無(wú)線光通信中光強(qiáng)概念的深入探究(一) 摘要本文從波動(dòng)光學(xué)中光強(qiáng)的.doc

無(wú)線光通信中光強(qiáng)概念的深入探究(一) 摘要本文從波動(dòng)光學(xué)中光強(qiáng)的定義出發(fā)，指出了在應(yīng)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(qiáng)”的概念， 解決了物理概念上的矛盾；另一方面，文中通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比對(duì)，指出通常采用的計(jì)算和測(cè)量光強(qiáng)的方法，都只注意了光波的電場(chǎng)能而忽視了其磁場(chǎng)能，這些對(duì)于FSO這 樣的邊界條件復(fù)雜的傳輸環(huán)境有待改進(jìn)。1、問(wèn)題的提出地對(duì)地的自由空間光通信(Free Space Optical Communication，F(xiàn)SO)，也稱為無(wú)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(shì)，能支持155Mb/s10Gb/s的傳輸速率；另一方面又具有無(wú)線通信接入靈活的特點(diǎn)，建設(shè)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(wèn)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(shù)，大氣中的灰塵、水蒸汽等的微粒紊動(dòng)將導(dǎo)致光信號(hào)嚴(yán)重畸變3。為了解決這個(gè)問(wèn)題，針對(duì)溫度、壓力變化造成 的大氣中微粒紊動(dòng)的隨機(jī)性，就需要采用某種預(yù)測(cè)準(zhǔn)則，如最小均方誤差(Minimum Mean-Square Error，MMSE)，動(dòng)態(tài)的進(jìn)行信號(hào)光強(qiáng)估計(jì)4。波動(dòng)光學(xué)里，光強(qiáng)定義為光場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)，S為波印亭矢量的模。考慮到單色光的高頻特性：觀察時(shí)間遠(yuǎn)大于周期T，從而有：如果電場(chǎng)和磁場(chǎng)都為平面波(條件1)，即在正交于傳播方向的平面上各點(diǎn)具有相同值的波，且它們都是單色簡(jiǎn)諧波(條件2)，那么電磁場(chǎng)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(fù)振幅形式(條件3)，即：此時(shí)光強(qiáng)可寫為我們注意到，如果使用式(4)或式(7)計(jì)算光強(qiáng)，只需要知道電場(chǎng)的振幅大小Em或便足夠了。但是在實(shí)際當(dāng)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(shí)保證式(3)近似成立。這樣我們需要考慮下面幾個(gè)問(wèn)題：首先，能否將條件1放寬到只保證電場(chǎng)是平面波，而磁場(chǎng)未必是平面波的情況。因?yàn)榈退贄l件下，電場(chǎng)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(shí)磁場(chǎng)的 作用對(duì)于一般的介質(zhì)比較微弱，難以測(cè)量5，所以只通過(guò)電場(chǎng)的性質(zhì)確定光強(qiáng)是我們所希望的。其次，對(duì)于平面波疊加形成的明顯不滿足式(3)的情況應(yīng)如何處理。這是否就意味著必須充分考慮對(duì)光作用影響不大的磁場(chǎng)呢?如果堅(jiān)持式(1)的定義，這些情況下光強(qiáng)計(jì)算 公式會(huì)不會(huì)與式(4)和式(7)有很大出入呢?這是我們計(jì)算非平面波的光強(qiáng)時(shí)所必須考慮的問(wèn)題。應(yīng)當(dāng)指出：幾束傳播方向、振動(dòng)方向和頻率相近的平面波的疊加后，可近似地認(rèn)為仍滿足條件1，這是我們通常無(wú)條件地使用式(4)和式(7)計(jì)算光強(qiáng)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(diǎn)。在以下兩節(jié)中，我們從麥克斯韋方程和式(1)中光強(qiáng)的定義出發(fā)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行探究，尋找在無(wú)線光通信中光強(qiáng)概念的合理解釋。2、只有電場(chǎng)是單色平面波的情況2.1電場(chǎng)條件我們討論只保證電場(chǎng)為單色的平面簡(jiǎn)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(biāo)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(hào)左側(cè)不是t的函數(shù)，而等號(hào)右側(cè)含t，故等號(hào)兩側(cè)同為0，從而可得：這說(shuō)明電場(chǎng)是橫波(TE波)。(2)E(r,t)滿足波動(dòng)方程式(13)等號(hào)左側(cè)可展開(kāi)為等號(hào)右側(cè)可展開(kāi)為故式(13)可簡(jiǎn)化為注意到上式等號(hào)左側(cè)不是t的函數(shù)，而等號(hào)右側(cè)含t，可得考慮對(duì)式(20)進(jìn)行坐標(biāo)變換。建立新坐標(biāo)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(jiàn)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?qū)?shù)均為零，