则记0。通过普通信道两人交换测量方向的记录，那些测量方向不一致的测量结果的记录都舍去不要，剩下的那些测量方向相同所对应的测量结果，两人应一致，这一致的记录就可作为两人共同的密钥。

总结

经典通信较光量子通信相比，量子通信具有传统通信方式所不具备的绝对安全特性。具有保密性强、大容量、远距离传输等特点。量子通信不仅在军事、国防等领域具有重要的作用，而且会极大地促进国民经济的发展。逐渐走进人们的日常生活。为了让量子通信从理论走到现实，从上世纪90年代开始，国内外科学家做了大量的研究工作。自1993年美国IBM的研究人员提出量子通信理论以来，美国国家科学基金会和国防高级研究计划局都对此项目进行了深入的研究，欧盟在1999年集中国际力量致力于量子通信的研究，研究项目多达12个，日本邮政省把量子通信作为21世纪的战略项目。我国从上世纪80年代开始从事量子光学领域的研究，近几年来，中国科学技术大学的量子研究小组在量子通信方面取得了突出的成绩。

参考文献

[1]莫玲 - 基于专利分析的欧盟量子通信技术发展现状研究《淮北师范大学学报：自然科学版》 - 2015.

[2]徐兵杰，刘文林，毛钧庆，量子通信技术发展现状及面临的问题研究《通信技术》 - 2014.

[3]胡广军，王建 -量子通信技术发展现状及发展趋势研究 《中国新通信》 - 2014.

[4]肖玲玲，金成城 - 基于专利分析的量子通信技术发展研究《全球科技经济t望》 - 2015.

[5]宋斌 - 空间量子通信技术发展现状《移动信息》 - 2015.

光通信研究方向篇2

【关键词】光通信课程群；光纤通信；光网络；教学改革

光通信课程群包括光学基础，电磁场、微波技术、光电子、光纤通信以及光网络等多门基础与应用课程，是电子信息类专业的主干课程群，具有覆盖面广、知识点多、抽象难理解等特点，一直以来是学生感兴趣但又畏惧的课程体系，处于有用但难学的尴尬局面。另一方面，作为当代通信的主干通道，光通信技术几乎以每年10倍的速度得到了高速发展，国家信息高速公路和广电网、互联网、电信网的“三网合一”的持续展开，光通信技术特别是光纤通信网络系统以其超大容量，稳定可靠，保密性强，网络可扩展，网络结构开放透明等优点已经成为了不二的技术选择。高校教学应该顺应社会需求，积极开展光通信类课程群的教学改革探索。我们结合二本院校的教学实际情况以及光通信行业调研结果，谈谈对课程群教学改革的一些认识。

1 光通信课程群的教学现状

早在八十年代随着光纤通信技术的普及应用，一些高校高瞻远瞩，紧跟社会发展需求，开设了光通信相关课程，为社会培养了一批光通信专业人才。时至今日，光通信已经成为许多电子信息类高校的特色学科方向。然而，随着光通信技术的不断发展以及全球行业需求的变化，原有的课程体系暴露出一些不足和缺陷，具体表现为以下几个方面：

1.1 课程设置不够合理

课程设置对基础强调不足， 基础必修课程设置偏少。许多高校开设的光通信课程过分强调应用技术而忽略基础层面的理解，导致学生学习时不懂原理，对技术的更新发展把握不住重点。课程体系设置的系统性不够强。光通信技术覆盖的范围较广，在设置课程体系时往往顾此失彼，没有突出该领域的特点，应该以光纤通信为主干，光网络、光接入作为应用技术，合理系统地设置课程体系。

此外，光通信课程之间知识梯次和内容的安排存在交叠和断层现象。诸如《光电子技术》、《光电器件》和《光纤通信》等课程中都涉及到激光器和光探测器的介绍，课程内容存在重复，既浪费学时同时教学效果又不好。

1.2 教学手段单一

授课方式比较单一。除传统板书教学外，多媒体技术的应用不够深入，光通信类仿真工具几乎很少使用，这与行业普遍使用仿真工具进行开发的现状不符，远远达不到企业对人才技能的要求。

1.3 内容陈旧，实践环节脱节

课程与相应的实验教学环节联系不密切。受客观条件限制，一些基础课和专业课没有设置实验，或实验设置不够合理，与理论教学衔接不紧密。有些课程内容比较陈旧，不能适应当今社会飞速发展的光通信需求。在现有的光通信课程体系中，主要以光纤通信作为主干课程，对光网络传输技术重视不够，对于目前国家大力提倡的三网融合技术涉及很少，部分课程内容已经落后于社会对技术的需求。

由此可见，现行的课程体系并不能有效保障学生掌握社会所必需的光通信专业知识和技能。因此，如何在现实情形下，突破现行课程体系对学生专业能力培养的不足，改善因课程设置不完善和不合理而造成的学生动手能力弱，社会适应性差的状况，真正提升光通信方向学生面对企业真实情境时的职业能力，是当前光通信类课程教学急需解决的问题。

2 光通信课程群的教学改革研究

根据前面所述的光通信课程群教学中存在的问题，我们提出教学改革的主要思路为：

2.1 确定当前光通信行业所需的工程素质和技能的核心范畴，以此为培养目标，确定“光通信课程群”教学单元的教学大纲。课程群教学大纲要整合现有课程教学资源，明确课程群内各课程的教学目标和教学内容，加强相互之间的衔接与联系。

2.2 优化光纤通信和光网络技术主干课程，加强光接入技术特别是FTTx技术的教学内容，着重培养学生应用网络建模工具分析与构建光网络的能力，使之适应当前三网融合的技术需求。

2.3 改革创新实验内容，实验内容要反映现代光通信的主流技术与应用场景。各课程相配套的实验如何做到相互衔接，并增加基础光学实验，课程设计要围绕主干课程展开，力求“实用性”和“先进性”。

2.4 探索光子仿真工具在光通信相关课程中的应用。除传统板书教学和多媒体教学技术外，在理论教学和实验环节引入业界流行的光子仿真设计工具，可有效提高学生的实际设计能力，增加对所学知识的理解。

2.5 实施本科生研究计划，鼓励学生参加科研和创新活动。将部分老师承担的光通信相关科研课题分解出小型研究项目，使本科生有组织、有计划地参加课外研究项目，接受科学研究基础训练，培养学生的协作能力与团队精神，提高学生独立思考的能力和交流表达的能力。

3 结语

我们针对电子科学与技术本科专业光通信方向，根据当前三网融合的行业发展需求，研究了光通信课程群改革的特点和规律，探索构建多层次的课程群教学体系。目前该研究成果在已经实施的本科生教学改革中初见成效。

【参考文献】

[1]贾婷，冯暖，李娜，刘平，李志.光通信技术课程教学改革探索[J].黑龙江科技信息，2013，13：261.

[2]王文珍.光纤通信实践教学探索[J].中国电力教育，2013，01：134，147.

[3]沈骁，陈陶，丁松峰.光通信综合实验教学研究与改革[J].实验室研究与探索，2011，02：124-125，167.

[4]阎春生，李明宇，林远芳，时尧成，胡海洋，伊蔚.本科生光通信实习课程的建设与实践[J].实验室研究与探索，2012，07：170-172.

[5]林琪，马晓明.以市场需求为导向的光通信专业建设范例研究[J].中国科教创新导刊，2011，05：68-69.

光通信研究方向篇3

“武汉・中国光谷”在2000年开始建设时还是一个概念，经过5年的创业发展，现在已成为我国在光电子信息领域参与全球竞争的标志性品牌。

作为“武汉・中国光谷”的龙头企业，武汉邮电科学研究院・烽火科技集团以雄厚的技术力量和规模化产业能力带动了光谷内大批从事光通信、软件、通信终端、计算机等行业的企业发展，构筑起流畅、高效、丰富的行业产业链。

烽火科技集团在“武汉・中国光谷”中居于核心地位，拥有光通信产业国内领先技术和国际商用化最高水平技术，已形成覆盖光纤通信技术、数据通信技术与无线通信技术三大产业的发展格局，旗下拥有多家公司，包括上市公司、控股公司、全资公司与合资公司，集团总资产超过55亿元，2004年总销售额30亿元。经国家批准为“国家光纤通信技术工程研究中心”、“国家光电子工艺中心（武汉分部）”、“国家高新技术研究发展计划成果产业化基地”、“亚太电信联盟培训中心”、“信息产业部光通信产品质量监督检验中心”。

创造中国光通信领域多项“第一”

成立于1974年6月的武汉邮电科学研究院，2000年10月经国务院批准转制为中央直属科技企业即武汉邮科院・烽火科技集团，2003年归国务院国资委管理。

经过30多年的发展，武汉邮科院・烽火科技集团与时俱进，不断开拓，自主创新，产业报国，多次承担国家“863计划”等重点攻关项目，共取得500多项重大成果，其中90%以上的科研成果均已转化为产业；累计制定国家标准近百项、行业标准200多项、国际通信标准3项；申请了370多项国内专利、几十项国外专利，创造了一系列中国光通信领域的“第一”。

曾几何时，我们打电话，特别是打长途电话有时不太清楚，还经常占线或掉线。上世纪80年代后期，细如发丝的光纤通信开始在全球范围内取代传统的铜线通信，数百万人可以同时通话。然而光纤产品因技术尖端被少数发达国家所掌握，且价格很贵，如用于长途干线的G655光纤一公里要几百美元。

1976年，中国的第一根光纤在武汉邮科院诞生。随后独立自主研制出G651、G652、G653、G655光纤、特殊光纤等；其价格从每公里几百美元降至一百多元人民币。

1981年，该院研制出中国第一支光纤通信用长波长光器件；

1982年，中国第一个实用化光纤通信系统工程由该院研制并在武汉电信投入使用；

1993年，他们创造出中国第一套565Mb/s PDH设备（准同步数字系列）；

1997年，中国第一个2.5G SDH（同步数字系列）干线工程由该院研制并在海口至三亚开通；

1997年，中国第一个8X2.5G DWDM（密集波分系统）干线工程由该院研制并在济南至青岛开通；

1998年，该院36岁的余少华博士代表中国政府向国际电信联盟（ITU－T）提交第一个IP通信领域文稿“IP over SDH using LAPS”提案，并于2000年获得批准，批准号为：ITU- T X.85（IP宽带接入标准）；

2001年，余博士又代表中国政府向国际电信联盟提交的第二个IP通信领域文稿“Ethernet over LAPS ”获得批准（ITU-T X.86）；

2003年，该院再一次代表中国政府向国际电联提交的第三个IP通信领域文稿“城域网多业务环（MSR）”获得批准（ITU-T X.87）。

X.85标准是中国首个被国际电信联盟正式采纳的重大标准。这些提案被批准标志着我国这项研究已经取得国际领先地位。这些起点高、技术含量高的标准的制定对于推动我国乃至国际通信产业的发展具有重大作用。围绕这些重大提案中的核心技术，该院申请了发明专利20多项，并申请了国外专利进行保护。

突破关键领域掌握核心技术

依托多年的技术积累，目前烽火科技在下一代光传送网、下一代无线通信网、下一代交换网（Softswitch）、下一代接入网（FTTH）等领域已取得了令人瞩目的成果，尤其是在一些关键技术上获得重大突破，掌握了一批具有自主知识产权的核心技术，为集团的可持续发展奠定了坚实基础。

针对现有传送网络大容量、高速率、超长传输的发展趋势，近年来烽火科技先后承担了“40Gb/s SDH（STM-256）光纤通信设备与系统”、“自动交换光网络（ASON）节点设备研制与系统试验”、“Tbps级DWDM传输系统的研制（80×40Gb/s(3.2Tb/s)）”、 “WDM超长距离光传输技术的研究与实现（ULH）”等一系列国家重大科研课题，目前均通过课题验收，充分显示出烽火科技强大的技术创新能力，保持了在光网络的领先地位。

由烽火科技承担的国家“863计划”重大科研项目“3Tnet可扩展到80×40G DWDM传输系统设备工程化与试验”，成功通过由信息产业部电信传输研究所等单位组成的测试小组的厂验，并服务于中国电信80×40Gb/s DWDM 上海―杭州工程。该工程不仅是国家“863计划”高性能宽带信息网的重要组成部分，同时也是国内首条80×40G DWDM系统工程线路。这是目前世界上容量最大的实用化光传输设备，有80个通道，能容纳8000万人同时通话，可直接传输3000公里以上，2006年正式开通。这项技术的商用化，在全世界也是首次，充分展示了我国光通信技术的领先水平，必将为国家信息化基础设施创造良好条件。

作为国家“863计划”信息技术领域的新成果，该工程将以TbpsDWDM传输系统的研究成果为基础，进一步将80×40G DWDM系统产品化，将系统应用到实际工程中，以推动我国超大容量传输技术的发展和实用化进程。工程所采用的Tbps（80×40Gb/s）DWDM传输系统是一种超大容量的密集波分复用光传输系统，能够适应高性能宽带网络的总体需求。系统具有最大支持C+L波段80波的能力，单通道速率达到42.8G，总容量最大为3.2Tb/s；具备超强前向纠错SFEC功能，线路传输码型采用技术成熟、低成本的NRZ码；设备的性能指标在国内外均处于领先地位，拥有自己的核心技术知识产权，首次采用NRZ码在实际的G.652光纤上实现无电中继传输800km。项目实施后，不仅可使烽火科技全面掌握40G DWDM长距离光传输的核心技术，积累丰富的工程建设经验，而且也将大大提升上海―杭州之间传输网络的容量，为新的业务应用提供优秀的承载平台，使我国DWDM设备的商用水平与国际先进水平保持同步。

除了在传统光网络取得一系列突破外，烽火科技还积极抓住3G（国际第三代移动通信）、NGN（下一代网络）、FTTH（下一代接入网）的发展机遇，布局面向未来的业务增长点，全方位提升业务综合竞争力。通过近几年的努力，烽火科技在这几大领域的技术实力突飞猛进，逐步跻身于国际先进行列。

以用户为中心创新研发体制

以前，武汉邮科院承担了许多前瞻性的国家纵向项目，主要按照合同的技术要求来做，对市场需求则考虑得较少。有的产品出来了，虽然技术也很先进，但很难走向市场，其主要原因便是立项之初没有对产品进行准确的市场定位。因此，烽火科技集团对研发体制进行了创造性的改革，形成了从市场中来到市场中去的闭环思维，初步建立起面向市场的快速反应研发体系，科技成果的产业化进程明显加快。

为了增强研发部门的市场意识，集中优势兵力突破核心技术，烽火科技对研发组织结构进行了扁平化改革，同时将责、权、利下放。按照研发领域的不同，研发部门主要划分为传输产品部、接入网产品部、微电子设计部和技术部。传输产品部立足光通信方面的研究和产品开发，确保集团在全光网和高速光通信领域的领先地位；接入网产品部主要研究开发宽窄带数据产品，为如火如荼的宽带网络建设和城域网建设提供优秀的解决方案；微电子设计部和技术部则将ASIC芯片开发和以软件为主的网络运行、维护、应用的产品研究开发作为主攻方向。此外，技术部还为每个部门提供综合性技术支撑服务。在此基础上，实行项目经理负责制，从科学立项到产品释放再到售后服务，一竿子插到底，全过程都渗透着市场意见。为了加强项目研发的科学性、针对性和适用性，使项目出来后是能满足用户需求的产品而不是科研样机。

烽火科技在项目研发前，对项目进行产品综合市场分析和市场定位，成立由市场人员参与的项目小组，充分吸纳市场意见后再确定研发方向。市场人员参与研发决策还用制度予以保障，在市场人员的考评中，对科研提供的市场信息将作为考核标准之一。除此之外，烽火科技还直接选派科研人员深入到市场一线，或是让科研人员直接参与一些重大工程的维护，使他们详细了解产品在工程中的应用情况，亲身感受用户对产品的看法和要求，所获得的信息经过整理和讨论后将成为下一阶段研发工作的重要指导依据。

他们还坚持以用户为中心，根据市场需求及时调整研发策略和研发方向，用户和市场成为主导，研发顺序由原先的科研、生产、市场转变为市场、科研、生产，项目的开发不仅仅是技术的驱动，更是市场需求的驱动，需求的变化将直接左右着科研项目的研发方向。这些措施缩短了科研与市场的距离，增强了对市场的快速反应能力，提高了项目立项的科学性、可行性和准确性。

在进行改革的同时，烽火科技集团每年也在加大研发投入力度。尤其在烽火通信上市后，公司将所募集的16亿多资金全部投入到了通信系统传输设备、光纤接入设备/数据交换机和光纤光缆三大类产品的研究开发和技术改造项目中，并以此为契机全面提升烽火通信的科研和产业能力，抢占行业制高点。

除了在高端传输设备上的突破，烽火科技集团还结合新形势下出现的新需求，对中低端传输设备加以改进和完善，使之更贴切用户实际。他们针对城域网业务种类多、业务流量变化大的特点，推出了新一代的基于MSTP的城域网产品，它以其丰富的业务接口、强大的交叉能力、灵活的组网和网络管理能力为各大运营商提供了完整的城域网解决方案。目前，烽火科技的城域传输设备市场占有率迅速攀升，广泛应用于电信、移动、联通、铁通、广电、电力、军队等各大运营商和专网用户的通信建设中，为促进我国通信产业的发展作出了积极贡献。

培育创新型人才

间于天地之间，莫贵于人；百年之计，莫如树人。研发实力、技术实力、竞争实力的背后是人才实力。人才争夺战已是我国通信市场上又一轮竞争的焦点。

光通信研究方向篇4

引 言

光通信是一种以光波为传输媒质的通信方式。光波和无线电波同属电磁波，但光波的频率比无线电波的频率高，波长比无线电波的波长短。因此，光通信具有传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点。

光波按其波长长短，依次可分为红外线光、可见光和紫外线光。红外线光和紫外线光属不可见光，它们同可见光一样都可用来传输信息。光通信按光源特性可分为激光通信和非激光通信；按照传输媒介的不同，可分为有线光通信和无线光通信。常用的光通信有大气激光通信、光纤通信、蓝绿光通信、红外线通信和紫外线通信。

1、光通信系统

数据源被传送到远端的某个目的地。数据源的输出波调制到一个光载波上，光载波以光场或光束的形式通过光通道进行传输。在接收端，光场被征集和处理。通常，检测时会伴有噪声干扰、信号变形、内存背景辐射。此系统中传输载波是光波频段，系统的工作方式与其它采用调制方式的通信系统是相同的。而光波系统所采用的器件与无线电射频系统所采用的标准器件大不相同。它们在使用方法、特性方面有很大的差异，需要不同的设计过程[1]。光通信系统方框图如图1所示。

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2、宽带通信技术

宽带通信依托综合化、数字化、宽带化、智能化、多样化的光通信网，向用户提供语音、数据、图像、视频的交互式多媒体信息服务。宽带的通信质量和能力都远远超越了窄带通信系统，表现于数据通信能力和图像通信能力等。

宽带通信技术发展趋势和特点：目前我国城市正处于快速发展阶段，农村地区处于市场导入期，潜力巨大。2011年全国农村宽带家庭普及率为10%，预计未来3年加速增长，2012年为14%，2014年将达到20%，随着城市化进程的加快，互联网将成为改变城乡二元结构、缩小城乡差距的重要手段之一。发展宽带通信业务已经成为国内运营商的战略抉择，也将成为国内市场竞争的焦点。未来宽带通信业务的趋势是（1）宽带接入普及率逐渐提高；（2）宽带通信业务趋于个性化；（3）宽带通信业务不断多媒体化、融合化；（4）宽带集成通信业务将快速发展；

3、网络的宽带化和光纤通信

20世纪70年代后半期，光纤作为使用传输技术引进以来，其研究开发的历史一直走传输容量大和应用领域扩大的路。支撑互联网通信量爆炸性增加的是光纤预计今后将推进图像信息等高速信息流的配送服务和tv会议等丰富的双向多媒体通信等宽带服务的引入，网络的宽带化是必然的，其中，作为构建未来宽带遍布网络的技术，光纤和移动通信无疑是璀璨的双壁[2]。综上所述，可以把光纤通信技术的研究开发动向概括为以下三个方面。

（1）传输介质的大容量化。大传输容量技术是极大限度地利用传输介质的能力，以提高传输效率的技术，是以往所有传输系统开发一贯专注的技术。从这方面讲，具有很大潜在传输频带的光纤的大容量化是今后研究的重点。大容量化是光放大波段的扩大，在波段中信道的高密度复用、信道传输速率的高速化、远距离传输技术。即光放大波段扩大是从初期1550nm波段附近的20-30nm，大了1450-1650nm的200nm，将近扩大一个数量级。这与波长信道高密度复用和频率利用率的提高相结合。可以进行超过100信道的波分复用传输。而且每个信道的传输速率也可用以往电子式时分复用，现在达到40gbit/s。对于光领域的tdm（time division multiplexing）技术，达到了数百吉比特每秒的高速率。为实现宽波段远距离超高速传输，必须实现全信道均匀传输特性，必须进行放大器、传输码、色散管理等技术及其综合技术的研究。

（2）网络化技术。随着wdm的引入，因链路的大容量化，而使链路容量超过节点处理能力，则出现电子瓶颈这一新问题。因此，关于网络的研究正在飞速发展。这项研究是将光分插复用器或光交叉连接引入节点内，不仅是链路，而且节点也光化，利用光级别的接通技术，要有效地构建性能价格比很高的网络。

转贴于 http://

光子网络的技术基础是wdm技术。但wdm技术不仅仅是点对点链路技术，其最大特点是作为网络技术来使用[3]。

（3）使用光纤的接入系统宽带化的相关技术。http://目前的光接入系统有两种，一种是改造现有设备的经济上较为合算的系统；另一种是可以提供新服务项目的系统。

4、在新领域中的光通信技术

以传输速率数十兆比特每秒的中小容量光纤系统的引入为开端，从20世纪70年代的后半期开始，以公用通信网为主，推进了系统高速化和大容量化。对公用通信网之外的领域也研究引入光纤、对飞机、汽车等移动物体内和计算机之间和机器之间也引进了光纤。此时，出现了微波光子学的领域，并针对移动通信、先进道路交通系统、阵列天线、计量等领域的应用进行了研究开发。光空间通信系统是在光纤通信的研究正式开展的20世纪70年代前半期研究的领域。

光通信研究方向篇5

他，是铁杆武侠迷，看遍金庸的每一本武侠小说；

他，是地道闽南人，钟爱那一曲《爱拼才会赢》；

他，是曾经贫困的渔家子弟，能吃上一餐煮地瓜就已经很满足；

他，是今天誉满学界的中国科学院院士，成就等身却依然奋力前行。

他就是郭光灿，一个古稀之年依然求新、求变的执着科学家。他在科学的道路上细细品味，演绎了一段激扬的科研人生。

痴迷量子，不可自拔

按照郭光灿所说，他研究量子技术“纯粹是兴趣爱好和跟着感觉走”，他也不知道未来会发展成什么样儿，只是直觉告诉他，这个方向一定能挖掘出许多新的技术。也许正是这种好奇心的驱使，郭光灿大胆地将研究从无线电转向了物理学领域，这一转便与量子结下了不解之缘，一发而不可收。

其实最初郭光灿研究的是激光，1974年他与同事一起成功研制出了国内第一台氮分子和染料激光器，并夺得当时的全国科学大会奖励，研究道路一片平坦。但在上世纪80年代初，他开始迷上量子，毫不犹豫放弃了小有成就的气体激光器研究，进而转战研究量子光学理论。1981年左右，郭光灿出国访问学习，他发现在国内仍然处于空白的量子光学，在国外已经发展了近20年，而且各方面研究已经做得风生水起。可郭光灿仍然不死心，“不管这个领域在国内多落后，我依然坚持做下去，还要做出成绩来。”

1983年，郭光灿回国，为了迎头赶上落后20年的差距，他花费大量时间和精力自学量子理论，甚至跑去蹭一些量子场论这样的理论物理基础课，工作学习到深夜更是家常便饭。那时受到“”的影响，国内学术环境不是太好，郭光灿依靠少量经费，奔波全国各地宣讲量子研究的重要性，立志要培养出一批中国的量子科学技术研究人才。

经过整整10年的蓄积，郭光灿不仅为国家培养了一大批研究生，也让世界量子光学理论研究的舞台听到了来自中国的声音。如今国内从事量子光学及相关领域研究的人才大多受到他的启蒙。回忆这段激情岁月，郭光灿依然记忆犹新，难以忘怀，他说这才是真真切切的十年磨一剑。

转战量子信息，成为领头羊

上世纪90年代初，郭光灿再次从量子光学转战量子信息技术，这一转使他成为我国量子信息领域最有成就的科学家和领头羊。

郭光灿说，不论是现在的计算机还是通信技术，到一定极限可能就没办法再发展下去，要突破就必须运用新原理，而把量子理论与信息技术结合，能够实现许多现在信息技术无法实现的功能。比如量子密码学理论上能保证通信的绝对安全，这是经典密码学做不到的。再如目前备受关注的量子计算机，一旦生产出来，将使人类文明大踏步发展。“如果量子技术能够得到充分挖掘，一定会大大改善人类社会的生产力。”

尽管如此，郭光灿最初研究量子信息技术却坐了近十年的冷板凳。当时国际上刚刚兴起量子信息技术研究，国内尚无人对该领域的发展有所认识，自然也没人关注。早期，郭光灿的工作几乎没有得到过重视，更别说申请大的项目支持。为此，他带着研究生做了许多宣传工作。“我们在相关物理学杂志上发表大量介绍量子信息的科普性文章，得到了许多高校的响应。我还利用香山会议宣传量子信息技术，慢慢的国内学术界开始了解量子信息的重要性，但要得到重视，道路仍然漫长。”

那几年郭光灿孤军奋战，常常有种“独守空房”的落寞和心酸，但即使要借钱买设备，他也坚持做研究。申请项目失败一次就再来一次，屡战屡败，屡败屡战。2001年，量子通信和量子信息技术终于得到国家重视，在科技部973计划中正式立项，郭光灿当之无愧成为项目首席科学家。他发动国内多家单位组成课题组，利用原有的量子光学研究基础，获得量子避错编码方面的一系列成果，又首先在国际上提出了量子概率克隆的方法，被国际学术界称为“段—郭界限”。

2001年在中国科学院的支持下，由郭光灿领导的量子信息重点实验室成立，除了承担量子信息的理论研究之外，实验室还确定了量子密码与量子器件、冷原子物理、低维光学体系、量子输运与量子计算、表面等离子体与量子传输、介质微腔等多个研究方向。由于在中国量子信息研究中作出重要贡献，郭光灿2003当选为中国科学院信息科学学部院士。

2004年底，郭光灿先于其他国家，首次解决了量子密钥分配过程的稳定性问题，经由实际通信光路实现了125公里单向量子密钥分配，成为当时国际上公开报道的最长距离的使用光纤量子密码系统。2007年在北京实际光纤网络上实现第一个全通型的量子密钥分配网络；2009年在芜湖市实现世界上第一个量子政务网。据郭光灿介绍，量子密钥是保障通信安全的终极技术手段，它提供了一种不可窃听、不可破译的新一代密码技术，任何窃听者在信息传输过程中截取或测量，都会改变量子密钥的状态，从而被及时发现。

有专家预测，量子通信技术可能在未来20至30年后，对人类社会发展产生难以估量的影响。目前，美国、日本、中国以及欧洲多个国家都在积极研究量子信息传输技术，量子通信必将会成为今后世界各国竞争的焦点。而郭光灿和他的团队也已经规划好了“十二五”期间的发展。

他表示：“量子密码我们已经研究了十几年，下一步是要实现应用，争取将国内密码技术提高到量子密码技术水平。针对固态量子计算机最核心的量子芯片，我们尝试用半导体芯片做量子芯片。此外，我们打算运用所研制的迄今世界上最高水平的八光子纠缠源和固态量子存储器研制量子纠缠网络，实现分布量子计算等新信息功能。”

郭光灿的每一次选择，就是一次创新和超越，且都获得了成功。这一次他用执着和坚持点燃了我国量子信息的火焰，推进了国内量子信息研究的发展。

挑战量子计算机，力争抢占制高点

如今，已是古稀之年的郭光灿，又向更高难度的量子计算机发起了挑战。他说：“量子计算机是整个量子信息领域最重要、最主流的方向，谁先研制出来，谁就在战略上占有制高点。我希望还能发挥余热，为国内量子计算机的研究贡献一己之力。”

据郭光灿介绍，美国政府曾说过，美国想要保持世界领袖地位，就要高度重视量子信息技术的发展，其主要指的就是量子计算机技术。为此，美国政府于2009年启动了“微型曼哈顿计划”，集中精力发展量子计算机。

量子计算机之所以得到如此重视，主要有两方面原因。一方面，目前常规电子计算机的发展已经接近其物理极限，必须要有新的计算机代替；另一方面，量子计算机除了体积小之外，处理数据也不像常规计算机那种串行运算模式，而是运用并行运算，大大提高运算速度。

有专家曾指出，分解一个有400个数字的合数，用最快的超级计算机也得需要几百万年时间，而量子计算机只需一年左右。量子计算机将为人类提供一种强大无比的计算工具。

但郭光灿表示，要制造出这样一台功能强大的量子计算机，难度非常大。“量子计算机是靠量子物理原理来实现并行运算的，但目前科学界对量子理论的把握还面临着许多未知困难，对微观量子态的控制一直没有找到更加有效的办法，特别是还未找到可集成、可扩展、可容错的材料来实现这种量子计算。这项研究实质上是对人类操控量子世界能力的极大挑战。”

不过，即使困难重重，郭光灿依然充满信心。他说：“从前觉得研制出一台量子计算机，是件相当遥远的事情，但现在看来，量子计算机的研究已经初见端倪，最新的研究进展使人们看到了曙光。只要国家赶快部署，把量子计算机，尤其是量子芯片作为重点，给予大力支持，我们还来得及先发制人，甚至可能抢先做出成果。”

要想量子计算机的研制获得成功，我们不能再重蹈没有核“芯”技术的覆辙。为此，郭光灿及其团队已经锁定了固态量子计算机最核心的量子芯片研究，初步确定了利用半导体芯片制作量子芯片的思路。郭光灿透露：“这项研究非常艰苦，国际上没有几家能做，如果这条路走得通，我们就能在较快时间内做出量子计算机。”

我国《中长期科技发展纲要》已将量子调控列入重大基础研究计划，这有力推动了量子信息的发展。但郭光灿也指出：“我国基础和研究累积都比较薄弱，在国际主流方向上作出原创性的成果还很少，特别是在量子计算机这个学科的主流方向上，面临着严峻的挑战。因此在保持量子调控重大专项的基础上，我国迫切需要有自己的‘微型曼哈顿计划’。”

郭光灿建议，相关部门应组织国内精锐研究队伍，提供足够强大的优势，集中火力冲击量子计算机研究。同时，由于量子计算机的研究面临着难以想象的困难，可能会出现很长时间都无法突破的状况，所以对科研人员来说，要耐得住寂寞，先老实做好基础积累，再静下心来攀登高峰。

郭光灿把更多的期望寄托在了年轻人的身上，他说：“未来我国量子信息技术会发展到什么程度，完全取决于现在这一代人的水平和激情。量子信息技术研究不像其他领域容易出成果，所以年轻人一定要有激情，要全情投入，也一定要坚信你们的选择，把它作为终身事业。我希望可以看到更多的人参与我国量子信息技术的研究。”

不断超越，品味“挖宝”乐趣

郭光灿是地道的闽南人，出生在福建一个普通渔民家庭，从小在海边长大，见惯了惊涛骇浪。也许正是因为这样，他才更懂得拼搏对于人生的意义。

几十年如一日的繁忙，郭光灿难有休息时间。他感谢这些年家人给了他最大的理解和支持，让他可以心无顾虑、全力以赴做科研。

他自嘲比起那些成天到晚扎在科研里的同僚，他算是比较正常的，因为他的生活还算丰富多彩。忙里偷闲的时候，他喜欢看书，《道德经》、《周易》、《逍遥游》，他都看得津津有味。但似乎武侠小说才是最爱，他有点骄傲地说：“金庸的武侠小说，我一本不落地全部看完。”

他兴致上来的时候，还会与友人切磋一下保龄球，打打羽毛球。他偏爱古典音乐，也钟爱流行歌曲，百听不厌的是那首《爱拼才会赢》。

“三分天注定，七分靠打拼，爱拼才会赢。”无论是科研工作还是日常生活，难免会遇到困难和不愉快的事情，这个时候郭光灿就会鼓励自己，不要丧气，要敢拼、敢闯。只要坚定信心，总会有长风破浪，“直挂云帆济沧海”的一天。

光通信研究方向篇6

 

一、引言

 

研究型教学模式是相对于以单向性知识传授为主的传统教学模式提出的。它是以培养学生综合素质，尤其是实践能力和创新能力为目的，以问题为中介，以研究为手段，以教师和学生的良性互动为基础的一种新型教学模式，也是融学习与研究为一体的教学方法。其主要优点是可通过一个个的问题和专题对学生进行引导，调动学生的参与热情，提高学生自主发现、研究和解决问题的能力，从而培养自主创新型人才。

 

传统的课堂教学模式，更多地注重依照教材内容来进行授课，虽中规中矩却难以培养出学生的创新精神。研究型教学模式以学生为主体，以促进创新为目标，越来越受到高等院校的重视。德国的洪堡最早提出了科研与教学并重的思想[1]，提倡通过研究进来促进教学。但直到20世纪末，研究型教学才真正得到教育界的普遍关注。在美国、芬兰、德国、丹麦等国家的大学本科教学体系中，已经开始了研究型教学的实践，逐渐形成了一系列的实践方法和经验[3]。根据研究型教学理念，一些世界著名高校推出了“新生研讨课”、“本科创新训练计划”、“本科生科研计划”等多种措施，把研究性和创新性教学作为本科教育的一个重要组成部分来广泛实践。

 

国内关于课程的研究型教学实践也开始得较早，如南京大学的全国教学名师卢德馨教授在20世纪80年代就开始了对大学物理课程研究型教学模式的探讨[4]，并通过举办研究型教学研讨会推广研究型教学理念和具体操作方法。教育部于2005年在《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》中明确提出要“积极推动研究型教学，提高大学生的创新能力”[6]。此后，我国教育界开始普遍重视并推行研究型教学。可以说，建立研究型教学体系是当前我国高校教学改革的重点和热点。

 

《光纤通信》课程是光学工程学科方向光信息科学与技术本科专业的核心课程。本文将把研究型教学方式全面引入《光纤通信》的教学过程中，并对其中的相关问题进行讨论，分析《光纤通信》研究型教学的主要内容，阐述“授人以渔”的核心理念和在具体课程中的实现途径，为其他课程研究型教学实践提供参考。

 

二、《光纤通信》研究型教学的主要内容

 

《光纤通信》是本科光信息科学与技术专业的主干专业课程以及军用光电专业的选修专业课程。基本目标是让学生全面掌握光纤通信的基本概念、基本理论和关键技术，掌握光纤通信系统各个组成部分基本原理和系统设计集成方法，了解现代光纤通信新技术的发展和应用情况，培养和提高大学生的应用能力、创新能力和科研能力。

 

《光纤通信》课程的一大特点是在一定理论基础之上的实践性和灵活性。实践性强，意味着要解决很多具体的应用问题;灵活性强，意味着很多问题有着开放性的设计结果，因此特别适合进行研究型教学。在《光纤通信》研究型教学的具体实施上，主要包括以下几部分研究内容：

 

1.《光纤通信》研究型教学的教案设计。以亚利桑那大学Palais教授的《光纤通信》(第五版)教材为基础，参考Gerd Keiser《光纤通信》等教材经典内容，广泛收集教学资料和相关资源，持续更新设计教案。

 

《光纤通信》课程分为4大块：光纤传输理论、光器件、光纤通信系统、光纤通信新技术。这几部分内容各有特点，又有机联系组成一个整体。教案的设计应当融科学性、实践性、创新性于一体，并紧跟前沿，随着技术的进步不断更新，使得学生不仅获得知识，还培养了创新和实践能力。通过对教材和各种参考资料的提炼，使用一个个的案例，并提供实验条件，鼓励学生自己动手，提高教学内容的趣味性和层次感，激发学生的探究热情。

 

2.《光纤通信》研究型教学专题设置。研究型教学专题一般选择特定的教学知识点，并与实际工程实践相结合来产生，主要目的是研究并解决实际问题。研究型教学专题的设置是研究型教学的核心组成部分，贯穿于课堂组织、教学设计以及成绩考核等教学全过程。研究型教学专题的设置应与授课对象的基础知识相适应，并紧密结合教学知识点。

 

《光纤通信》属于理工结合，偏重于实践的一门专业课程，学习的目标就是要解决系统设计应用中的实际问题。因此，拟定研讨专题时，要明确需要解决的具体问题。从光在光纤中的传输规律，光源、光探测器等光器件到光纤通信系统设计，有很多值得展开探讨的问题。这些问题宜小不宜大，宜半封闭而非全开放。比如：“探测器的灵敏度和响应度有何区别?又有何联系?如何分别提高探测器的响应度和灵敏度?”“如何减少色散?”“如何设计数字光纤通信系统，达到 GHz通信能力?”每一个小问题的设计和相对大一点的教学专题的设计，必须紧扣教学内容的关键点，这样才能达到举一反三、抛砖引玉的目的。

 

3.《光纤通信》研究型课堂教学组织。互动是研究型课堂组织最重要的方式，这就要求专门分析光纤通信课程教学全过程中的知识要点，从每一个重要的知识点出发，有针对性地考虑，每一个知识点的互动方式也有所区别。通过设定典型的、具有深入研究价值的问题，与学生展开自然的而非刻意的互动，不知不觉中增强学生的自主性和创造性，使学生经过自己的质疑、比较和判断，并分析、综合从而得出结论。

 

课堂教学主要包含知识点讲授、课堂讨论和分析总结三部分。与传统教学有所区别，课堂讲授并非全部按照课本内容，而是突出讲真正的重点和难点，其他一些内容则要求学生进行课前预习和课后自学，时间分配上将课堂讨论作为主要的教学时间，以提高学生在教学过程中的参与性，在课堂讨论中要做到热烈而有序。最后留出一小部分时间来由教师进行分析总结。

 

4.《光纤通信》研究型教学的评价与考核设计。在研究型教学模式下，考核评价方式也与传统教学有所区别。建立研究型的评价体系，重视学生的学习主动性，关注学生的研究过程以及研究中学生团队的交流与合作，最终落脚于学生解决具体问题的能力。

 

我们在《光纤通信》研究型教学考核中，结合具体的专题进行了详细设计，考核内容贯穿于整个教学过程，考核形式不拘一格。如课堂上的表现，包括提问、讨论、小组答辩，作为平时成绩的一部分;课后提交的研究报告、设计方案甚至以此作出的课外竞赛成绩等，也打分并作为另外一部分。把大纲规定的平时考核成绩细化量化，期末考试成绩与平时成绩通过一定的比例结合，加入到总成绩中。

 

三、“授之以渔”与实现途径

 

研究型教学模式的核心就在于“授之以渔”，主要培养学生自主学习、自主创新的能力。比如，在课程结构方面，在原有课程框架基础上，安排一个个的研究专题，突出重点，但又循序渐进进行教学;在教学内容方面，不仅需要学生掌握分门别类的专业性的学科知识，也需要学生建立学科交叉的综合性、开放性的知识体系;在教学方法上，教师从“灌输式”改为“启发式”教学，注重学生科学思维方法、科学研究方法的培养，帮助学生建立对行业领域发展问题和机遇的洞察力。

 

在具体实现途径上，主要有以下几个方面的措施：

 

1.大范围地查阅相关书籍、文献资料，不仅包括实际知识内容上的资料，也包括其他大学研究型教学方法的借鉴。在具体学习知识内容上，对于每一个章节，分析重点内容以及与相关知识点之间的联系，提炼出可以研究讨论的专题内容，设计好相关的研讨问题与题目。

 

在问题设计上，注重专注核心，能够使问题层层递进，抽丝剥茧，能够引导学生进入认识问题—解决问题—发现新问题—解决新问题的过程。再学习其他大学的研究性教学的论文资料，吸收其他大学开展研究型教学的成功经验，应用于我们的教学实践之中。

 

同时，将查阅到的扩充性学习资料通过网络教学平台给学生，帮助学生更好地掌握和应用理论知识，开阔学生的视野。具体包括：研究性学习的方法与实施、图书馆数据库的使用说明、科技文献的检索与阅读、科技论文的写作、光纤通信相关的大量参考书及教材、光纤前沿讲座等资料。

 

2.教师在教学中增强互动与提问，同时课内、课外有机结合。课堂上设计一个个递进式的前后衔接、相互呼应的问题，诱使学生一步步地深入，通过教师的提问与点拨，使学生问有所思，思有所得，容易引起学生的积极思维和兴趣。其中有些问题也许会涉及到其他相关课程的知识，授课时积极引导学生利用发散型思维方式，并使用所学习的多门课程知识去解决一个实际问题，这样就会使学生解决问题的综合能力得到提高。

 

课后，须对学生提出一定的要求，首先要提前预习，对课堂上的内容有所准备;同时课后留作业练习，包括一些开放性的研究型问题，把学生课后的时间充分利用起来。要求学生3、4个人一组，广泛阅读有关资料文献，提出问题的研究方案，最后写出报告并在课堂上做汇报。这些方式有助于提高学生的主动学习能力、问题探究能力和团队合作精神，提高解决具体问题的能力。

 

3.提高教员本身的素质和能力。研究型教学模式的实施，任课教师是关键。首先要自身基础要牢，熟练地掌握课程内容和各个部分的内在联系，还要了解研究课题所涉及学科的最新动态和课题取得的最新研究成果，不断进行知识更新。同时要熟练运用科学研究的方法和手段，并建立创新研究的理念。在具体实施上，采用新老教员搭配，以教学团队课题组的形式承担课程，课题组指定认真负责、教学经验丰富的老教师作为负责人，对青年教师实行“一对一”的“传、帮、带”指导的同时，组织课题组对各个章节的内容、研究专题的设计、课堂组织、课后开放性作业的布置等一起讨论修改，大家互相交流，不断切磋，并通过教研室、系、院多级多次试讲，发现问题并不断改进，从而共同进步。

 

四、结语

 

研究型教学是建立在教、学互动基础上的一种全新的现代教育教学模式，其目的是培养学生的创新精神和实践能力，也是发展素质教育、进行教学改革的重要举措。本文将研究型教学方式全面系统地引入《光纤通信》课程之中，尝试教学方法实践并就实践情况进行了研究型教学的课堂应用设计，对于推进研究型教学改革，改善教学质量，培养高素质新型人才，都具有较大的研究意义与应用价值。

光通信研究方向篇7

关键词：光纤通信技术特点发展趋势光纤链路现场测试

1光纤通信技术

光纤通信是利用光作为信息载体、以光纤作为传输的通信方式。可以把光纤通信看成是以光导纤维为传输媒介的“有线”光通信。光纤由内芯和包层组成，内芯一般为几十微米或几微米，比一根头发丝还细；外面层称为包层，包层的作用就是保护光纤。实际上光纤通信系统使用的不是单根的光纤，而是许多光纤聚集在一起的组成的光缆。由于玻璃材料是制作光纤的主要材料，它是电气绝缘体，因而不需要担心接地回路；光波在光纤中传输，不会发生信息传播中的信息泄露现象；光纤很细，占用的体积小，这就解决了实施的空间问题。

2光纤通信技术的特点

2.1频带极宽，通信容量大。www.lw881.com光纤的传输带宽比铜线或电缆大得多。对于单波长光纤通信系统，由于终端设备的限制往往发挥不出带宽大的优势。因此需要技术来增加传输的容量，密集波分复用技术就能解决这个问题。

2.2损耗低，中继距离长。目前，商品石英光纤和其它传输介质相比的损耗是最低的；如果将来使用非石英极低损耗传输介质，理论上传输的损耗还可以降到更低的水平。这就表明通过光纤通信系统可以减少系统的施工成本，带来更好的 经济 效益。

2.3抗电磁干扰能力强。石英有很强的抗腐蚀性，而且绝缘性好。而且它还有一个重要的特性就是抗电磁干扰的能力很强，它不受外部环境的影响，也不受人为架设的电缆等干扰。这一点对于在强电领域的通讯应用特别有用，而且在军事上也大有用处。

2.4无串音干扰，保密性好。在电波传输的过程中，电磁波的传播容易泄露，保密性差。而光波在光纤中传播，不会发生串扰的现象，保密性强。除以上特点之外，还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设；光纤的原材料资源丰富，成本低；温度稳定性好、寿命长。正是因为光纤的这些优点，光纤的应用范围越来越广。

3不断发展的光纤通信技术

3.1sdh系统光通信从一开始就是为传送基于电路交换的信息的，所以客户信号一般是tdm的连续码流，如pdh、sdh等。伴随着科技的进步，特别是 计算 机 网络 技术的发展，传输数据也越来越大。分组信号与连续码流的特点完全不同，它具有不确定性，因此传送这种信号，是光通信技术需要解决的难题。而且两种传送设备也是有很大区别的。

3.2不断增加的信道容量光通信系统能从pdh发展到sdh，从155mb/s发展到logb/s，近来，4ogb/s已实现商品化。专家们在研究更大容量的，如160gb/s(单波道)系统已经试验成功，目前还在为其制定相应的标准。此外， 科学 家还在研究系统容量更大的通讯技术。

3.3光纤传输距离从宏观上说，光纤的传输距离是越远越好，因此研究光纤的研究人员们，一直在这方面努力。在光纤放大器投入使用后，不断有对光纤传输距离的突破，为增大无再生中继距离创造了条件。

3.4向城域网发展光传输目前正从骨干网向城域网发展，光传输逐渐靠近业务节点。而人们通常认为光传输作为一种传输信息的手段还不适应城域网。作为业务节点，既接近用户，又能保证信息的安全传输，而用户还希望光传输能带来更多的便利服务。

3.5互联网发展需求与下一代全光网络发展趋势近年来，互联网业发展迅速，ip业务也随之火爆。研究表明，随着ip业的迅速发展，通信业将面临“洗牌”，并孕育着新技术的出现。随着软件控制的进一步开发和发展， 现代 的光通信正逐步向智能化发展，它能灵活的让营运者自由的管理光传输。而且还会有更多的相关应用应运而生，为人们的使用带来更多的方便。

综上所述，以高速光传输技术、宽带光接入技术、节点光交换技术、智能光联网技术为核心，并面向ip互联网应用的光波技术是目前光纤传输的研究热点，而在以后， 科学 家还会继续对这一领域的研究和开发。从未来的应用来看，光 网络 将向着服务多元化和资源配置的方向 发展 ，为了满足客户的需求，光纤通信的发展不仅要突破距离的限制，更要向智能化迈进。

4光纤链路的现场测试

4.1现场测试的目的对光纤安装现场测试是光纤链路安装的必须措施，是保证电缆支持网络协议的重要方式。它的目的在于检测光纤连接的质量是否符合标准，并且减少故障因素。

4.2现场测试标准目前光纤链路现场测试标准分为两大类：光纤系统标准和应用系统标准。①光纤系统标准：光纤系统标准是独立于应用的光纤链路现场测试标准。对于不同的光纤系统，它的标准也不同。目前大多数的光纤链路现场检测应用的就是这个标准。②光纤应用系统标准：光纤应用系统标准是基于安装光纤的特定应用的光纤链路现场测试标准。这种测试的标准是固定的，不会因为光纤系统的不同而改变。

4.3光纤链路现场测试光纤通信应用的是光传输，它不会受到磁场等外界因素的干扰，所以对它的测试不同于对普通的铜线电缆的测试。在光纤的测试中，虽然光纤的种类很多，但它们的测试参数都是基本一致的。在光纤链路现场测试中，主要是对光纤的光学特性和传输特性进行测试。光纤的光学特性和传输特性对光纤通信系统对光纤的传输质量有重大的影响。但由于光纤的特性不受安装的影响，因此在安装时不需测试，而是由生产商在生产时进行测试。

4.4现场测试工具①光源：目前的光源主要有led（发光二极管）光源和激光光源两种。②光功率计：光功率计是测量光纤上传送的信号强度的设备，用于测量绝对光功率或通过一段光纤的光功率相对损耗。在光纤系统中，测量光功率是最基本的。光功率计的原理非常像 电子 学中的万用表，只不过万用表测量的是电子，而光功率计测量的是光。通过测量发射端机或光网络的绝对功率，一台光功率计就能够评价光端设备的性能。用光功率计与稳定光源组合使用，组成光损失测试器，则能够测量连接损耗、检验连续性，并帮助评估光纤链路传输质量。③光时域反射计：otdr根据光的后向散射原理制作，利用光在光纤中传播时产生的后向散射光来获取衰减的信息，可用于测量光纤衰减、接头损耗、光纤故障点定位以及了解光纤沿长度的损耗分布情况等。从某种意义上来说，光时域反射计(otdr)的作用类似于在电缆测试中使用的时域反射计（tdr），只不过tdr测量的是由阻抗引起的信号反射，而otdr测量的则是由光子的反向散射引起的信号反射。反向散射是对所有光纤都有影响的一种现象，是由于光子在光纤中发生反射所引起的。

虽然目前光通信的容量已经非常大，但仍有大量应用能力闲置，伴随着社会 经济 和科学技术的进一步发展，对信息的需求也会随之增加，并会超过现在的网络承载能力，因此我们必须进一步努力研究更加先进的光传输手段。因此，在经济社会发展的推动下，光通信一定会有更加长久的发展。

光通信研究方向篇8

【关键词】专业转型 通信工程 《光纤通信技术课程》

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）36-0243-02

一、尊重办学规律，明确转型思路

根据《辽宁省教育厅关于支持有关高校和足额启动向应用型转变试点工作的通知》，落实《辽宁省人民政府办公厅关于推动本科高校向应用型转变的实施意见》，辽宁省教育厅研究决定了10所高校和116个专业开展向应用型转变试点工作，辽宁大学信息学院通信工程专业是其中的一个试点专业。面临着向应用型转变就是要促进深化高等教育综合改革、优化高等教育结构、提高高等教育宏观质量、增强高等教育服务于国家和地方经济的社会发展。专业转型也是提高大学生创业能力，增大大学毕业生就业率，主动匹配用人单位需求，为行业企业技术进步贡献才智。更好地与创新要素资源对接，与经济开发区、产业集聚区新发展对接，与行业企业人才培养和技术创新需求对接，积极争取地方政府支持，行业企业支持，形成高效和创新创业基地资源共享、联动发展。转型不是一种简单意义上的思想更新，而是一种涉及学校定位、专业设置、人才培养、教学模式、师资队伍建设等诸多层面的整体性转变，如图1所示。

光纤通信课程是信息学院通信工程专业本科生的一门重要专业主干课程，在尊重办学规律、坚持教学大纲的基础上，重c学习现代光纤通信系统的基本原理、基本概念、基本技术和基本分析设计方法、光纤光缆、通信光器件及光纤通信原理等，为学生学习后续的光纤通信设备、光缆线路工程、综合布线工程、宽带接入网技术及现代通信网络技术等通信专业课程奠定基础。切实通过通信工程专业转型的契机，

针对专业建设中的难点问题，整改教学方案、明确转型思路、设计发展途径、编写实用教材，培养新型复合型人才。实现本科生培养规格与产业发展需求对接，建立体现行业急需、技术进步要求的课程体系，把实践教学资源建设作为重要支撑，加快校企合作的工程实践中心、生产化实习实训基地和技术服务平台建设。建设一支教师资格、工程师资格、实验师资格等兼具；教学能力、工程实践能力兼备的“双师双能型”教师队伍。把服务辽宁发展的应用研究和技术创新能力作为重要标志，努力成为辽宁特色产业和行业技术的研发中心和服务平台。

二、优化教学模式，创新转型平台

上个世纪八十年代提出了构建信息高速公路的伟大设想，信息高速公路的有线传输信道主要是光纤。在跨世纪的年代里，光纤通信发展很快，已经成为现代通信的重要支柱之一。21世纪全球光纤通信产品和技术市场进入高速发展阶段。目前，光纤通信技术是有线通信速度最快、通信容量最大、通信质量最高的通信技术。

《光纤通信技术课程》坚持与时俱进、不断进行教学模式的改革，主动适应光纤网络普及覆盖急需大批量专业技术人员的发展现状，在教学中以提高学生就业创业能力为目标，整体提升学校转型专业服务地方的能力、支持力和贡献率。紧跟前沿专业技术的发展不断优化教学模式和教学内容，将学科发展中的新思想、新方法和新的学科增长点融入教学内容，努力丰富教学内涵，促进课程建设。

在教学方法的改革上积极运用多媒体现代化教学手段，尽量采用图片进行教学，使讲授内容生动形象，尤其是硬件结构图，可以通过数码相机，扫描仪等仪器把图形输入，并且可以用动画的方式形象表现一些抽象原理，实现仿真的目的。应用启发式、讨论式的教学方法充分调动学生的积极性和主动性，启发学生积极思维。把传统教学与多媒体教学有机结合，减少了板书时间，提高教学效果，学生能够通过多媒体课件更好的加深对本课程基本知识点的理解，同时使课堂讲授的课程信息量更大。使学生在掌握本课程理论知识的基础上，创新能力和实际动手能力有较大的提高。

创新先进的教学理念，完善更优的教学措施，加强与行业和领先企业合作，提倡“走出去，请进来”，坚持理论教学与实践教学相结合，提高学生理论联系实际的应用能力。加强实验实训实习基地建设，按照工学结合、知行合一的要求，根据生产、服务的真实技术和流程构建知识教育体系、技术技能训练体系和实验实训实习环境。实践通信工程实训基地现场，在实际操作中采集的图片如图2所示。

按照通信行业先进技术水平，采取企业投资或捐赠、政府购买、学校自筹、融资租赁等多种方式加快实验实训实习基地建设。引进企业科研、生产基地，建立校企一体、产学研一体的大型实验实训实习中心。统筹各类实践教学资源，构建功能集约、资源共享、开放充分、运作高效的专业类或跨专业类实验教学平台。融合转型精髓，培养机制创新、教学模式改革、多维支撑应用型人才质量提升，把服务辽宁发展的应用研究和技术创新能力作为重要标志。认真贯彻落实《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》，将创新创业教育融入人才培养全过程，将专业教育和创业教育有机结合。把企业技术革新项目作为人才培养的重要载体，把行业企业的一线需要作为毕业设计选题来源。

三、结束语

本文以《光纤通信技术课程》为例研究了高校通信工程专业向应用型转变的创新理念，并提出相应的建议和对策。工科教育是一项复杂的长期的系统工程，在专业转型中得到了学校各个部门密切配合和大力支持。按照“专业转型”的要求， 《光纤通信技术课程》力求理清转型思路，明确转型任务，坚持因校制宜、因专业制宜，计划在人才培养方向上变动，在理论课和实验课的设置上合理调整，把专业转型落到实处。

参考文献：

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[4]王峰. 地方高师院校工科应用型专业转型的问题研究[J]. 阜阳师范学院学报（自然科学版），2014（10）117-120.

光通信研究方向篇9

内容摘要:本文在文献回顾的基础上,尝试采用实证方法分析体育品牌代言人可信度的来源因素及其对消费者购买意向的影响。通过对武汉地区高校的162名在校学生的调查研究表明,代言人可信度来源因素中,代言人可靠性、知名度和曝光率对代言人可信度评价存在直接显著的正相关;而代言人曝光率和代言人吸引力会对消费者购买意向产生直接显著的正相关。代言人可信度评价对消费者购买意向具有直接显著的正相关。最后基于研究结论提出了相关的对策建议。

关键词:体育品牌 代言人可信度 购买意向 实证研究

在体育品牌的营销中,使用体育品牌代言人作为品牌或产品与消费者沟通的桥梁,不仅由来已久,而且被多数的营销者认同为最有效的营销工具之一。高薪聘请著名体育明星做企业代言人,一方面能收获立竿见影的市场竞争效果,以及消费者更多的关注率和购买意向,但另一方面有些体育明星潜在的问题却能影响消费者对于明星和企业的评价,如果处理不当,那些负面新闻对代言人和企业都会带来严重的信任问题。

那么,代言人应具备哪些条件,使得体育品牌被消费者重视,产生信任感,并且愿意去追随他们而产生购买意向?在大学生市场这个体育品牌主力消费市场,如何评价代言人可信度并由此产生的购买意向呢?本文试图通过实证来进行研究,并提出相应的对策建议。

文献回顾

通过对相关文献的梳理和回顾可以发现:消费者对代言人可信度评价的可能因素来源包括以下五个方面:代言人专业性、代言人的可靠性、代言人的吸引力、代言人的曝光率和代言人的知名度。

Ohanian认为代言人的可信度主要来自三特征:专业性、可靠性和吸引力。实验证明,具有肢体吸引力的沟通者通常更容易被大众喜爱,并且在对消费者观念的改变与对产品的评价方面,正相关影响更加显著。同时,该实验证实了相对于吸引力及可靠性,代言人的专业性对受测者的购买意向有更为显著的影响。

Bower & Landreth透过实验证明指出,代言人的可信度效果评价受到代言人与产品之间互动关系的影响,而具有高度吸引力的广告代言人,消费者往往产生较具有可靠性的评价。

Zajonc 与 Markus的研究报告指出,当对象被重复呈现于对象个人次数越多时,越能使该对象个人对该对象有越多的正面态度。曝光效果也在其他研究中被证实,并且被广泛地认为是形成偏好和态度,以及改变偏好和态度的一个基本过程。类似的研究在1990年也由学者Heath证实,他提出当人们受到某项事物的刺激越多,对该事物的熟悉度就会越增加。

名人的知名度包括了名人的名气,影响力和消费者对名人的知晓和熟悉程度。Mahony指出,名人的知名度可以达到赢得注意力和影响力的作用。Friedman,Santeramo和Traina在调查研究中,将名人的知名度,知晓度作为评价广告信任的标准之一。可以推测,名人的知名度的高低,对于消费者对广告的评价存在一定影响。Miciak和Shanklin认为,使用国际知名的名人,可以获得立即的认知与广告的诉求,可以节省促销较小知名度产品或服务所需耗费的营销费用。

代言名人可信特征对消费者意向和行为的影响是现有的名人广告效力的主要研究点。学术界对于效力的结论还存在着不同的结论。Ohanian认为名人的专业性会使消费者产生更多的购买该品牌的意图。还有学者认为,名人的个人吸引力有助于对品牌名称的识别,形成对品牌的肯定态度,并且为代言的品牌创造显著的个性,从而强化消费者的购买意向。而Mahony和Meenaghan认为,尽管消费者可能非常喜欢某位名人,但这并不意味着这种喜欢会自动的转变为购买意向。Caballero、Till和Busler的研究也认为,由名人特征影响产生的对广告的肯定态度,并不一定会转变为对代言产品的购买意向或行为。他们对这一结果的解释是:名人代言更多的是在态度的认知和情感层面上起作用,而没有在意向、行为因素上起作用。

研究模型与基本假设

基于前面的文献综述,结合本文的一些基本判断,下文提出了研究的概念模型(见图1)和有待证实的基本假设:

H1:代言人可信度特征对消费者的代言人可信度评价有显著正向的影响

H1a:代言人的专业性对消费者的代言人可信度评价有显著正向的影响

H1b:代言人的可靠性对消费者的代言人可信度评价有显著正向的影响

H1c:代言人的吸引力对消费者的代言人可信度评价有显著正向的影响

H1d:代言人的曝光率对消费者的代言人可信度评价有显著正向的影响

H1e:代言人的知名度对消费者的代言人可信度评价有显著正向的影响

H2:消费者的代言人可信度评价对购买意向有显著正向的影响

研究设计

基于上述假设,笔者设计了调查问卷,该问卷主要包括三个部分:第一部分主要是了解被调查者对代言人可信度特征的评价,请被访问者分别从代言人的专业性、可靠性、吸引力、知名度和曝光率进行判断;第二部分对消费者的代言人可信度评价和购买意向进行测量;最后一部分是被调查者的个人信息。在被调查者开始回答之前,要求被访者回忆一名运动品牌代言人和他(她)进行的相关代言活动,并请被访者注明代言人的姓名。

在调查对象的选择上,本次研究将武汉高校在校生作为数据的来源,并通过网上问卷调查的方式来采集样本数据,各个调查对象均是网上随机生成的。在数据处理上,采用Likert-7级量表法将所有信息量化,并用SPSS13.0软件对所收集的数据进行统计分析和比较。

问卷分析及其结果

通过网上问卷调查最后采集到的问卷总数为200份,经过重复IP剔除(已知相同IP但由不同人填的问卷除外)和不完整问卷剔除后剩余有效问卷162份,有效问卷率为81%。样本总体的基本结构如下:22岁以下的被调查者80位,22岁-26岁的被调查者57位,26岁以上的被调查者25位;男性被调查者86位,女性被调查者76位。通过问卷信度分析,其Cronbach's Alpha系数为0.952,因此可以断定问卷的可信度是比较高的。

(一) 代言人可信度评价与代言人可信度来源因素的关系

将代言人可信度评价作为因变量,将代言人可信度来源因素的5个隐变量作为自变量进行回归分析,以了解这些变量对代言人可信度变量的解释度和预测能力。

从表1可以看到,R2=0.806,这说明代言人可信度来源因素的5个隐变量对代言人可信度的联合解释量约为80.6%。同时通过方差分析得到,F统计量在0.05的水平下是显著的(见表2),这说明模型中可信特征的5个隐变量与代言人可信度变量之间的拟合度是可以接受的,可信度来源因素变量能够解释代言人可信度的变化。

从表3可以发现,在5个隐变量中,代言人曝光率、代言人知名度和代言人可靠性与代言人可信度是显著相关的,β值分别为0.373、0.222和0.191。这表明本研究结果支持假设H1b、H1d和H1e,即认为代言人可靠性、代言人曝光率和代言人知名度对代言人可信度评价有显著的正向的影响。同时,拒绝了假设H1a和H1c,认为只有部分可信度来源因素能对代言人可信度评价产生显著影响。

(二)购买意向与代言人可信度评价的关系

为了了解代言人可信度评价对消费者购买意向的直接影响和影响程度,我们将购买意向作为因变量,代言人可信度评价作为自变量进行回归分析。

从表4、表5可以得到,方差分析的结果是显著的,这表明代言人可信度这个预测变量对购买意向因变量的影响在P

代言人可信度与购买意向之间的相关性如表6所示,代言人可信度作为预测变量,在P

(三)概念模型修正

通过上述回归分析,可以发现,尽管概念模型中这几个变量间的拟合度和预测解释度都是可以接受的,模型还是存在着一些问题。首先虽然代言人可信度来源因素下的隐变量联合解释度比较高,达到80.6%,但是关于其中代言人可信度来源因素的假设H1a和H1c被拒绝,即只有部分可信度来源因素对消费者对代言人可信度评价有显著的正向的影响,而这部分被拒绝的假设,即代言人专业性和代言人吸引力对消费者的购买意向的影响都被国外学者证实过。更为重要的是,虽然代言人可信度评价对购买意向的解释度为64.3%,但不是很高。

基于上述问题,本文认为可能有些可信度来源因素变量并不以代言人可信度作为中介变量来影响消费者的购买意向。因此,本研究将采用多元回归分析方法对此问题进行讨论,并将根据结果对概念模型进行修正。

以购买意向为因变量,代言人可信度来源因素的5个隐变量和代言人可信度为预测变量进行回归分析(见表7、表8和表9)。从相关数据可以发现,以购买意向为因变量,可信度来源因素变量和代言人可信度同时作为直接预测变量的模型拟合度是比较好的,可信度来源因素变量和代言人可信度对购买意向的联合解释量达到了79.3%(见表7),同时多元变量之间存在显著的线性关系(P

根据上述回归分析的结论和数据,我们对原研究模型进行修正(见图2)。

结论与建议

(一)结论

1.代言人可信度评价变量在代言人可信度影响消费者的过程中确实起到了重要的作用。一方面,代言人可信度来源因素中的一些变量会通过直接影响代言人可信度来影响消费者的购买意向;另一方面,证实了代言人可信度对消费者购买意向存在显著、正向的影响。修正结果显示,有的代言人可信度来源因素变量不通过代言人可信度变量的作用而直接对购买意向产生影响。

2.代言人可信度来源因素中,代言人可靠性、知名度和曝光率对代言人可信度评价存在直接显著的正相关;而代言人曝光率和代言人吸引力会对消费者购买意向产生直接显著的正相关。

3.代言人可信度评价对消费者购买意向具有直接显著的正相关。当我们将代言人可信度来源因素变量和代言人可信度评价同时作为预测自变量对因变量购买意向进行分析时,发现代言人可信度评价较可信度来源因素曝光率和吸引力对购买意向的解释度和回归系数均要高一些。

4.在代言人可信度来源因素中,相对于其他来源因素来说,曝光率是对代言人可信度评价更加重要的变量。而且曝光率对购买意向也有直接显著的正相关。因此,曝光率在营销实践中也是一个需要非常关注的因素。

(二)营销建议

1.企业在进行代言人签约和后续运作的时候,需要重视消费者对他们的可信度评价,因为代言人可信度评价会直接影响消费者的购买意向。此外,要重视对拟签约的代言人的可信特征,即可信度来源因素的研究。因为可信度来源因素不仅能对代言人可信度评价产生直接显著的正向关系,部分可信度来源因素如代言人可靠性、知名度和曝光率能通过代言人可信度评价对购买意向产生显著影响,还有部分来源因素代言人曝光率和吸引力能对消费者购买意向直接产生显著的正相关。

2.针对武汉市大学生市场这个特殊的市场,以及体育用品消费这个具体的行业,依据有针对性地问卷发放和数据分析。笔者在此为试图在武汉市大学生体育市场中通过代言人策略开展营销活动提高竞争力的企业提供建议:

首先,分析了解体育品牌代言人可信度来源因素曝光率、知名度和可靠性以及对大学生消费者代言人的可信度评价的影响,并在此基础上选择体育品牌代言人。企业在选择代言名人的时候,需要考虑大学生消费者对代言人的知名度的评价。企业应该选择知名度比较高的代言人,这也是为什么很多实力雄厚的大体育公司连续聘请体坛巨星的原因。此外,企业还要考虑代言人曝光率这个可信度来源因素。代言人经常参加比赛,经常被媒体报道或者其代言活动经常被媒体宣传和曝光,给代言人和企业产品均会带来更多的关注和偏向积极的评价。代言人可靠性也是企业需要非常关注的代言人特征。代言人可靠性的评价,应该选择目标消费者可靠性评价更高的代言人,否则,对企业来说,这个代言人是一个不稳定因素,不仅不会带来持续的效益而且会影响企业和产品的形象。但是代言人可靠性相对于代言人曝光率和知名度来讲,是更难掌握和判断的,企业较难了解大学生消费者对代言人可靠性的评价和判断,因此,对企业来讲,需要有适当的营销调研来对这一变量进行掌控。

其次,虽然代言人吸引力对代言人可信度评价没有体现出直接显著的正相关,但其对购买意向可以起到直接的影响作用,因此企业在选择体育名人代言人时,除了需要依据上述的代言人可靠性、知名度和曝光率进行决策外,还需要选择在吸引力方面上具有目标消费者偏好特征的体育名人,比如外形、气质和品味方面都需要和目标消费者的偏好达到契合。

最后,曝光率不仅能作为代言人可信度来源因素影响大学生消费者对代言人可信度评价,通过可信度评价间接影响购买意向,而且曝光率能直接影响购买意向。因此,企业在选择体育品牌代言人时应该更加重视代言人的曝光率。

参考文献:

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光通信研究方向篇10

1光镊基本原理

光是一种电磁波,在与物质相互作用时不仅会发生能量的传递,也会发生动量的传递,也就是说光会对该物质施加一定的力,即产生光的力学效应。1970年,A.Ashkin首次提出光辐射压力(光压)可以操纵微小微粒[14]。1986年,A.Ashkin和Chu等实验发现,只需要一束高度聚集的激光,就可形成稳定的三维光学势阱以稳定俘获微粒[15],由于只使用了一束激光,所以称之为单光束梯度力光阱,简称光镊。光镊是基于光的辐射力建立的。如图2所示,在折射率为n2的介质中存在一个折射率为n1的微粒(n1>n2),当一束带有动量P1的激光穿过该微粒时,经两次折射后,激光的动量变为P2。根据动量守恒定律,微粒将产生与激光的动量变化大小相等、方向相反的动量,即Δp。由动量与冲量的关系和牛顿第二定律可知,微粒会受到一等于动量变化率的作用力,因此,当我们采用高数值孔径(NA>1)[15]的物镜将激光聚焦到一个焦点f(捕获中心)时,不论微粒上、下、左、右、前、后偏离激光焦点f,微粒都会受到一个指向焦点的作用力。这个焦点就如同一个“陷阱”可以捕获该微粒,因此在光镊实验中,我们通过调节激光的位置就可以像一把无形的“镊子”达到操控微粒的目的。同时,微粒偏离捕获中心的距离和其受到的回复力成正比[16],这决定了光镊对微粒的操控不是刚性的,而是类似于“弹簧”,并符合胡克定律F=–kΔx。其中,F是拉力,k是光镊的刚度系数(stiffness),Δx是微粒偏离激光中心的位移。通过微粒产生位移和激光的刚度系数即可计算出拉力F。因此,在操作过程中,我们可以通过实时测量微粒的位移得到微粒间的相互作用力,从而得到与微粒相连的生物分子上所受的作用力。

2光镊实验设计

光镊技术的实验环境一般为接近于生理环境的水溶液,可减少对样品的损伤,同时实现在生物分子具有生理活性的条件下实时监测分子动态行为的目的。此外,如何对样品进行处理是光镊实验设计中的另一个关键问题。由于生物分子,例如DNA、蛋白质等,往往在几纳米到几十纳米之间,光镊的刚度一般不能稳定地捕获和操控生物分子,因此需要借助一个表面修饰的微米量级的小球(微球)作为“手柄”,将生物样品通过化学偶联黏附在微球上,通过直接操控微球达到间接操控生物分子的目的[17]。生物大分子尤其是蛋白分子,通常尺寸较小,因此会在生物分子的一端或两端通过化学方法交联上一段或两段DNAHandle[18],使得生物分子两侧的微球间有足够的空间距离,方便对单个生物分子进行力的测量并且减少微球间不必要的相互作用;选用的DNAHandle分子长度一般大于500bp[8]。图2是双光镊技术研究生物样品的经典单分子实验体系[19]示意图(以DNAHairpin为例),两个聚苯乙烯小球表面分别免疫修饰了Streptavidin和anti-Digoxigenin,DNAHairpin一端被标记biotin与Streptavidin修饰的微球相连,另一端则通过巯基与DNAHandle共价交联;DNAHandle则通过Digoxigenin与修饰anti-Digoxi-genin的微球相连。因此,当我们利用两束激光分别捕获两个微球时,就可以对微球间的conjugates进行操作,通过移动光阱的位置,微球间的距离和力都会发生改变,我们通过测量这些数据就可以得到相关的动力学信息。

3光镊技术在生命科学中的应用

近年来,基于光镊技术的应用研究,证实了该技术独到的应用价值。光镊的应用基本分为四类,即光镊与细胞生物学、光镊与单分子生物学、光镊与软物质胶体科学和光镊与物理学四个领域。在这些领域中,科学家们利用光镊技术解决了许多重要的科学问题。结合我们实验室的研究方向,我们将主要对光镊在单分子生物学的应用加以介绍。光镊亚纳米级的空间分辨率和飞牛顿的力分辨率使其在研究一些生物大分子(如DNA/RNA双链特性[20-22]、分子马达的分子机制和生物学功能[17,23-24]、蛋白质折叠[25-27]以及染色质重塑[28]等)的动态运动细节(中间态、能量、折叠速率、作用力、距离等)方面成为一项不可或缺的单分子技术,并展示出巨大的发展前景。以下我们将对一些代表性的研究成果进行简要介绍。

3.1研究DNA力学性质

现代生物学中一个最基本的生物学定律就是中心法则:即遗传信息可由DNA流向DNA,完成DNA的自我复制过程;也可由DNA流向RNA再进一步流向蛋白质,完成转录翻译过程。这是构成现代生物学的理论基石,因此,DNA、RNA与蛋白质的特性以及它们之间的相互作用无疑是整个生物学研究的核心。Bustamante等[29]首先利用单分子磁镊技术操纵长约16μm的dsDNA分子,测量了DNA的拉伸特性:在0.1~10pN范围内,DNA的拉伸行为符合蠕虫链模型(worm-likechain,WLC),持久长度为50nm;而当力增加到65pN时,DNA的结构由B型变成S型[30-31];人们用同样的方法研究了ssDNA的力学性质,发现与dsDNA的拉伸曲线截然不同,ssDNA的持久长度仅有1nm。基于这些实验结论,科学家们就可以通过研究蛋白质对DNA拉伸特性的改变来研究DNA相关蛋白(如RNA聚合酶、核糖体、DNA异位酶等)的工作机制。细胞分裂时,DNA会发生凝缩形成高度聚集结构以维持遗传信息的稳定性。之前人们对DNA如何形成核小体结构已经有了一定的认识,但是对更高级的染色体结构形成缺乏了解。Case等[32]利用光镊技术将参与高级染色体结构形成的凝聚蛋白MuK-BEF作为研究对象解析了这一动态凝聚过程。Case等发现,与nakedDNA的力–延伸曲线(force-extensioncurve,FEC)相比,MuKBEF-DNA复合体表现出更大变化率的力–延伸曲线(FEC),并且当拉力达到17pN时,MuKBEF-DNA复合体会经历一个锯齿状振荡的平坦曲线,说明MuKBEF-DNA复合体经历了个别凝聚事件(MuKBEF结合到DNA上时利用“夹子”这种张合的方式来凝聚DNA)。而当力被撤回时,MuKBEF-DNA复合体重新回到原始的凝聚态,Case等根据这一现象提出了MuKBEF复合物凝缩DNA的“夹子”模型,这一研究为DNA凝缩机制的研究提供了重要的科学依据。

3.2研究分子马达的运动机制

生物机体的一切活动,从DNA的复制和转录、细胞分裂、肌肉收缩到细胞内物质转运,最终都归结为分子马达做功的结果。分子马达通过运动可以快速高效地将化学能转化为动能,执行各种生物功能,因此,分子马达的动力学机制成为研究者们关注的焦点。科学家利用光镊观察了分子马达运动过程,发现分子马达是以步进形式运动的,并测量了蛋白的运动步长,证明了单个驱动分子的力和运动速度与ATP浓度相关[17,23,33-34]。这些研究使得光镊成为研究单酶动力学的重要手段,促使科学家利用光镊技术研究表观遗传调控机制,尤其是ATP依赖的染色体重塑复合物的运动机制[35]。基因组DNA通常以染色质的形式存在于细胞中,以维持遗传信息的稳定性。然而很多细胞生命活动(比如基因转录、DNA复制、DNA修复、DNA重组等)的正常进行都需要不同的DNA结合蛋白或者反式作用因子结合到特定的DNA区域(如启动子、增强子等顺式作用元件),进而发挥功能,因此需要染色质重塑蛋白复合物移动、驱逐和重组核小体使得染色质DNA从核小体上暴露出来。目前,光镊研究染色体重塑复合物的工作已经取得了一定的进展。Bustamante实验室利用光镊成功操作单个核小体并研究核小体动态行为,发现在2~3pN的力作用下,核小体上DNA与组蛋白八聚体的相互作用会被打破,而内部DNA与组蛋白的相互作用被打破则需要20pN以上的力[36]。Zhang等[37]则利用光镊在核小体水平实时监测了RSC复合物的作用,测定了RSC转移速率等动力学参数,证实了RSC是依赖核小体的转移酶。Hall等[38]发现,核小体中DNA-组蛋白相互作用并不是均匀的,在空间上存在约5bp的周期,有3个强的作用区域,其中dyad区域的作用最强,另两个较强的作用区域在离dyad约±40bp处,而核小体的进出端的相互作用较弱,这些强弱不同的相互作用形成了不同的能垒。这些能垒可能对染色体重塑复合物有着重要的影响,因为染色体重塑时可能需要克服核小体上的能垒,这些参数为以后染色体重塑复合物具体工作机制的研究提供了很好的参考。

3.3研究蛋白质折叠的动力学机制

光镊在单分子生物学的另一个重要应用就是研究蛋白质折叠的动力学过程。在蛋白质折叠研究中,人们往往最关心的问题就是一维的氨基酸序列以何种方式折叠而变成稳定的有功能的三维结构的。众所周知,蛋白质的折叠态、去折叠态及错误折叠态在生物体系中都同时存在。这些态与态之间的相互转换和生物体系的功能直接相关,同时也和疾病的形成有着密切的关系[8]。尽管人们已经利用各种传统的生物化学方法对蛋白质反折叠过程进行了几十年的深入研究,但对蛋白质折叠过程中的具体动力学细节仍知之甚少。光镊技术可以对操控单个蛋白分子并实施观测整个折叠和去折叠的动力学过程,因此被越来越多地应用到研究生物物理的精细过程研究。最近,Gao等[26]利用双光镊技术对突触SNARE蛋白的组装机制进行了深入研究。在神经细胞分泌过程中,SNARE蛋白介导突触小泡与突触前膜的融合。SNARE蛋白包括定位在靶细胞膜上的t-SNARE(syntaxin和SNAP-25)和囊泡膜上的v-SNARE,只有当t-SNARE和v-SNARE通过组装形成“拉链式”复合物时才能驱动膜融合。尽管过去的二十年已经做了大量研究,但是“拉链式”假说、装配中间体、动力学和能量仍然不明。Gao等通过实时观测单个SNARE复合体的组装/去组装过程,发现了SNARE复合体的“拉链式”结构和关键的“半拉链式”装配中间体(t-SNARE和v-SNARE部分折叠到“离子层”),提出了一种效率高的“拉链式”组装模型,即:SNARE复合体N末端的“拉链式”组装是缓慢的,从而SNARE装配中间体可以充当调节蛋白(如Munc18和Complexin)的结合平台,然后在调节模式下,进一步稳定地装配中间体快速及强有力地进行“拉链式”组装直到C末端,最终在跨膜区驱动膜融合。此外,Zhang实验室还研究了SNARE突变体、Munc18和Complexin对SNARE组装/去组装动力学过程的影响[39]。该研究成果从分子水平上加深了人们对神经分泌过程中SNARE蛋白复合体驱动融合机制的深入了解,同时为我们探索更多疾病相关性蛋白的动力学机制提供了很好的模式基础,相信我们可以通过光镊技术从生物物理层面解释某些蛋白与疾病形成的关联,为开发抗癌药物提供更精确的结构水平的信息。

4光镊与其他技术相结合

以上关于光镊技术应用在生命科学领域的研究仅仅是冰山一角,但已经向我们展示了光镊在单分子水平研究生物大分子动力学的优越性,它的应用极大地推动了生命科学尤其是生物物理学的发展,加速了人们从单分子水平解析DNA、蛋白质以及各种酶反应的动力学过程。然而每项实验技术都有其一定的局限性,这就需要相关技术手段结合,克服彼此的劣势,达到最理想的功效。光镊也常常与其他光学技术相结合,成为性能更优越的技术手段。

4.1光镊与smFRET技术结合

生物大分子尤其是蛋白质往往是三维结构,但目前光镊仅能在一维空间研究它们结构动力学(沿光阱移动方向),存在一定的局限性。例如,马达蛋白沿底物移动时会经历复杂的分子内构象改变,超高分辨率光镊仅能研究马达蛋白沿底物移动的步长等动力学信息,而无法获知蛋白的具体构象变化过程。smFRET技术即单分子荧光共振能量转移检测技术,则可通过给生物分子的不同结构域,或者相互作用的分子,比如受体与配体上分别标记donor和acceptor的染料分子,实时地观测分子构象的变化过程,但其空间分辨率不高。因此,为实现在亚纳米级的空间尺度上研究生物分子构象变化的目的,科学家们采用交错分时的方法(interlacingandtimesharingmethod)将smFRET与光镊技术相结合,并利用ssDNA与其互补序列的杂交过程证明了该方法的可行性[40]。相信随着这种整合仪器设备的进一步完善,科学工作者将会通过荧光信号和成像技术在单分子、亚纳米级空间尺度上多角度监测生物分子的构象改变,尤其是一些蛋白复合物和大分子机器,得到更多的动力学信息。

4.2光镊与拉曼光谱结合

当一束单色光通过振动的分子时会发生非弹性散射,入射光的能量变化与分子内部分子键(molecularbond)的振动能量相一致,收集分子对入射光的拉曼散射光谱,就可以判断分子的生物化学组成[41]。传统共聚焦显微拉曼光谱的后向散射横切面很小,散射强度十分微弱,因此所得到的拉曼信号很弱,同时拉曼光谱探测技术通常使用化学修饰将研究对象固定在机制上,这种配置非常不利于生物分子维持其天然的生理状态,也不利于背景噪声的去除。而结合光镊技术的激光光镊拉曼光谱系统(lasertweezersRamanspectroscopy,LTRS)则可以利用激光形成的光阱捕获生物分子,实现在溶液中将其固定并同时得到光谱信号的目的,保证了生物分子天然的微环境,大大提升了光谱的信噪比[41]。近年来,激光光镊拉曼光谱系统已广泛应用于不同细胞类型的分选[42]、细菌孢子[43]、囊泡等研究。不同于荧光技术,拉曼光谱的非弹性散射使其避开了光学漂白,可以实现实时、连续监测单细胞的动态过程。Moritz等[44-45]利用激光光镊拉曼光谱控制单个大肠杆菌细胞,研究其对抗菌药物的敏感性。首先在无药状态下测定大肠杆菌在生长周期的不同阶段与DNA、RNA及蛋白质相关的不同拉曼振动谱带,然后在加药(盘尼西林/链霉素、头孢唑林)状态下测定729cm–1、1245cm–1和1660cm–1的光谱谱带并与无药状态下的拉曼光谱相比较,发现大肠杆菌对头孢唑林更加敏感。激光光镊拉曼技术无需样品预处理,对样品无损害,是临床研究一个很好的切入点,相信随着该技术的进一步发展,其在细胞分选、癌细胞检测及细胞动力学单细胞水平研究上会越来越有发展空间。

5发展前景及展望