光波導(dǎo)理論與技術(shù)講義

光波導(dǎo)理論

課號：0123310810-100信息學(xué)院李德春E-mail：dechun@參考教材微波與光電子學(xué)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(xué)用書，教育部研究生工作辦公室推薦光波導(dǎo)理論與技術(shù)，李玉權(quán)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(jìn)光電子技術(shù)叢書），科學(xué)出版社，2002年導(dǎo)波光學(xué)物理基礎(chǔ)，佘守憲編著，北方交通大學(xué)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(zhì)中傳播的光。如由透鏡、棱鏡等各種光學(xué)元件組成的常見的光學(xué)儀器設(shè)備，自由空間激光通信，激光雷達(dá)，光束變換，……導(dǎo)波光（guidedwave）：光被局限于特定的區(qū)域內(nèi)傳播，通常被限定在與傳播方向垂直的限定截面內(nèi)。約束導(dǎo)波光的介質(zhì)稱之為光波導(dǎo)（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(xiàn)：存在電磁波，預(yù)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(zhì)性。如何控制光的傳播？光通信技術(shù)與應(yīng)用

光通信的發(fā)展進(jìn)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(jìn)入了光纖通信迅猛發(fā)展的時(shí)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(fù)用，波分復(fù)用；光孤子高速長距離1995年法國，20Gb/s傳輸106KmWhat’snext?全光網(wǎng)：光子開關(guān)，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(wǎng)。

1999年初，濟(jì)—青工程8×2.5Gb/s。1999年4月，?？凇齺啠▏a(chǎn)設(shè)備）。光纖的損耗已經(jīng)降低到0.16dB/km?，F(xiàn)在40Gb/s系統(tǒng)已經(jīng)商業(yè)化，實(shí)驗(yàn)室Tb/s級系統(tǒng)已經(jīng)研制成功。光纖通訊目標(biāo)：電輸出

=電輸入ElectricaltoLightLighttoElectricalInputOutput光纖內(nèi)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(yīng)用最普遍典型距離達(dá)5公里用于:CCTV門禁控制系統(tǒng)內(nèi)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(guān)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(jì)-19.0dB光功率計(jì)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?？紤]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(jī)械接合0.2PATCHPANELS每對

1.0RX安全裕量允許

3.0波分復(fù)用器

(WDM)一根光纜通過多個(gè)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(shù)據(jù)單向CamerawithPTZControlReceiverFIBERControltransmitterMonitorCamerawithPTZFIBER4CH.VIDEOTX4CH.VIDEORXDATARXDATATXDIST.UNIT1OF44OF41OF44OF4有源器件半導(dǎo)體激光器光電檢測器光放大器(EDFA)光纖通信的優(yōu)點(diǎn)通信容量大；(數(shù)百萬話音和數(shù)據(jù)信道)傳輸距離長；抗電磁干擾；適應(yīng)環(huán)境；重量輕、安全、易敷設(shè)；保密性強(qiáng)；壽命長。光纖通信的缺點(diǎn)接口昂貴；強(qiáng)度差；不能傳輸電力；需要專用工具、設(shè)備以及培訓(xùn)；未經(jīng)長時(shí)間檢驗(yàn)。研究熱點(diǎn)光分插復(fù)用技術(shù)、全光網(wǎng)絡(luò)；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(shù)

(FSO)*光纖通信與無線通信是當(dāng)前的熱門技術(shù)。*一種新型寬帶接入技術(shù)——自由空間光通信系統(tǒng)（FSO：FreeSpaceOpticalcommunicationsystem），是二者結(jié)合的產(chǎn)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(nèi)傳送分組數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)。FSO技術(shù)既能提供類似光纖傳輸?shù)乃俾?，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(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使耐用可靠的器件變得很便宜，大大降低了FSO設(shè)備的造價(jià)；與光纖線路相比，F(xiàn)SO系統(tǒng)不僅建設(shè)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(jī)構(gòu)都不具備光纖線路，但又需要較高速率的情況下，F(xiàn)SO不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問題的有效途徑。優(yōu)點(diǎn)

成本低、安裝方便、建設(shè)快是FSO系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)。除此以外，F(xiàn)SO還有如下一些優(yōu)點(diǎn)：無需頻譜許可證。無線光通信因設(shè)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(diǎn)到點(diǎn)的組網(wǎng)方式，F(xiàn)SO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(diǎn)到多點(diǎn)的組網(wǎng)方式中，F(xiàn)SO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(wǎng)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(qiáng)。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(qiáng)。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(shù)據(jù)、圖像等業(yè)務(wù)可以做到透明傳送。缺點(diǎn)

FSO是一種視距技術(shù)，傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾非常突出，當(dāng)傳輸超過一定距離時(shí)（一般為幾公里）波束就會變寬以致難以被接收節(jié)點(diǎn)正確接收。所以FSO一般只限于城市內(nèi)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(zhì)量。傳輸質(zhì)量對天氣非常敏感是FSO的另一主要問題。晴天對FSO傳輸質(zhì)量的影響最小，而雨天、下雪和霧天對傳輸質(zhì)量的影響則較大。據(jù)測試，F(xiàn)SO受天氣影響的衰減經(jīng)驗(yàn)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(gè)點(diǎn)之間的激光對準(zhǔn)。對FSO來說，為了保證光傳輸鏈路的性能，光鏈路兩端的對準(zhǔn)（捕獲）和保持（跟蹤）至關(guān)重要。但在對準(zhǔn)以后，在風(fēng)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(shè)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(chǎn)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(guān)激光的安全標(biāo)準(zhǔn)都建議其功率電平應(yīng)允許讓裸視和助視（如雙筒望遠(yuǎn)鏡）時(shí)，眼睛看到不會受到傷害。與其他接入技術(shù)的比較

當(dāng)前有很多種接入技術(shù)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(shè)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(wù)提供商無法收回投資；微波技術(shù)日漸成熟，它比FSO的傳輸距離遠(yuǎn)，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(wù)提供商而言，這種接入技術(shù)不如FSO經(jīng)濟(jì)；盡管銅纜是一種易得的傳輸媒介，用銅纜相連的大樓也遠(yuǎn)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(kuò)展，建設(shè)速度快，并且十分經(jīng)濟(jì)。應(yīng)用

到目前為止，F(xiàn)SO已被多家電信運(yùn)營商應(yīng)用于商業(yè)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，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(shù)主要有以下用途：

城域網(wǎng)的擴(kuò)展：FSO可以用于擴(kuò)展已有的城域網(wǎng)或者連到新的網(wǎng)絡(luò)。這些鏈路通常不到達(dá)最終用戶，而是為網(wǎng)絡(luò)核心服務(wù)。企業(yè)應(yīng)用：FSO的靈活性使它可以應(yīng)用于許多企業(yè)和學(xué)校，例如企業(yè)LAN到LAN的連接及校園網(wǎng)的連接。作為光纖的補(bǔ)充：目前大多數(shù)電信運(yùn)營商都采用兩條光纖連接來保證所構(gòu)建的商業(yè)應(yīng)用網(wǎng)的安全?，F(xiàn)在，運(yùn)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(yīng)用：FSO也可以用在接入網(wǎng)中，例如吉比特以太網(wǎng)接入。業(yè)務(wù)提供商可以使用FSO去旁路本地環(huán)路系統(tǒng)，或當(dāng)作LMDS或蜂窩網(wǎng)的回程鏈路。DWDM業(yè)務(wù)：想要構(gòu)建屬于自己的光纖網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立運(yùn)營商，可以結(jié)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(fèi)用。盡管存在一些問題，但在低成本、快速組網(wǎng)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(gè)主要的手段進(jìn)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