一文解读激光通信技术的应用(激光通信鏈路)

按传输媒质的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。
大气激光通信是利用大气作为传输媒质的激光通信。
光纤通信是利用光纤传输光信号的通信方式。
今天的光学应用为各位光学人带来的是关于激光通信的内容，有兴趣的朋友们可以看看！

激光是一种方向性极好的单色相干光。
利用激光来有效地传送信息，叫做激光通信。
激光通信系统组成设备包括发送和接收两个部分。

发送部分主要有激光器、光调制器和光学发射天线。
接收部分主要包括光学接收天线、光学滤波器、光探测器。
要传送的信息送到与激光器相连的光调制器中，光调制器将信息调制在激光上，通过光学发射天线发送出去。
在接收端，光学接收天线将激光信号接收下来，送至光探测器，光探测器将激光信号变为电信号，经放大、解调后变为原来的信息。

优点

1. 通信容量大。
在理论上，激光通信可同时传送1000万路电视节目和100亿路电话。

2. 保密性强。
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. 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，重量不过几公斤，而功能类似的微波天线，重量则以几吨、十几吨计。

弱点

1. 通信距离限于视距（数公里至数十公里范围），易受气候影响，在恶劣气候条件下甚至会造成通信中断。
大气中的氧、氮、二氧化碳、水蒸汽等大气分子对光信号有吸收作用；大气分子密度的不均匀和悬浮在大气中的尘埃、烟、冰晶、盐粒子、微生物和微小水滴等对光信号有散射作用。
云、雨、雾、雪等使激光受到严重衰减。
地球表面的空气对流引起的大气湍流能对激光传输产生光束偏折、光束扩散、光束闪烁（光束截面内亮斑和暗斑的随机变化）和像抖动（光束会聚点的随机跳动）等影响。

2. 不同波长的激光在大气中有不同的衮减。
理论和实践证明：波长为0.4～0.7μm以及波长为0.9、1.06、2.3，3.8，10.6μm的激光衰减较小，其中波长为0.6μm的激光穿雾能力较强。
大气激光通信可用于江河湖泊、边防、海岛、高山峡谷等地的通信；还可用于微波通信或同轴电缆通信中断抢修时的临时顶替设备。
波长为0.5μm附近的蓝绿激光可用于水下通信或对潜艇通信。

3. 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。

应用

1. 地面间短距离通信；

2. 短距离内传送传真和电视；

3. 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. 通过卫星全反射的全球通信和星际通信，以及水下潜艇间的通信。

无线激光通信技术

无线激光通信是指利用激光束作为信道在空间(陆地或外太空)直接进行语音、数据、图像信息双向传送的一种技术，又称为“自由空间激光通信＂,“无纤激光通信”或“无线激光网络”。

无线激光通信以激光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，属于新型应用技术，早期的研究应用主要是在军用和航天上,随着技术的发展，近年来逐渐应用于商用的地面通信，技术也在逐步完善。

一、无线激光通信的优势

相比于微波通信等其他几种接入方式，无线激光通信主要优势包括：

1.无须授权执照

无线激光通信工作频段在365——326 THz(目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多在820nm——920nm)，设备间无射频信号干扰，所以无需申请频率使用许可证。

2.安全保密

激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好, 激光光束的发散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量级，因此具有数据传递的保密性，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄。

3.实施成本相对低廉

无须进行昂贵的管道工程铺设和维护，其造价约为光纤通信工程的五分之一。

4.建网快速

无线激光通信建网速度快，只须在通信点上进行设备安装，工程建设以小时或天为计量单位，适合临时使用和复杂地形中的紧急组网。
对于重新撤换部署也很方便容易。

5.协议的透明性

以光为传输机制，任何传输协议均可容易的迭加上去，电路和数据业务都可透明传输。

6.设备尺寸小

由于光波波长短(约零点几微米到几十微米)，在同样功能情况下，光收发终端的尺寸比微波、毫米波通信天线尺寸要小许多，具有功耗小、体积小、重量轻等特点。

7.信息容量大

光波作为信息载体可传输达10Gbit/s的数据码率。
Lucent贝尔实验室不久前演示了其“无线激光通信数据链路”，并且创造了在2.4公里的自由空间距离上以2.5Gbit/s的速率无差错传输信息的世界记录。
目前已经商用的无线激光设备，最高速率已达622Mbit/s。

二、无线激光通信的缺点

当然，无线激光通信也有其固有的缺点：

1.只能在视线范围内建立链路

两个通信点之间视线范围内必须无遮挡，必要的时候需要考虑线路中间将来可能出现的树木，建筑物的遮挡。
对于中间存在障碍物而不可直视的两点之间的传输，可以通过建立一个中继站实现连接。

2.通信距离受限

目前用于地面民用无线激光通信的设备所能达到的距离一般为200m到6000m,受安全发送功率、数据速率、天气等条件的限制，实际使用的距离要短一些。
延长直视的两点之间的传输距离可以通过建立中继站的方法。

3.天气影响链路的可靠性

天气因素尤其是大雾所引起的光的色散影响激光通信的可靠性。
据测算，当距离在200——500米之间时，全球大部分地区均可达到99.999%的通信要求。

4.安装点的晃动影响激光对准

楼顶晃动(受日光，风力的影响)将影响两个点之间的激光对准，使链路质量下降。

5.意外因素使通信链路的阻断，可用性受限制

点对点及点对多点模式中，如有一条链路被隔断(如飞鸟经过链路空间)，通信将受阻。

三、无线激光通信的应用

1.无线激光主要应用场合

无线激光通信综合了光纤通信与微波通信的优点，比较适合在城域网中使用。
目前的主要应用场合包括:

(1)在不具备接入条件(如：复杂地形)或带宽不足时提供高效的接入方案

在通信链路跨越高速公路、河流、拥挤的城区时，由于地理条件的限制无法敷设光纤线路时，采用无线激光通信可以有效解决。

(2)解决综合业务接入的“最后一公里”

对智能小区的宽带接入，大企业Intranet的互连，大客户的宽带接入提供一种快速灵活的方案，可提供2——622Mbit/s的带宽。

(3)提供室内外、临近局域网之间的互连互通

当两座楼宇之间的办公室需要建立一条通信链路，其他通信方式不能较好的解决时(带宽、价格、线路资源)，采用无线激光通信可快速解决。

(4)对于特殊要求的线路进行备份以及应急临时链路和意外恢复

在突发的自然或人为意外灾害中，原有通信线路被破坏，难以立即恢复时，或者在一些特殊地方发生突发事件，需要应急通信，采用无线激光通信进行快速的部署。

另外对于一些大型的集会(如运动会、庆祝会等)需要快速建立一些临时链路用于现场通信。

大部分无线激光通信设备向用户提供的是业务透明的接口，因此，可以适应多种常用的通信协议，可以很灵活的接入数据，话音，视频业务。

数据网络的互连，适用于Ethernet、FDDI、Token Ring FR等不同协议的网络。

电路业务网络的互连，适用于交换机，移动基站等设备的连接，主要采用E1/E3、OC-3/STM-1(SDH/ATM)接口。

闭路监视系统，广播电视信号的单，双工的传输。

无线激光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源、机械支架，部分厂商的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。

激光通信终端中的光源(Light source)主要分为LD(Laser Diode)和LED(Light Emitting Diode)，其中LD多采用铝砷化钾二极管(AlGaAs Laser Diode)，接收器主要采用PIN(Positive Intrinsic Negative Diode)或APD(Avalanche photodiode)。

另外，部分设备商的产品中集成了伺服装置，用于安装调试、组网调整以及由于环境因素引起的基座移动的调整。

2.采用无线激光技术组网通信时需要考虑一些必要影响因素

(1)自由空间损耗(Free-Space Lose obstacle)

自由空间损耗是指激光波束在传播过程中的扩散引起的损耗；解决方法：提高发射功率、增加波束数量、波束聚焦。

(2)基座的偏移

建筑物的偏移：由于日光、风力、季节的变化引起建筑物及固定基座发生偏移，通常最大4 mrad/2层楼。
解决方法：自动跟踪、改变波束聚焦。

(3)衰减(attenuation)

在不同气象条件下，空气中的微粒会对激光的传播形成不同的衰耗。
表1是典型天气条件下的数值。

(4)闪烁(scintillation)

500m之内的闪烁影响不明显，大于500m则影响较大。

(5)空气散射(scattering)

激光波束在传播路径上由于空气温度的差异而引起介质的折射率不同导致波束的散射产生的损耗。
解决方法：缩短路径；传播路径避免经过排风口、烟囱、高温屋顶、管道等。

(6)背景噪声

在无线激光通信组网过程中，当部分终端的位置需要俯仰或东西朝向时，会遇到日光照射到终端的接收器上，日光形成的背景噪声对正常通信有一定的影响。

另外，由于不同设备厂商在不同型号(传输速率)的设备上采用不同的激光器(LED/LD)和接收器(PIN/APD),在相同的天气条件下所能达到的通信距离不尽相同，考虑到天气及环境因素的变化，在保证误码率的前提下，应留出一定的裕量。

激光的直线传输和扩散角度很小的特性，使截取信息的方式只可能会在传输的路径中间或在光束的扩散区域中，接受器直接置于传输路径中间可能会导致传输中断，在扩散区域，由于衰耗较大， 需要较高的接收灵敏度。
另外，部分厂商采用了特殊的编码，用以保护数据的安全。
　　

激光对人体的危害，尤其是对眼睛的损伤，其损伤程度可以使眼睛视力降低，甚至完全失明，但这种损伤并非所有量级激光能引起，而是有一最低限度——即致伤阈值，只有当激光能量密度或功率密度超过此阈值时才能对眼睛造成伤害。
激光器的级别分类提供了一个安全的参考值。

无线激光通信填补固定无线通信方式(受频率资源许可、价格、带宽等限制)与光纤通信方式(特殊地形、建网时间等限制)之间的空白。

可以灵活、快速地建立通信链路。
因此，在调查和了解使用过程中不同条件和要求(传输的距离、用户要求的传输速率、误码率、可用时间等，当地的气象条件如降雨、雪、雾、尘的天数及程度，附近鸟群等)的情况下，可以充分考虑采用采用无线激光通信的方式组网，迅速建立一个有效覆盖、能够为用户提供端到端的网络综合接入服务能力的宽带接入网络。

空间激光通信技术

空间激光通信是指用激光束作为信息载体进行空间包括大气空间、低轨道、中轨道、同步轨道、星际间、太空间　通信。

激光空间通信与微波空间通信相比，波长比微波波长明显短，具有高度的相干性和空间定向性，这决定了空间激光通信具有通信容量大、重量轻、功耗和体积小、保密性高、建造和维护经费低等优点。

1、大通信容量：激光的频率比微波高3-4个数量级(其相应光频率在1013-1017 Hz)作为通信的载波有更大的利用频带。
光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目前光纤通信每束波束光波的数据率可达20Gb／s以上，并且可采用波分复用技术使通信容量上升几十倍。
因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的优势。

2、低功耗：激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。
这对应于能源成本高昂的空间通信来说，是十分适用的。

3、体积小、重量轻：由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的重量减轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以减小。
摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量减轻，体积减小。

4、高度的保密性激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常在毫弧度，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力。

5、激光空间通信具有较低的建造经费和维护经费。

卫星激光通信技术

一、卫星激光通信的优点

卫星激光通信是以激光为传输媒介，在卫星之间建立光通信链路，实现数据传输的技术。
卫星激光通信系统与微波通信系统相比具有以下优点：

1、大信道容量

激光的频率比微波高3到4个数量级，作为通信的载体意味着更大的可资利用频带。
光通信每通道的数据速率可达20Gb/s以上，并且还可采用波分复用的技术使通信容量成倍上升，随着技术的进步还将有大幅度上升。

2、低功耗

激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机的望远镜天线上的功率密度高，从而发射机的发射功率可以大大降低，通信发射机功耗相对较低。
这对于卫星通信这种功率资源宝贵的场合十分适用。

3、重量轻

发射机较低的发射功率和功率消耗使得发射机及其供电系统的重量得以下降；同时因为激光的波长短，在同样的发射波束发散角和接收视场角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以较小。
激光通信摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量和体积可以减轻很多，这对于卫星通信是十分有利的。

4、高度的保密性

激光具有高度的定向性，发射波束纤细，并且在短时间内能够传输大量数据，从而减少持续通信时间。
因此卫星激光通信具有高度的保密性和抗干扰性，能有效地防止窃听和侦测，对于军事和民用都有较大的意义。
典型的卫星激光通信系统波束发散角为10rad。

二、卫星激光通信的难点

卫星间激光通信具有上述优点的同时，也同样带来了卫星间光通信技术上的难点及其独有的特点：

1、卫星光链路的空间瞄准、捕捉和跟踪。
卫星激光通信的发射波束很窄，这为其带来很多优点。
但同时发射波束窄又在技术上造成巨大困难。

相距很远的两颗卫星之间存在相互的高速运动，并且由卫星本身的振动可造成发射光束的抖动，这种情况下将通信发射光束准确地瞄准、照射并锁定在接收端卫星上是有相当难度的。

因此，两个通信终端目标间的相互捕捉、瞄准、跟踪（Acquisition，Pointing，Tracking 简称APT）技术相当复杂，这也是致使卫星光通信发展缓慢的原因之一。

2、存在背景光的影响。
这些背景光主要来源于太阳、月亮、金星、地球和其他星球的辐射、反射，各背景光源的辐射强度不同，频谱分布不同，对接收机所成的张角也不同。
当接收机视场角包含的噪声源不同时，接收机受到的影响也不同。

根据有关资料，背景光有时可以达到很强的程度，远远大于接收到的信号光强度，这就要求卫星之间的通信系统具有较强的抗背景噪声能力。
而光纤通信系统由于激光在光纤中传播，背景光不能进入光纤，所以不存在背景光问题。

3、终端之间有相对运动。
轨道之间的链路（IOL）上两颗卫星之间有相对运动，会使激光产生多谱勒频移，频移量大小为±10GHz，频率变化速率为±13MHz/s，这对于某些通信的调制/解调方案会产生较大的影响。
光纤通信系统中的终端位置固定，不存在激光的多谱勒频移问题。

4、卫星之间的通信距离远。
地球同步卫星到地球同步卫星（GEO-GE0）之间的通信距离可达42000公里。
即使低轨道卫星到低轨道卫星（LEO-LEO）之间也有上千公里。
半导体激光器发射功率小（一般只有几十毫瓦到几百毫瓦），光波在传播过程中有自由空间损耗、定位损耗，激光波束的强度是按距离的平方递减的，也就是意味着距离衰减很大，链路中间不能加中继。
这就要求通信系统具有高的接收灵敏度，否则背景辐射等噪声的影响会使误码率达到不可接受的程度。
除从检测器本身入手以外，纠错编码、外差接收等都是可能的解决途径。

5、卫星之间的激光通信对系统的可靠性要求高。
这是因为发射机、接收机都在卫星上，卫星发射升空后在对其进行维护几乎不可能。

三、 卫星激光通信的最新研究状况

目前世界卫星激光通信已经从理论研究进入到应用基础和试验阶段，发展日新月异。
在各国众多的光通信研究计划中，处于领先地位的技术集中在少数几个项目之中。

目前唯一一个可以在卫星间通信试验成功的计划是欧洲宇航局(ESA)的SILEX计划。
SILEX计划是研究GEO和LEO之间的通信。
SILEX对低轨道卫星SPOT4与同步轨道卫星ARTEMIS间激光通信进行了地面最终测试和飞行性能评估。
带有SILEX通信端机的SPOT4卫星于1998年3月22日成功发射，载有PASTEL通信端机的的ARTEMIS于2001年7月12日发射升空。

2001年11月22日，由低轨道卫星SPOT4带有的通信端机SILEX向同步轨道卫星ARTEMIS进行世界上首次激光通信试验并获得成功，传输码率为50Mbps。
此次通信实验室成功，可以说具有划时代的意义，说明卫星激光通信终于可以进入了实用化的阶段。
这套系统提供和CNES地球观测卫星建立联系的激光数据链路。
CNES卫星在离地球832公里的高度运动，而Artemis卫星在一高达31000公里的太空轨道上。

通过激光数据链路，低轨道卫星SPOT 4采集的图像数据实时地经Artemis送往Toulouse（法国南部城市），这样大大地减少了采集图像、发送数据回地面站的时间。
这种传输只要两卫星光束不被地球遮挡就都能进行。
建立光链路的主要挑战在于将一束极窄的信标光准确瞄准到正以7000m/s的速度飞行的对方卫星。

值得一提的是，ESA从2003年以来，已经在LEO—GEO间开展了日常激光通信业务，每天在两颗卫星可相视的时间段内进行2次数据率为50 Mbps的数据传输业务，链路总时间超过300小时，已达到商用化水平。
2002年4月，ESA也完成了被他们视作卫星光通信发展里程碑的GEO—地光链路实验。

1999年，美国JPL实验室进行了双向46.8公里水平地面光链路实验，该实验为未来卫星与地面站间激光通信的系统设计，特别是有关减轻大气影响的设计提供一个较早的评估。
另外由美国JPL实验室资助，FY1998在为先进外层空间系统发展计划（ADSSD）设计和发展一个光通信（Opcomm）子系统。

这项研究的目标在于最终能够提供一种原型设备，它能在外层空间的巨大距离下建立上行和下行的双向链路，并同时具备广泛的搜索功能。
美国喷气动力实验室还开发研制了自由光通信分析软件（FOCAS），为了给任务计划者，系统工程师和通信工程师提供一种容易使用的工具来分析直接检测光通信链路，FOCAS程序能提供友好的界面，强有力而灵活的设计模式。

美国AT公司进行了STRV-2激光通信地面终端水平链路性能研究。
该实验地面通信距离为13.8公里，通过此次实验对1999年六月发射的STRV-2卫星与地面光通信进行先期的地面测试。
2000年7月7日，安装STRV-2模块的TSX-5飞行器被发射升空。

美国空军研究实验室1999年提出利用商业成熟应用技术来实现卫星间激光通信链路。
卫星激光通信的一种侯选技术是应用1550nm地面光纤技术（EDFA和WDM）。

他们利用目前已有的器件建立了一个发射和前置放大接收OOK测试系统，在码率为155 ，622和2488Mbps条件下研究了卫星通信所感兴趣的一些参数，如滤光器带宽，判决门限，消光率和动态范围等。
结果表明1550nm地面光纤技术可以被应用于卫星间激光通信链路中。

国外针对大气扰动对卫星光通信的影响也进行了许多研究。

美国中佛罗里达大学1999年提出了一个新型的相干阵列探测系统，该系统能够消除激光通信中由于大气扰动和目标移动所造成的相位起伏和多谱勒频移，同时解决了光电相位锁定环路所造成最大频率限制问题。

这种方案应用了一束参考激光和一束偏振方向不同的信号激光作为发射光束，接收信号通过偏振光分束和一个二阶混频，由多个独立接收器接收的相干滤波信号能自动地同相，获得发射信号并消除激光通信中由于大气扰动和目标移动所造成的相位起伏和多谱勒频移。
该方案使系统更加适用于激光通信。

1999年萨里大学通信系统研究中心通过恒星观测测量大气扰动的方案，对通信系统所在地大气扰动的预先观测对于工作于大气中的光学系统设计是非常重要的，恒星观测是一种有效且方便的方法。
通过这种方案可以测量大气扰动层的高度，水平平均风速和折射率。

相对美国和欧洲而言，日本在卫星光通信研究方面起步较晚，但日本后来发展迅速。
日本的两个计划——ETS-VI和OICETS计划是两个十分引人注目的空间光通信研究计划。

ETS-VI计划旨在进行星地之间的空间光通信实验，且已于1995年7月成功地在日本的工程试验卫星ETS-VI与地面站之间进行了星-地链路的光通信实验，这是世界上首次成功进行的空间光通信实验。

此举使日本一跃而居空间光通信研究领域之首位。
日本和欧州航天局还利用各自研制的、装于各自卫星上的空间光通信终端，合作进行空间光通信系统的空间实验，这进一步显示出空间领域逐步走向国际合作化的趋势。

日本星地链路光通信实验的成功，进一步证明了空间光通信中难度最大的链路——星地链路的可行性。
此外，日本还在OICETS计划中，积极研制专用于进行空间光通信系统实验的小型光学星间通信工程试验卫星(OICETS)。
OICETS只携带光学终端、质量为500kg，它将在500km的低轨道上运行。
OICETS的目的是在空间对空间光通信的探测、跟踪等光学技术及光学装置进行实验，以评价及改进空间光通信技术及装置。

载有激光终端的OICETS卫星于2005年8月24日成功升空，该卫星现在改名为KIRARI，该低轨卫星于 2005年12月9日首次成功地与ARTEMIS卫星进行了双向激光通信实验，这使得卫星光通信技术向实用化方面又迈出了一大步。

2005年12月以来，该卫星一直在进行日常激光通信试验，取得大量有关星间光通信技术的宝贵资料。
其总系统组成包括NASDA的OICETS（KIRARI）卫星、数据中继卫星（DRTS）、跟踪控制中心（TACC）、国内跟踪通信站、EAS的ARTEMIS卫星和地面站。
概念图如图一所示。

KIRARI卫星完成与ARTEMIS卫星间的双向激光通信实验后，将卫星姿态做大调整，将头底位置互换，即将激光终端位置由卫星顶部转到卫星底部，这样可实施卫星与地面的激光通信。
2006年3月18日，KIRARI卫星与日本东京地面光学站成功地进行了国际上首次LEO-地面的激光通信试验。

我国在卫星光通信方面的研究工作刚刚起步，处在单元技术及关键技术的模拟研究阶段。
主要研究单位有北京大学、成都电子科技大学、哈尔滨工业大学、武汉大学、武汉六博光电等。