第1章 概述 2.ppt

第1章 概述 ;1.1 光通信的基本概念 ; 例如， 一个载波频率为100 MHz的无线电通信系统， 如果带宽利用系数为10%， 则系统带宽为10 MHz； 而对于载频为10 GHz的微波通信系统， 若带宽利用率仍为10%， 则系统带宽为1 GHz。 光波的频率一般在1×1014～4×1014 Hz范围内， 在带宽利用率仍为10%的情况下， 系统的利用带宽在10 000～40 000 GHz范围内， 这是电通信无法比拟的。  ; 1.1.1 光波的电磁频谱 光波实际上是一高频的电磁波。 在讨论高频电磁波时， 我们习惯采用波长来代替频率描述。 波长与频率的关系为 ; 其中： λ为电磁波的波长， 其物理含义是电磁波在时间上变化一周， 其波前在空间变化一周所行进的长度; c为光波在自由空间中传播的速度， 其值为 3×108 m/s； f为电磁波的频率， 其物理含义是交变电磁波在单位时间（每秒）变化的周期数。 ; 对于光波来说， 波长常用单位有微米 μm(1 μm=10-6 m)、 纳米nm(1 nm=10-9 m)、 埃(1=10-10 m)。 图1.1给出了光波在电磁波频谱中的大体位置分布（注意： 通常将频率为1 GHz以上的无线电波称为微波）。 光波的频率一般可达到1013～1014 Hz， 对应的波长在10～100 000 nm之间。 可进一步将光波细分为红外线、 可见光和紫外线。;图 1.1 电磁波频谱图; 红外线（波长＞0.76 μm）： 这一波段的波长比人眼实际可见的光的波长要长得多， 可细分为近红外（波长为0.76～15 μm）、 中红外（波长为15～25 μm）和远红外（波长为 25～300 μm）。 这一波段的信号主要用于光波通信、 红外制导、 电子摄像及天文学。 可见光（波长位于0.39～0.76 μm）： 这一波段就是人眼实际可见的波长， 像自然光源(如太阳光)和白炽灯、 日光灯以及许多激光源(如He-Ne激光器)等装饰性的人造光源， 它们发出的光都是人眼可见的可见光。 ; 紫外线（波长＜0.39 μm）： 这一波段的波长比人眼实际可见的光的波长要短得多， 这一波段的信号很少应用于通信。 ?目前光通信所使用的光波波长大约为1 μm， 主要位于近红外波段。 通常将小于1 μm的红外波长称为短波长， 将大于1 μm的红外波长称为长波长。 ; 1.1.2 激光器产生的理想光载波 早期的光通信， 如用烽火台的火光传递简短的消息， 贝尔的光电话利用太阳光来传递话音信号， 它们所传送信息的容量小、 距离短、 可靠性低、 设备笨重， 究其原因是由于采用了太阳光等普通光源。 ; 1960年7月8日， 美国科学家梅曼(Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。 激光器发出的激光与普通光源发出的光相比， 其光束的强度极高， 方向性极好， 光谱的范围小， 相位和频率一致性好， 其特性与无线电磁波类似， 是一种理想的通信载波， 可用来携带信息进行长距离传输。 因此激光器的出现使得光通信进入了一个崭新的阶段。 ; 激光一词是从英文LASER翻译过来的， 而LASER一词是由英文“Light Amplification by Stimulated Emission Radiation”中的首字母构成的， 其含义是受激辐射光放大。 由于其频率很高, 可极大地提高通信容量， 因此引起了通信工作者的广泛重视， 使激光很快在通信领域得到应用。 继红宝石激光器问世后， 各种不同材料的激光器相继出现， 如氦-氖激光器、 二氧化碳激光器、 氩离子激光器和半导体激光器等。 ; 1.1.3 大气光通信 激光器一问世， 人们就模拟无线电通信进行了大气激光通信的研究， 采用的激光源有氦-氖激光器和二氧化碳激光器等。 由于发射功率很大， 因此那时所需的激光器的体积相对较大， 相应的设备较笨重。 近年来大功率半导体激光器的研制成功， 使得大气激光通信在实用化的道路上迈出了一大步。 ; 目前， 大气激光通信（由于光通信使用的光源无一例外地都采用激光器， 因而光通信实际上就是激光通信）在民用和军事通信中都具有重要作用， 为建立全天候、 具有高机动性和高灵活性、 工作稳定可靠的信息平台开辟了广阔前景。 这主要是由于其具有如下优点： ; (1) 具有安装便捷、 使用方便的特点， 很适合于在特殊地形、 地貌及有线