無線光通信中光強概念的深入探究(一) 摘要本文從波動光學中光強的.doc

無線光通信中光強概念的深入探究(一) 摘要本文從波動光學中光強的定義出發(fā)，指出了在應用中存在的矛盾。一方面，就光通信中可能存在的TE波與TM波不能共存情況，文中提出了“有效光強”的概念， 解決了物理概念上的矛盾；另一方面，文中通過理論分析與實驗結果的比對，指出通常采用的計算和測量光強的方法，都只注意了光波的電場能而忽視了其磁場能，這些對于FSO這 樣的邊界條件復雜的傳輸環(huán)境有待改進。1、問題的提出地對地的自由空間光通信(Free Space Optical Communication，F(xiàn)SO)，也稱為無線光通信(Optical Wireless Communication)，是一種新型的寬帶接入方式。FSO一方面具 有光纖通信頻帶寬的優(yōu)勢，能支持155Mb/s10Gb/s的傳輸速率；另一方面又具有無線通信接入靈活的特點，建設周期較短、成本低廉、大約是光纖到大樓成本的1/101/3；所以 FSO不失為一種解決“最后一公里”瓶頸問題的有效途徑12。FSO是一種以大氣為傳送介質(zhì)的激光通信技術，大氣中的灰塵、水蒸汽等的微粒紊動將導致光信號嚴重畸變3。為了解決這個問題，針對溫度、壓力變化造成 的大氣中微粒紊動的隨機性，就需要采用某種預測準則，如最小均方誤差(Minimum Mean-Square Error，MMSE)，動態(tài)的進行信號光強估計4。波動光學里，光強定義為光場中r處的平均能流密度，用1表示，即：其中E和H為其電、磁場強，S為波印亭矢量的模?？紤]到單色光的高頻特性：觀察時間遠大于周期T，從而有：如果電場和磁場都為平面波(條件1)，即在正交于傳播方向的平面上各點具有相同值的波，且它們都是單色簡諧波(條件2)，那么電磁場滿足：則有：其中Em為其振幅，K為空間角頻率矢量。條件2常寫為復振幅形式(條件3)，即：此時光強可寫為我們注意到，如果使用式(4)或式(7)計算光強，只需要知道電場的振幅大小Em或便足夠了。但是在實際當中，條件1的束縛是十分苛刻的。于是，我們要盡可能的將條件1放寬，同時保證式(3)近似成立。這樣我們需要考慮下面幾個問題：首先，能否將條件1放寬到只保證電場是平面波，而磁場未必是平面波的情況。因為低速條件下，電場在光與物質(zhì)的相互作用中起主要作用，而E被稱為光矢量；同時磁場的 作用對于一般的介質(zhì)比較微弱，難以測量5，所以只通過電場的性質(zhì)確定光強是我們所希望的。其次，對于平面波疊加形成的明顯不滿足式(3)的情況應如何處理。這是否就意味著必須充分考慮對光作用影響不大的磁場呢?如果堅持式(1)的定義，這些情況下光強計算 公式會不會與式(4)和式(7)有很大出入呢?這是我們計算非平面波的光強時所必須考慮的問題。應當指出：幾束傳播方向、振動方向和頻率相近的平面波的疊加后，可近似地認為仍滿足條件1，這是我們通常無條件地使用式(4)和式(7)計算光強的原因。但是，在許多 明顯不符合式(3)的情況(如反向傳播的平面波形成駐波的情況)下，從尊重式(1)的定義的角度出發(fā)，這樣做是不能自恰的，這也是本文立論的出發(fā)點。在以下兩節(jié)中，我們從麥克斯韋方程和式(1)中光強的定義出發(fā)，結合實驗結果，對這兩個問題進行探究，尋找在無線光通信中光強概念的合理解釋。2、只有電場是單色平面波的情況2.1電場條件我們討論只保證電場為單色的平面簡諧波的情況，即：其中k0為空間角頻率矢量，模為k0，在(x,y,z)坐標系下的各分量分別為k0x，k0y和k0z。(1)考慮麥克斯韋方程將式(8)代入，得：注意到上式等號左側不是t的函數(shù)，而等號右側含t，故等號兩側同為0，從而可得：這說明電場是橫波(TE波)。(2)E(r,t)滿足波動方程式(13)等號左側可展開為等號右側可展開為故式(13)可簡化為注意到上式等號左側不是t的函數(shù)，而等號右側含t，可得考慮對式(20)進行坐標變換。建立新坐標系(k1,k2,k3)，其中k1軸與k0同向。記ki軸與x，y和z 軸的夾角分別為，并記易見A是正交矩陣，并有是故代入式(20)，則有式(25)表明，Em(r)的各分量沿k0方向的方向導數(shù)均為零，