光纤通信课件 FSO介绍
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FSO介绍
什么是FSO
自由空间光（FSO,Free Space Optics ）通信是信号沿光 束通过自由空间传输的过程 。
早在100多年前， A.G.贝尔提出Photophone光电话。 上世纪70年代，FSO技术因其高带宽和安全技术特点，应
用于美国军方和航空航天。
近年来由于自由空间光通信技术的不断发展以及传输带宽 不断增大，自由空间光通信产品已成为光纤传输的补充。
-0.46
50,000
-0.21
系统冗余度
冗余度概念及意义：
系统的接收冗余度又称为链路余量（Link Margin）或者称为链路预算（Link budget），它是一个产品的性能指标，通过这个数值的估算可以估算出相关 产品的最大传输距离（根据不同天气状况下激光的衰减情况），单位为dBm。
冗余度计算公式如下：
激光器 光纤 透镜
空间分流发送器
多光束接收器的设计
空间光信号输入 850nm
O/E
数据输出
1m
1 km
Divergence 0.5 mrad 2.0 mrad 4.0 mrad
Range 1.0 km 1.0 km 1.0 km
Spot Diameter ~0.5 m ~2.0 m ~4.0 m
同步多束激光
3.79 米
- 6.0 dB - 1.2 dB - 3.0 dB
15 cm 21 cm
pc pt pr p0 pg
其减中（p如c为光系纤统耦链合路、余透量镜；传p输t为、系瞄统准输镜入等功因率素；引pr起为的接衰收减器；灵p敏g为度几；何p0衰为减固。定衰
系统冗余度
+7 dBm
4 dB
+3 dBm
发送器输出
固定系统损耗
几何损耗
23 dB
（光束发散、
渐晕、视差等）
-20 dBm
FSO工作原理
2 空间发送激光器将“0” “1”信号 调制到激光上并发送到空中
3 接收对端的红外光信号
5 双向数据传输
1 FSO设备接入通 信网络来到数字 信号
4 FSO设备恢复出接入 的通信网络数字信号
FSO通信影响因素
窗户玻璃衰减 雾
建筑物偏移
太阳光
障碍物 沙尘、烟、低云等
闪烁
红外激光
闪烁（Scintillation）
FSO反光
反光：FSO发出的空间光会通过对端FSO光纤耦合端面反射回来，距离越 近，反射的光越强，当反射的光强到一定的程度时会导致FSO设备 出现误码或者业务中断，这种现象我们通常称之为反光；
VOA(自动光功率衰减)
渐进衰减片
入射光束
VOA
窄带滤光片
大孔径非球面透镜
耦合光束
APD 电机 APD和硬软件模块
VOA应用在FSO中原理
FSO的保密性
侵权接收器实物位置必然位 于圆形光束圈内
其它必要条件∶ －相同的视场 －相同的接收器波长 －相同的数据传输速率
大气因素造成的损耗
重雾 浓雾 中度雾 轻雾 薄雾 朦胧 轻微朦胧 晴朗
万里晴空
天候
暴大雨(100公里/小时) 大雨(25公里/小时)
雪 中雨(12.5公里/小时) 小雨(2.5公里/小时)
FSO空间光波长
850nm还是1550nm？
Visible Spectrum
400 nm
500 nm
600 nm
700 nm
HeNe
800 nm
900 nm
Near Infrared
780 810 850 nm nm nm
1300 1550 nm nm
激光安全
我们为什么要制定激光安全规范： 对不可见光没有“亮光”反应。 850 nm的激光束聚焦在没有痛觉的视网膜极小区间。 1550激光器发送功率比 850激光器大20dB左右，能产生有感的眼部不
发散角 = 2 毫弧度
2000米时的2mr投射模式
（按比例）
4根平行光束
FSO接收视场角
设计思路： 尽量使能量汇聚，提升链路抗衰减性能； 抗外界杂散光的干扰能力； 抗摇摆与震动。
光斑直径 = 2m
发散角度 = 2 mrad
视场角 = 1.47mrad
空间距离 =1km
自动跟踪
什么是自动跟踪？ 采用自动跟踪技术的FSO都有什么好处？
弯曲形透镜 防结冻装置
四片82mm接收透镜
加热 玻璃板
内置 望远镜
罩壳
四片35mm发送 透镜
多光束发送器的设计
克服断续性实物障碍(飞鸟)、闪 烁、雨雪，保证 安全 运行* 。
数据输入
O/E
Βιβλιοθήκη Baidu数字 信号
数据分路器
冗余信号
（FSO的设计中未使用任何光学放大器。）
发送器输出
E/O
1
1
2
2
3
3
4
4
850nm
3m
束宽 1000米
2m
束宽 2000米
4m
3m
6m
6m
12 m
发射角度
1° ≈ 17 mrad → 1 mrad ≈ 0.0573°
Small angle approximation:
Angle (in milliradians) * Range (km)= Spot Size (m)
1 mrad
闪烁是由大气湍流引起的时空变化，这种湍流是由风和温 度差所产生的空气囊体，随着浓度的改变，空气囊体也就 迅速地改变着光线的折射率，其作用恰似一个随时间改变 着特性的棱镜和透镜，这正是造成夜空中星体闪烁现象的 原因。
光束发散和投射模式
光束 发散
2 毫弧度
3 毫弧度
6 毫弧度
束宽 500米 1m
1.5 m
毛毛雨(0.25公里/小时)
能见度(公尺) dB損耗/公里
0
50
-339.0
200
-84.9
500
-34.0
770
-20.0
1000
-14.2
1,900
-7.1
2,000
-6.7
2,800
-4.6
4,000
-3.0
5,900
-1.8
10,000
-1.1
18,100
-0.6
20,000
-0.53
23,000
系统裕量 是影响系统性能 的关键因素
系统裕量
25 dB （用于克服雾、薄雾等 影响的额外功率）
-45 dBm
接收器下限
+15
31.6
+10
10
+5
0
1
-5
-10
随距离变化
-15
-20
-25
-30
随能见度变化
-35
（气候，随时间变化）
-40
-45
-50
1x10-5
-55
-60
1x10-6
dBm mW
多光束FSO设计
适。
FSO安全等级
国际相关标准为IEC60825-1
CLASS-1类 在可以预见的合理条件下，激光器的所有运行都是安全的， 其中包括使用光学装置进行观察。 CLASS-1M类 裸眼观察时完全安全。 如果在光源计算距离范围内使用光学装置进行观察，在 302.5 到4000 nm范围内发射的激光可能不安全。
什么是FSO
自由空间光（FSO,Free Space Optics ）通信是信号沿光 束通过自由空间传输的过程 。
早在100多年前， A.G.贝尔提出Photophone光电话。 上世纪70年代，FSO技术因其高带宽和安全技术特点，应
用于美国军方和航空航天。
近年来由于自由空间光通信技术的不断发展以及传输带宽 不断增大，自由空间光通信产品已成为光纤传输的补充。
-0.46
50,000
-0.21
系统冗余度
冗余度概念及意义：
系统的接收冗余度又称为链路余量（Link Margin）或者称为链路预算（Link budget），它是一个产品的性能指标，通过这个数值的估算可以估算出相关 产品的最大传输距离（根据不同天气状况下激光的衰减情况），单位为dBm。
冗余度计算公式如下：
激光器 光纤 透镜
空间分流发送器
多光束接收器的设计
空间光信号输入 850nm
O/E
数据输出
1m
1 km
Divergence 0.5 mrad 2.0 mrad 4.0 mrad
Range 1.0 km 1.0 km 1.0 km
Spot Diameter ~0.5 m ~2.0 m ~4.0 m
同步多束激光
3.79 米
- 6.0 dB - 1.2 dB - 3.0 dB
15 cm 21 cm
pc pt pr p0 pg
其减中（p如c为光系纤统耦链合路、余透量镜；传p输t为、系瞄统准输镜入等功因率素；引pr起为的接衰收减器；灵p敏g为度几；何p0衰为减固。定衰
系统冗余度
+7 dBm
4 dB
+3 dBm
发送器输出
固定系统损耗
几何损耗
23 dB
（光束发散、
渐晕、视差等）
-20 dBm
FSO工作原理
2 空间发送激光器将“0” “1”信号 调制到激光上并发送到空中
3 接收对端的红外光信号
5 双向数据传输
1 FSO设备接入通 信网络来到数字 信号
4 FSO设备恢复出接入 的通信网络数字信号
FSO通信影响因素
窗户玻璃衰减 雾
建筑物偏移
太阳光
障碍物 沙尘、烟、低云等
闪烁
红外激光
闪烁（Scintillation）
FSO反光
反光：FSO发出的空间光会通过对端FSO光纤耦合端面反射回来，距离越 近，反射的光越强，当反射的光强到一定的程度时会导致FSO设备 出现误码或者业务中断，这种现象我们通常称之为反光；
VOA(自动光功率衰减)
渐进衰减片
入射光束
VOA
窄带滤光片
大孔径非球面透镜
耦合光束
APD 电机 APD和硬软件模块
VOA应用在FSO中原理
FSO的保密性
侵权接收器实物位置必然位 于圆形光束圈内
其它必要条件∶ －相同的视场 －相同的接收器波长 －相同的数据传输速率
大气因素造成的损耗
重雾 浓雾 中度雾 轻雾 薄雾 朦胧 轻微朦胧 晴朗
万里晴空
天候
暴大雨(100公里/小时) 大雨(25公里/小时)
雪 中雨(12.5公里/小时) 小雨(2.5公里/小时)
FSO空间光波长
850nm还是1550nm？
Visible Spectrum
400 nm
500 nm
600 nm
700 nm
HeNe
800 nm
900 nm
Near Infrared
780 810 850 nm nm nm
1300 1550 nm nm
激光安全
我们为什么要制定激光安全规范： 对不可见光没有“亮光”反应。 850 nm的激光束聚焦在没有痛觉的视网膜极小区间。 1550激光器发送功率比 850激光器大20dB左右，能产生有感的眼部不
发散角 = 2 毫弧度
2000米时的2mr投射模式
（按比例）
4根平行光束
FSO接收视场角
设计思路： 尽量使能量汇聚，提升链路抗衰减性能； 抗外界杂散光的干扰能力； 抗摇摆与震动。
光斑直径 = 2m
发散角度 = 2 mrad
视场角 = 1.47mrad
空间距离 =1km
自动跟踪
什么是自动跟踪？ 采用自动跟踪技术的FSO都有什么好处？
弯曲形透镜 防结冻装置
四片82mm接收透镜
加热 玻璃板
内置 望远镜
罩壳
四片35mm发送 透镜
多光束发送器的设计
克服断续性实物障碍(飞鸟)、闪 烁、雨雪，保证 安全 运行* 。
数据输入
O/E
Βιβλιοθήκη Baidu数字 信号
数据分路器
冗余信号
（FSO的设计中未使用任何光学放大器。）
发送器输出
E/O
1
1
2
2
3
3
4
4
850nm
3m
束宽 1000米
2m
束宽 2000米
4m
3m
6m
6m
12 m
发射角度
1° ≈ 17 mrad → 1 mrad ≈ 0.0573°
Small angle approximation:
Angle (in milliradians) * Range (km)= Spot Size (m)
1 mrad
闪烁是由大气湍流引起的时空变化，这种湍流是由风和温 度差所产生的空气囊体，随着浓度的改变，空气囊体也就 迅速地改变着光线的折射率，其作用恰似一个随时间改变 着特性的棱镜和透镜，这正是造成夜空中星体闪烁现象的 原因。
光束发散和投射模式
光束 发散
2 毫弧度
3 毫弧度
6 毫弧度
束宽 500米 1m
1.5 m
毛毛雨(0.25公里/小时)
能见度(公尺) dB損耗/公里
0
50
-339.0
200
-84.9
500
-34.0
770
-20.0
1000
-14.2
1,900
-7.1
2,000
-6.7
2,800
-4.6
4,000
-3.0
5,900
-1.8
10,000
-1.1
18,100
-0.6
20,000
-0.53
23,000
系统裕量 是影响系统性能 的关键因素
系统裕量
25 dB （用于克服雾、薄雾等 影响的额外功率）
-45 dBm
接收器下限
+15
31.6
+10
10
+5
0
1
-5
-10
随距离变化
-15
-20
-25
-30
随能见度变化
-35
（气候，随时间变化）
-40
-45
-50
1x10-5
-55
-60
1x10-6
dBm mW
多光束FSO设计
适。
FSO安全等级
国际相关标准为IEC60825-1
CLASS-1类 在可以预见的合理条件下，激光器的所有运行都是安全的， 其中包括使用光学装置进行观察。 CLASS-1M类 裸眼观察时完全安全。 如果在光源计算距离范围内使用光学装置进行观察，在 302.5 到4000 nm范围内发射的激光可能不安全。