光波导理论与技术讲义

光波导理论

课号：0123310810-100信息学院李德春E-mail：dechun@参考教材微波与光电子学中的电磁理论（第二版），张克潜、李德杰著，2001年5月，电子工业出版社，研究生教学用书，教育部研究生工作办公室推荐光波导理论与技术，李玉权崔敏编著，人民邮电出版社，2002年12月第一版光波工程，[日本]国分泰雄著，（先进光电子技术丛书），科学出版社，2002年导波光学物理基础，佘守宪编著，北方交通大学出版社，2002年8月第一版光是电磁波电磁波的范围：1026Hz------10Hz可见光波长：400nm~700nm光的传播自由空间光（freespacewave）：在均匀介质中传播的光。如由透镜、棱镜等各种光学元件组成的常见的光学仪器设备，自由空间激光通信，激光雷达，光束变换，……导波光（guidedwave）：光被局限于特定的区域内传播，通常被限定在与传播方向垂直的限定截面内。约束导波光的介质称之为光波导（opticalwaveguid）。如光纤，光纤传感器，光纤器件（光纤光栅、光纤放大器，光互联），……麦克斯韦方程的贡献：存在电磁波，预言了光就是电磁波，电磁场具有能量和动量，从而揭示了电磁场的物质性。如何控制光的传播？光通信技术与应用

光通信的发展进程*三千多年前，我国的周朝就有利用烽火台传递信息的通信；*1880年，贝尔发明光电话；1960年，人类研制成功第一台激光器；1970年，低损耗光纤由美国康宁公司研制成功；从此，进入了光纤通信迅猛发展的时代。光纤通信发展历史波长：850nm——1310nm——1550nm比特率20-100Mb/s，最大中继间距10Km比特率4Gb/s，最大中继间距100Km频分复用，波分复用；光孤子高速长距离1995年法国，20Gb/s传输106KmWhat’snext?全光网：光子开关，光互连，光放大，光变频，----------我国已建成覆盖全国、世界上规模最大的光纤通信网。

1999年初，济—青工程8×2.5Gb/s。1999年4月，海口—三亚（国产设备）。光纤的损耗已经降低到0.16dB/km。现在40Gb/s系统已经商业化，实验室Tb/s级系统已经研制成功。光纤通讯目标：电输出

=电输入ElectricaltoLightLighttoElectricalInputOutput光纤内芯直径Core62.55mm125mmCladCore8mm125mmClad85mm多模单模人的头发多模光纤62.5/125um的光纤在保安行业中应用最普遍典型距离达5公里用于:CCTV门禁控制系统内部通讯单模光纤无限带宽8至10微米典型距离超过5公里用于:长途电信长途电视监控及多路切换共用天线电视系统光损耗与波长光损耗单位：

dB/km与波长有关单模损耗小波长又称为窗口波谱的红外部分起作用光功率计-19.0dB光功率计光源启动光缆连接8501300受测试光纤基本规则850nm多模距离在3公里以下1300nm多模距离在5-8公里1300或1550nm单模考虑5公里以上绝对超过8公里无源器件TXdB损耗终端连接允许

1.0(2)光缆多模

8503.5/km13001.0/km单模

1300.5/km1550.3/km接合溶化接合0.1机械接合0.2PATCHPANELS每对

1.0RX安全裕量允许

3.0波分复用器

(WDM)一根光缆通过多个信号同向或双向的多路信号在同一根光缆上传输WDM多模光纤1300nm850nm双向850nm1300nm单向WDM单模光纤1300nm1550nm单向双向1300nm1550nm两跟光缆通过4视频和PTZ4视频单向，数据单向CamerawithPTZControlReceiverFIBERControltransmitterMonitorCamerawithPTZFIBER4CH.VIDEOTX4CH.VIDEORXDATARXDATATXDIST.UNIT1OF44OF41OF44OF4有源器件半导体激光器光电检测器光放大器(EDFA)光纤通信的优点通信容量大；(数百万话音和数据信道)传输距离长；抗电磁干扰；适应环境；重量轻、安全、易敷设；保密性强；寿命长。光纤通信的缺点接口昂贵；强度差；不能传输电力；需要专用工具、设备以及培训；未经长时间检验。研究热点光分插复用技术、全光网络；高速通讯系统中的偏振模色散问题；光器件与集成；空间光通信技术

(FSO)*光纤通信与无线通信是当前的热门技术。*一种新型宽带接入技术——自由空间光通信系统（FSO：FreeSpaceOpticalcommunicationsystem），是二者结合的产物。*FSO不是用光纤作为传输媒介,是在空气中用激光或光脉冲在THz光谱范围内传送分组数据的通信系统。FSO技术既能提供类似光纤传输的速率，又无需在频谱等稀有资源方面有很大的初始投资；激光技术的进步已经使耐用可靠的器件变得很便宜，大大降低了FSO设备的造价；与光纤线路相比，FSO系统不仅建设周期较短，成本也低很多，大约是光纤到大楼成本的1/10-1/3。在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率的情况下，FSO不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径。优点

成本低、安装方便、建设快是FSO系统的主要优点。除此以外，FSO还有如下一些优点：无需频谱许可证。无线光通信因设备间无信号的相互干扰，故无需像无线电通信（如微波、LMDS）那样申请频率许可证。带宽高。如果采取点到点的组网方式，FSO能支持155Mb/s-10Gb/s的传输速率，传输距离在2-4公里之间。在点到多点的组网方式中，FSO同样能支持155Mb/s-10Gb/s的传输速率，但传输距离为1-2公里。如果采用格形的组网方式则可支持622Mb/s的传输速率，传输距离为200-400米。安全保密性强。FSO的波束很窄，定向性非常好，并且用户到集线器之间的链路通常是加密的，安全保密性较强。协议透明。FSO以光为传输媒介，任何传输协议均可容易地叠加上去，对语音、数据、图像等业务可以做到透明传送。缺点

FSO是一种视距技术，传输距离与信号质量的矛盾非常突出，当传输超过一定距离时（一般为几公里）波束就会变宽以致难以被接收节点正确接收。所以FSO一般只限于城市内使用。目前，大部分测试表明，在1km以下才能获得最佳的效率和质量。传输质量对天气非常敏感是FSO的另一主要问题。晴天对FSO传输质量的影响最小，而雨天、下雪和雾天对传输质量的影响则较大。据测试，FSO受天气影响的衰减经验值分别为：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、雾，50-300db/km，目前针对这一问题有缩短传输距离、采用备份链路等解决办法。建筑物晃动将影响两个点之间的激光对准。对FSO来说，为了保证光传输链路的性能，光链路两端的对准（捕获）和保持（跟踪）至关重要。但在对准以后，在风力和其它因素的作用下，建筑物会有些晃动，这就要求链路两端设备都必须具备自动跟踪的能力。激光的安全问题也会影响其使用。超过一定功率电平的激光有可能对人眼产生影响，人体也可能被激光系统释放的能量伤害。目前有关激光的安全标准都建议其功率电平应允许让裸视和助视（如双筒望远镜）时，眼睛看到不会受到伤害。与其他接入技术的比较

当前有很多种接入技术可供选择，比如FSO、光纤、DSL以及LMDS等。光纤传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤敷设的较长周期及高额投资限制了其普及，并且一旦用户离开，业务提供商无法收回投资；微波技术日渐成熟，它比FSO的传输距离远，但这种接入方式需要高额的初始投资（频谱许可证），对业务提供商而言，这种接入技术不如FSO经济；尽管铜缆是一种易得的传输媒介，用铜缆相连的大楼也远多于光纤，但其带宽太低；FSO相对而言是一种比较好的方案，带宽可扩展，建设速度快，并且十分经济。应用

到目前为止，FSO已被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam和Airfiber公司。作为“最后一公里”解决方案之一的FSO技术主要有以下用途：

城域网的扩展：FSO可以用于扩展已有的城域网或者连到新的网络。这些链路通常不到达最终用户，而是为网络核心服务。企业应用：FSO的灵活性使它可以应用于许多企业和学校，例如企业LAN到LAN的连接及校园网的连接。作为光纤的补充：目前大多数电信运营商都采用两条光纤连接来保证所构建的商业应用网的安全。现在，运营商无需部署两条光纤链路，可以选择FSO系统作为备份光纤的冗余链路，以节省投资。接入应用：FSO也可以用在接入网中，例如吉比特以太网接入。业务提供商可以使用FSO去旁路本地环路系统，或当作LMDS或蜂窝网的回程链路。DWDM业务：想要构建属于自己的光纤网络的独立运营商，可以结合使用WDM与FSO来完成部分链路的传输，以节省光纤租赁费用。尽管存在一些问题，但在低成本、快速组网等方面具有较大优势的FSO的市场前景非常广阔。在未来几年里，它将作为一个主要的手段进入本地宽带接入市场，特别是没有光纤连接的中小企业。

FSO有两种工作波长：850纳米和155