通信是一種利用激光傳輸信息的通信方式。激光是一種新型光源，具有亮度高、方向性強、單色性好、相干性強等特征。

按傳輸媒質的不同，可分為大氣激光通信和光纖通信。大氣激光通信是利用大氣作為傳輸媒質的激光通信。光纖通信是利用光纖傳輸光信號的通信方式。今天的光學應用為各位光學人帶來的是關于激光通信的內容，有興趣的朋友們可以看看！

激光是一種方向性極好的單色相干光。利用激光來有效地傳送信息，叫做激光通信。激光通信系統組成設備包括發送和接收兩個部分。

發送部分主要有激光器、光調制器和光學發射天線。接收部分主要包括光學接收天線、光學濾波器、光探測器。要傳送的信息送到與激光器相連的光調制器中，光調制器將信息調制在激光上，通過光學發射天線發送出去。在接收端，光學接收天線將激光信號接收下來，送至光探測器，光探測器將激光信號變為電信號，經放大、解調后變為原來的信息。

優點

1. 通信容量大。在理論上，激光通信可同時傳送1000萬路電視節目和100億路電話。

2. 保密性強。激光不僅方向性特強，而且可采用不可見光，因而不易被敵方所截獲，保密性能好。

3. 結構輕便，設備經濟。由于激光束發散角小，方向性好，激光通信所需的發射天線和接收天線都可做的很小，一般天線直徑為幾十厘米，重量不過幾公斤，而功能類似的微波天線，重量則以幾噸、十幾噸計。

弱點

1. 通信距離限于視距（數公里至數十公里范圍），易受氣候影響，在惡劣氣候條件下甚至會造成通信中斷。大氣中的氧、氮、二氧化碳、水蒸汽等大氣分子對光信號有吸收作用；大氣分子密度的不均勻和懸浮在大氣中的塵埃、煙、冰晶、鹽粒子、微生物和微小水滴等對光信號有散射作用。云、雨、霧、雪等使激光受到嚴重衰減。地球表面的空氣對流引起的大氣湍流能對激光傳輸產生光束偏折、光束擴散、光束閃爍（光束截面內亮斑和暗斑的隨機變化）和像抖動（光束會聚點的隨機跳動）等影響。

2. 不同波長的激光在大氣中有不同的袞減。理論和實踐證明：波長為0.4～0.7μm以及波長為0.9、1.06、2.3，3.8，10.6μm的激光衰減較小，其中波長為0.6μm的激光穿霧能力較強。大氣激光通信可用于江河湖泊、邊防、海島、高山峽谷等地的通信；還可用于微波通信或同軸電纜通信中斷搶修時的臨時頂替設備。波長為0.5μm附近的藍綠激光可用于水下通信或對潛艇通信。

3. 瞄準困難。激光束有極高的方向性，這給發射和接收點之間的瞄準帶來不少困難。為保證發射和接收點之間瞄準，不僅對設備的穩定性和精度提出很高的要求，而且操作也復雜。

應用

1. 地面間短距離通信；

2. 短距離內傳送傳真和電視；

3. 由于激光通信容量大，可作導彈靶場的數據傳輸和地面間的多路通信。

4. 通過衛星全反射的全球通信和星際通信，以及水下潛艇間的通信。

無線激光通信技術

無線激光通信是指利用激光束作為信道在空間(陸地或外太空)直接進行語音、數據、圖像信息雙向傳送的一種技術，又稱為“自由空間激光通信＂,“無纖激光通信”或“無線激光網絡”。

無線激光通信以激光作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質，屬于新型應用技術，早期的研究應用主要是在軍用和航天上,隨著技術的發展，近年來逐漸應用于商用的地面通信，技術也在逐步完善。

一、無線激光通信的優勢

相比于微波通信等其他幾種接入方式，無線激光通信主要優勢包括：

1.無須授權執照

無線激光通信工作頻段在365——326 THz(目前提供無線激光通信設備的廠商使用的光波長范圍多在820nm——920nm)，設備間無射頻信號干擾，所以無需申請頻率使用許可證。

2.安全保密

激光的直線定向傳播方式使它的發射光束窄，方向性好, 激光光束的發散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量級，因此具有數據傳遞的保密性，除非其通信鏈路被截斷，否則數據不易外泄。

3.實施成本相對低廉

無須進行昂貴的管道工程鋪設和維護，其造價約為光纖通信工程的五分之一。

4.建網快速

無線激光通信建網速度快，只須在通信點上進行設備安裝，工程建設以小時或天為計量單位，適合臨時使用和復雜地形中的緊急組網。對于重新撤換部署也很方便容易。

5.協議的透明性

以光為傳輸機制，任何傳輸協議均可容易的迭加上去，電路和數據業務都可透明傳輸。

6.設備尺寸小

由于光波波長短(約零點幾微米到幾十微米)，在同樣功能情況下，光收發終端的尺寸比微波、毫米波通信天線尺寸要小許多，具有功耗小、體積小、重量輕等特點。

7.信息容量大

光波作為信息載體可傳輸達10Gbit/s的數據碼率。Lucent貝爾實驗室不久前演示了其“無線激光通信數據鏈路”，并且創造了在2.4公里的自由空間距離上以2.5Gbit/s的速率無差錯傳輸信息的世界記錄。目前已經商用的無線激光設備，最高速率已達622Mbit/s。

二、無線激光通信的缺點

當然，無線激光通信也有其固有的缺點：

1.只能在視線范圍內建立鏈路

兩個通信點之間視線范圍內必須無遮擋，必要的時候需要考慮線路中間將來可能出現的樹木，建筑物的遮擋。對于中間存在障礙物而不可直視的兩點之間的傳輸，可以通過建立一個中繼站實現連接。

2.通信距離受限

目前用于地面民用無線激光通信的設備所能達到的距離一般為200m到6000m,受安全發送功率、數據速率、天氣等條件的限制，實際使用的距離要短一些。延長直視的兩點之間的傳輸距離可以通過建立中繼站的方法。

3.天氣影響鏈路的可靠性

天氣因素尤其是大霧所引起的光的色散影響激光通信的可靠性。據測算，當距離在200——500米之間時，全球大部分地區均可達到99.999%的通信要求。

4.安裝點的晃動影響激光對準

樓頂晃動(受日光，風力的影響)將影響兩個點之間的激光對準，使鏈路質量下降。

5.意外因素使通信鏈路的阻斷，可用性受限制

點對點及點對多點模式中，如有一條鏈路被隔斷(如飛鳥經過鏈路空間)，通信將受阻。

三、無線激光通信的應用

1.無線激光主要應用場合

無線激光通信綜合了光纖通信與微波通信的優點，比較適合在城域網中使用。目前的主要應用場合包括:

(1)在不具備接入條件(如：復雜地形)或帶寬不足時提供高效的接入方案

在通信鏈路跨越高速公路、河流、擁擠的城區時，由于地理條件的限制無法敷設光纖線路時，采用無線激光通信可以有效解決。

(2)解決綜合業務接入的“最后一公里”

對智能小區的寬帶接入，大企業Intranet的互連，大客戶的寬帶接入提供一種快速靈活的方案，可提供2——622Mbit/s的帶寬。

(3)提供室內外、臨近局域網之間的互連互通

當兩座樓宇之間的辦公室需要建立一條通信鏈路，其他通信方式不能較好的解決時(帶寬、價格、線路資源)，采用無線激光通信可快速解決。

(4)對于特殊要求的線路進行備份以及應急臨時鏈路和意外恢復

在突發的自然或人為意外災害中，原有通信線路被破壞，難以立即恢復時，或者在一些特殊地方發生突發事件，需要應急通信，采用無線激光通信進行快速的部署。

另外對于一些大型的集會(如運動會、慶祝會等)需要快速建立一些臨時鏈路用于現場通信。

大部分無線激光通信設備向用戶提供的是業務透明的接口，因此，可以適應多種常用的通信協議，可以很靈活的接入數據，話音，視頻業務。

數據網絡的互連，適用于Ethernet、FDDI、Token Ring FR等不同協議的網絡。

電路業務網絡的互連，適用于交換機，移動基站等設備的連接，主要采用E1/E3、OC-3/STM-1(SDH/ATM)接口。

閉路監視系統，廣播電視信號的單，雙工的傳輸。

無線激光通信設備的激光通信終端每一側分別包括專用望遠物鏡(Telescope)、激光收發器部分、線路接口、電源、機械支架，部分廠商的設備還包括伺服、監控、遠程管理等部分。

激光通信終端中的光源(Light source)主要分為LD(Laser Diode)和LED(Light Emitting Diode)，其中LD多采用鋁砷化鉀二極管(AlGaAs Laser Diode)，接收器主要采用PIN(Positive Intrinsic Negative Diode)或APD(Avalanche photodiode)。

另外，部分設備商的產品中集成了伺服裝置，用于安裝調試、組網調整以及由于環境因素引起的基座移動的調整。

2.采用無線激光技術組網通信時需要考慮一些必要影響因素

(1)自由空間損耗(Free-Space Lose obstacle)

自由空間損耗是指激光波束在傳播過程中的擴散引起的損耗；解決方法：提高發射功率、增加波束數量、波束聚焦。

(2)基座的偏移

建筑物的偏移：由于日光、風力、季節的變化引起建筑物及固定基座發生偏移，通常最大4 mrad/2層樓。解決方法：自動跟蹤、改變波束聚焦。

(3)衰減(attenuation)

在不同氣象條件下，空氣中的微粒會對激光的傳播形成不同的衰耗。表1是典型天氣條件下的數值。

(4)閃爍(scintillation)

500m之內的閃爍影響不明顯，大于500m則影響較大。

(5)空氣散射(scattering)

激光波束在傳播路徑上由于空氣溫度的差異而引起介質的折射率不同導致波束的散射產生的損耗。解決方法：縮短路徑；傳播路徑避免經過排風口、煙囪、高溫屋頂、管道等。

(6)背景噪聲

在無線激光通信組網過程中，當部分終端的位置需要俯仰或東西朝向時，會遇到日光照射到終端的接收器上，日光形成的背景噪聲對正常通信有一定的影響。

另外，由于不同設備廠商在不同型號(傳輸速率)的設備上采用不同的激光器(LED/LD)和接收器(PIN/APD),在相同的天氣條件下所能達到的通信距離不盡相同，考慮到天氣及環境因素的變化，在保證誤碼率的前提下，應留出一定的裕量。

激光的直線傳輸和擴散角度很小的特性，使截取信息的方式只可能會在傳輸的路徑中間或在光束的擴散區域中，接受器直接置于傳輸路徑中間可能會導致傳輸中斷，在擴散區域，由于衰耗較大， 需要較高的接收靈敏度。另外，部分廠商采用了特殊的編碼，用以保護數據的安全。

激光對人體的危害，尤其是對眼睛的損傷，其損傷程度可以使眼睛視力降低，甚至完全失明，但這種損傷并非所有量級激光能引起，而是有一最低限度——即致傷閾值，只有當激光能量密度或功率密度超過此閾值時才能對眼睛造成傷害。激光器的級別分類提供了一個安全的參考值。

無線激光通信填補固定無線通信方式(受頻率資源許可、價格、帶寬等限制)與光纖通信方式(特殊地形、建網時間等限制)之間的空白。

可以靈活、快速地建立通信鏈路。因此，在調查和了解使用過程中不同條件和要求(傳輸的距離、用戶要求的傳輸速率、誤碼率、可用時間等，當地的氣象條件如降雨、雪、霧、塵的天數及程度，附近鳥群等)的情況下，可以充分考慮采用采用無線激光通信的方式組網，迅速建立一個有效覆蓋、能夠為用戶提供端到端的網絡綜合接入服務能力的寬帶接入網絡。

空間激光通信技術

空間激光通信是指用激光束作為信息載體進行空間包括大氣空間、低軌道、中軌道、同步軌道、星際間、太空間通信。

激光空間通信與微波空間通信相比，波長比微波波長明顯短，具有高度的相干性和空間定向性，這決定了空間激光通信具有通信容量大、重量輕、功耗和體積小、保密性高、建造和維護經費低等優點。

1、大通信容量：激光的頻率比微波高3-4個數量級(其相應光頻率在1013-1017 Hz)作為通信的載波有更大的利用頻帶。光纖通信技術可以移植到空間通信中來，目前光纖通信每束波束光波的數據率可達20Gb／s以上，并且可采用波分復用技術使通信容量上升幾十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的優勢。

2、低功耗：激光的發散角很小，能量高度集中，落在接收機望遠鏡天線上的功率密度高，發射機的發射功率可大大降低，功耗相對較低。這對應于能源成本高昂的空間通信來說，是十分適用的。

3、體積小、重量輕：由于空間激光通信的能量利用率高，使得發射機及其供電系統的重量減輕；由于激光的波長短，在同樣的發散角和接收視場角要求下，發射和接收望遠鏡的口徑都可以減小。擺脫了微波系統巨大的碟形天線，重量減輕，體積減小。

4、高度的保密性激光具有高度的定向性，發射波束纖細，激光的發散角通常在毫弧度，這使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干擾、防竊聽的能力。

5、激光空間通信具有較低的建造經費和維護經費。

衛星激光通信技術

一、衛星激光通信的優點

衛星激光通信是以激光為傳輸媒介，在衛星之間建立光通信鏈路，實現數據傳輸的技術。衛星激光通信系統與微波通信系統相比具有以下優點：

1、大信道容量

激光的頻率比微波高3到4個數量級，作為通信的載體意味著更大的可資利用頻帶。光通信每通道的數據速率可達20Gb/s以上，并且還可采用波分復用的技術使通信容量成倍上升，隨著技術的進步還將有大幅度上升。

2、低功耗

激光的發散角很小，能量高度集中，落在接收機的望遠鏡天線上的功率密度高，從而發射機的發射功率可以大大降低，通信發射機功耗相對較低。這對于衛星通信這種功率資源寶貴的場合十分適用。

3、重量輕

發射機較低的發射功率和功率消耗使得發射機及其供電系統的重量得以下降；同時因為激光的波長短，在同樣的發射波束發散角和接收視場角要求下，發射和接收望遠鏡的口徑都可以較小。激光通信擺脫了微波系統巨大的碟形天線，重量和體積可以減輕很多，這對于衛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，發射波束纖細，并且在短時間內能夠傳輸大量數據，從而減少持續通信時間。因此衛星激光通信具有高度的保密性和抗干擾性，能有效地防止竊聽和偵測，對于軍事和民用都有較大的意義。典型的衛星激光通信系統波束發散角為10?rad。

二、衛星激光通信的難點

衛星間激光通信具有上述優點的同時，也同樣帶來了衛星間光通信技術上的難點及其獨有的特點：

1、衛星光鏈路的空間瞄準、捕捉和跟蹤。衛星激光通信的發射波束很窄，這為其帶來很多優點。但同時發射波束窄又在技術上造成巨大困難。

相距很遠的兩顆衛星之間存在相互的高速運動，并且由衛星本身的振動可造成發射光束的抖動，這種情況下將通信發射光束準確地瞄準、照射并鎖定在接收端衛星上是有相當難度的。

因此，兩個通信終端目標間的相互捕捉、瞄準、跟蹤（Acquisition，Pointing，Tracking 簡稱APT）技術相當復雜，這也是致使衛星光通信發展緩慢的原因之一。

2、存在背景光的影響。這些背景光主要來源于太陽、月亮、金星、地球和其他星球的輻射、反射，各背景光源的輻射強度不同，頻譜分布不同，對接收機所成的張角也不同。當接收機視場角包含的噪聲源不同時，接收機受到的影響也不同。

根據有關資料，背景光有時可以達到很強的程度，遠遠大于接收到的信號光強度，這就要求衛星之間的通信系統具有較強的抗背景噪聲能力。而光纖通信系統由于激光在光纖中傳播，背景光不能進入光纖，所以不存在背景光問題。

3、終端之間有相對運動。軌道之間的鏈路（IOL）上兩顆衛星之間有相對運動，會使激光產生多譜勒頻移，頻移量大小為±10GHz，頻率變化速率為±13MHz/s，這對于某些通信的調制/解調方案會產生較大的影響。光纖通信系統中的終端位置固定，不存在激光的多譜勒頻移問題。

4、衛星之間的通信距離遠。地球同步衛星到地球同步衛星（GEO-GE0）之間的通信距離可達42000公里。即使低軌道衛星到低軌道衛星（LEO-LEO）之間也有上千公里。半導體激光器發射功率小（一般只有幾十毫瓦到幾百毫瓦），光波在傳播過程中有自由空間損耗、定位損耗，激光波束的強度是按距離的平方遞減的，也就是意味著距離衰減很大，鏈路中間不能加中繼。這就要求通信系統具有高的接收靈敏度，否則背景輻射等噪聲的影響會使誤碼率達到不可接受的程度。除從檢測器本身入手以外，糾錯編碼、外差接收等都是可能的解決途徑。

5、衛星之間的激光通信對系統的可靠性要求高。這是因為發射機、接收機都在衛星上，衛星發射升空后在對其進行維護幾乎不可能。

三、 衛星激光通信的最新研究狀況

目前世界衛星激光通信已經從理論研究進入到應用基礎和試驗階段，發展日新月異。在各國眾多的光通信研究計劃中，處于領先地位的技術集中在少數幾個項目之中。

目前唯一一個可以在衛星間通信試驗成功的計劃是歐洲宇航局(ESA)的SILEX計劃。SILEX計劃是研究GEO和LEO之間的通信。SILEX對低軌道衛星SPOT4與同步軌道衛星ARTEMIS間激光通信進行了地面最終測試和飛行性能評估。帶有SILEX通信端機的SPOT4衛星于1998年3月22日成功發射，載有PASTEL通信端機的的ARTEMIS于2001年7月12日發射升空。

2001年11月22日，由低軌道衛星SPOT4帶有的通信端機SILEX向同步軌道衛星ARTEMIS進行世界上首次激光通信試驗并獲得成功，傳輸碼率為50Mbps。此次通信實驗室成功，可以說具有劃時代的意義，說明衛星激光通信終于可以進入了實用化的階段。這套系統提供和CNES地球觀測衛星建立聯系的激光數據鏈路。CNES衛星在離地球832公里的高度運動，而Artemis衛星在一高達31000公里的太空軌道上。

通過激光數據鏈路，低軌道衛星SPOT 4采集的圖像數據實時地經Artemis送往Toulouse（法國南部城市），這樣大大地減少了采集圖像、發送數據回地面站的時間。這種傳輸只要兩衛星光束不被地球遮擋就都能進行。建立光鏈路的主要挑戰在于將一束極窄的信標光準確瞄準到正以7000m/s的速度飛行的對方衛星。

值得一提的是，ESA從2003年以來，已經在LEO—GEO間開展了日常激光通信業務，每天在兩顆衛星可相視的時間段內進行2次數據率為50 Mbps的數據傳輸業務，鏈路總時間超過300小時，已達到商用化水平。2002年4月，ESA也完成了被他們視作衛星光通信發展里程碑的GEO—地光鏈路實驗。

1999年，美國JPL實驗室進行了雙向46.8公里水平地面光鏈路實驗，該實驗為未來衛星與地面站間激光通信的系統設計，特別是有關減輕大氣影響的設計提供一個較早的評估。另外由美國JPL實驗室資助，FY1998在為先進外層空間系統發展計劃（ADSSD）設計和發展一個光通信（Opcomm）子系統。

這項研究的目標在于最終能夠提供一種原型設備，它能在外層空間的巨大距離下建立上行和下行的雙向鏈路，并同時具備廣泛的搜索功能。美國噴氣動力實驗室還開發研制了自由光通信分析軟件（FOCAS），為了給任務計劃者，系統工程師和通信工程師提供一種容易使用的工具來分析直接檢測光通信鏈路，FOCAS程序能提供友好的界面，強有力而靈活的設計模式。

美國AT公司進行了STRV-2激光通信地面終端水平鏈路性能研究。該實驗地面通信距離為13.8公里，通過此次實驗對1999年六月發射的STRV-2衛星與地面光通信進行先期的地面測試。2000年7月7日，安裝STRV-2模塊的TSX-5飛行器被發射升空。

美國空軍研究實驗室1999年提出利用商業成熟應用技術來實現衛星間激光通信鏈路。衛星激光通信的一種侯選技術是應用1550nm地面光纖技術（EDFA和WDM）。

他們利用目前已有的器件建立了一個發射和前置放大接收OOK測試系統，在碼率為155 ，622和2488Mbps條件下研究了衛星通信所感興趣的一些參數，如濾光器帶寬，判決門限，消光率和動態范圍等。結果表明1550nm地面光纖技術可以被應用于衛星間激光通信鏈路中。

國外針對大氣擾動對衛星光通信的影響也進行了許多研究。

美國中佛羅里達大學1999年提出了一個新型的相干陣列探測系統，該系統能夠消除激光通信中由于大氣擾動和目標移動所造成的相位起伏和多譜勒頻移，同時解決了光電相位鎖定環路所造成最大頻率限制問題。

這種方案應用了一束參考激光和一束偏振方向不同的信號激光作為發射光束，接收信號通過偏振光分束和一個二階混頻，由多個獨立接收器接收的相干濾波信號能自動地同相，獲得發射信號并消除激光通信中由于大氣擾動和目標移動所造成的相位起伏和多譜勒頻移。該方案使系統更加適用于激光通信。

1999年薩里大學通信系統研究中心通過恒星觀測測量大氣擾動的方案，對通信系統所在地大氣擾動的預先觀測對于工作于大氣中的光學系統設計是非常重要的，恒星觀測是一種有效且方便的方法。通過這種方案可以測量大氣擾動層的高度，水平平均風速和折射率。

相對美國和歐洲而言，日本在衛星光通信研究方面起步較晚，但日本后來發展迅速。日本的兩個計劃——ETS-VI和OICETS計劃是兩個十分引人注目的空間光通信研究計劃。

ETS-VI計劃旨在進行星地之間的空間光通信實驗，且已于1995年7月成功地在日本的工程試驗衛星ETS-VI與地面站之間進行了星-地鏈路的光通信實驗，這是世界上首次成功進行的空間光通信實驗。

此舉使日本一躍而居空間光通信研究領域之首位。日本和歐州航天局還利用各自研制的、裝于各自衛星上的空間光通信終端，合作進行空間光通信系統的空間實驗，這進一步顯示出空間領域逐步走向國際合作化的趨勢。

日本星地鏈路光通信實驗的成功，進一步證明了空間光通信中難度最大的鏈路——星地鏈路的可行性。此外，日本還在OICETS計劃中，積極研制專用于進行空間光通信系統實驗的小型光學星間通信工程試驗衛星(OICETS)。OICETS只攜帶光學終端、質量為500kg，它將在500km的低軌道上運行。OICETS的目的是在空間對空間光通信的探測、跟蹤等光學技術及光學裝置進行實驗，以評價及改進空間光通信技術及裝置。

載有激光終端的OICETS衛星于2005年8月24日成功升空，該衛星現在改名為KIRARI，該低軌衛星于 2005年12月9日首次成功地與ARTEMIS衛星進行了雙向激光通信實驗，這使得衛星光通信技術向實用化方面又邁出了一大步。

2005年12月以來，該衛星一直在進行日常激光通信試驗，取得大量有關星間光通信技術的寶貴資料。其總系統組成包括NASDA的OICETS（KIRARI）衛星、數據中繼衛星（DRTS）、跟蹤控制中心（TACC）、國內跟蹤通信站、EAS的ARTEMIS衛星和地面站。概念圖如圖一所示。

KIRARI衛星完成與ARTEMIS衛星間的雙向激光通信實驗后，將衛星姿態做大調整，將頭底位置互換，即將激光終端位置由衛星頂部轉到衛星底部，這樣可實施衛星與地面的激光通信。2006年3月18日，KIRARI衛星與日本東京地面光學站成功地進行了國際上首次LEO-地面的激光通信試驗。

我國在衛星光通信方面的研究工作剛剛起步，處在單元技術及關鍵技術的模擬研究階段。主要研究單位有北京大學、成都電子科技大學、哈爾濱工業大學、武漢大學、武漢六博光電等。