FSO自由空间光通信

自由空间光通信

（FSO）

侯全心

2007年2月

课程目的：

了解FSO的基本原理

了解FSO应用设计中应注意的问题

参考文献：

《城域光网络》；

Internet。

FSO概述

FSO基本原理

FSO关键技术

FSO应用分析及对比 FSO典型设备

FSO的设计要点

FSO概述

微波通信，节省线缆资源、易于跨越复杂地形。但容量小；频率资源管制。

光纤（光波导）通信，容量大、保密安全，但敷设光缆的成本大、受地理环境影响大。道路通过权管制。

上述两者结合的可能性？？？

基本概念

FSO( Free Space Optical com sys)技术是一种基于

光传输方式、采用红外激光承载高速信号的无线传输技

术；

利用小功率红外激光束为载体，以空气为介质，以点对

点或点对多点的方式实现连接；

设备以发光二极管或激光二极管为光源，因此又有“虚拟

光纤”之称；

红外波段比微波波段更小，更加灵活。无线光通信系统

的工作频段在300GHz以上，一般采用技术成熟的

850nm、1550nm波长器件，与大多数低频段电磁波不同，该电磁波频段的应用在全球不受管制，可以免费使

用；

可安装在楼顶或窗口。

安装方式

安装方式

FSO概述-应用场合

FSO概述

FSO基本原理

波长资源

光在大气的传播特性

激光与人眼安全

系统工作原理

FSO关键技术

FSO应用分析及对比 FSO典型设备

FSO的设计要点

基本原理（1）－波长资源

光谱图

名称声波无线电波红外线可

见

光

紫外线

X射线γ射线

频率波长104 Km 10Km 1Km 1 m 1cm 1mm 1 μm 1 nm 0.1 nm

3×10-1 3×1023×105 3×108 3×1010 3×1011 3×1014 3×1017 3×1018 3×1021

760nm 400nm

0.76

近红外波

15

25

300

μm 中红外波

远红外波

大气光通信的可行性－－大气的组成特点 均匀不变组分（从海平面至80km的高度组成成分几乎不变）9二氧化碳，氩，甲烷，一氧化碳等

可变组分（随高度变化，组成成分、浓度等变化）

9水汽含量随距地面的高度而减少；但到15km后就不再减少；

9氧气、氮气含量随高度增加而减少；

9臭氧在25km处浓度最大；

9悬浮微粒（通常也称气溶胶）在地面较集中、在10-50km也较多。

布给定理。衰减的因素＝吸收衰减＋散射衰减。

)](λγx

x

e

P e

P P ⋅−⋅+−×=×=)()]()([)0,()0,(),(λαλγλμλλχλ大气吸收系数；大气散射系数，大气综合衰减系数。

)(λμ)(λα

透射率，与波长存在密切关系，因为大气中的一些分子

对辐射有选择性吸收或散射。

x

x e

e P P T ⋅−⋅+−===)()]()([)

0,(),(),(λαλγλμλχλχλ),(χλT

吸收损耗－阳光被大气吸收透射率图

小于0.3μm和大于20μm的辐射几乎被大气吸收，紫外是氮气、氧气的吸收，红外是水汽的吸收；

二氧化碳在2.7\4.3\15μm的吸收最强；

水汽在0.94/1.1/1.38/1.87/2.7/6.27μm吸收较强；

气溶胶在3-5μm以及大于吸收较强；

透射率较高的波段区域称为“大气窗口”：850nm，1000nm，1500-1600nm。

散射损耗－激光在大气中传输时，其能量会在大气分子、微粒粒子（气溶

胶）以及空气湍流中发生散射

主要有以下特性：

9分子散射：又称瑞利散射，散射系数

9微粒散射：，

为修正因子，如雨、云、雾、霾等

4

1

)(λ

λμ∝

4

)(λ

ε

λμ∝ε

典型气候条件下的综合衰减系数

)(λα0.144-0.03

50-100km

非常晴朗

0.45-0.14420-50km 晴朗 1.03-0.4510-20km 晴 2.9-1.034-10km 轻霾 6.2-2.92-4km 雾或霾13.4-6.31-2km 薄雾28.3-13.4500-1000m 轻雾58-28.2250-500m 中雾220-5870-250m 浓雾392-22040-70m 重雾衰减系数（dB/km）能见度天气条件)

(λα

人眼对光波的响应曲线

400-1400nm的光波，包括部分不可见光如800nm，但也会穿过角膜和晶状体，被聚焦于视网膜上；

对视网膜可造成危害的光被聚焦进入眼睛后，功率可放大100,000倍，而穿透视网膜，而视网膜没有疼痛感觉，对不可见光也无法激发眨眼动作，这样会被伤害。

而对于大于1400nm的波长照射到眼睛时，由于上图所示的生物特性，眼睛可以承受波长大于1400nm的光以比800nm光强50倍的功率照射，而不会受伤害。

眼睛的可视范围

眼睛的功率响应曲线

1550nm

√