雷射通訊技術

雷射通訊技術為無線通訊的一種，它以光信號作為傳輸信息的載體，在大氣中直接傳輸。雷射通訊技術由於其單色性好、方向性強、光功率集中、難以竊聽、本錢低、安裝快等特點，而引起各國的高度重視。

基本介紹

• 中文名：雷射通訊技術
• 類型：無線通訊
• 信息載體：光信號
• 優點：難竊聽，安裝快

簡介

大氣雷射通訊為無線通訊的一種，它以光信號作為傳輸信息的載體，在大氣中直接傳輸。由於是無線通訊，它可隨意移動到任何地點並實現移動溝通。就概念而論，大氣傳輸光學線路非常簡單，即用發射機將雷射束髮射到接收機即可。然而，在實際的大氣傳輸中，雷射狹窄的光束對正確的接收有很高的要求，因此系統還應包括主動對準裝置。在空間傳輸中，雷射系統必須有很強的排除雜光的能力，否則陽光或其他照射光源就會沉沒雷射束。在實踐中，需添加窄通濾光片，可以選擇接收雷射波長而阻擋其他的波長。

光源

早期的雷射通信技術所用光源多數為二氧化碳氣體雷射器、YAG固體雷射器、He-Ne氣體雷射器等。二氧化碳氣體雷射器輸出雷射波長為10.6μm，此波長正好處在大氣信道傳輸的低損耗視窗，是較為理想的通信用光源。與雷射通信技術研究基本同步展開的還有光纖波導通信，從而在技術上形成了雷射通信中與傳統通信相對應的雷射無線通信（雷射空間通信）和雷射有線通信（雷射光纖通信）。

發展

1975年，世界上第一條光纖通信實驗套用線路在美國芝加哥開通，揭開了光纖通信套用的序幕。此後，隨著光纖製作技術、半導體器件技術、光通信系統技術的不斷完善和成熟，光纖通信從80年代起在全世界掀起了套用的熱潮，並迅速被確認為是地面有線通信最有發展潛力的重要的通信手段，以致得到了一日千里的發展和推廣套用。與此同時，雷射大氣通信技術由於器件技術、系統技術和大氣信道光傳輸特性本身的不穩定性等諸多客觀因素一時得不到很好的解決和彌補，便在轟轟烈烈的光纖通信熱潮中，隱退得幾乎無影無蹤。

1989年美國FARANT1儀器公司成功地研製出一種短距離、隱蔽式的大氣雷射通信系統。

1990年，美國試驗了適用於特種戰爭和低強度戰爭需要的紫外光波通信，這種通信系統完全符合戰術任務的要求，通信距離為5~2km。如果對光束進行適當處理後，通信距離可達5~10km。

90年代初，俄羅斯隨著其大功率半導體雷射器件的研製成功，開始了雷射大氣通信系統技術的實用化研究。隨後不久便相繼推出了10km以內的半導體雷射大氣通信系統並在莫斯科、瓦洛涅什、圖拉等城市得以套用。在瓦洛涅什城瓦涅什河兩岸相距離4km的兩個能源站（電力站）之間，五年前架設起了半導體雷射大氣通信系統，該系統可同時傳輸8路數字電話。

1998年，巴西AVIBRAS宇航公司公布了該公司研製的一種攜帶型半導體雷射大氣通信系統。這種通過雷射器聯通線路的軍用紅外通信裝置，其外形如同一架雙筒望遠鏡，在上面安裝了雷射二極體和麥克風。使用時，一方將雙筒鏡對準另一方即可實現通信，通信距離為1km，如果將光學天線固定下來，通信距離可達15km。

2013年11月，美國伊利諾伊大學的一個研究小組在雷射通訊技術上取得了重要進展，可以通過光纖系統高速而準確地傳輸數據，速度達到每秒40G，這是這一領域美國目前的最高速度紀錄。

涉及技術

雷射大氣通訊系統得以實用化涉及的關鍵技術，主要有連續波大功率雷射器技術；自適應變焦技術；光波窄帶濾波技術；光源穩頻技術；信號壓縮編碼技術；光學天線設計製作和安裝校準技術等。國外用於大氣雷射通訊的半導體雷射器和接收器件已實現了商品化。據報導，美國、日本及俄羅斯等國都相繼推出了適用於半導體雷射大氣通訊的大功率器件，連續輸出光功率可從數十毫瓦到數瓦。

衛星通信

在衛星雷射通信領域，歐洲已完全領先於美國，處於國際領先地位並在可預見的將來可保持這一地位。歐空局的SILEX計畫在世界上首先實現了具有一定套用價值的高軌衛星—低軌衛星雷射通信連結，同時發展了高碼率、小型化、輕量化、低能耗的OPTEL工業化雷射通信終端系列，也完成了德國合成孔徑雷達衛星的高碼率多用途雷射通信終端TSX-LCT，表明歐洲事實上實現了高性能的雷射通信終端。日本參與了SILEX計畫，表現了非常堅實的發展基礎。

歐空局SILEX計畫

SILEX計畫是歐空局(ESA)於20世紀80年代開始的星間雷射通信計畫，由法國的MatraMarconiSpac全面負責，目的是要通過法國地面觀測衛星SPOT4(低軌衛星)與通信衛星ARTEMIS(高軌衛星)之間的光學連線證實星間雷射通信的可行性，同時實現ARTEMIS衛星與歐洲光學地面站的雷射通信，並藉助雷射通信鏈路將SPOT4拍攝的圖像真正實時地通過ARTEMIS衛星傳送到法國的地面中心。
雷射通信終端的主要技術參數：通信速率為上行50Mbit/s(低軌衛星→高軌衛星),下2Mbit/s(高軌衛星→低軌衛星)；通信最大距離45000km；通信雷射器為GaAlAs雷射二極體，直接光強調製；接收檢測器為雪崩光電二極體；信標雷射器為多雷射二極體(×19光纖耦合)；跟蹤位置探測器為CCD；望遠鏡孔徑為250mm。SILEX雷射通信終端的技術設計數據具有重要參考價值,現總結如下：
雷射通信系統技術指標：
1)低軌衛星終端(PASTEL)：波長為843～853nm，雷射功率為120mW(峰值)/60mW(平均)，光束髮散度為10mrad,調製方式為OOKDIM，數據速率為50Mb/s，望遠鏡口徑<250mm，接收視場(APD)為100mrad，接收靈敏度為-59dBm，質量為80kg。
2)高軌衛星終端(OPALE)：波長為815～825nm，雷射功率為120mW(峰值)/60mW(平均)，光束髮散度為16mrad，調製方式為OOKDIM，數據速率為2Mb/s，望遠鏡口徑<250mm，接收視場(APD)為100mrad，質量為160kg。
雷射二極體信標光源技術指標：

中心波長為801nm，光束髮散度為750mrad，單雷射二極體輸出功率為(×19)700mW，總輸出功率為3.8W，透射率為45%，光纖耦合效率為87.7%。

日本SILEX-LUCE計畫

LUCE終端的工程模型(EM)與軌道模型(OM)基本相同，主要由光學部分(LUCE-O)和電學部分(LUCE-E)構成。LUCE-O安裝在OICETS衛星背對地球的一面，正對高軌衛星ARTEMIS的視場。LUCE-O包括安裝在兩軸U型萬向架上的光學天線和中繼光學平台。雷射發射機採用GaAlAs半導體雷射二極體，粗跟蹤感測器採用CCD探測器，精跟蹤感測器採用四像限探測器QD.LUCE-E位於衛星內部，控制LUCE-O的捕獲、跟蹤與瞄準並實現通信功能(PN碼)。
主要技術指標為：通信雷射發射平均功率為100mW，波長為830nm；調製模式為非歸零碼(NRZ)直接強度調製；通信速率為50Mb/s，望遠鏡口徑為260mm；終端質量為140kg。

瑞士OPTEL高性能雷射通信終端系列

在發展SILEX計畫的同時，瑞士的Contraves空間中心在歐空局衛星星座鏈路(Thecrosslinksforsatelliteconstellations,SROIL)，星間鏈路先進技術(IntersatelliteLinkFrontEnd,ISLFE)和通用技術(OpticalCrossLinks,OXL)等的多個合作計畫的先期研究基礎上，以工業化套用為目標，設計和發展了OPTEL系列的雷射通信終端，以滿足各種空間套用的需求，所發展和解決的主要關鍵技術是高碼率零差相干光通信技術。
OPTEL系列屬於高性能雷射通信終端，已經達到高碼率、小型化、輕量化和低能耗要求。終端系列採用1.064mm相干接收零差探測技術，發射信號進行二進制相移鍵控(BPSK)調製。如OPTEL-25：通信雷射器採用二極體抽運單頻單模可調諧Nd:YAG雷射加光纖雷射放大器的主振-放大結構(MOPA)，發射波長為1.064mm，採用808nm雷射二極體抽運；摻鐿光纖放大器採用波長977nm雷射二極體抽運，雷射系統的輸出功率為1.25W；變視窗CCD感測器用於捕獲和粗跟蹤，微機械光纖掃描位置探測器用於精跟蹤和通信；信標雷射為雷射二極體，光波長為808nm，最大輸出功率可達7W；望遠鏡口徑為135mm。該系統設計具有重大參考價值，現詳細說明如下：
發射和本機雷射器的抽運模組，信標雷射器：波長為808nm，譜線寬度為2.1nm/1.6A，波長漂移為0.3nm/℃，光輸出功率為1.1W，最大光輸出功率為7W，Plug接線效率為20%，輸出光纖為100mmMM多模光纖，外殼100mm×122mm×46mm，重量為256g，正常功耗為12W，第一階本徵頻率為272Hz，非工作溫度範圍-40～+65℃。
發射和本機振盪雷射器：波長為1064nm，線寬10kHz，輸出功率為80mW，頻率調諧範圍為12.4GHz，輸出光纖5mmPM-SM，外殼240mm×118mm×60mm，重量為500g，功耗為11.2W，第一階本徵頻率為200Hz，非工作溫度範圍為-35～+45℃。
光纖雷射放大器：信號波長為1064nm，輸入功率為10mW，輸出功率為1.25W，抽運波長為977nm，抽運功率為5.5W，偏振消光率>20dB，外殼200mm×100mm×40mm，重量為1.7kg，第一階本徵頻率為200Hz，熱工作範圍為15～50℃。
光纖放大器雷射抽運模組：波長為977nm，光譜寬度為3nm，(正常)光輸出功率為16W，光束尺寸為12mm×12mm，光束髮散度為7mrad，對準誤差為±0.06mrad，外殼為210mm×130mm×30mm，重量為1.1kg，最大功耗為88W，第一階本徵頻率為250Hz，非工作溫度範圍為-40～+65℃。

德國的TerraSAR-X雷射通信終端

TerraSAR-X衛星是德國新的合成口徑雷達衛星，是德國用於科學和商業套用的國家級項目。該衛星計畫搭載一個雷射通信終端LCT，通信速率為5.625Gb/s(24×225Mb/s)，可以用來進行星間雷射通信(美國的低軌衛星)和星地雷射通信，用於實時傳輸合成孔徑雷達上的數據。

終端通信波長為1.064mm，採用相干光通信方案，二進制相移鍵控(BPSK)調製，零差相干檢測。望遠鏡主鏡直徑為125mm。終端質量小於30kg，功耗低於130W，並且保證在十年使用過程中的可靠度超過0.9998。

特點

與傳統的無線電通訊手段相比，雷射大氣通訊具有安裝便捷、使用方便等特點，很適合於在特殊地形、地貌及有線通訊難以實現和機動性要求較高的場所工作。此外，雷射大氣通訊系統跟其他無線電通訊手段相比，還具有不擠占寶貴的無線電頻率資源、電磁兼容性好、抗電磁干擾能力強、且不干擾其他傳輸設備、保密性強等特點，並且在有效通訊間隔和寬頻等方面還蘊躲著巨大的發展潛力。

與光纖通訊相比，使用新技術光通訊設備還具有建網和維護用度低廉；實際套用中線路建立快捷，特別適合快速搶通；運行安全，不易被竊聽；可移動，可升級等優點。

套用領域

雷射大氣通訊的套用十分廣泛，可以架在高山之間完成邊防哨所和森林觀察的通訊；可以臨時架設解決必要的通訊及計算機聯網或作為移動通訊的轉接站；可以架設在海岸、江河、島嶼或艦船上實現短間隔保密通訊；同時，其方便快捷和保密性好的特點，還非常適應戰場移動指揮的通訊需要。