自由光通信技术简介

　　自由空间光通信是以激光作为信息载体，不需要任何有线信道为传输媒介的通信方式，可用于空间及地面间通信。其传输特点是光束以直线传播。

　　一项名为“1999科技预测”的报告称，互联网上的信息流量每100天就要翻一倍。另悉,英国电信监管局日前最新公布数字显示，目前英国每4秒钟就售出一部移动电话机,由此不难窥见移动电话用户市场也正在以迅猛势头发展起来。随着通信信息量的增大,网络愈发显得拥挤了。因此,网络带宽资源匮乏成了当今人们谈论的焦点。用什么方法能扩充通信流量呢？目前最主要的通信传输手段有微波、光纤等。

　　微波通信与有线通信相比，可节省大量有色金属，并易于跨越复杂地形。“铱”系统便是基于微波的个人通信系统，但相对于光纤通信系统，微波通信的线路容量又比较小。光纤通信虽然有大通信容量的优势，但需要铺设光缆。怎样将二者的优势进行完美的结合呢？自由空间光通信技术由此应运而生。

　　自由光通信综合了微波通信和光纤通信的优点

　　微波通信是本世纪50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。微波通信可以较灵活地组成点、线结合的通信网，使一些海岛、山区、农村的用户较方便地利用干线进行信息交换。但与光纤通信相比，其最大的缺点就是频带窄，码率低。

　　光纤通信系统的线路容量比微波系统大，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，当遇到恶劣地形条件时，这种要求会给施工带来很大的困难，而且建设周期长，费用高。

　　自由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。

　　“铱”系统体系的提出为我们勾画出了依靠卫星通信系统就可让人们享受到联络全球的个人通信服务的美妙前景。而“铱”系统是基于微波的个人全球通信系统。目前地面上以光纤为基础的“信息高速公路”通信系统的带宽比较宽。而卫星之间无法铺设光纤，目前只能以微波进行通信。微波的物理特性决定了它不可能达到像地面的光纤通信一样的带宽。这样就造成地面的通信“通道”比较宽，而上天之后的“通道”比较窄，地面与卫星联通时就出现了瓶颈。因此，如何拓宽星间链路是解决问题的关键。

　　一种解决方法是多发射卫星，然而空间资源有限，发射卫星要受到一定的限制。卫星间又不可能用光缆连接，必须是无线通信。所以发展自由光通信成了当务之急。

　　卫星间通信——激光和微波孰优孰劣

　　早在80年代末卫星间使用激光或微波通信就开始了大辩论。支持卫星间使用激光通信的一派根据光学基本原理充分阐述卫星光通信高码率、大通信容量的优点，而反对者则强调微波通信的可靠性。光通信之所以能达到高码率大通信容量，关键原因在于其狭窄的发射光束（约十到几十微弧度），而这又是接收端捕捉发射光束的困难之处。因此瞄准、捕捉、跟踪（Pointing．Acquisition．Tracking）即PAT技术就成了卫星光通信首先要解决的问题。随着各种解决PAT技术方案的提出，在1993年,卫星通信两派专家达成共识，卫星间大容量通信的矛盾只能是通过发展卫星光通信来解决。

　　将“光纤”铺到天上去

　在各种PAT方案中,美国ThermoTrex研究所提出的采用原子滤光器的方案相当引人瞩目。该研究所认为在接收端采用性能优异的超窄带宽的原子滤光器，可以展宽视场角。通俗理解就是接收的门可以开得大些，这样卫星接收端就容易捕获发射激光束。由于原子滤光器对太阳背景辐射的强烈抑制作用，发射端的信标信号光不会淹没在强烈的噪声中，卫星接收端就可以捕捉并跟踪锁定在另一颗卫星的发射光束上。这个过程称之为光链路建立，或通俗地认为搭起了激光通信桥梁，也可以形象地认为两个卫星间铺了“光纤”。之后便可以进行高码率的通信了。这种含有原子滤光器的PAT接收装置,ThermoTrex研究所称之为激光无线电装置。该项发明被1996年美国技术创新发现奖评为航空航天类五项入围技术之一，并引起商业通信公司的深切关注。

　　卫星间光通信将是实现未来全球个人通信的最佳方案

　　现代通信正步入个人通信时代，要实现全球通信，依靠现有的卫星微波中继站，容量小，时延大。铺设越洋光纤，成本高，根据国外分析家分析估算，每米每千兆比特以12.5年寿命计算，为0.5美元,采用波分复用技术可达到0.05—0.03美元，而卫星间光连接的成本为0.01—0.03美元每米每千兆比特（以12.5年寿命推算),因此卫星间光通信将是实现未来全球个人通信的最佳方案。目前已有很多大公司斥巨资于星间链接。可见，商家也看好光通信的未来。

　　自由光通信在地面间通信也能发挥其独特作用

　　我国在自由光通信领域的研究也取得了一定的进展。北京大学电子学系自90年代就开始研究新型光通信器件——原子滤光器，其性能达到世界先进水平。早在 1993年北大就进行了采用原子滤光器的自由空间光通信的研究，其实验结果1993年已见科技论文报道。据悉，是采用原子滤光器空间光通信的世界上最早报道。之后，在卫星光通信领域的研究工作也不断取得成果。

　　此外,为开发空间光通信在经济领域的应用,北大电子系正在开发基于无线光通信的网络互联技术。

　　这项技术可以用于两幢大楼之间计算机通信的互联，目前所采用的通常是有线的通信手段：使用电缆、光缆传输。后者在传送带宽上占有绝对优势。它的速率可以达到约1千兆比特每秒,可传输大量的语音、图像、视频等信息。但是众所周知，光缆的铺设耗费资金多、建设周期长、工程规模大，且遇到地形复杂的地区架设光缆也比较困难。而且铺设光缆还要受到有关部门管理委员会的限制。所以，一些单位就向通讯公司提出要求——是否可以在不需要铺设任何有线介质的情况下，使两幢大楼之间进行互联，而且可以获得比较大的带宽。北京大学电子学系所开发的这项技术可以用于相邻两座大楼之间局域网的高速互联或在紧急情况时进行事发现场与远程数据中心的数据交换。该设备架设简单、成本低廉，免去了铺设光纤所带来的弊端。它采用光为通信载体，不会造成无线电频谱泄露，也不会受到无线电管理委员会的限制，使光通信技术在地面通信领域发挥了其独特的作用。

　　自由光通信技术离我们不再遥远

　　光通信技术不光是纸上谈兵，一些国家已经步入了应用阶段。1995年,美国与日本两颗相距3.9万公里的卫星实现了互联，并完成了8分钟的光通信,可以认为卫星光通信的关键技术已经基本解决。但卫星对地面站之间的光通信由于受到大气扰动，仍属于技术难点。1996年，美日两国进行了长达三个月的卫星与地面站的光通信实验，研究了大气信道对光通信的影响，目前存在多种解决方案，方案之一是在气候干燥少雨之处建地面站，这样很容易实现卫星对地面站光通信，而地面站之间实现光纤组网，继而实现不同地面的信息交流。另一个方案是实现激光与微波通信组网，即卫星间用激光通信，经过信号压缩处理后，再用微波与地面站通信。以此设想为基础，日本提出激光与微波通信结合的双层低轨道全球通信组网方案,具体论证了在地球700公里和2000公里的低空中部署两套卫星系统的可行性；卫星之间采用激光互联技术进行信息传递，与地面的关口站的通信链路由上层卫星负责，采用激光链路；下层卫星负责与小型地面站和移动用户（包括个人移动通信）的通信，采用微波链路。据报道，一些大通信公司筹措几十到上百亿，开展卫星间通信业务。其中有一些星间链路便是以激光来连接的。可以预见，在不远的将来，卫星激光通信作为现代通信的一种新型技术，将走入人类生活。

（本文转载自中国光学在线）

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