09物理班—奚修阳 激光原理与应用.doc

激光通讯技术及应用 *奚修阳 （09 物本班，200901071572）摘 要：20世纪以来，激光是继原子能、计算机、半导体之后的又一重大科技发明。在有充分的理论准备和生产实践需要的背景下，激光技术应运而生。它一问世就获得了异乎寻常的快速发展。激光在现代通信领域有着广泛的应用。它在扩大通信容量，缓和通信频段拥挤，提高通信安全等方面都发挥着极为重要的作用。关键词：激光技术 现代通讯 激光通信 无线激光通讯 光纤0 引言事实上，1916 年激光的原理被著名的物理学家爱因斯坦发现之后一直没有研制成功，原因在于科学实验所需要的器材没有现在发达，一直到 1958 年激光才被首次成功制造。激光是计入20世纪，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，它的亮度非常之高，大约为太阳光的100亿倍。因此激光一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，也正是因为这个原因，历史悠久的光学科学和光学技术体会了新生的快乐，更重要的是导致整个一门新兴产业激光产业的诞生。1 光纤通信最大的优点第一，激光通信经历了大气通信和光波导（光纤）通信两个重要的发展阶段。CO2气体激光器是比较符合要求的早期通信用光源，其输出激光波长为10.6m，在大气通行当中，信道传输的低损耗窗口要求的标准波长是10.6m。早期的激光大气通信所用光源还包括YAG固体激光器、He-Ne气体激光器等等。其中的早期激光大气通信曾经掀起了全球性的研究浪潮，大量的人力、财力和物力在这个阶段投入了进去，对激光大气通信进行了广泛的研究开发。但是这项研究只有少数的经济和技术力量雄厚的发达国家才能够承担得起。光纤波导通信技术大约与激光大气通信技术的研究工作同步展开，从而在技术上形成了激光无线通信和激光有线通信两种通信方式，这两种通信技术与传统通信技术大不相同。第二，新材料为激光通信技术的发展带来了机遇。近年来，随着科学技术发展的日新月异，新的激光材料正为激光通信事业的发展的注入活力，包括Ce：LiSAF、Ce：LiuF紫外可调谐晶体、超晶格非线性光学晶体、KBBF深紫外非线性光学晶体等在内的新激光材料正以前所未有的速度问世。在晶体光电子器件中发展势头最猛的要属光子晶体激光器。以人工晶体为基础材料的全固态激光器的发展趋势是研究出集高功率、多波长、宽调谐、长寿命、高稳定性于一体的全固态激光器。除此之外，在新结构方面最引人瞩目的是量子点激光器和微腔半导体激光器，前者虽然处于研究阶段，但是研究潜力大且体积小、冷却要求低；后者的主要用途就是以光源的形式应用在孤子通信系统之上。纵观整个激光通信系统的发展，世界范围内通信市场的萎靡不振也让激光通信经历了考验，遭遇了很多的苦难，当然也面临着许多的机遇。第三，激光通信要实现产业化和商品化的道路还非常漫长。就目前的研究情况看来，激光通信有两个主要的研究和发展方向，第一是实现激光通信技术的实用化，第二是积极研发高功率光纤激光器。目前的高功率光纤激光器的连续输出光功率已经相当惊人，据资料显示现在已经在千万量级上，光功率密度可达数百MW/cm2。高功率光纤激光器的研制已经成为一个国家技术实力的代表之一，因而关于高功率光纤激光器的研制项目也纷纷上马，它的实用化的技术研究更是抢占激光技术的制高点的关键所在，所以国内各有关单位正在紧锣密鼓地研制相关的技术。路漫漫其修远兮，高功率光纤激光器实现产业化和商品化的道路还非常漫长，这其中还有许多关键技术需要解决。今后高功率光纤激光器的主要发展方向为：(1)提升高功率光纤激光器的性能；(2)采用各种增益介质(如光子晶体光纤等)和各种形状，以输出各种波长激光；(3)将其应用到光孤子通信和空间光通信领域，实现远距离和无差错通信。2 激光通讯的渠道光纤通讯 光纤比头发丝还要细，一般由两层不同的玻璃组成(见图31)，里面一层叫纤芯或内芯，直径约为510m；外面一层叫包层，外径约为100300m。为了保护光纤，包层外面往往覆盖一层塑料。在光通信工程中应用的是光缆，它是由许多根光纤组合在一起并经加固处理而成的。 低损耗是光纤通信的又一优点。因为纤芯和包层的折射率不同，前者略大于后者。光通信的光源是激光。当纤芯内的光线入射到包层界面时，只要其入射角大于某个临界值，光就会在纤芯内发生全反射，并且不断地全反射传播下去，不会有光漏射到包层中。用光纤通信的中继距离比用同轴电缆等其他通信方式长许多倍。现在已建成了欧亚大陆、亚欧海底、亚美海底的光缆系统。 若要用光传送声音，首先应像普通电话那样，把声音信号变为电信号，再将载有声音信息的电信号通过发光器件(如发光二极管 LED和半导体激光二极管LD)变换成光信号，最后使用光纤将这个光信号传送到远方。在光纤传输的接受端，把这个光信号通过光电检测器件(如PIN光电二极管等)先转变成电信号，然后再将电信号还原成声音信号，这样就实现了通话。 光缆与铜电缆相比，具有体积小、重量轻、柔韧性强、容量大、不怕干扰、不会泄密、安装维护容易、费用低廉等优点。在军事上也得到了广泛的应用。 美国贝尔实验室已实现1根光纤同步传输50部电影，即400G数据(1G=1000M，1M=1024千个字节)。按现在开发光纤容量的速度，专家预测，在10年内1根光纤可同步传输5亿部电影，将能为用户提供接近无限的带宽。因此，光纤被称为信息传输的“超高速公路”。 我国在1999年建成了8纵8横覆盖全国的光缆工程。以后将在全国完成8000km两个管道内共铺设96芯G655光纤的基础设施，同时分装4个空管，为新光纤的使用作准备。43 无线激光通讯技术无线激光通信是指利用激光束作为信道在空间(陆地或外太空)直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术，又称为“自由空间激光通信,“无纤激光通信”或“无线激光网络”。无线激光通信以激光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，属于新型应用技术，早期的研究应用主要是在军用和航天上,随着技术的发展，近年来逐渐应用于商用的地面通信，技术也在逐步完善。3.1 无线激光通信的优势相比于微波通信等其他几种接入方 无线激光通信是指利用激光束作为信道在空间(陆地或外太空)直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术，又称为“自由空间激光通信,“无纤激光通信”或“无线激光网络”。 无线激光通信以激光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，属于新型应用技术，早期的研究应用主要是在军用和航天上,随着技术的发展，近年来逐渐应用于商用的地面通信，技术也在逐步完善。 3.2 无线激光通信的优势 相比于微波通信等其他几种接入方式，无线激光通信主要优势包括： 1.无须授权执照 无线激光通信工作频段在365326 THz(目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多在820nm920nm)，设备间无射频信号干扰，所以无需申请频率使用许可证。 2.安全保密 激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好, 激光光束的发散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量级，因此具有数据传递的保密性，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄。 3.实施成本相对低廉 无须进行昂贵的管道工程铺设和维护，其造价约为光纤通信工程的五分之一。 4.建网快速 无线激光通信建网速度快，只须在通信点上进行设备安装，工程建设以小时或天为计量单位，适合临时使用和复杂地形中的紧急组网。对于重新撤换部署也很方便容易。 5.协议的透明性 以光为传输机制，任何传输协议均可容易的迭加上去，电路和数据业务都可透明传输。 6.设备尺寸小 由于光波波长短(约零点几微米到几十微米)，在同样功能情况下，光收发终端的尺寸比微波、毫米波通信天线尺寸要小许多，具有功耗小、体积小、重量轻等特点。 7.信息容量大 光波作为信息载体可传输达10Gbit/s的数据码率。Lucent贝尔实验室不久前演示了其“无线激光通信数据链路”，并且创造了在2.4公里的自由空间距离上以2.5Gbit/s的速率无差错传输信息的世界记录。目前已经商用的无线激光设备，最高速率已达622Mbit/s。 3.3 无线激光通信的缺点 当然，无线激光通信也有其固有的缺点： 1.只能在视线范围内建立链路 两个通信点之间视线范围内必须无遮挡，必要的时候需要考虑线路中间将来可能出现的树木，建筑物的遮挡。对于中间存在障碍物而不可直视的两点之间的传输，可以通过建立一个中继站实现连接。 2.通信距离受限 目前用于地面民用无线激光通信的设备所能达到的距离一般为200m到6000m,受安全发送功率、数据速率、天气等条件的限制，实际使用的距离要短一些。延长直视的两点之间的传输距离可以通过建立中继站的方法。 3.天气影响链路的可靠性 天气因素尤其是大雾所引起的光的色散影响激光通信的可靠性。据测算，当距离在200500米之间时，全球大部分地区均可达到99.999%的通信要求。 4.安装点的晃动影响激光对准 楼顶晃动(受日光，风力的影响)将影响两个点之间的激光对准，使链路质量下降。 5.意外因素使通信链路的阻断，可用性受限制 点对点及点对多点模式中，如有一条链路被隔断(如飞鸟经过链路空间)，通信将受阻。 3.4无线激光通信的应用 1.无线激光主要应用场合 无线激光通信综合了光纤通信与微波通信的优点，比较适合在城域网中使用。目前的主要应用场合包括: (1)在不具备接入条件(如：复杂地形)或带宽不足时提供高效的接入方案 在通信链路跨越高速公路、河流、拥挤的城区时，由于地理条件的限制无法敷设光纤线路时，采用无线激光通信可以有效解决。 (2)解决综合业务接入的“最后一公里” 对智能小区的宽带接入，大企业Intranet的互连，大客户的宽带接入提供一种快速灵活的方案，可提供2622Mbit/s的带宽。 (3)提供室内外、临近局域网之间的互连互通 当两座楼宇之间的办公室需要建立一条通信链路，其他通信方式不能较好的解决时(带宽、价格、线路资源)，采用无线激光通信可快速解决。 (4)对于特殊要求的线路进行备份以及应急临时链路和意外恢复 在突发的自然或人为意外灾害中，原有通信线路被破坏，难以立即恢复时，或者在一些特殊地方发生突发事件，需要应急通信，采用无线激光通信进行快速的部署。 另外对于一些大型的集会(如运动会、庆祝会等)需要快速建立一些临时链路用于现场通信。 大部分无线激光通信设备向用户提供的是业务透明的接口，因此，可以适应多种常用的通信协议，可以很灵活的接入数据，话音，视频业务。 数据网络的互连，适用于Ethernet、FDDI、Token Ring FR等不同协议的网络。 电路业务网络的互连，适用于交换机，移动基站等设备的连接，主要采用E1/E3、OC-3/STM-1(SDH/ATM)接口。 闭路监视系统，广播电视信号的单，双工的传输。 无线激光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源、机械支架，部分厂商的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。 激光通信终端中的光源(Light source)主要分为LD(Laser Diode)和LED(Light Emitting Diode)，其中LD多采用铝砷化钾二极管(AlGaAs Laser Diode)，接收器主要采用PIN(Positive Intrinsic Negative Diode)或APD(Avalanche photodiode)。 另外，部分设备商的产品中集成了伺服装置，用于安装调试、组网调整以及由于环境因素引起的基座移动的调整。 2.采用无线激光技术组网通信时需要考虑一些必要影响因素 (1)自由空间损耗(Free-Space Lose obstacle) 自由空间损耗是指激光波束在传播过程中的扩散引起的损耗；解决方法：提高发射功率、增加波束数量、波束聚焦。 (2)基座的偏移 建筑物的偏移：由于日光、风力、季节的变化引起建筑物及固定基座发生偏移，通常最大4 mrad/2层楼。解决方法：自动跟踪、改变波束聚焦。 (3)衰减(attenuation) 在不同气象条件下，空气中的微粒会对激光的传播形成不同的衰耗。表1是典型天气条件下的数值。 (4)闪烁(scintillation) 500m之内的闪烁影响不明显，大于500m则影响较大。 (5)空气散射(scattering) 激光波束在传播路径上由于空气温度的差异而引起介质的折射率不同导致波束的散射产生的损耗。解决方法：缩短路径；传播路径避免经过排风口、烟囱、高温屋顶、管道等。 (6)背景噪声 在无线激光通信组网过程中，当部分终端的位置需要俯仰或东西朝向时，会遇到日光照射到终端的接收器上，日光形成的背景噪声对正常通信有一定的影响。 另外，由于不同设备厂商在不同型号(传输速率)的设备上采用不同的激光器(LED/LD)和接收器(PIN/APD),在相同的天气条件下所能达到的通信距离不尽相同，考虑到天气及环境因素的变化，在保证误码率的前提下，应留出一定的裕量。 激光的直线传输和扩散角度很小的特性，使截取信息的方式只可能会在传输的路径中间或在光束的扩散区域中，接受器直接置于传输路径中间可能会导致传输中断，在扩散区域，由于衰耗较大， 需要较高的接收灵敏度。另外，部分厂商采用了特殊的编码，用以保护数据的安全。激光对人体的危害，尤其是对眼睛的损伤，其损伤程度可以使眼睛视力降低，甚至完全失明，但这种损伤并非所有量级激光能引起，而是有一最低限度即致伤阈值，只有当激光能量密度或功率密度超过此阈值时才能对眼睛造成伤害。激光器的级别分类提供了一个安全的参考值。 4 结论不断成熟起来的地面通信系统，加上辅助工艺技术的快速发展，半导体激光通信系统将会取得长足的发展，并在可以预见的将来，成为实现卫星之间的通信的有效手段之一，因此，半导体激光通信系统将会成为构建外层空间通信网络的主力军。目前，就发射功率和探测灵敏度而言，完全能满足15千米以内的大气通信系统需求。在国外，半导体激光通信系统已经实现了部分的商品化，反观国内的情况则要稍微落后一些。而无线激光通信填补固定无线通信方式(受频率资源许可、价格、带宽等限制)与光纤通信方式(特殊地形、建网时间等限制)之间的空白。可以灵活、快速地建立通信链路。因此，在调查和了解使用过程中不同条件和要求(传输的距离、用户要求的传输速率、误码率、可用时间等，当地的气象条件如降雨、雪、雾、尘的天数及程度，附近鸟群等)的情况下，可以充分考虑采用采用无线激光通信的方式组网，迅速建立一个有效覆盖、能够为用户提供端到端的网络综合接入服务能力的宽带接入网络。参考文献1 詹玉书, 空间光通信的激光发射和接收技术及模拟实验J;半导体光电;1999年04期2 陈翠华;自由空间光通信中光电子器件的现状分析J;光电子技术与信息;2005年02期3 王海先;大气中激光通信技术J;红外与激光工程;2001年02期4 /view/521295.htm#5Laser comm