激光通讯技术

大气激光通讯为无线通讯的一种，它以光信号作为传输信息的载体，在大气中直接传输。由于是无线通讯，它可随意移动到任何地点并实现移动沟通。就概念而论，大气传输光学线路非常简单，即用发射机将激光束发射到接收机即可。然而，在实际的大气传输中，激光狭窄的光束对正确的接收有很高的要求，因此系统还应包括主动对准装置。在空间传输中，激光系统必须有很强的排除杂光的能力，否则阳光或其他照射光源就会沉没激光束。在实践中，需添加窄通滤光片，可以选择接收激光波长而阻挡其他的波长。

早期的激光通信技术所用光源多数为二氧化碳气体激光器、YAG固体激光器、He-Ne气体激光器等。二氧化碳气体激光器输出激光波长为10.6μm，此波长正好处在大气信道传输的低损耗窗口，是较为理想的通信用光源。与激光通信技术研究基本同步展开的还有光纤波导通信，从而在技术上形成了激光通信中与传统通信相对应的激光无线通信（激光空间通信）和激光有线通信（激光光纤通信）。

1975年，世界上第一条光纤通信实验应用线路在美国芝加哥开通，揭开了光纤通信应用的序幕。此后，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，光纤通信从80年代起在全世界掀起了应用的热潮，并迅速被确认为是地面有线通信最有发展潜力的重要的通信手段，以致得到了一日千里的发展和推广应用。与此同时，激光大气通信技术由于器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素一时得不到很好的解决和弥补，便在轰轰烈烈的光纤通信热潮中，隐退得几乎无影无踪。

1989年美国FARANT1仪器公司成功地研制出一种短距离、隐蔽式的大气激光通信系统。

1990年，美国试验了适用于特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信，这种通信系统完全符合战术任务的要求，通信距离为5~2km。如果对光束进行适当处理后，通信距离可达5~10km。

90年代初，俄罗斯随着其大功率半导体激光器件的研制成功，开始了激光大气通信系统技术的实用化研究。随后不久便相继推出了10km以内的半导体激光大气通信系统并在莫斯科、瓦洛涅什、图拉等城市得以应用。在瓦洛涅什城瓦涅什河两岸相距离4km的两个能源站（电力站）之间，五年前架设起了半导体激光大气通信系统，该系统可同时传输8路数字电话。

1998年，巴西AVIBRAS宇航公司公布了该公司研制的一种便携式半导体激光大气通信系统。这种通过激光器联通线路的军用红外通信装置，其外形如同一架双筒望远镜，在上面安装了激光二极管和麦克风。使用时，一方将双筒镜对准另一方即可实现通信，通信距离为1km，如果将光学天线固定下来，通信距离可达15km。

2013年11月，美国伊利诺伊大学的一个研究小组在激光通讯技术上取得了重要进展，可以通过光纤系统高速而准确地传输数据，速度达到每秒40G，这是这一领域美国目前的最高速度纪录。

激光大气通讯系统得以实用化涉及的关键技术，主要有连续波大功率激光器技术；自适应变焦技术；光波窄带滤波技术；光源稳频技术；信号压缩编码技术；光学天线设计制作和安装校准技术等。国外用于大气激光通讯的半导体激光器和接收器件已实现了商品化。据报道，美国、日本及俄罗斯等国都相继推出了适用于半导体激光大气通讯的大功率器件，连续输出光功率可从数十毫瓦到数瓦。

在卫星激光通信领域，欧洲已完全领先于美国，处于国际领先地位并在可预见的将来可保持这一地位。欧空局的SILEX计划在世界上首先实现了具有一定应用价值的高轨卫星—低轨卫星激光通信链接，同时发展了高码率、小型化、轻量化、低能耗的OPTEL工业化激光通信终端系列，也完成了德国合成孔径雷达卫星的高码率多用途激光通信终端TSX-LCT，表明欧洲事实上实现了高性能的激光通信终端。日本参与了SILEX计划，表现了非常坚实的发展基础。

SILEX计划是欧空局(ESA)于20世纪80年代开始的星间激光通信计划，由法国的MatraMarconiSpac全面负责，目的是要通过法国地面观测卫星SPOT4(低轨卫星)与通信卫星ARTEMIS(高轨卫星)之间的光学连接证实星间激光通信的可行性，同时实现ARTEMIS卫星与欧洲光学地面站的激光通信，并借助激光通信链路将SPOT4拍摄的图像真正实时地通过ARTEMIS卫星传送到法国的地面中心。

激光通信终端的主要技术参数：通信速率为上行50Mbit/s(低轨卫星→高轨卫星),下2Mbit/s(高轨卫星→低轨卫星)；通信最大距离45000km；通信激光器为GaAlAs激光二极管，直接光强调制；接收检测器为雪崩光电二极管；信标激光器为多激光二极管(×19光纤耦合)；跟踪位置探测器为CCD；望远镜孔径为250mm。SILEX激光通信终端的技术设计数据具有重要参考价值,现总结如下：

激光通信系统技术指标：

1)低轨卫星终端(PASTEL)：波长为843～853nm，激光功率为120mW(峰值)/60mW(平均)，光束发散度为10mrad,调制方式为OOKDIM，数据速率为50Mb/s，望远镜口径<250mm，接收视场(APD)为100mrad，接收灵敏度为-59dBm，质量为80kg。

2)高轨卫星终端(OPALE)：波长为815～825nm，激光功率为120mW(峰值)/60mW(平均)，光束发散度为16mrad，调制方式为OOKDIM，数据速率为2Mb/s，望远镜口径<250mm，接收视场(APD)为100mrad，质量为160kg。

激光二极管信标光源技术指标：

中心波长为801nm，光束发散度为750mrad，单激光二极管输出功率为(×19)700mW，总输出功率为3.8W，透射率为45%，光纤耦合效率为87.7%。

LUCE终端的工程模型(EM)与轨道模型(OM)基本相同，主要由光学部分(LUCE-O)和电学部分(LUCE-E)构成。LUCE-O安装在OICETS卫星背对地球的一面，正对高轨卫星ARTEMIS的视场。LUCE-O包括安装在两轴U型万向架上的光学天线和中继光学平台。激光发射机采用GaAlAs半导体激光二极管，粗跟踪传感器采用CCD探测器，精跟踪传感器采用四像限探测器QD.LUCE-E位于卫星内部，控制LUCE-O的捕获、跟踪与瞄准并实现通信功能(PN码)。

主要技术指标为：通信激光发射平均功率为100mW，波长为830nm；调制模式为非归零码(NRZ)直接强度调制；通信速率为50Mb/s，望远镜口径为260mm；终端质量为140kg。

在发展SILEX计划的同时，瑞士的Contraves空间中心在欧空局卫星星座链路(Thecrosslinksforsatelliteconstellations,SROIL)，星间链路先进技术(IntersatelliteLinkFrontEnd,ISLFE)和通用技术(OpticalCrossLinks,OXL)等的多个合作计划的先期研究基础上，以工业化应用为目标，设计和发展了OPTEL系列的激光通信终端，以满足各种空间应用的需求，所发展和解决的主要关键技术是高码率零差相干光通信技术。

OPTEL系列属于高性能激光通信终端，已经达到高码率、小型化、轻量化和低能耗要求。终端系列采用1.064mm相干接收零差探测技术，发射信号进行二进制相移键控(BPSK)调制。如OPTEL-25：通信激光器采用二极管抽运单频单模可调谐Nd:YAG激光加光纤激光放大器的主振-放大结构(MOPA)，发射波长为1.064mm，采用808nm激光二极管抽运；掺镱光纤放大器采用波长977nm激光二极管抽运，激光系统的输出功率为1.25W；变窗口CCD传感器用于捕获和粗跟踪，微机械光纤扫描位置探测器用于精跟踪和通信；信标激光为激光二极管，光波长为808nm，最大输出功率可达7W；望远镜口径为135mm。该系统设计具有重大参考价值，现详细说明如下：

发射和本机激光器的抽运模块，信标激光器：波长为808nm，谱线宽度为2.1nm/1.6A，波长漂移为0.3nm/℃，光输出功率为1.1W，最大光输出功率为7W，Plug接线效率为20%，输出光纤为100mmMM多模光纤，外壳100mm×122mm×46mm，重量为256g，正常功耗为12W，第一阶本征频率为272Hz，非工作温度范围-40～+65℃。

发射和本机振荡激光器：波长为1064nm，线宽10kHz，输出功率为80mW，频率调谐范围为12.4GHz，输出光纤5mmPM-SM，外壳240mm×118mm×60mm，重量为500g，功耗为11.2W，第一阶本征频率为200Hz，非工作温度范围为-35～+45℃。

光纤激光放大器：信号波长为1064nm，输入功率为10mW，输出功率为1.25W，抽运波长为977nm，抽运功率为5.5W，偏振消光率>20dB，外壳200mm×100mm×40mm，重量为1.7kg，第一阶本征频率为200Hz，热工作范围为15～50℃。

光纤放大器激光抽运模块：波长为977nm，光谱宽度为3nm，(正常)光输出功率为16W，光束尺寸为12mm×12mm，光束发散度为7mrad，对准误差为±0.06mrad，外壳为210mm×130mm×30mm，重量为1.1kg，最大功耗为88W，第一阶本征频率为250Hz，非工作温度范围为-40～+65℃。

TerraSAR-X卫星是德国新的合成口径雷达卫星，是德国用于科学和商业应用的国家级项目。该卫星计划搭载一个激光通信终端LCT，通信速率为5.625Gb/s(24×225Mb/s)，可以用来进行星间激光通信(美国的低轨卫星)和星地激光通信，用于实时传输合成孔径雷达上的数据。

终端通信波长为1.064mm，采用相干光通信方案，二进制相移键控(BPSK)调制，零差相干检测。望远镜主镜直径为125mm。终端质量小于30kg，功耗低于130W，并且保证在十年使用过程中的可靠度超过0.9998。

与传统的无线电通讯手段相比，激光大气通讯具有安装便捷、使用方便等特点，很适合于在特殊地形、地貌及有线通讯难以实现和机动性要求较高的场所工作。此外，激光大气通讯系统跟其他无线电通讯手段相比，还具有不挤占宝贵的无线电频率资源、电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、且不干扰其他传输设备、保密性强等特点，并且在有效通讯间隔和宽带等方面还蕴躲着巨大的发展潜力。

与光纤通讯相比，使用新技术光通讯设备还具有建网和维护用度低廉；实际应用中线路建立快捷，特别适合快速抢通；运行安全，不易被窃听；可移动，可升级等优点。

激光大气通讯的应用十分广泛，可以架在高山之间完成边防哨所和森林观察的通讯；可以临时架设解决必要的通讯及计算机联网或作为移动通讯的转接站；可以架设在海岸、江河、岛屿或舰船上实现短间隔保密通讯；同时，其方便快捷和保密性好的特点，还非常适应战场移动指挥的通讯需要。