无线光通信中光强概念的深入探究(一) 摘要本文从波动光学中光强的.doc

无线光通信中光强概念的深入探究(一) 摘要本文从波动光学中光强的定义出发，指出了在应用中存在的矛盾。一方面，就光通信中可能存在的TE波与TM波不能共存情况，文中提出了“有效光强”的概念， 解决了物理概念上的矛盾；另一方面，文中通过理论分析与实验结果的比对，指出通常采用的计算和测量光强的方法，都只注意了光波的电场能而忽视了其磁场能，这些对于FSO这 样的边界条件复杂的传输环境有待改进。1、问题的提出地对地的自由空间光通信(Free Space Optical Communication，FSO)，也称为无线光通信(Optical Wireless Communication)，是一种新型的宽带接入方式。FSO一方面具 有光纤通信频带宽的优势，能支持155Mb/s10Gb/s的传输速率；另一方面又具有无线通信接入灵活的特点，建设周期较短、成本低廉、大约是光纤到大楼成本的1/101/3；所以 FSO不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径12。FSO是一种以大气为传送介质的激光通信技术，大气中的灰尘、水蒸汽等的微粒紊动将导致光信号严重畸变3。为了解决这个问题，针对温度、压力变化造成 的大气中微粒紊动的随机性，就需要采用某种预测准则，如最小均方误差(Minimum Mean-Square Error，MMSE)，动态的进行信号光强估计4。波动光学里，光强定义为光场中r处的平均能流密度，用1表示，即：其中E和H为其电、磁场强，S为波印亭矢量的模。考虑到单色光的高频特性：观察时间远大于周期T，从而有：如果电场和磁场都为平面波(条件1)，即在正交于传播方向的平面上各点具有相同值的波，且它们都是单色简谐波(条件2)，那么电磁场满足：则有：其中Em为其振幅，K为空间角频率矢量。条件2常写为复振幅形式(条件3)，即：此时光强可写为我们注意到，如果使用式(4)或式(7)计算光强，只需要知道电场的振幅大小Em或便足够了。但是在实际当中，条件1的束缚是十分苛刻的。于是，我们要尽可能的将条件1放宽，同时保证式(3)近似成立。这样我们需要考虑下面几个问题：首先，能否将条件1放宽到只保证电场是平面波，而磁场未必是平面波的情况。因为低速条件下，电场在光与物质的相互作用中起主要作用，而E被称为光矢量；同时磁场的 作用对于一般的介质比较微弱，难以测量5，所以只通过电场的性质确定光强是我们所希望的。其次，对于平面波叠加形成的明显不满足式(3)的情况应如何处理。这是否就意味着必须充分考虑对光作用影响不大的磁场呢?如果坚持式(1)的定义，这些情况下光强计算 公式会不会与式(4)和式(7)有很大出入呢?这是我们计算非平面波的光强时所必须考虑的问题。应当指出：几束传播方向、振动方向和频率相近的平面波的叠加后，可近似地认为仍满足条件1，这是我们通常无条件地使用式(4)和式(7)计算光强的原因。但是，在许多 明显不符合式(3)的情况(如反向传播的平面波形成驻波的情况)下，从尊重式(1)的定义的角度出发，这样做是不能自恰的，这也是本文立论的出发点。在以下两节中，我们从麦克斯韦方程和式(1)中光强的定义出发，结合实验结果，对这两个问题进行探究，寻找在无线光通信中光强概念的合理解释。2、只有电场是单色平面波的情况2.1电场条件我们讨论只保证电场为单色的平面简谐波的情况，即：其中k0为空间角频率矢量，模为k0，在(x,y,z)坐标系下的各分量分别为k0x，k0y和k0z。(1)考虑麦克斯韦方程将式(8)代入，得：注意到上式等号左侧不是t的函数，而等号右侧含t，故等号两侧同为0，从而可得：这说明电场是横波(TE波)。(2)E(r,t)满足波动方程式(13)等号左侧可展开为等号右侧可展开为故式(13)可简化为注意到上式等号左侧不是t的函数，而等号右侧含t，可得考虑对式(20)进行坐标变换。建立新坐标系(k1,k2,k3)，其中k1轴与k0同向。记ki轴与x，y和z 轴的夹角分别为，并记易见A是正交矩阵，并有是故代入式(20)，则有式(25)表明，Em(r)的各分量沿k0方向的方向导数均为零，