刍议激光通信技术

［摘要］ 本文概述了近几年发展起来的极具应用前景的通信技术——激光通信技术，并介绍了它的原理、优缺点及应用情况，最后对其今后发展进行了展望。

［关键词］ 激光； 通信； 应用

doi : 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2011 . 22. 040

［中图分类号］TP929.1 ［文献标识码］A ［文章编号］1673 - 0194（2011）22- 0069- 02

１前言

无线电通信最大的优点是迅速，而最大的缺点是保密性差，怕干扰（主要是电磁干扰和核爆炸产生的强电磁脉冲干扰）。有线电通信虽然比无线电通信保密性好一些，但也不是万无一失，平时打固定电话，不是常听到耳机中传出一些不相干的声音吗？这就是话路串音现象，这种现象给窃听提供了条件，只要将微型窃听器接到电话线上，既可窃听对方的军事秘密，又可实施欺骗干扰，制造假军情。

伴随着激光的产生，一种新颖奇特的通信方式——激光通信问世了。激光技术的出现，像当年半导体晶体管对整个电子技术的作用一样，对通信领域产生变革性的影响，从根本上解决了以上问题。

尤其是近年来，随着光导纤维通信的高速发展，给激光通信带来了明媚的春天，成为现代通信的“热门”领域。不久的将来，将会出现一个光电“多兵种”联合通信时代。即光缆通信与现代常规的通信手段相互巧妙搭配，构成现代化的立体通信网。而未来的通信，将由光电联合通信过渡到光通信时代。到那时，现代的电话、电传、电视等传统电通信方式，将变成由大规模光集成的“光话”、“光报”、“光传”、“光视”等崭新的通信方式。

２激光通信原理

２．１系统原理

激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双向通信。受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，从而使载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，然后将这一光信号转换成电信号，再将信号放大，用阈值探测方法检出有用信号，再经过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出语音信号，最后通过功放经耳机接收，完成语音通信。当开关Ｋ掷向下时，可传递数据，进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统。它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等部分组成。接口电路将计算机与调制解调器连接起来，使两者能同步、协调工作；调制器把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器的发射总功率；解调是调制的逆过程，把接收到的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号将其送到接口电路；同步系统是数字通信系统中的重要组成部分之一，其作用是使通信系统的收、发端有统一的时间标准，步调一致。

２．２关键技术分析

２．２．１高功率激光器的选择

激光器用于产生激光信号，并形成光束射向空间。激光器的好坏直接影响通信质量及通信距离，对系统整体性能影响很大，因而对它的选择十分重要。空间光通信具有传输距离长，空间损耗大的特点，因此要求光发射系统中的激光器输出功率大，调制速率高。一般用于空间通信的激光器有3类：

（1） 二氧化碳激光器。输出功率最大（＞１０ｋW），输出波长有１０．６μｍ和９．６μｍ，但体积较大，寿命较短，比较适合于卫星与地面间的光通信。

（2） Ｎｄ：ＹＡＧ激光器。波长为１ ０６４ｎｍ，能提供几瓦的连续输出，但要求高功率的调制器并保证波形质量，因此比较难于实现，是未来空间通信的发展方向之一。采用半导体泵浦的固体激光器，若使半导体发射谱线与Ｎｄ：ＹＡＧ激光器吸收谱线一致，可减少热效应，改善激光光束质量，提高激光源综合性能。这种激光器适合用于星际光通信。

（3） 二极管激光器（ＬＤ）。ＬＤ具有高效率、结构简单、体积小、重量轻等优点，并且可以直接调制，所以现在的许多空间光通信系统都采用ＬＤ作为光源。例如波长为８００ｎｍ～８６０ｎｍ的ＡlＧａＡｓ ＬＤ和波长为９７０ｎｍ～１０１０ｎｍ的ＩｎＧａＡｓ ＬＤ。由于ＡlＧａＡｓ ＬＤ具有简单、高效的特点，并且与探测、跟踪用ＣＣＤ阵列具有波长兼容性，在空间光通信中成为一个较好的选择。

２．２．２快速、精确地捕获、跟踪和瞄准（ＡＴＰ）技术

这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。系统通常由以下两部分组成：

（1） 捕获（粗跟踪）系统。它是在较大视场范围内捕获目标，捕获范围可达±１°～±２０°或更大。通常采用ＣＣＤ阵列来实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构共同完成粗跟踪，即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几ｍｒａｄ，灵敏度约为１０ｐＷ，跟踪精度为几十ｍｒａｄ。

（2） 跟踪、瞄准（精跟踪）系统。该系统是在完成目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器（ＱＤ）或Ｑ－ＡＰＤ高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应伺服控制系统。精跟踪要求视场角为几百mrａｄ，跟踪精度为几十mｒａｄ，跟踪灵敏度大约为几ｎＷ。

２．２．３精密可靠高增益的收、发天线

为完成系统双向互逆跟踪，空间光通信系统均采用收、发一体天线，隔离度近１００％的精密光机组件。由于二极管激光器光束质量一般较差，要求天线增益高，另外为适应空间系统，天线（包括主副镜，合束、分束滤光片等光学元件）总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。目前天线口径一般为几厘米至２５厘米。

２．２．４大气信道

在地—地、地—空激光通信系统信号传输中，大气信道是随机的。大气中气体分子、水雾、雪、气溶胶等粒子，几何尺寸与二极管激光波长相近甚至更小，这就会引起光的吸收和散射，特别在强湍流情况下，光信号将受到严重干扰。因此如何保证随机信道条件下系统的正常工作，对大气信道工程研究是十分重要的。自适应光学技术可以较好地解决这一问题，并已逐步走向实用化。

３激光通信优缺点

３．１激光通信优点

（1） 通信容量大。在理论上，激光通信可同时传送１ ０００万路电视节目和１００亿路电话。

（2） 保密性强。由于激光频率极高，光束极细，方向性又好（指哪射哪），所以用当今的电话设备无法侦听，用电磁波更难以截获和干扰。至于天空中电离层的变幻和骚动，地球两极上空极光闪烁等对它影响也甚微，好似两股道上跑的车，互不干扰，因此其通信稳定，话音质量良好。激光不仅方向性特强，而且可采用不可见光，因而不易被敌方所截获，保密性能好。

（3） 抗干扰能力强。一般无线电通信方式在核武器爆炸瞬间都要中断一阵子，唯独激光通信不受其害，这是因为核武器爆炸所产生的强电磁脉冲，并没有激光的频率高，所以干扰不了激光。同时，核武器爆炸所产生的强烈光辐射，属于非相干光之类，尽管能量很强，但是不集中，向四面八方发散，即使能够钻进激光接收机，其强度相比也是微乎其微，除了会增加点噪声外，无其他影响。难怪人们称激光通信是炸不断的“线路”，能“气死”核武器。

（4） 结构轻便，设备经济。由于激光束发散角小，方向性好，激光通信所需的发射天线和接收天线都可做的很小，一般天线直径为几十厘米，重量不过几千克，而功能类似的微波天线，重量则以几吨、十几吨计。

３．２激光通信缺点

（1） 大气衰减严重。激光在传播过程中，受大气和气候的影响比较严重，云雾、雨雪、尘埃等会妨碍光波传播。这就严重地影响了通信的距离。

（2） 瞄准困难。激光束有极高的方向性，这给发射和接收点之间的瞄准带来不少困难。为保证发射和接收点之间瞄准，不仅对设备的稳定性和精度提出很高的要求，而且操作也复杂。

４激光通信应用

（1） 地面间光纤通信。在骨干网中，各类高功率、超宽带光纤激光器以及超窄脉冲激光器应用广泛，光纤激光器具有微型化、全固化和易于耦合的特点，在光束质量、光传递特性、可靠性等方面都具有极大优势。因此，光纤激光器，特别是高功率光纤激光器和宽波段光纤激光器，被认为是未来长距离大容量光通信的理想光源。飞秒级光脉冲激光器有很大的增益带宽和超强的输出峰值光功率，在ＤＷＤＭ、光时分复用（ＯＴＤＭ）和光码分多址（ＯＣＤＭＡ）等大容量超高速光通信系统中，以及在波导制造、光谱分析学、三维光存储等方面，都有广泛应用。

（2） 传送传真和电视。利用光纤进行光信号的传输，采取必要的解码设备达到传输数据的目的，可以有效地进行传真和电视信号的传递。

（3） 多路通信。由于激光通信容量大，可作导弹靶场的数据传输和地面间的多路通信。

（4） 全球通信。随着空间应用领域的扩展和各种信息需求量的大幅增加，未来有可能在卫星与卫星之间和卫星与地面之间建成一个全球光网络，并采用波分复用和光波长路由等技术，与地面全光网络及其他通信网如ＳＤＨ网、ＡＴＭ网和ＣＡＴＶ网融为一体，为人类提供一个理想的通信环境，实现任何时间、任何地点、方便便宜且安全地进行信息交流。

（5） 军事应用。激光通信的最主要应用主要是在军事上，其优异的保密性能和强大的抗干扰能力是微波通信无法比拟的，因此，在美军的高性能战斗机上都装有先进的激光—卫星通信系统，以保证在遭遇强干扰情况下担负正常战斗任务的能力。

５激光通信展望

空间激光通信是包含多项工程的交叉科学研究课题，它的发展与高质量大功率半导体激光器、精密光学元件、高质量光滤波器件、高灵敏度光学探测器及快速、精密光机电综合技术的研究和发展密切不可分，光电器件、激光技术和电子学技术的发展，为空间光通信奠定了物质基础。

星际自由空间光通信技术的可行性问题已经解决，虽然至今尚未真正实现星际通信，但是发射功率、接收灵敏度、捕获和瞄准要求、热稳定性和机械稳定性等关键技术近几年已取得明显进步，相信不远的将来将取代微波通信成为星际通信的主要手段。

地面空间光通信将作为一种主要手段进入本地宽带接入市场，特别是那些通常没有光纤连接的中小企业。微波系统和自由空间光通信系统在许多方面可互为补充，前者能提供大区域内低速通信，而后者能提供小区域内高速灵活的连接。各种系统的无缝连接能使用户得到更方便的服务。此外，微波系统还可与自由空间光通信系统互为备份，在天气恶劣甚至无法进行光通信时，启动微波通信系统，可以大大提高通信系统的适用性和可靠性。

战场上，当受到敌方强电磁辐射干扰时，会导致微波通信系统失效，而光纤通信系统既无法在短时间内建立起来，也不能满足机动性要求。此时自由空间光通信系统的优势立刻显现：它能在极短的时间内建立，还对电磁干扰免疫，所以自由空间光通信在军事领域有着广泛的应用前景。

未来的自由空间光网络将形成一个立体的交叉光网，可在大气层内外和外太空卫星上形成庞大的高容量通信网，再与地面上的光纤网络相联通，满足未来的各种通信业务需求。