自由空間光通信(Free Space Optics)

自由空間光通信（Free Space Optical Communica tions）是指以光波為載體，在真空或大氣中傳遞信息的通信技術。 可分為大氣光通信、衛星間光通信和星地光通信。

基本介紹

• 中文名：自由空間光通信
• 外文名：Free Space Optical Communica tions

自由原理

空間雷射通信系統是指以雷射光波作為載波，大氣作為傳輸介質的光通信系統。自由空間雷射通信結合了光纖通信與微波通信的優點，既具有大通信容量、高速傳輸的優點，又不需要鋪設光纖，因此各技術強國在空間雷射通信領域投入大量人力物力，並取得了很大進展。

傳輸原理

大氣傳輸雷射通信系統是由兩台雷射通信機構成的通信系統，它們相互向對方發射被調製的雷射脈衝信號（聲音或數據），接收並解調來自對方的雷射脈衝信號，實現雙工通信。雷射通信機的原理為系統可傳遞語音和進行計算機間數據通信。受調製的信號通過功率驅動電路使雷射器發光，從而使載有語音信號的雷射通過光學天線發射出去。另一端的雷射通信機通過光學天線將收集到的光信號聚到光電探測器上，然後將這一光信號轉換成電信號，再將信號放大，用閾值探測方法檢出有用信號，再經過解調電路濾去基頻分量和高頻分量，還原出語音信號，最後通過功放經耳機接收，完成語音通信。當開關K擲向下時，可傳遞數據，進行計算機間通信，這相當於一個數字通信系統。它由計算機、接口電路、數據機、大氣傳輸信道等幾部分組成。

接口電路將計算機與數據機連線起來，使兩者能同步、協調工作；調製器把二進制脈衝變換成或調製成適宜在信道上傳輸的波形，其目的是在不改變傳輸結果的條件下，儘量減少雷射器的發射總功率；解調是調製的逆過程，把接收到的已調製信號進行反變換，恢復出原數位訊號將其送到接口電路；同步系統是數字通信系統中的重要組成部分之一，其作用是使通信系統的收、發端有統一的時間標準，步調一致。

技術分析

高功率雷射器的選擇

雷射器用於產生雷射信號，並形成光束射向空間。雷射器的好壞直接影響通信質量及通信距離，對系統整體性能影響很大，因而對它的選擇十分重要。空間光通信具有傳輸距離長，空間損耗大的特點，因此要求光發射系統中的雷射器輸出功率大，調製速率高。一般用於空間通信的雷射器有三類：

二氧化碳雷射器。輸出功率最大(>10kw)，輸出波長有10.6　m和9.6　m，但體積較大，壽命較短，比較適合於衛星與地面間的光通信。

Nd:YAG雷射器。波長為1064nm，能提供幾瓦的連續輸出，但要求高功率的調製器並保證波形質量，因此比較難於實現，是未來空間通信的發展方向之一。採用半導體泵浦的固體雷射器，若使半導體發射譜線與Nd:YAG雷射器吸收譜線一致，可減少熱效應，改善雷射光束質量，提高雷射源綜合性能。這種雷射器適合用於星際光通信。

二極體雷射器（LD）。LD具有高效率、結構簡單、體積小、重量輕等優點，並且可以直接調製，所以現在的許多空間光通信系統都採用LD作為光源。例如波長為800～860nm的ALGaAs　LD和波長為970～1010nm的InGaAs　LD。由於ALGaAs　LD具有簡單、高效的特點，並且與探測、跟蹤用CCD陣列具有波長兼容性，在空間光通信中成為一個較好的選擇。

快速、精確的捕獲、跟蹤和瞄準（ATP）技術

這是保證實現空間遠距離光通信的必要核心技術。系統通常由以下兩部分組成：

捕獲（粗跟蹤）系統。它是在較大視場範圍內捕獲目標，捕獲範圍可達±1°～±20°或更大。通常採用CCD陣列來實現，並與帶通光濾波器、信號實時處理的伺服執行機構共同完成粗跟蹤，即目標的捕獲。粗跟蹤的視場角為幾mrad，靈敏度約為10pW，跟蹤精度為幾十mrad；

跟蹤、瞄準（精跟蹤）系統。該系統是在完成目標捕獲後，對目標進行瞄準和實時跟蹤。通常採用四象限紅外探測器（QD）或Q-APD高靈敏度位置感測器來實現，並配以相應伺服控制系統。精跟蹤要求視場角為幾百祌ad，跟蹤精度為幾　rad，跟蹤靈敏度大約為幾nW。

精密可靠高增益的收、發天線

為完成系統雙向互逆跟蹤，空間光通信系統均採用收、發一體天線，隔離度近100%的精密光機組件。由於二極體雷射器光束質量一般較差，要求天線增益高，另外為適應空間系統，天線（包括主副鏡，合束、分束濾光片等光學元件）總體結構要緊湊、輕巧、穩定可靠。目前天線口徑一般為幾厘米至25厘米。

大氣信道

在地－地、地－空雷射通信系統信號傳輸中，大氣信道是隨機的。大氣中氣體分子、水霧、雪、氣溶膠等粒子，幾何尺寸與二極體雷射波長相近甚至更小，這就會引起光的吸收和散射，特別在強湍流情況下，光信號將受到嚴重干擾。因此如何保證隨機信道條件下系統的正常工作，對大氣信道工程研究是十分重要的。自適應光學技術可以較好地解決這一問題，並已逐步走向實用化。

總之，空間光通信是包含多項工程的交叉科學研究課題，它的發展與高質量大功率半導體雷射器、精密光學元件、高質量光濾波器件、高靈敏度光學探測器及快速、精密光、機、電綜合技術的研究和發展密切不可分，光電器件、雷射技術和電子學技術的發展，為空間光通信奠定了物質基礎。

研究重點

光源

光源的波長應選擇在透過率良好的“大氣視窗”。發射功率要考慮到人眼的安全。對於光源，除了要求輸出光束質量好、工作頻率高、出射光束窄以外，還要考慮雷射器的輸出功率穩定性、頻率穩定性、光束方向穩定性和工作壽命等。因此有必要對新雷射光源技術進行進一步研究。多模二極體雷射器光譜較寬，大氣色散等因素會引起一定的脈衝擴展，從而限制通信速率，因此需要做進一步的分析。自由空間光通信系統原來多採用800nm波段光源，這是由於此波段的雷射器體積小、重量輕、效率高，比較成熟，有成品；同時該波段也有比較成熟的銫原子濾波器。近年來，隨著光纖通信技術的成熟，自由空間光通信的工作波段有向1550nm波段發展的趨勢。

發射和接收天線

發射和接收天線的效率都會對自由空間光通信系統的接收光功率產生重要影響。發射天線可以設計成接近衍射極限，儘管可以獲得最小的光斑，但也給精確對準帶來困難；為了接收更多的信號能量，接收天線的直徑越大越好，同時也會增加系統的體積、重量和成本。所以，研製體積小、重量輕、光學增益大的新型接收天線對提高接收靈敏度有非常重要的意義。

大氣信道

對於大氣對雷射通信信號的干擾的分析，目前僅局限於大氣的吸收和散射等，很少涉及到大氣湍流引起的閃爍、光束漂移、擴展以及大氣色散等問題，而這些因素都會影響接收端信號的信噪比，從而影響系統的誤碼率和通信距離、通信頻寬。因此，有必要在這方面做更深入詳盡的分析，並提出解決以上問題的技術方案。例如，採用自適應光學技術是一個值得重視的研究方向。

組網及其他技術

各國紛紛把光纖通信的成熟技術和器件引入雷射通信，波分復用技術和光放大器技術已經套用於自由空間光通信。隨著自由空間光通信技術的不斷完善，由點對點系統向光網路系統發展是大勢所趨。有專家預測，未來的自由空間光網路將形成一個立體的交叉光網，可在大氣層內外和外太空衛星上形成龐大的高容量通信網，再與地面上的光纖網路相溝通，滿足未來的各種通信業務需求。

保密通信

自由空間光通信的安全保密性較好，因為紅外雷射的波束窄且不可見，很難在空中發現其通信鏈路。同時，雷射束定向性好，如果想截取，一般需要在鏈路中插入，這是很難做到的，而即使被截取，用戶也會發現，因為鏈路被中斷。因此，自由空間光通信系統比微波系統安全得多。但是經分析論證，由於自由空間光通信信道的開放性，竊聽信號而又不阻斷光束的傳播，也是可以做到的。所以深入研究自由空間光通信的保密方法和技術是十分必要的。

優點特點

自由空間光通信與微波技術相比，它具有調製速率高、頻頻寬、不占用頻譜資源等特點； 與有線和光纖通信相比， 它具有機動靈活、對市政建設影響較小、運行成本低、易於推廣等優點。自由空間光通信可以在一定程度彌補光纖和微波的不足。它的容量與光纖相近， 但價格卻低得多。它可以直接架設在屋頂， 由空中傳送。既不需申請頻率執照，也沒有敷設管道挖掘馬路的問題。使用點對點的系統， 在確定發收兩點之間視線不受阻擋的通道之後， 一般可在數小時之內安裝完畢，投入運行。在考慮到當地氣象的條件以後，光無線系統一般可得到99.9% 的可用性。如果採用其他系統構成主備用， 甚至可達到99.999% 電信級的可用性要求。

存在問題

（1）FSO是一種視距寬頻通信技術，傳輸距離與信號質量的矛盾非常突出，當傳輸超過一定距離時波束就會變寬導致難以被接收點正確接收。目前，在1km以下才能獲得最佳的效果和質量，最遠只能達到4Km。多種因素影響其達不到99.999%（五個9）的穩定性。

（2）FSO系統性能對天氣非常敏感是FSO的另一個主要問題。晴天對FSO傳輸質量的影響最小，而雨、雪和霧對傳輸質量的影響則較大。據測試，FSO受天氣影響的衰減經驗值分別為：晴天，5-15db/km、雨，20-50db/km、雪，50-150db/km、霧，50-300db/km。國外為解決這個難題，一般會採用更高功率的雷射器二極體、更先進的光學器件和多光束來解決。

（3）城市內，由於建築物的阻隔、晃動將影響兩個點之間的雷射對準。

（4）雷射的安全問題也會影響其使用，超過一定功率的雷射可能對人眼產生影響，人體也可能被雷射系統釋放的能量傷害。所以產品要符合眼睛安全標準。

發展趨勢

星際自由空間光通信技術的可行性問題已經解決，雖然至今尚未真正實現星際通信，但是發射功率、接收靈敏度、捕獲和瞄準要求、熱穩定性和機械穩定性等關鍵技術近幾年已取得明顯進步，相信不遠的將來將取代微波通信成為星際通信的主要手段。

地面空間光通信將作為一種主要手段進入本地寬頻接入市場，特別是那些通常沒有光纖連線的中小企業。

微波系統和自由空間光通信系統在許多方面可互為補充，前者能提供大區域內低速通信，而後者能提供小區域內高速靈活的連線。各種系統的無縫連線能使用戶得到更方便的服務。此外，微波系統還可與自由空間光通信系統互為備份，在天氣惡劣甚至無法進行光通信時，啟動微波通信系統，可以大大提高通信系統的適用性和可靠性。

在戰場上，當受到敵方強電磁輻射干擾時，會導致微波通信系統失效，而光纖通信系統既無法在短時間內建立起來，也不能滿足機動性要求。此時自由空間光通信系統的優勢立刻顯現：它能在極短的時間內建立，還對電磁干擾免疫，所以自由空間光通信在軍事領域有著廣泛的套用前景。

套用前景

傳統的射頻無線通信傳輸速率受限，頻譜資源緊張；而空間光通信具有頻譜不受限，傳輸速率高，天線口徑小，端機功耗低、體積小、重量輕，並且具有良好的抗干擾和抗截獲性能。因此，空間光通信在許多領域有望取代無線通信，成為“最後一公里”通信的解決方案。比如星間通信、地面樓層通信、星地通信，需要大容量傳輸，而無線由於頻譜限制而無法達到所需速率的時候。實際上，運營商已經開始採用設備，桂林三十四所在這方面的研究已經實現了實用化。

FSO主要套用於有星地、星間和地面光通信，在軍事和民用領域均具有重大的戰略需求與套用價值。地面空間光通信的主要套用場景有：3G、4G無線基站數據回傳，最後一公里接入，不便於假設光纜的場合，應急通信保障等。雷射通信將改變現有的衛星通信體制，給空間信息傳輸領域帶來革命性的變化。