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1、光信息传输技术,本讲主要内容,光信息在自由空间（大气）的传输 大气衰减 大气湍流 光信息在光纤中的传输光纤的基本概念光束在光纤中的传播特性光纤损耗特性几种典型的无源光波导器件,大气层结构,地球,光信息在自由空间（大气）的传输,1 大气层的结构,大气层的组成及其性质,干洁空气的主要成分(25 千米以下),6,大气中有大量的粒度在 0.03 m到2000 m之间的固态和液态微粒，它们大致是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。由于这些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态，所以通常又称为大气气溶胶。,气溶胶,7,光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减。,激光在大气中传播
2、时，一部分光能量被吸收而转变为其他形式的能量（如热能等），一部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即辐射能量空间重新分配）。吸收和散射的总效果使传输光能量出现衰减。,2 大气衰减,9,衰减系数描述了吸收和散射两种独立物理过程对传播光能量的影响，km和m分别为分子的吸收和散射系数；ka和a分别大气气溶胶的吸收和散射系数。大气衰减的朗伯定律，表明光强随传输距离的增加呈指数规律衰减。,10,（1）大气吸收,分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。,光在大气中传输时，由于大气的分子和气溶胶等的吸收作用而减弱的现象。,11,对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法通过。,大气分子吸收,12,
3、根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为“大气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。,大气窗口,大气中总存在着局部的密度与平均密度统计性的偏离密度起伏，破坏了大气的光学均匀性，一部分光能量会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的散射。,（2）大气散射,散射的类型,15,在可见光和近红外波段，光波长总是远大于大气分子的线度，这一条件下的散射为瑞利散射。瑞利散射光的强度与波长的四次方成反比，散射光的方向较为分散。米氏散射光的向前方向比向后方向的散射强度更强，方向比较明显。,瑞利和米氏散射的特点,16,天空为什么是蓝
4、色的，太阳为什么是红色的？,17,云是什么颜色？,光的米氏散射,云的颜色,18,云中的水滴或冰晶的大小，足以令各种波长（不同颜色）的可见光强烈地散射。由于光在大量水滴或冰晶之间向各个方向作出多重散射，并对可见光只有微弱吸收，所以散射后的光包含各种可见光波长，并组成我们所看见的白色。,云为什么是白色的？,19,云为什么是灰色或暗色的？,當云越来越厚时，更多的阳光会被反射或吸收，愈來愈少的阳光可以穿透云层。由于很少阳光可以到达云层底部，导致地面观察者看到的阳光大为减少，所以云层呈灰色或暗色。,20,云为什么是红色或橙色的？,云的顏色还取决于照射在云上的光的顏色。在日落时，当阳光穿过厚厚的大气层和尘
5、埃顆粒后，蓝光等短波长的光以瑞利散射方式散射，只剩下红到橙色或红色的光。云反射这些未被散射的红色或橙色光，并呈现这些颜色。,21,大气湍流是大气中一种不规则的随机运动，它是由各种尺度的旋涡连续分布叠加而成，旋涡尺度大的可达数百米，最小尺度约为1毫米。湍流每一点上的压强、速度、温度等物理特性等随机变化。,大气湍流,3 大气湍流效应,大气湍流导致的空气折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏。,（1）大气闪烁,光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽小，即所谓光束强度闪烁。,（2）光束的弯曲和漂移,在接收平面上，光斑位置以某个统计平均位置为中心，发生快速的随机性跳动（其频率可由数赫到数十赫），此现
6、象称为光束漂移。若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其平均方向明显变化，这种慢漂移亦称为光束弯曲。,（3）空间相位起伏,光束产生漂移的同时，在接收面上的到达角也因湍流影响而随机起伏，像点就不能聚焦在焦平面的同一个位置上，这个现象称为像点抖动，也即波前（相位）相对于接收面的倾斜产生随机起伏。,25,哈勃望远镜观测的星云图,自适应光学Adaptive Optics,自适应光学的控制系统是一台专门的计算机，它通过分析由波前传感器采集的数据来对镜面的形状做出修正。分析必须在极短的时间内完成（0.5到1毫秒内），不然大气情况的改变将使系统的改正因延误而产生错误。,27,自适应光学改正过程,28,自适应
7、光学改正前后的图片对比,29,光信息在光纤中的传输,光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导，它由纤芯、包层和护套三部分组成。,1 光纤的基本概念,为了使纤芯能够远距离传光，构成光纤的必要条件是纤芯的折射率必须大于包层的折射率。,（1）光纤的基本结构,按光纤折射率分布特点划分，主要分为阶跃光纤和渐变光纤。,（2）光纤的分类,按纤芯和包层材料划分，可分为石英光纤和塑料光纤。,32,按光波模式（即电磁波类型）划分，可分为多模光纤和单模光纤。多模光纤：纤芯内传输多个模式的光波，纤芯直径较大（50 m左右）适用于中容量、中距离通信。单模光纤：纤芯内只传输一个最低模式的光波，纤芯直径很小（几个m），适用于
8、大容量、长距离通信。,2 光束在光纤中的传播特性,光纤内的光线必须满足基本的折射/全反射定律：n0sin0=n1sin=n1cosc，其中，n1sinc=n2。当产生全反射时，要求1 c。,（1）阶跃光纤中光束的传播,均匀介质中光线轨迹是直线，光纤的传光机理在于光的全反射。,子午光线,偏斜光线,阶跃光纤中与光纤轴成不同夹角的导引光线，在轴向经过同样距离时，各自走过的光程是不同的。因此，若有一个光脉冲（含有多种频率的光波）在入射端激发起各种不同角度的导引光线（光纤色散），那么由于每根光线经过的光程不同，就会先后到达终端，从而引起光脉冲宽度的加宽，称为光脉冲的弥散。,光线经过轴向距离L所花的最长和
9、最短时间差为：,可见，光脉冲弥散正比于，（NA）愈小，就愈小。,g纤芯折射率分布指数,（2）渐变光纤中光束的传播,传导光线轨迹呈近似正弦规律变化。,不同入射角相应的光线，虽然经历的路程不同，但是最终都会聚在一点上，这种现象称为自聚焦效应。,00,ri0,光线经过单位轴向长度所用的时间称为群迟延，在非均匀介质中，光线的轨迹是弯曲的。沿光线轨迹经过距离s所用的时间为,最大的群迟延差,41,3 光纤损耗特性,若Pi、Po分别为光纤的输入、输出光功率，L是光纤长度。衰减系数定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即,光纤衰减主要来源于吸收损耗和散射损耗。,（1）吸收损耗,a.本征吸收损耗：红外吸收带紫外
10、吸收带,b.杂质吸收损耗：过渡金属离子吸收氢氧根离子吸收,（2）散射损耗,a.瑞利散射损耗：光波照射到比光波波长还要小的不均匀微粒时，光波将向四面八方折射。b.结构不完善散射损耗：光纤制造过程中，由于光纤结构存在缺陷而引起的损耗。c.非线性效应散射损耗：受激光散射、非线性折射、四波混频。,（1）光纤连接器,4 几种典型的无源光波导器件,实现光纤与光纤之间可拆卸(活动)连接的器件。光纤连接器由三个部分组成的：两个配合插头和一个耦合管。两个插头装进两根光纤尾端；耦合管起对准套管的作用。,（2）光耦合器,光纤耦合器的功能是实现光信号的分路/合路，就是把一个输入的光信号分配给多个输出或者把多个输入的光信号组合成一个输出。,47,（3）光隔离器,光隔离器是一种只允许光波往一个方向传播，阻止光波往其他方向特别是反方向传输的一种无源器件。,48,光隔离器的原理,外加磁场,外加磁场,450,起偏器,解偏器,（4）光开关,A、机械式光开关,电磁驱动、压电陶瓷驱动等,移动反射镜、透射镜式,B、磁光、电光效应式光开关,谢谢,
