自由空间激光通信技术及其发展

图1
卫星光通信系统 $23 单元原理图 场角为几百& BC"， 跟踪 精度 为几 & BC"， 跟踪 灵敏 度大 约为 几 +K。 （0）大气信道的研 究。在地— — —地、 地— — —空 的激光 通信系统的信号传输中， 涉及的大气信道 是随机的。大气 中的气体分子、 水雾、 雪、 气溶 胶等粒 子， 起几何 尺寸 与半 导体激光波长相近甚至更小， 这就会引起 光的吸收、 散 射， 特别是在强湍 流的 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 道的工程化研究是十分 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。 总的来讲， 空间光通信是包含多项工程的交 叉科学研 究课题， 它的发展是 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、 精密的光、 机、 电 综合 技 术的 研究 和 发展 密切 不 可分 的， 光点器件、 激光技术、 电子 学技术 的发 展， 为空间 光通 信奠定了物质基础。
陈 媛 余成波 万文略： 自由空间激光通信技术及其发展 3! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
# 无 线 激 光 通 信技 术 和 微 波通 信 技 术 的
表#
波段名称 波长范围 频率范围 （ 234） $ 波段 #! ) *+ !,.)5 % 波段 * + ! ) !,5)/
常用微波和激光波段
&’ 波段 . + ! ) . + #/,#. ) #5 &( 波段 " + *! ) #+ #*,.* ) 5" 半导体激光 " +0 ) " +1! ! （ 6 +65 ) 6+ *!） !#"
天线口径 6#!,-
通过比较， 我们发现微波通信系统与激光通信系统 存 在如下差别： （# ） 可利用的频带宽度 的差别。从 表 # 可见， 激光 的
频带宽度超过 #"! 234， 大约 是 6 个微 波波 段带 宽总 和的 一 倍。目前， 已开发利用的微波频带已接近其 可利用的
极限， 无法再进一步扩展， 而激光则不然， 利用已 成熟的技
自从 !%#) 年世界上第一条光 纤通信实验 应用线路 在 美国开通以来， 随着光纤制作技术、 半导体器件技 术、 光通 信系统技术的不断完善和成熟， 光纤通信在全世界掀起 了 应用的热潮， 并被确认为是地面有线通信最有发展潜力 的
&$$! . !$ . ($ ! 收稿日期： 基金项目： 重庆市重点攻关与应用基础资助项目 （ $$$($’） , 作者简介： 陈媛 （!%"# . ） ， 女 （汉族） ， 重庆人， 硕士， 副教授， 主要从事电子信息技术研究 ,
图#
空间—地面激光通信系统示意图
本文首先对微波通信和激光 通信作了 全面的对比 分 析， 说 明了激光通信的优 缺点， 对星际 激光 通信的 组成 和 关键技术进行了说明， 并简单介绍国际上几个空间激光 通 信发展的前沿国家在该领域的现状和发 展趋势。
比较
表 # 给出常用微波和激光波 段， 电磁频谱差 异导致两 类电磁波的物理特性不同， 并对无线通信应用产 生巨大的 影响。
表 . 对微波通信系统和激光通信系统进行了比较。 表.
类型 微波 激光 波长 " + !,0#"A-
微波通信系统和激光通信系统的比较
发散角 .+ *-7(8 1 7(8 ! 发射功率 #!"9 " + . ) .9 数据率 .":;<= > ? #2;<= > ? 重量 65"@; #!"@; 功耗 6!"9 #""9
重庆工学院学报 )6 ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
#$% 激光器 （波 长"& ’ ()*+,） 它的输 出功 率 ! !"： 在四种方案中是最高的， 但它要求高功率的调制器和保 证 波形质量， 因此， 实现上比较困难， 它是未来空间通信的 发 展方向之一。 （-!.$） （波长"& ’ ()*+, ） ， ； # 采用掺钕光纤放大器 -!.$ 能实 现的传输速率相 对较低， 如何 传输 高速率 信息 成了它极需解决的问题。 （-/.$） ， （波长 "& ’00(+,） 。 $ 采用掺铒光纤放大器 由于 -/.$ 的迅速发展， 技 术 和设 备的 相对 成熟， 使 它应 用于空间光通信成为可能。
{
地面与卫星
水下
{
陆—星—水下 （目的物） 天 （星） —水下 （目的物） 空 （机） —水下 （目的物） 水下目的物 重要的通信手段。光纤通信系统的线路容量大， 不易受外 界干扰， 但其缺陷是 必须有安 装光缆 用的 公用通 道， 建设 周期长， 费用高。 随着全球信息通信网络化的飞速发展， 无线 接入以其
:;<= > ?+ （ 波长 ") .""@, $ 大功率激光器。例 如： 波长") C8"@, A ! "!"@,， A .3"@,， =?#B=& > ?+； D@#B=& > ?+； ） 由于 =?#B=& :;<= （ 主振 荡器 % 功 率放 大器 ） 具 有简 单、 高效的特点， 并 且与 探测、 跟 踪用 的 EE+ 阵 列具 有波 长兼容性， 在空间光通信中成为一个较 好选择。
术， 可立即扩大利用频带。目前激光已成功地用于光纤 通 信中， 其中 !"#$% & 左右的光纤系统已 实用化， 将光纤通 信 的成熟技术用于空间， 可立即扩大通频带几个数量级。 （’ ） 相关器件、 设备尺寸的差别。根 据电磁 理论中 的 波长同比定理， 理论上讲 用于电 磁波发 射、 传输和 接收 的 器件和设备尺寸与波长成正比。这使光通信设备 的尺寸、 重量大大减小。 （( ） 波束质 量的差 别。电 磁波 的远 场发 散角 受衍 射 极限角!限制， 其 中"为电 磁波 波长， + 为发 !) ! *’’ "% +， 射天线 （望远镜） 的口径。由于波束发散角的差别， 使电 磁 波能量的利用率不同， 结果要求不同的发射功率。如美 国 航天局中 !* ’#$% & 激光 通信 系统 总的激 光平 均发 射功 率 为 ’"",-， 峰值功 率 ."" ,-， 通 信距 离大 雨 ’! """/,， 如 采用微波进行通信， 则要 用几台 转发器， 发 射微波 功率 至 少上百瓦。另一方面， 由于波 束发 射角 的差别， 使 激光 通 信光束中控制更为困难， 而微波则容易些。 （0 ） 抗干扰 特性的 差别。 由于 微波 通信 系统 接收 望 远镜 （天线） 的视场比激光系统中大很多， 加上微波要受 大 气闪电和地球上其他人工电磁波的干扰， 使微波噪声特 性 很差。 （1 ） 大气传 输特性 的差 别。地 球大 气气 象条 件对 微 波和激光的传输都有影响， 但对激光传输的影响要严重 得 多， 对微波传输影响最大 是雨、 云、 雾， 而且 频率越 高影 响 越大。例如降水量 为 !"",, % 2 （暴雨 ） ， 对 3#45 的 微波 的 损耗约为 " *167 % /,， 一般 气象条件下可忽 略其影响 ， 而光 波则不然， 对 "*.(# 在能 见度 为中等 的晴 天， 大 , 的激光， 气引起的衰减达 "* 8 67% /,， 而 在浓 雾浓 云中， "* .( ,的 # 激光的衰减可达 !""67 % /, 以上， 因此， 激光通信 对大气进 行通信很难保证全天候工作。 综上所述， 相比于微 波通信 ， 自 由空 间激 光通信 具有 以下优势： （!）发射光束窄， 方向性 好。使无线激 光通信 能较好 解决日益严重的电磁波干扰和保密问题。 （’）天线尺寸小。在同样功能情 况下， 光天线 的尺寸 比微波要小很多。 （( ）信 息 容 量 大。 光 波 作 为 信 息 载 体 可 传 输 达 甚至更高。 !"#$9& 的数据码率， （0）功耗小， 体积小， 重量轻。 （1）深空对于光波是一种无损 耗、 无干 扰的良 好传输 介质， 传输同样速率与信息的装备， 光通信的性价比最高。 但利用光在自由空间 进行 通信存 在两 大问 题。一是 受大气气象条件影响很严重， 难于实现 “全天侯通信” 。二 是光 波波束宽 度极 窄， 这虽 曾被 认为 可以 带来 “保 密” 优 点， 但在离开大气层的星际中完成光收发的对准 与跟踪却 十分困难。由于信息产业 市场发 展的需 求及 近年来 迅速 发展的空间光通信技术， 一些难度较大的关键 技术已经得 到了较好的解决， 国际上几个重要研究单位的系 统将进入 应用性能测试阶段， 激光通信技术距 实用阶段已不遥远。
方案。由于激光良好的光束特性 （单色性好、 方向性强 、 功
$
引言
信息时代的发展需 要建立 传输 速率快、 信 息量 大、 覆
率密 度大等） ， 引发着人们 探索实 现以激 光光 波为载 体的 通信， 即激光通信。实际 上， 世界各 主要 技术 强国为 了争 夺空间激光通信这一领域的技术优势， 已经投入 了大量的 人力 物力， 并取得了 可喜的 进展。根 据传 输信道 的特 征，
’
自由空间激光通信系统 关键技术分析
图’
卫星激光通信系统主要部件原理图
［’］ 率大， 调制速率高。一般， 采用下列几种方案 ：
图 ’、 图 ( 为星际 光通信 的原理 方框图。要 完成空 间 光束的捕获、 跟踪及瞄准， 通 常采用 信标 光来 完成。信 号 的接收由信号光来完成。归纳起来， 自由空间光通信主 要 包括以下几个 面的关键技术。 （! ） 高功率 光源及 高码 率调 制技 术。鉴 于空 间光 通 信传输距离长， 空间损耗 大的特 点， 要 求光 发射机 输出 功
［ !］ 激光通信技术研究开发的范畴如下 ：
盖空间广的通信网络系统。在wenku.baidu.com间卫星日益拥挤 的今天， 采用波长极短的光波进行通信， 是实现高码率通信的最 佳
光纤通信
{
石英光纤
塑料光纤
{ {
干线 区域网 用户线 设备内连线
光通信技术
近地面 （大气） 高山 （楼） 间 海岸岛屿间
{
江河两岸间
低轨与同步卫星 （地球和 人造卫星） 光自由空间通信 星际 低轨与低轨卫星 同步与同步卫星
重庆工学院学报 /" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "
灵活方便的特点普 遍被行 家看好。目 前无 线通信 主要 采 用微波。微波通信是本世纪 !" 年代开始实 际应用的一 种 先进通信技术。由于它建设速度快， 质量稳定， 通 信可靠， 维护方便， 费用相对较低， 与有 线通信 相比 可节省 大量 有 色金属并易于跨越复杂地形等特点， 目前已迅速发展成 为 现代化通信的一种 重要传 输手段。但 其最 大的缺 点就 是 频带窄， 码率低。自由空间激光通信结合了光 纤通信与微 波通信的优点， 既具 有大通信 容量的 优点， 但 又不需 要铺 设光纤， 自由光通信 在空间中 传播要 受到 天气的 影响， 而 在太空中传播则不存在这个问题， 可以认为太空 是自由光 通信充分展示其优势和 魅力 的舞台。 图 # 为 预期实 现的 空间— — —地面的激光通信系统的示意图。
文章编号： !"#!—$%&’ （&$$&） $( —$$)%—$"
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自 由 空 间激 光 通 信 技 术 及 其 发 展
陈媛，余成波， 万文略
（重庆工学院 电子工程系， 重庆 ’$$$)$）
# """""""""""""""""""""""""""""""""""""""" # "摘要：对自由 空间激光通信技术和空间微波通信技术的 优缺点进行 了分析和 比较， 描述了 空间激 " "光通信系统的关键技术， " 简单介绍了国际上几个前沿国家在该领域的现状和发展趋势。 " " "关 键 词：激光通信；自由空间通信；微波通信 " " "中图分类号：*+%&%,! 文献标识码： -""""""""""""""# """""""""""""""""""" # """"" "