1、摘 要I摘 要自由空间光通信(Free-Space Optical Communication，简称 FSO)是一种通过在自由空间传输激光信号来实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术。近几年来 FSO 技术以其高带宽、安装便捷、成本低廉、安全性能好等优点受到了人们的关注，在军事和商业上均有广泛的应用。本文在现有的光源直接输出、光电探测器直接耦合的 FSO 系统结构的基础上提出了基于光纤输入、光纤输出的 FSO 系统，这种系统很好的结合了光纤通信系统和无线传输，其优点在于大大降低了成本，简化了链路终端，同时可以利用光纤通信系统中的各种技术扩大系统的带宽。我们对这种新
2、型的 FSO 系统中最关键的部分接收端的光学设计进行了深入的讨论，提出两种解决方案并做了大量的空间光到单模光纤及多模光纤耦合效率的仿真计算。接下来文章分析了整个 FSO 光学链路的功率预算，主要包括光束扩展带来的损耗、瞄准误差的损耗、大气湍流引起的损耗。同时，本文建立了自由空间光通信系统的仿真模型，分析了大气衰减、通信距离、激光发射功率对系统误码率的影响。最后给出实验方案设计及结果分析。关键词:自由空间；光通信接收天线；光纤耦合；链路损耗；误码率ABSTRACTIIABSTRACTFree-Optical Communication is a promising technology thro
3、ugh transmitting laser signals in the atmosphere channel to realize the communication of voice image and between point-to-point, point-to-multipoint and multipoint-to-multipoint. FSO has received a great deal of attenuation lately both in the military and civilian information society due its huge ca
4、pacity, rapid deployment, low cost and high security.In this dissertation, we put forward an all-optical free-space link structure based on the previous diode coupled structure. This new structure can be well integrated with fiber-optical communication networks with lower cost. The most crucial part
5、 of the link design turn out to be the receiver optics and several design solutions were investigated. We do a number off single mode fiber coupling efficiency and multimode fiber coupling efficiency calculations to see which kind of antenna is best suited. An overall discussion on the loss factors
6、of the FSO link is presented including optical spreading loss, misdirected loss and atmosphere turbulence induced loss. Simulation model of the FSO link is constructed and how the atmosphere attenuation, laser output power and communication range influence BER performance is analyzed we give the exp
7、erimental description and the result is analyzed. Finally further improvements for the system have been summarized, which is the next step to research.Key Words: Link budget; Free-Space; Optical Communication; Receiver optics; Fiber coupling; BER performance目录III目录第 1 章 引言 11.1 自由空间光通信的发展 11.2FSO 应用
8、的领域 21.3FSO 技术的优缺点 21.3.1FSO 的缺点 21.3.2FSO 系统的优点 21.4 FSO 技术的研究现状 31.4.1 基于光电探测器直接耦合的 FSO 系统 31.4.2 基于光纤耦合技术的 FSO 系统 5第 2 章 自由空间光通信系统的原理 72.1 FSO 发射系统 82.2 激光发射子系统原理 82.2.1 激光光学发射系统 82.2.2 引导光纤 92.3 光源 92.3.1 工作波长 92.3.2 光源的选择 9第 3 章 FSO 接收系统 103.1 光电探测器 103.1.1 光电探测器的选型 113.2 FSO 系统中的噪声 12第 4 章 光学天
9、线 134.1 FSO 光学系统中的象差 134.1.1 球差 134.1.2 慧差 134.2 发射光学天线 144.2.1 高斯光束的基本性质 144.2.2 激光光学发射天线 14目录IV4.3 接收光学天线 154.3.1 接收光学天线的基本原理 154.4 光学天线的分类 194.4.1 设计光学天线的基本要求 194.4.2 折射式天线 204.4.3 反射式天线 214.4.4 折反射组合式天线 24第 5 章 光学系统和链路性能的分析 255.1 大气损耗 255.1.1 大气衰减 255.1.2 大气湍流引起的损耗 265.2 光束扩展损耗 27第 6 章 系统仿真及性能分析
10、 306.1 光纤通信仿真软件 OptiSystem306.2 基于 OptiSystem 下的系统模型 306.3 仿真及结果分析 316.3.1 天气条件对传输性能的影响 316.3.2 仿真结果分析 31第 7 章 总结 38参考文献 39致谢 40附录 41附录一：不同距离下 PIN 和 APD 管的选择 41附录二：使用误差分析仪时注意的误差 41外文资料原文 42译文 45第 1 章 引言1第 1 章 引言1.1 自由空间光通信的发展激光通信是当今社会信息传播的最重要、最常规的手段。按照传输介质的不同，激光通信可分为光纤通信、自由空间光通信和水下通信。自由空间光通信(Free-Sp
11、ace Optical Communication，简称 FSO)，也称为无线激光通信，是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术。广义的自由空间光通信系统包括星际间的通信和大气间的通信，狭义的自由空间光通信系统就是指大气间的无线传输。FSO 系统又有“虚拟光纤”的说法，这是因为 FSO 系统所使用的设备是和光纤通信系统相类似的激光发射器和接收器。现代的通信网主要由传输网、交换网和接入网三大部分组成。在上个世纪末的光纤网络建设热潮中，业者把重点放在骨干网络上，目前，我国许多城市已基本实现光纤到楼（FTTB） ，光纤到户（FTTH） ，而接入网
12、由于建设技术复杂、实施难度大及耗资庞大而成为通信网建设中的“瓶颈” （即“最后一公里”问题） ，发展较为缓慢。当前有很多接入技术可供用户选择，如光纤，本地多点分配业务（LMDS） 、数字用户线(DSL)、射频技术以及空间光通信 (FSO) 等。其中光纤传输无疑是最可靠的通信方式，但光纤铺设的周期长，费用高以及在某些地方易铺设，这些都限制了光纤的普及;LMDS 比 FSO 的传输距离远，但这种接接入方式需要高额的初始投资铜缆的带宽太低，难以满足人们对带宽日益增长的需求。相比较而言，FSO 技术既能提供类似光纤传输的速率，又无需在频谱等稀有资源方面有很大的初始投资另外，激光技术的进步已经使耐用可靠
13、的器件变得很便宜，大大降低了 FSO 设备的造价。因此，在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率的情况下不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径之一。尽管 60 年代就有人对自由空间光通信进行过研究，但当时主要用于军事及实验目的，其商业应用最近几年才兴起。作为当今十大电信热点技术之一，FSO技术受到越来越多的企业以及运营商的重视，将成为今后构筑电信网的一项重要电子科技大学成都学院本科毕业设计论文2技术 1。1.2FSO 应用的领域FSO 有其独特的性质，所以在很多领域都有着广泛的应用，比如，1）军事应用 FSO 以其高保密性和安装快捷的特性应用于军事场所。2）企业、校园互连
14、。这些局域网通常对传输距离要求不是太高，因此 FSO系统就可以灵活的运用于这些局域网之间。3）城域网的扩展 2:FSO 可用于扩展已有的城域网，将新的网络与骨干网相连接。4）FSO 在电力系统应急通信中的应用。1.3FSO 技术的优缺点1.3.1FSO 的缺点1）传输距离的限制。FSO 是一种视距技术，当传输距离超过一定距离时（一般为几公里）波束就会变宽以至于很难被接收天线接收。2）对准困难。为了保证传输质量，两端的设备对准是非常重要的，即使初步对准之后也要考虑风力和其他因素的影响。3）传输质量收天气的影响非常大。FSO 系统对天气的影响非常敏感，一般晴天影响最小，雨雪天气影响比较大，衰减系数
15、在 5db/km-13db/km。而雾对系统的影响是最大的，一般衰减系数可高达 60db/km。1.3.2FSO 系统的优点1）无需频谱许可证背景。无限光通信因设备间没有信号的相互干扰。FSO与大多数低频电磁波不同的是 300GH 以上电磁波频段的应用在全球都不受限制，可以免费使用。2）带宽高。自由空间光通信于光纤通信一样具有频带高的优势。FSO 支持155Mbit/s-10Gbit/s 的传输速度，传输距离一般在 2-4 公里之间。在点到多点的组第 1 章 引言3网方式中 FSO 同样也支持 155Mbit/s-10Gbit/s 的传输速度，但传输距离一般就为1-2 公里，若果采用格形的组网
16、方式，则可支持 622Mbit/s 的传输速率，传输距离一般为 200-400 米。3）协议透明。FSO 以光为传输介质，任何传输协议都可容易的叠加上去，对语、数据、图像等业务可以做到透明传输。4）成本低廉。以大气作为了传输介质，免去了昂贵的链路铺设和维护工作。5）快速链路部署。由于链路比较简单，FSO 可在几天内完成。6）安全保密性高。FSO 波束很窄，定向性非常好，夜间也无法发现，因此无法探测到链路的位置，更不存在窃听的可能性。1.4 FSO 技术的研究现状1.4.1 基于光电探测器直接耦合的 FSO 系统早在多 30 年前，自由空间光通信曾掀起了研究的热潮，但当时的器件技术、系统技术和大
17、气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素却阻碍了它的进一步发展。与此同时，随着光纤制作技术、半导体器件技术、光通信系统技术的不断完善和成熟，光纤通信在 80 年代掀起了热潮，自由空间光通信一度陷入低谷。然而，随着骨干网的基本建成以及最后一公里问题的出现，以及近年来大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟，自由空间光通信的研究重新得到重视。在国外，FSO 系统主要在美英等经济和技术发达的国家生产和使用。到目前为止，FSO 己被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有 Terabeam和 Airfiber 公司。在悉尼奥运会上， Terabea
18、m 公司成功地使用 FSO 设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用 FSO 设备向客户提供 100Mb/s的数据连接。该公司还计划 4 年内在全美建设个 100 个 FSO 城市网络。而Airfiber 公司则在美国波士顿地区将 FSO 通信网与光纤网(SONET) 通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。表 1-1 是国外一些领先的公司生产的产品的 FSO 性能参数。电子科技大学成都学院本科毕业设计论文4目前商用的 FSO 系统通常采用光源直接输出、光电探测器直接耦合的方式，这种系统有以下几点缺点：1）半导体激光器出射光束在水平方向和垂直方向的发散角不同，且出射光
19、斑较粗，因此我们需要先将出射光束整形为圆高斯光束在准直扩束后发射，这样发射端的光学系统就较为复杂，体积也会相应增大。2）在接收端，光斑经光学天线会聚之后直接送入 PD 转化为电信号。通常，我们需要提供点到点的，双向的通信系统，这样，FSO 系统的每个终端都包括了激光器，探测器，光学系统，电子元器件和其中有源器件所需要的电源。浙江大学硕士论文这种系统的体积通常比较大，重量大，成本也比较高。从 FSO 系统终端的内部结构图中可以看出，完成一个简单的点到点的链路需要 6 个 OE 转换单元。随着人们对带宽的需求越来越高，PD 的成本也越来越高，6 个 OE 转换单元大大增加了成本闭 3。表 1-1
20、FSO 产品的性能参数公司名称 产品型号 带宽（MHz/s） 距离（km） 波长（nm）AirFiber OptiMeshNetwork 622 0.20.5 780Terrabeam FiberlessOpticalCom 1000 1.0 1550LightPointe Lightstream 20622 4.0 820Astro Terra TerraLink 10155 0.53.75 780，850Canon DT50 25622 2.0 780fSONA SONAbeam 155622 4.0 1550PAV Data SkySeries 622 6.0 750950Plain T
21、ree WaveBridge600 155 2.0 910orAccess WDMonAir 622 2.0 1310，1550图 1-1 基于 PD 直接接收的 FSO 系统3）终端设备一般安装于楼顶，如果终端中含有大量的有源设备，会给我们的安装带来了很多不方便。第 1 章 引言5系统的可扩展性很小。如果用户所需要的带宽增加，那么封装在一起的整个FSO 系统终端都需要被新的终端取代，安装新设备的过程需要再次对准，整个升级过程所需要的时间很长，给人们带来巨大的损失图 1-2 FSO 系统终端的内部结构1.4.2 基于光纤耦合技术的 FSO 系统基于光纤输出、光纤输入的自由空间光通信系统如图 1
22、.3 所示，激光输出的高斯光束耦合至光纤再经准直出射，传输一定距离后，光束通过合适的聚焦光学系统聚焦在光纤纤芯上，沿着光纤传输后经 PD 接收还原信号。图 1-3 基于光纤的 FSO 系统示意图这样我们通过在发射和接收端都采用光纤连接的方式，只需要在楼顶放置光学天线系统，而将其他的控制系统通过光纤放置于室内就可以实现点到点的连接，整个系统结构简单，易于安装。这种新型的系统具有以下优点：1)减少了不必要的 E-O 转换，一条链路现在只需要个 EO 接口即可，大大降电子科技大学成都学院本科毕业设计论文6低了成本。2)光学系统较为简单，光纤出射的光束一般为圆高斯光，不需要整形，简化了光学系统，减小了
23、体积，易于安装。3)易于升级及维护，当用户的带宽增加时，我们只需要对放置在室内的系统进行升级即可，免去了复杂繁琐的对准过程。4)基于光纤耦合的空间光通信系统能够很好的与现有的光纤通信网络结合，利用现有的比较成熟的光纤通信系统中的器件如发射接收模块，EDFA 和 WDM 中所用到的复用器和解复用器。可以与光码分多址复用技术(OCDMA)相结合，构成自由空间 OCDMA 系统，进一步系统的带宽。对于一个基于光纤耦合技术的系统而言，以下几个因素必不可少 4：1)体积小，重量轻的光学天线系统。一个最佳的光学天线的设计首先必须使尽可能多的光耦合进单模光纤，获得最大的耦合效率其次要能通过粗跟踪系统测出入射光的角度另外，必须满足尽可能高的通信速率和稳定性。2)性能良好的跟踪系统。要使光学接收天线接收到的光能够有效的耦合进纤芯和数值孔径都极小的单模光纤，我们必须为系统加上双向的跟踪系统。
