光波導理論

課號：0123310810-100信息學院李德春E-mail：dechun@參考教材微波與光電子學中的電磁理論（第二版），張克潛、李德杰著，2001年5月，電子工業(yè)出版社，研究生教學用書，教育部研究生工作辦公室推薦光波導理論與技術，李玉權崔敏編著，人民郵電出版社，2002年12月第一版光波工程，[日本]國分泰雄著，（先進光電子技術叢書），科學出版社，2002年導波光學物理基礎，佘守憲編著，北方交通大學出版社，2002年8月第一版光是電磁波電磁波的范圍：1026Hz------10Hz可見光波長：400nm~700nm光的傳播自由空間光（freespacewave）：在均勻介質中傳播的光。如由透鏡、棱鏡等各種光學元件組成的常見的光學儀器設備，自由空間激光通信，激光雷達，光束變換，……導波光（guidedwave）：光被局限于特定的區(qū)域內傳播，通常被限定在與傳播方向垂直的限定截面內。約束導波光的介質稱之為光波導（opticalwaveguid）。如光纖，光纖傳感器，光纖器件（光纖光柵、光纖放大器，光互聯(lián)），……麥克斯韋方程的貢獻：存在電磁波，預言了光就是電磁波，電磁場具有能量和動量，從而揭示了電磁場的物質性。如何控制光的傳播？光通信技術與應用

光通信的發(fā)展進程*三千多年前，我國的周朝就有利用烽火臺傳遞信息的通信；*1880年，貝爾發(fā)明光電話；1960年，人類研制成功第一臺激光器；1970年，低損耗光纖由美國康寧公司研制成功；從此，進入了光纖通信迅猛發(fā)展的時代。光纖通信發(fā)展歷史波長：850nm——1310nm——1550nm比特率20-100Mb/s，最大中繼間距10Km比特率4Gb/s，最大中繼間距100Km頻分復用，波分復用；光孤子高速長距離1995年法國，20Gb/s傳輸106KmWhat’snext?全光網：光子開關，光互連，光放大，光變頻，----------我國已建成覆蓋全國、世界上規(guī)模最大的光纖通信網。

1999年初，濟—青工程8×2.5Gb/s。1999年4月，海口—三亞（國產設備）。光纖的損耗已經降低到0.16dB/km。現在40Gb/s系統(tǒng)已經商業(yè)化，實驗室Tb/s級系統(tǒng)已經研制成功。光纖通訊目標：電輸出

=電輸入ElectricaltoLightLighttoElectricalInputOutput光纖內芯直徑Core62.55mm125mmCladCore8mm125mmClad85mm多模單模人的頭發(fā)多模光纖62.5/125um的光纖在保安行業(yè)中應用最普遍典型距離達5公里用于:CCTV門禁控制系統(tǒng)內部通訊單模光纖無限帶寬8至10微米典型距離超過5公里用于:長途電信長途電視監(jiān)控及多路切換共用天線電視系統(tǒng)光損耗與波長光損耗單位：

dB/km與波長有關單模損耗小波長又稱為窗口波譜的紅外部分起作用光功率計-19.0dB光功率計光源啟動光纜連接8501300受測試光纖基本規(guī)則850nm多模距離在3公里以下1300nm多模距離在5-8公里1300或1550nm單模考慮5公里以上絕對超過8公里無源器件TXdB損耗終端連接允許

1.0(2)光纜多模

8503.5/km13001.0/km單模

1300.5/km1550.3/km接合溶化接合0.1機械接合0.2PATCHPANELS每對

1.0RX安全裕量允許

3.0波分復用器

(WDM)一根光纜通過多個信號同向或雙向的多路信號在同一根光纜上傳輸WDM多模光纖1300nm850nm雙向850nm1300nm單向WDM單模光纖1300nm1550nm單向雙向1300nm1550nm兩跟光纜通過4視頻和PTZ4視頻單向，數據單向CamerawithPTZControlReceiverFIBERControltransmitterMonitorCamerawithPTZFIBER4CH.VIDEOTX4CH.VIDEORXDATARXDATATXDIST.UNIT1OF44OF41OF44OF4有源器件半導體激光器光電檢測器光放大器(EDFA)光纖通信的優(yōu)點通信容量大；(數百萬話音和數據信道)傳輸距離長；抗電磁干擾；適應環(huán)境；重量輕、安全、易敷設；保密性強；壽命長。光纖通信的缺點接口昂貴；強度差；不能傳輸電力；需要專用工具、設備以及培訓；未經長時間檢驗。研究熱點光分插復用技術、全光網絡；高速通訊系統(tǒng)中的偏振模色散問題；光器件與集成；空間光通信技術

(FSO)*光纖通信與無線通信是當前的熱門技術。*一種新型寬帶接入技術——自由空間光通信系統(tǒng)（FSO：FreeSpaceOpticalcommunicationsystem），是二者結合的產物。*FSO不是用光纖作為傳輸媒介,是在空氣中用激光或光脈沖在THz光譜范圍內傳送分組數據的通信系統(tǒng)。FSO技術既能提供類似光纖傳輸的速率，又無需在頻譜等稀有資源方面有很大的初始投資；激光技術的進步已經使耐用可靠的器件變得很便宜，大大降低了FSO設備的造價；與光纖線路相比，FSO系統(tǒng)不僅建設周期較短，成本也低很多，大約是光纖到大樓成本的1/10-1/3。在目前許多企業(yè)和機構都不具備光纖線路，但又需要較高速率的情況下，FSO不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問題的有效途徑。優(yōu)點

成本低、安裝方便、建設快是FSO系統(tǒng)的主要優(yōu)點。除此以外，FSO還有如下一些優(yōu)點：無需頻譜許可證。無線光通信因設備間無信號的相互干擾，故無需像無線電通信（如微波、LMDS）那樣申請頻率許可證。帶寬高。如果采取點到點的組網方式，FSO能支持155Mb/s-10Gb/s的傳輸速率，傳輸距離在2-4公里之間。在點到多點的組網方式中，FSO同樣能支持155Mb/s-10Gb/s的傳輸速率，但傳輸距離為1-2公里。如果采用格形的組網方式則可支持622Mb/s的傳輸速率，傳輸距離為200-400米。安全保密性強。FSO的波束很窄，定向性非常好，并且用戶到集線器之間的鏈路通常是加密的，安全保密性較強。協(xié)議透明。FSO以光為傳輸媒介，任何傳輸協(xié)議均可容易地疊加上去，對語音、數據、圖像等業(yè)務可以做到透明傳送。缺點

FSO是一種視距技術，傳輸距離與信號質量的矛盾非常突出，當傳輸超過一定距離時（一般為幾公里）波束就會變寬以致難以被接收節(jié)點正確接收。所以FSO一般只限于城市內使用。目前，大部分測試表明，在1km以下才能獲得最佳的效率和質量。傳輸質量對天氣非常敏感是FSO的另一主要問題。晴天對FSO傳輸質量的影響最小，而雨天、下雪和霧天對傳輸質量的影響則較大。據測試，FSO受天氣影響的衰減經驗值分別為：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、霧，50-300db/km，目前針對這一問題有縮短傳輸距離、采用備份鏈路等解決辦法。建筑物晃動將影響兩個點之間的激光對準。對FSO來說，為了保證光傳輸鏈路的性能，光鏈路兩端的對準（捕獲）和保持（跟蹤）至關重要。但在對準以后，在風力和其它因素的作用下，建筑物會有些晃動，這就要求鏈路兩端設備都必須具備自動跟蹤的能力。激光的安全問題也會影響其使用。超過一定功率電平的激光有可能對人眼產生影響，人體也可能被激光系統(tǒng)釋放的能量傷害。目前有關激光的安全標準都建議其功率電平應允許讓裸視和助視（如雙筒望遠鏡）時，眼睛看到不會受到傷害。與其他接入技術的比較

當前有很多種接入技術可供選擇，比如FSO、光纖、DSL以及LMDS等。光纖傳輸無疑是最可靠的通信方式，但光纖敷設的較長周期及高額投資限制了其普及，并且一旦用戶離開，業(yè)務提供商無法收回投資；微波技術日漸成熟，它比FSO的傳輸距離遠，但這種接入方式需要高額的初始投資（頻譜許可證），對業(yè)務提供商而言，這種接入技術不如FSO經濟；盡管銅纜是一種易得的傳輸媒介，用銅纜相連的大樓也遠多于光纖，但其帶寬太低；FSO相對而言是一種比較好的方案，帶寬可擴展，建設速度快，并且十分經濟。應用

到目前為止，FSO已被多家電信運營商應用于商業(yè)服務網絡，比較典型的有Terabeam和Airfiber公司。作為“最后一公里”解決方案之一的FSO技術主要有以下用途：

城域網的擴展：FSO可以用于擴展已有的城域網或者連到新的網絡。這些鏈路通常不到達最終用戶，而是為網絡核心服務。企業(yè)應用：FSO的靈活性使它可以應用于許多企業(yè)和學校，例如企業(yè)LAN到LAN的連接及校園網的連接。作為光纖的補充：目前大多數電信運營商都采用兩條光纖連接來保證所構建的商業(yè)應用網的安全。現在，運營商無需部署兩條光纖鏈路，可以選擇FSO系統(tǒng)作為備份光纖的冗余鏈路，以節(jié)省投資。接入應用：FSO也可以用在接入網中，例如吉比特以太網接入。業(yè)務提供商可以使用FSO去旁路本地環(huán)路系統(tǒng)，或當作LMDS或蜂窩網的回程鏈路。DWDM業(yè)務：想要構建屬于自己的光纖網絡的獨立運營商，可以結合使用WDM與FSO來完成部分鏈路的傳輸，以節(jié)省光纖租賃費用。盡管存在一些問題，但在低成本、快速組網等方面具有較大優(yōu)勢的FSO的市場前景非常廣闊。在未來幾年里，它將作為一個主要的手段進入本地寬帶接入市場，特別是沒有光纖連接的中小企業(yè)。

FSO有兩種工作波長：850納米和155