激光通信主要有哪些類型及技術(shù)設(shè)計(jì)方案？

激光，是利用單色光進(jìn)行受激輻射后產(chǎn)生的光，特點(diǎn)是方向性強(qiáng)、亮度高、單色性好、相干性強(qiáng)。

激光和微波一樣都屬于電磁波，但頻率比微波要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

通信" target="_blank">激光通信，顧名思義就是利用激光來傳遞數(shù)據(jù)，基本原理是將信號(hào)調(diào)制到激光的頻率、振幅或者相位上面，然后進(jìn)行傳輸。

根據(jù)傳輸介質(zhì)的不同，激光主要分為三類：光纖通信，激光大氣通信，自由空間激光通信。 在激光通信的早期，激光大氣通信技術(shù)吸引了發(fā)達(dá)國家投入大量人力物力進(jìn)行研發(fā)。 但由于大氣信道衰減補(bǔ)償、大氣信道折射率不均勻變化、器件和材料不過關(guān)、難以精確對(duì)接等技術(shù)難題，激光大氣通信沒有進(jìn)入大規(guī)模商用。 目前應(yīng)用最廣泛的是光纖通信，另外兩種通信方式也在近些年再度受到各技術(shù)強(qiáng)國的重視，取得了很大進(jìn)展。

光纖通信

20世紀(jì)60年代，高錕和G.A.Hockham經(jīng)過仔細(xì)論證，提出了基于光纖的遠(yuǎn)距離通信方案。幾年后光纖的衰減達(dá)到了高錕的要求，光纖傳輸成為現(xiàn)實(shí)。

1975年，美國在芝加哥開通了第一條光纖通信實(shí)驗(yàn)線路，光纖通信時(shí)代正式開啟。

光纖的導(dǎo)光原理 利用

光的全反射

，將激光導(dǎo)入光纖進(jìn)行傳輸，就是光纖通信的基本原理。

跟電纜傳輸比較，

光纖通信有很多優(yōu)勢

，比如超大的通信容量(單根光纖已經(jīng)達(dá)到100Tbps)，原料為石英(節(jié)省金屬)，絕緣抗干擾防竊聽(在光纖內(nèi)部傳輸)。

衛(wèi)星通信技術(shù)

主要包括微波通信和激光通信，其中微波通信相對(duì)成熟且應(yīng)用極為廣泛。但是隨著航天裝備應(yīng)用的逐步深入，航天頻率資源越來越緊張.而且經(jīng)常出現(xiàn)頻率干擾問題。

解決這一問題的技術(shù)途徑之一是采用激光通信。

衛(wèi)星激光通信具有傳輸速率高,通信 容量大抗干擾性能強(qiáng)，信息安全性高通行設(shè)備體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)近年來已經(jīng)取得突破性進(jìn)展成為現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)展的新熱點(diǎn)。

但是由于大氣激光通信受大氣擾動(dòng),背景光輻射、平臺(tái)振動(dòng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)等較多因素的影響,對(duì)激光器、捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)、調(diào)制接收等關(guān)鍵技術(shù)要求很高，成為制約衛(wèi)星激光通信的瓶頸。

2.0 衛(wèi)星激光通信的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 激光器技術(shù)

激光通信的需求之一是超高速數(shù)據(jù)傳輸，而衛(wèi)星通信距離較遠(yuǎn)，一般要求不小于 4~5萬 km,因此要求系統(tǒng)有足夠的發(fā)射功率,光源穩(wěn)定激光器技術(shù)用于建立激光鏈路的光源，一直是激光通信的關(guān)鍵技術(shù)之一,由于受到光傳輸介質(zhì)及探測器的影響，對(duì)激光波長的研究主要集中在800nm1000m及1550三個(gè)波段，現(xiàn)在用于星上的激光器的研究，主要集中在與以上三種波長對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體激光器、固體激光器和光纖激光器。

其主要優(yōu)缺點(diǎn)如表 1所示。

2.2 捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)技術(shù)

星地光通信在空間及大氣信道長距離傳輸過程中光能損失很大,在接收端探測器上接受的光信號(hào)往往很微弱:同時(shí)由于在是地信道中進(jìn)行通信存在太陽、月亮星體等背景光的干擾存在星地大氣信道層段的影響視距內(nèi)激光通信設(shè)備的快速捕獲和精確跟蹤與瞄準(zhǔn)是衛(wèi)星激光通信的核心技術(shù)問題，涉及信標(biāo)光信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸激光信號(hào)。

由于衛(wèi)星激光通信設(shè)備之間存在著較大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度,以及存在著較大的角速度和角加速度,與遠(yuǎn)程激光所要求的極窄視場的捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)相矛盾。另外，平臺(tái)的姿態(tài)調(diào)整,跟蹤狀態(tài)下引入的平臺(tái)姿態(tài)變化和平臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)等都影響了窄視場的穩(wěn)定跟瞄。

因此,除提高激光信號(hào)的捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)設(shè)備性能外,還須從系統(tǒng)角度綜合平衡和設(shè)計(jì)各個(gè)功能單元的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。高精度、高抗干擾、小型化低功耗且滿足星載環(huán)境要求的激光通信捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)技術(shù)是一項(xiàng)光、機(jī)、電綜合的復(fù)雜技術(shù)。

2.3 調(diào)制接收技術(shù)

激光鏈路的調(diào)制與接收技術(shù)集中反映了通信系統(tǒng)的狀況。由于衛(wèi)星激光通信的傳輸速率高，背景輻射等噪聲源也會(huì)使信號(hào)淹沒噪聲中難以檢測或增大誤碼率，所以對(duì)調(diào)制接收技術(shù)要求主要是靈敏度高抗干擾能力強(qiáng)另外還要求結(jié)構(gòu)簡單,成木低，易實(shí)現(xiàn)。調(diào)制方式大致分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相接收方式主要 是直接強(qiáng)度探測(DD)和相干 (外差)探測。

在800mm波段,結(jié)合半導(dǎo)體激光器特點(diǎn)，一般采用直接光強(qiáng)度調(diào)制(M/直接強(qiáng)度探測的方式現(xiàn)在這一波段的調(diào)制速率單信道不超過 1Gbit/ s.接收端采用AD探測器。在1550m波段，采用幅度調(diào)制和解調(diào)方式,據(jù)幾年前報(bào)道,這一波段的調(diào)制速率單信道為40Gbit/s接收端采用光纖前置放大加強(qiáng)度探測的接收技術(shù)。相干探測技術(shù)在激光通信發(fā)展較晚,在實(shí)際應(yīng)用中光纖通信更為合適。

3.0 衛(wèi)星激光通信關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用舉例

OCEIS(軌間通信工程測試衛(wèi)早)是JAXA(日本航天宇宙探測局)研制的,以便為下·代太寧通信網(wǎng)絡(luò)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基仙,其上裝有 NECTOSHBA太空系統(tǒng)股份有限公司研制的LUCE(激光應(yīng)用通信裝置)。

在衛(wèi)星激光通信發(fā)展史上，ODEIS完成了具有代表性的兩類試驗(yàn),即星問激光通信和星地激光通信。

2005年12月9日EISESA(歐洲空間局)的 ARTEMS(先進(jìn)中繼及技術(shù)任務(wù)衛(wèi)星)成功進(jìn)行了星間雙向 激光通信試驗(yàn),并成功完成20多次。

2006年3月和 5月,OICEIS與東京市區(qū)的NCT(國家信息與通信技術(shù)協(xié)會(huì))光學(xué)地球站成功進(jìn)行星地激光通信試驗(yàn)，此試驗(yàn)命名為 KODEN

LUCE通信系統(tǒng)的激光器為半導(dǎo)體激光二極管(ID),調(diào)制接收技術(shù)采用直接光強(qiáng)度調(diào)制 直接強(qiáng)度探測(M/DD)的方式,這種方式可通過 OOK數(shù)據(jù)流對(duì)傳輸激光進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換,檢測器為雪崩極管(APD)。

前向鏈路采用 2PIM(二進(jìn)制脈沖相位調(diào)制)形式,速率為2048bpS后向鏈路采用NRZ(非歸零碼)調(diào)制形式速率為493724Mbps

激光是利用單色光進(jìn)行受激輻射后產(chǎn)生的光，具有方向性強(qiáng)、亮度高、單色性好、相干性強(qiáng)等特點(diǎn)。激光比微波的頻率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，和微波一樣都屬于電磁波。

激光通信是利用激光在大氣空間傳輸?shù)囊环N通信方式。激光大氣通信的發(fā)送設(shè)備主要由激光器(光源)、光調(diào)制器、光學(xué)發(fā)射天線(透鏡)等組成;接收設(shè)備主要由光學(xué)接收天線、光檢測器等組成。

信息發(fā)送時(shí)，先轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再由光調(diào)制器將其調(diào)制在激光器產(chǎn)生的激光束上，經(jīng)光學(xué)天線發(fā)射出去。信息接收時(shí)，光學(xué)接收天線將接收到的光信號(hào)聚焦后，送至光檢測器恢復(fù)成電信號(hào)，再還原為信息。

大氣激光通信的容量大、保密性好，不受電磁干擾。但激光在大氣中傳輸時(shí)受雨、霧、雪、霜等影響，衰耗要增大，故一般用于邊防、海島、跨越江河等近距離通信，以及大氣層外的衛(wèi)星間通信和深空通信。

激光通信的另一種方式也叫光纖通信。光纖通信和有線電纜通信的過程相似，不過載波是激光(電磁波)而不是電流。

光纖通信是利用石英玻璃拉制成的導(dǎo)光纖維作為傳輸媒介的通信方式。這里利用了光的全反射原理，將激光束限制在光纖芯中傳播，這樣就可以避開大氣的光導(dǎo)纖維干擾，減少能量損失，從而使信息傳輸?shù)木嚯x更遠(yuǎn)。

光纖通信中有兩個(gè)關(guān)鍵性題：其一，要有高質(zhì)量的光纖為基礎(chǔ);其二，要有功率大、效率高、單色性好、壽命長的激光器作保證。

自20世紀(jì)80年代起，我國開始進(jìn)行光纖通信技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。隨著國家“寬帶中國”戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國的光纖通信技術(shù)得到了快速發(fā)展。

在光纖光纜方面，我國已經(jīng)建立了完整的光纖光纜產(chǎn)業(yè)鏈，包括光纖預(yù)制棒、光纖、光纜等各個(gè)環(huán)節(jié)。國內(nèi)企業(yè)在光纖光纜領(lǐng)域的競爭力逐漸增強(qiáng)，產(chǎn)品不斷升級(jí)換代，技術(shù)水平不斷提高。

在光纖通信系統(tǒng)方面，我國已經(jīng)建成了全球最大的光纖通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了城市和農(nóng)村的各個(gè)角落。隨著4G、5G等移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，我國的光纖通信系統(tǒng)也在不斷升級(jí)和完善，傳輸速率和容量不斷提高。

此外，我國在光纖傳感、光器件、光芯片等領(lǐng)域也取得了重要進(jìn)展。一些國內(nèi)企業(yè)已經(jīng)開始在光纖傳感領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新和研發(fā)，開發(fā)出了一系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品。