自由空间激光通信技术及其发展

大气激光通信系统的研究教材

大气激光通信系统的研究 摘要：激光信息在大气中传输是目前大气光学领域最为活跃的研究热点之一。 由于激光本身所具有的高强度、高相干性、高单色性和高方向性等特性，从而有容量大、波束窄、速度快、保密性好和抗干扰性强等优点，因此激光成为无线光通信中最理想的载体。 本文概述了大气激光通信的基本原理及发展状况，介绍了其特点和用途。并以一种新型的具有以太网接口，能实现计算机间通信的大气激光通信系统（既可传输语音又可传输数据）为例，结合实验研究对发射端机和接收端机两大部分进行了阐述。 并针对大气无线激光通信系统，本文深入地研究了大气湍流信道中随机光 强信号的检测方法，对激光束在大气湍流信道中的传输进行了仿真和建模，并对实际的大气湍流信道进行了测量。 关键词：大气激光通信光发射端机光接收端机损耗特性激光器 一．激光通信的概述 1960年激光的出现极大地促进了许多学科的发展，其中也包括通信领域激光以其良好的方向性、相干性及高亮度性等特点成为光通信的理想光源。将激光应用于通信，掀开了现代光通信史上崭新的一页，成为当今信息传递的主力军。 激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式，和传统的电通信一样，它可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。其中，有线激光通信就是近年来发展迅猛的光纤通信。无线激光通信也可称为自由空间激光通信，它直接利用激光在大气或太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像等信号的高速双向传递。这是目前国际上的一大研究热点，世界上各主要技术强国正投入大量的人力物力来抢占这一领域的技术优势。根据使用情况，无线激光通信可分为:点对点、点对多点、环形或网络状通信。在本文中，我们主要研究的是点对点的通信。此外，根据传输信道的不同，无线激光通信又可分为:大气激光通信、星际(深空)激光通信和水下激光通信川。 大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支，它以近地面大气作为传输媒介，是激光出现后最先研制的一种通信方式。大气激光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加的电信发送和接收设备等组成，只要相互进行瞄准即可进行通信。根据所用光源的不同，大气激光通信系统大致可分为半导体激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统。半导体激光器体积小，重量轻，灵活方便，但光束发散角稍大，适合于近地面的短距离通信。气体激光通信系统的体积和重量都较大，但其通信容量也大，光束发散角较小，适合于卫星间的通信和定点之间的大容量通信。因此，在实践中，根据通信系统在不同应用场合中的要求，合理选取光源。 大气激光通信系统的主要应用和优点

空间激光通信技术的前世今生,这篇文章很深奥看完小编都蒙圈了

空间激光通信技术的前世今生，这篇文章很深奥看完小编都蒙圈了空间激光通信是一种利用激光束作为载波在空间进行图像、语音、信号等信息传递的通信方式。与传统微波通信相比，激光通信具有传输速率快、通信容量大、抗电磁干扰性能强、保密性高等优点，且其通信终端体积小、功耗低、实用性极高，引发各国研究热潮，今天电子发烧友小编就给大家讲解一下空间激光通信技术的前世今生。 什么是空间激光通信技术？ 步轨道、星际间、太空间通信。激光空间通信与微波空间通信相比，波长比微波波长明显短，具有高度的相干性和空间定向性，这决定了空间激光通信具有通信容量大、重量轻、功耗和体积小、保密性高、建造和维护经费低等优点。 1、大通信容量：激光的频率比微波高3-4个数量级(其相应光频率在1013-1017 Hz) 光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目前光纤通信每束波束光波的数据率可达20Gb ／s以上，并且可采用波分复用技术使通信容量上升几十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的优势。2、低功耗：激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应于能源成本高昂的空间通信来说，是十分适用的。3、体积小、重量轻：由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的重量减轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以减小。摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量减轻，体积减小。4 细，激光的发散角通常在毫弧度，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力。5、激光空间通信具有较低的建造经费和维护经费。 空间激光通信技术前景展望

激光通信的应用

激光通信的应用 1． 激光的定义：由受激发射的光放大产生的辐射。 2． 激光通信： 定义1：利用激光进行信息传递的通信。 定义2：利用激光传输信息的通信方式。按传输媒介的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。 3． 激光通信的原理： 无线激光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源、机械支架，部分厂商的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。 激光是一种光波，也具有电磁波的性质。然而。激光与一般的无线电波又有明显的不同，激光的频率为几亿兆周，是微波（超高频电磁波）频率的10万倍以上。由波长 与波速C及频率 的关系式 可知，激光的波长非常短，所以其波动性远比无线电波差。相反，激光却具有奇特的粒 子性，因而使它在军事通信中成为引人注目的“后起之秀”。 激光通信与无线电通信基本相似，在发送端用激光器发出的激光作为载波。话音信号通过发话器变为电信号送入调制器，调制器控制载波的某个参数（频率、振幅或相位）使其按话音的变化把话音信号寄载在激光光波上，通过发射望远镜(也称发射天线）发送出去在媒质中传播。在接收端，接收望远镜（也称接收天线）将激光信号按发送端的逆方向转化为话音信号。 根据传输媒质的不同，激光通信可分为宇宙通信（激光在大气层以外的宇宙空间传播）、大气通信（激光在大气层以内传播）、水下通信（激光在水下传播）以及光纤通信（激光在光导纤维内传播）。四．激光通信的优缺点： 相比于微波通信等其他几种接入方式，无线激光通信主要优势包括： 1．无须授权执照 无线激光通信工作频段在365～326 THz（目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多在820nm～920nm），设备间无射频信号干扰，所以无需申请频率使用许可证。 2．安全保密 激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好, 激光光束的发散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量级，因此具有数据传递的保密性，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄。

空间激光通信

空间激光通信研究现状 空间激光通信相对射频通信有着速率高、容量大等许多优点,从上世纪80年代起,各国就陆续开展了对空间激光通信的研究。目前,各国激光通信的调制方式主要分为PPM、PSK 与OOK三种,本文按照调制方式对各国的空间激光通信研究现状进行描述。 1,PPM 欧洲的SILEX项目、OPTEL项目与美国的LLCD项目、LCRD项目、MLCD项目使用或部分使用PPM调制方式。 1、1,LLCD项目[1~3] LLCD就是美国NASA2013年开始实行的一个项目,该项目建了两个探测器,月球环境探测器LLST与地面站LLGT,LLST与LLGT的通信距离距离在35000~400000km之间。 如图1(1)所示,地面站LLGT重达7吨,有4个15cm发射镜头与4个40cm接收镜头组成。LLGT的发射机使用的调制方式为4-PPM,每4个数据时隙后跟有12个或者28个静默时隙,发射激光器的波长就是1550nm,通过4个发射镜头实现4路时分复用,信号发射前经过一个10W光放大器放大,传输速率为10/20Mbps,这个速度就是目前地月RF通信的5000倍。为降低误码率采用了turbo码作为信道编码,码率为1/2,实现了0误码。4路接收镜头阵列有效提高了接收信号强度,接收机就是4个超导单光子计数探测器(工作在3K温度上),接收灵敏度极高,如图1(2)所示,能够提供高速光子计数测量[1]。 月球探测器LLST由光学模块、调制解调器、电子控制器三个模块组成[2],质量30kg。光学模块由一个10cm镜头的镜头组成,完成发射与接收光信号的功能,光学模块安装在一个二轴平衡台上,台上有粗瞄准与捕获探测器,该模块能够测试飞船的振动并进行补偿,实现对地面站的瞄准与捕获,光学模块通过光纤耦合到调制解调模块上。调制解调模块的主要功能就是调制与解调光信号,如图2所示,模块内置了311MHz低噪声时钟(经VCO可倍频至5GHz),解调模块前置了一个0、5W的放大器,对接收光信号进行放大,光信号进入后一部分经PLL使时钟频率同步,一部分进入解调器,解调器的时隙时钟由频率同步后的时钟提供(不需要额外的时隙同步),FPGA的主要作用就是上行链路帧同步,下行链路产生帧信号发送出去[3]。电子控制器模块有一些控制算法功能包括稳定光模块等。LLST的激光器功率仅为0、5W,波长为1550nm,使用的调制方式16-ppm,速率达到了40-622Mbps,使用turobo码信道编码,码率为1/2,速率为40/80/155/311Mbps时可做到0误码,速率622Mbps时误码率小于10^-5。上行链路速度明显小于下行,一个原因就是地面接收机没有体积质量等要求,灵敏度可以做的很高,另一个原因就是大气信道具有不对称性,对上行链路的影响较大,使之误码率变高。

浅谈21世纪激光的发展与应用

浅谈21世纪激光技术的发展与应用 Discussion of laser development and application of 21 century 专业：光电信息工程 姓名：陈斐然 学号：080212139 指导老师：张磊

21世纪激光技术的发展与应用 摘要：20世纪以来，激光是继原子能、计算机、半导体之后的又一重大科技发明。在有充分的理论准备和生产实践需要的背景下，激光技术应运而生。它一问世就获得了异乎寻常的快速发展。激光在现代通信领域有着广泛的应用。它在扩大通信容量，缓和通信频段拥挤，提高通信安全等方面都发挥着极为重要的作用。 关键词：激光技术现代通讯激光通信光子晶体能量衰减 Discussion of laser development and application of 21 century Abstract ：Since the 20th century, laser is another major technological invention after the atomic energy, computer, semiconductor .Under the background of a full theories preparation and production practice needs,the laser technology arises at the historic moment. It comes out to obtain the unusually rapid development. Laser in modern communication field have a wide range of applications. In expanding communication capacity, easing communication frequency crowded and improving the communication security aspects, it plays an extremely important role. Key words:laser technology; modern communication; laser communications; photonic crystal; energy attenuation 一、激光的发展历程 1960年5月16日，世界上第一个激光器——红宝石激光器发出了一束神奇的光，它的名字叫“激光”。最初中文的名称叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译。LASER是英文“受激辐射的光放大”

空间激光通信研究现状及发展趋势

空间激光通信研究现状及发展趋势 前言：在即将到来的信息时代，构建信息传播速率快、信息传输量大、覆盖空间广阔的通信网络是很重要的。空间激光通信技术正是构建符合未来社会发展需求的通信网络的重要技术支持之一。我国的各大高校和科学研究机构都有对这一方面展开研究，比如武汉大学的静态激光通信、华中科技大学的对潜激光通信、中科院成都光电所的自适应激光通信、中电集团34所的大气静态激光通信等。空间激光通信的应用，有助于构建一体化的通信网络，对于我国发展具有深远的影响。 一、空间激光通信的技术特点 1.1光波频率高 空间激光通信就是利用激光进行信号传输的通信技术[1]。激光的频率比微波高出三到四个数量级。这就导致以激光为载波进行通信，能够利用的频带更加宽广，在短时间内传输大量的数据。在地球科学研究、环境灾害监测、军事信息获取等领域，经常需要在一段时间内实现海量数据的传输，空间激光通信就可以有效实现这一点。 1.2光波波长短 空间激光通信所运用的光波具有极短的波长。光波的波长决定了发射天线的口径。如果光波的波长较短，发射天线的口径也

会比较小，这样，激光在发射过程中就会相对集中，不容易发生分散，同时消耗的功率也比以往的微波发射低，节省更多的能源。不仅仅是发射天线，接收终端的型号也与光波的波长长短有关。利用短波长的光波进行信息传输，接收终端的体积、重量也可以相应缩小，同时消耗更低的能源。这种性质使得空间激光通信能够搭配多种通信平台，适用范围极为广阔。 1.3方向性强 空间激光通信发射的激光光束很窄，指向明确，能够直达目的地，很少发生散射[2]。以往的微波通信，光束宽，指向性不明显，容易发生散射和折射，影响通信的效果，导致通信不稳定。空间激光通信就将这一问题进行极大程度的改善。另外，空间激光通信还具有防窃听的能力，在传输过程中不容易被外界窃取信息，在保证了通信的稳定性的同时，也保证了通信的保密性。 1.4波段远离电磁波谱 如果通信光波的波段距离电磁波谱较近，就容易在传输的过程中受到电磁波谱的干扰。所以，空间激光通信采取远离电磁波谱的光波波段。在机场、战争区域等环境中，电磁波谱的干扰极为严重，只有利用空间激光通信才能够确保信息的顺利传输。 二、空间激光通信的关键技术 2.1激光调制发射技术 激光调制发射技术具有高功率和高速率的特点。这种技术的主要组成部件有激光器、驱动器、温度控制、功率控制、光放大

激光无线通信技术

激光无线通信技术 激光通信是一种以光波作为“载波”，大气、海水或太空作为传输介质的通信方式，与利用电磁波作载波的通信原理一样，只是承载信号的载波是激光，其波长更短，频率更高。与传统无线通信和有线通信相对应的，激光通信也形成了无线通信及有线通信，军事通信所关注的主要是激光无线通信。 激光无线通信具有电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、重量轻、功耗和体积小、保密性好等特点。保密性好的原因在于，一：激光具有高度定向性，发射波束非常短，通常发散角小于1弧度，在毫弧度级，二：信道速率高，能在短时间内大量发送数据，从而减少通信持续时间。波束窄使得抗干扰抗截获能力强，通信时间短的特点使得抗侦测、防窃听的能力强。另外，及激光通信的传输带宽宽，比较适合侦察图像等的实时传输。

美国航天局（NASA ）在2014年6月6日宣布，该机构5日利用激光束在3.5秒内把一段时长37秒的高清视频从国际空间站传送回地面，成功完成了一项“可能根本性改变未来太空通信的技术演示”，也预示着太空宽带时代的到来。这项实验的成功表明激光传输技术是可行的，完全可以作为下一步进行更高速率传输和实用性通信的技术基础。

应用及前景展望 1、用于提升星间通信速率 卫星微波通信的极限通信速率在2Gbps左右，近年来通信速率提升困难。而激光通信技术可以轻松实现10Gbps以上的通信速率，采用复用的手段甚至能获得Tbps 以上的通信速率。如此高的通信速率，使得太空通信如同从拨号上网时代升级到了宽带上网时代。 2、用于能源成本较高的空间通信 由于激光通信的光束发散角很小，大大降低了通信过程中信息被截取的可能性，目前还没有截获空间激光通信信息的可行手段，这使激光通信具有高度的保密性。而能量的高度集中,使得落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应用于能源成本高昂的空间通信来说也是非常适用的。 3、用于水下通信 此外，激光在水下通信中也有很大的应用空间，电磁波在水中的衰减程度较大，传统的无线电波想要穿透海水，必须使用频率极低的波段，携带的信息量十分有限，传输时间长。然而，研究发现，激光中存在一个频段——光波波长为450～570nm 的蓝绿光，海水对其吸收损耗较小，它通过海水时，不仅穿透能力强，而且方向性极好。因此，激光通信也是深海中传输信息的重要方式之一，可以用于对潜通信、探潜探雷、测深等领域。 限制因素： 但空间激光通信中的激光是在自由空间中传播，因此存在巨大的传输损耗。空间激光通信，尤其是星地间的通信，最大的限制就是经过大气层时受到湍流，及其他天气、环境因素的影响。 其次，空间激光通信链路的距离从千公裡到数亿公里不等，并且链路之间不可能有中继放大，这与地面光纤通信千公裡的链路距离相比实现起来难度大得多。比如火星与地球之间的链路，由于距离太过遥远，激光的几何损耗极大，点对点的瞄准也更为困难。

自由空间光通信技术的发展现状与未来趋势

自由空间光通信技术的 发展现状与未来趋势 易成林 (华中科技大学武昌分校,湖北武汉430070) 摘　要:自由空间光通信(Free2Space Optical Columniation,简称FSO)是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术,介绍了自由空间光通信的国内外研究现状,分析了应用现状和未来发展趋势。 关键词:自由空间;光通信技术;现状;趋势 中图分类号:F623 文献标识码:A 文章编号:167223198(2007)0920263202 1　自由空间光通信的研究现状 1.1　基于光电探测器直接耦合的FSO系统 早在30多年前,自由空间光通信曾掀起了研究的热潮,但当时的器件技术、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却阻碍了它的进一步发展。与此同时,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20世纪80年代掀起了热潮,自由空间光通信一度陷入低谷。然而,随着骨干网的基本建成以及最后一公里问题的出现,以及近年来大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟,自由空间光通信的研究重新得到重视。 在国外,FSO系统主要在美英等经济和技术发达的国家生产和使用。到目前为止,FSO己被多家电信运营商应用于商业服务网络,比较典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奥运会上,Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送,并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供10OMb/s的数据连接。该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络。而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网(SON ET)通过光节点连接在一起,完成了该地区整个光网络的建设。 目前商用的FSO系统(见图1)通常采用光源直接输出、光电探测器直接耦合的方式,这种系统有以下几点缺点: (l)半导体激光器出射光束在水平方向和垂直方向的发散角不同,且出射光斑较粗,因此我们需要先将出射光束整形为圆高斯光束再准直扩束后发射,这样发射端的光学系统就较为复杂,体积也会相应增大。 (2)在接收端,光斑经光学天线会聚之后直接送入PD 转化为电信号。通常,我们需要提供点到点的,双向的通信系统,这样,FSO系统的每个终端都包括了激光器,探测器,光学系统,电子元器件和其中有源器件所需要的电源。这种系统的体积通常比较大,重量大,成本也比较高。从FSO 系统终端的内部结构图中可以看出,完成一个简单的点到点的链路需要6个OE转换单元。随着人们对带宽的需求越来越高,PD的成本也越来越高,6个O E转换单元大大增加了成本闭。 (3 )FSO终端设备一般安装于楼顶,如果终端中含有大量的有源设备,会给我们的安装带来了很多不方便。 (4)系统的可扩展性很小。如果用户所需要的带宽增加,那么封装在一起的整个FSO系统终端都需要被新的终端取代,安装新设备的过程需要再次对准,整个升级过程所需要的时间很长,给人们带来巨大的损失。 图1　基于PD直接接受的FSO系统 1.2　基于光纤耦合技术的FSO系统 光纤输出、光纤输入的自由空间光通信系统(见图2 ),激光器输出的高斯光束耦合至光纤再经准直出射,传输一定距离后,光束通过合适的聚焦光学系统聚焦在光纤纤芯上,沿着光纤传输后经PD接收还原信号。这样我们通过在发射和接收端都采用光纤连接的方式,只需要在楼顶放置光学天线系统,而将其他的控制系统通过光纤放置于室内就可以实现点到点的连接,整个系统结构简单,易于安装。 图2　基于光纤的FSO系统 这种新型的FSO系统具有以下优点:①减少了不必要的E一O转换,一条链路现在只需要2个O E接口即可,大大降低了成本。②光学系统较为简单,光纤出射的光束一般为圆高斯光,不需要整形,简化了光学系统,减小了体积,易于安装。③易于升级及维护,当用户的带宽增加时,我们只需要对放置在室内的系统进行升级即可,免去了复杂繁琐的对准过程。④基于光纤耦合的空间光通信系统能够很 — 3 6 2 —

激光通信技术简介

激光通信技术简介 日前，由美国国家航空航天局研发的“激光通信中继演示”系统即将进入开发整合与测试阶段。空间激光通信是指利用激光束作为载波，在空间直接进行语音、数据和图像等信息双向传送的技术。不仅传输速率高、抗干扰能力强，还具有设备体积小、重量轻、能耗低等特点，将为人类走向太空和空天军事技术应用带来革命性变化。 未来，空间激光通信有望成为星地间数据传输的关键技术，并实现与地面光纤网络的互补，从而建立起包含卫星和大气层内外的立体交叉激光通信网，彻底颠覆现有的全球通信系统，成为满足大数据时代信息传输需求的大带宽高速通信网络。 “你好，世界!”这句看似普通的话，或将开启人类探索太空的新时代。这句话来自美国国家航空航天局录制的一段37秒的高清视频，跨越太空和大气层回传到地面用时3.5秒。虽然在如今的“4G时代”这个速率有些不值一提，但若不是采用了激光通信技术，传统的无线电传输则至少需要10分钟。 从烽火狼烟到太空WiFi 传统的无线电通信技术有着自身不可避免的缺陷，不仅由于各种通信波段之间相互干扰会影响通信质量，想要在“寸土寸金”的航天器上增加天线面积和数量来提升通信效果也真的比“登天”还难。更为重要的是，随着空间通信数据形式的不断丰富，单纯的无线电通信已经难以满足急剧增长的通信带宽需求，易受干扰的无线电波也加剧了太空军事应用的风险。 曾几何时，人们就曾利用“烽火狼烟”接力通信，将千里之外的边关战事信息第一时间传递至内地。从上个世纪60年代激光发明之后，利用激光进行无线光通信就成为研究的热点。说起激光通信，可能还有点陌生，但如果一提到光纤通信，我想大家都耳熟能详。其实，光纤通信只是激光通信的一个具体应用，是指激光在光纤介质中的传输。空间激光通信主要利用激光作为载体，将信息加载到激光上发送，并在外太空等自由空间内进行信息传输，到了接收端经过一系列光电变换就可实现信息的传输和通信。

自由空间光通信技术的发展现状与未来趋势

自由空间光通信技术的发展现状与未来趋势 自由空间光通信（Free-Space Optical Columniation，简称FSO）是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术，介绍了自由空间光通信的国内外研究现状，分析了应用现状和未来发展趋势。 标签：自由空间；光通信技术；现状；趋势 1 自由空间光通信的研究现状 1.1 基于光电探测器直接耦合的FSO系统 早在30多年前，自由空间光通信曾掀起了研究的热潮，但当时的器件技术、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却阻碍了它的进一步发展。与此同时，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20世纪80年代掀起了热潮，自由空间光通信一度陷入低谷。然而，随着骨干网的基本建成以及最后一公里问题的出现，以及近年来大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟，自由空间光通信的研究重新得到重视。 在国外，FSO系统主要在美英等经济和技术发达的国家生产和使用。到目前为止，FSO己被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam 和Airfiber公司。在悉尼奥运会上，Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供10OMb/s 的数据连接。该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络。而Airfiber 公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网（SONET）通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。 目前商用的FSO系统（见图1）通常采用光源直接输出、光电探测器直接耦合的方式，这种系统有以下几点缺点： （l）半导体激光器出射光束在水平方向和垂直方向的发散角不同，且出射光斑较粗，因此我们需要先将出射光束整形为圆高斯光束再准直扩束后发射，这样发射端的光学系统就较为复杂，体积也会相应增大。 （2）在接收端，光斑经光学天线会聚之后直接送入PD转化为电信号。通常，我们需要提供点到点的，双向的通信系统，这样，FSO系统的每个终端都包括了激光器，探测器，光学系统，电子元器件和其中有源器件所需要的电源。这种系统的体积通常比较大，重量大，成本也比较高。从FSO系统终端的内部结构图中可以看出，完成一个简单的点到点的链路需要6个OE转换单元。随着人们对带宽的需求越来越高，PD的成本也越来越高，6个OE转换单元大大增加了成本闭。

各国空间激光通信现状

1，国外 （1）星地： LUCE（前身是第一个星地激光通信终端LCE,1995,速度1.04Mbps ）:2006年日本，OICETS卫星与NICT地面站,波长发射847接收819，调制方式OOK，速率接收2.048Mbps 发射50Mbps，误码率10^-7. SLS：2012；俄罗斯航天部门；国际空间站和北高加索地面站；125Mbps； LLCD：2013；美国NASA；月球环境探测器和地面站；距离35000~400000km；地面站：功率40W，波长1550nm，速率10/20Mbps，调制方式4-PPM，1/2码率（turbo码信道编码），4路时分复用，可做到0误码；月球探测器：功率0.5W，波长1550nm，速率40-622Mbps，调制方式16-ppm，1/2码率，40/80/155/311Mbps可做到0误码，622Mbps 误码率小于10^-5。可做到cm级别测距精度。 OPALS：2014；美国NASA；国际空间站与怀特伍地面站；距离700km，调制方式OOK，速率30~ 50Mbps，空间站波长1550nm、功率2.5W，地面站波长976nm，功率5W; （2）星空： LOLA：2006 ；法国；Artemis卫星与某飞机；距离40000km；IM/DD，波长848nm，功率104mW；forward link：调制方式BPPM(二进制PPM)，速率2Mbps，downloadlink：调制方式OOK，速率50Mbps，飞机高度9km

（3）星间 SILEX：2001法国，GEO和LEO卫星，4000km，波长797~853，调制方式ppm，速率50Mbps，误码率10^-6， OPTEL：瑞士，短距离到长距离多个卫星终端2000~80000km，速率1.5~2.5Gbps，其中高性能通信终端OPTEL-25，调制方式BPSK，信号光波长1064nm功率1.25W，信标光波长808n LUCE：2005日本欧洲，GEO和LEO，距离48000km，波长发射波长847nm接收819nm，调制方式位非归零码直接强度调制（OOK），速率接收2.048Mbps发射50Mbps，误码率达10^-7。2013日本JAXA建立高级激光通信终端LUCE，速率1.2/2.5Gbps，计划下一步10Gbps LCTSX：2008；德美；TerraSAR-X卫星与NFIRE卫星；二相相移键控/零差相干解调，调制方式BPSK，波长1064nm，距离1000~5100km，速率5.625Gbps，总功率120W（光传输功率0.7W），误码率小于10^-9。 EDRS：2014；欧洲；Sentinel1-Alphasat；距离45000km，调制方式BPSK，速率1.8Gbps，误码率10^-8，功率2.2W TSAT：卫星组网，2016美国，速率10~40Gbps

自由空间激光通信技术概述

自由空间激光通信技术概述 06061118 刘晓彪 摘要：本文对自由空间激光通信技术经行了大体上的介绍，具体分析了其中的关键技术和研究重点，并对这一前沿技术的未来发展趋势经行了展望。 关键词：激光通信 自由传输 大气信道 空间激光通信系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。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、高速传输的优点，又不需要铺设光纤，因此各技术强国在空间激光通信领域投入大量人力物力，并取得了很大进展。 一、传输原理 大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信。受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，从而使载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，然后将这一光信号转换成电信号，再将信号放大，用阈值探测方法检出有用信号，再经过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出语音信号，最后通过功放经耳机接收，完成语音通信。当开关Ｋ掷向下时，可传递数据，进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统。它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部分组成。接口电路将计算机与调制解调器连接起来，使两者能同步、协调工作；调制器把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器的发射总功率；解调是调制的逆过程，把接收到的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号将其送到接口电路；同步系统是数字通信系统中的重要组成部分之一，其作用是使通信系统的收、发端有统一的时间标准，步调一致。 二、关键技术分析 一）高功率激光器的选择 激光器用于产生激光信号，并形成光束射向空间。激光器的好坏直接影响通信质量及通信距离，对系统整体性能影响很大，因而对它的选择十分重要。空间光通信具有传输距离长，空间损耗大的特点，因此要求光发射系统中的激光器输出功率大，调制速率高。一般用于空间通信的激光器有三类：二氧化碳激光器。输出功率最大(>10kw)，输出波长有10.6m和9.6m，但体积较大，寿命较短，比较适合于卫星与地面间的光通信。 Nd:YAG激光器。波长为1064nm，能提供几瓦的连续输出，但要求高功率的调制器并保证波形质量，因此比较难于实现，是未来空间通信的发展方向之一。采用半导体泵浦的固体激光器，若使半导体发射谱线与Nd:YAG激光器吸收谱线一致，可减少热效应，改善激光光束质量，提高激光源综合性能。这种激光器适合用于星际光通信。 二极管激光器（LD）。LD具有高效率、结构简单、体积小、重量轻等优点，并且可以直接调制，所以现在的许多空间光通信系统都采用LD作为光源。例如波长为800～860nm的ALGaAs LD和波长为970～1010nm的InGaAs LD。由于ALGaAs LD具有简单、高效的特点，并且与探测、跟踪用CCD阵列具有波长兼容性，在空间光通信中成为一个较好的选择。 二）快速、精确的捕获、跟踪和瞄准（ATP）技术 这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。系统通常由以下两部分组成： 1、捕获（粗跟踪）系统。它是在较大视场范围内捕获目标，捕获范围可达±1°～±20°或更大。通常采用CCD阵列来实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构共同完成粗跟踪，即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几mrad，灵敏度约为10pW，跟踪精度为几十mrad； 2、跟踪、瞄准（精跟踪）系统。该系统是在完成目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器（QD）或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应伺服控制系统。精跟踪

光纤通信技术及应用习题解答

情境一巩固与提高： 一、填空题 1.华裔学者高锟科学地预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性， 并因此获得诺贝尔物理学奖。 2.目前光纤通信所使用的光的波长为1260nm-1625 nm 。 3.数字光纤通信系统由光发射机、光纤和光接收机 构成。 4.光纤通信的3个低衰耗波长窗口分别是0.85um、 1.31um 、 和 1.55um 。 5.非色散位移光纤零色散波长在1310 nm，在波长为1550 nm处衰减最小。 6.光纤主要由纤芯和包层构成，单模光纤芯径一般为 8-10 μm，多模光纤的芯径一般在50 μm左右。 7.光纤的特性主要分为传输特性、机械特性、温度特性 三种。 二、简答题 1.简述光纤通信的优点和缺点。 答：光纤通信的优点： 1)频带宽、通信容量大 2)损耗低、传输距离远 3)信号串扰小、保密性能好

4)抗电磁干扰、传输质量佳 5)尺寸小、重量轻、便于敷设和运输 6)材料来源丰富、环境适应性强 光纤通信的缺点： 1）光纤性质脆。需要涂覆加以保护 2）对切断的连接光纤时，需要高精度技术和仪表器具 3）光路的分路、耦合不方便 4）光纤不能输送中继器所需的电能 5）弯曲半径不宜过小 2.简述光全反射原理。 答：光全反射原理：当光从光密媒质（折射率相对较大）到光疏媒质的 交界面会发生全反射现象，即入射角达到一定值时，折射光线将与法线 成90°角，再增大会使折射光线进入原媒质传输。 3.简述光纤通信系统的基本组成。 答：光纤通信系统由光发射机、光纤、光接收机组成。光发射机的作用就是进行电/光转换，并把转换成的光脉冲信号码流输入到光纤中进行传输。光源器件一般是LED和LD。 光纤：完成光波的传输。 光接收机的作用就是进行光/电转换。光收器件一般是光电二极管PIN和雪崩光电二极管APD。 4.简述G.652、G.653、G.655的特点和主要用途。 答：G.652：也称标准单模光纤，是指零色散点在1310nm附近的光纤；在

激光通信技术1解析

激光通信经历了大气通信和光波导（光纤）通信两个重要的发展阶段。早期的激光大气通信曾掀起了世界性的研究热潮，许多经济和技术力量雄厚的发达国家在这个阶段投入了大量的人力、财力和物力，对激光大气通信进行了广泛的研究开发。早期的激光大气通信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。与激光大气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。 1.存在的主要问题 一段时间以来，激光大气通信技术之所以难以得到应有的发展和推广应用，存在的主要技术问题是： 对大气信道衰减大及误减随机变化量大的补偿技术问题;大气湍流的影响，使信道折射率发生不均匀的随机变化，其结果使接收光斑发生所谓的闪烁现象和漂移现象。要削弱大气湍流的影响，有许多技术工作要做；

驱动功率小、转换效率高、激光输出功率大、调制带宽及伺服系统简单的激光发射器件的制作；灵敏度高、噪声特性好，适合于常温环境下工作的接收器件的制作；体积小、重量轻、光学特性好、便于安装、调校的光学收发天线的制作；背景噪声的滤除技术问题；如果采用窄带光滤波技术，又是存在激光器的频率稳定技术；在机动性要求高和工作平台方位稳定性差的场合应用，自动跟瞄技术也很关键。上述可归纳为：解决全天候、高机动性和高灵活性稳定可靠工作问题。 2.悄然复兴的激光大气通信技术 激光问世后，将激光应用于通信的想法就随之产生了。在国际上，美国、英国、日本、前苏联等国家，广泛开展了对激光大气通信的深入研究。 然而，进入80年代中后期，国际国内大部分从事激光大气通信技术研究的单位相继停止了进一步研究。有的国家甚至还宣布了走激光大气通信研究的路是一条“死胡同”，“走不通”。尽管如此，国内外仍有单位和人员始终在坚持不懈、孜孜探求解决激光大气通信技术问题之路。 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。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。

空间激光通信技术研究

空间激光通信技术研究 研究背景： 随着信息传输量呈指数级增长,目前以微波通信为主的卫星通信已经不能满足用户对容量和数据传输速率的需求,空间激光通信以其高容量、窄波束、轻载荷的技术优势呈现方兴未艾的发展态势。作为全球最早开展激光通信技术研究的国家,美国在20世纪60年代中期就实施了空间光通信方面的研究计划。进入20世纪90年代后,随着激光技术和关键器件的基础研究取得突破,空间激光通信的应用研究和工程试验工作开始加速。美国、欧洲、日本等制定了多项有关自由空间激光通信的研究计划,对自由空间激光通信系统所涉及到的各项关键技术展开了全面研究,并开展了多次在轨实验验证。我国在“九五”期间开展了空间激光通信的基本概念和理论研究,其后在关键技术、样机设计、地面试验、在轨试验方面均逐步取得重大进展,为未来空间应用奠定了一定的理论、技术和工程试验基础。在空间激光通信领域,虽然与发达国家相比,我们还存在一些差距,但我国关键技术攻关的技术路线是与国外基本保持同步的。只要充分发挥后发优势,纳入国家创新体系集智攻关,在未来空间宽带网络中充分利用空间激光通信技术,不仅是可行的,而且大有作为。 发展我国空间激光宽带网络,主要由以下几个方面的需求。首先是高速数据传输需求。2020年前后,大多数信息获取类

卫星数据传输速率在2 Gbit/s 以上,最高要求8 Gbit/s以上。2030 年航天器数据传输速率将向更高发展,微波手段已经难以满足需求。其次是空间高速组网需求。天基信息系统包括环境监测、通信卫星、中继卫星、导航定位等应用卫星系统,轨道包括地球静止轨道、倾斜大椭圆轨道和太阳同步轨道等多种轨道形式。随着航天技术发展,各应用卫星系统之间信息交互的数据量越来越大,轨道内、轨道间卫星之间组网运行的需求日益迫切,急需构建天基一体、信息融合、互连互通的天基信息网。利用激光作为载体,是实现大容量高速组网运行的最佳手段。最后是技术发展推动需求。利用微波进行高速数据传输存在3个突出问题:1)频带受限,传输速率难有较大突破,目前微波传输的最高速率是Gbit/s 级,不能满足空间宽带组网的需要;2)轨道频率资源紧张,申请协调难度大,在已分配的GEO卫星222 个轨位中,美国占145 个,中国仅占19个;3)频谱拥挤重叠,频率干扰严重,频谱协调难度加大。考虑到现实情况,采用微波技术构建我国覆盖全球的空间宽带网络,在频率和轨道资源上都存在较大困难。激光通信具有高带宽、高传输速率等优点,可有效克服微波传输存在的上述突出问题,是空间宽带组网的最佳技术途径。 目前,我国已经在空间激光通信领域取得了一定成果,利用国家创新体系推动相干激光通信、星地激光通信大气效应、激光通信组网等关键技术取得突破,加快我国空间激光通信

激光技术及其在现代通讯技术中的应用

激光技术及其在现代通讯技术中的应用 姓名：杨春有学号：20141060138 学院：信息学院专业：通信工程（国防） 摘要20世纪以来，激光是继原子能、计算机、半导体之后的又一重大科技发明。在有充分的理论准备和生产实践需要的背景下，激光技术应运而生。它一问世就获得了异乎寻常的快速发展。激光在现代通信领域有着广泛的应用。它在扩大通信容量，缓和通信频段拥挤，提高安全等方面都发挥着极为重要的作用。 关键词：激光通信技术现代通讯激光通信光子晶体能量衰减 引言 事实上，1916 年激光的原理被著名的物理学家爱因斯坦发现之后一直没有研制成功，原因在于科学实验所需要的器材没有现在发达，一直到1958 年激光才被首次成功制造。激光是计入20世纪，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，它的亮度非常之高，大约为太阳光的100亿倍。因此激光一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，也正是因为这个原因，历史悠久的光学科学和光学技术体会了新生的快乐，更重要的是导致整个一门新兴产业——激光产业——的诞生。 一激光通信的发展阶段 激光通信经历了大气通信和光波导（光纤）通信两个重要的发展阶段。CO2气体激光器是比较符合要求的早期通信用光源，其输出激光波长为10.6μm，在大气通行当中，信道传输的低损耗窗口要求的标准波长是10.6μm。早期的激光大气通信所用光源还包括YAG固体激光器、He-Ne气体激光器等等。其中的早期激光大气通信曾经掀起了全球性的研究浪潮，大量的人力、财力和物力在这个阶段投入了进去，对激光大气通信进行了广泛的研究开发。但是这项研究只有少数的经济和技术力量雄厚的发达国家才能够承担得起。光纤波导通信技术大约与激光大气通信技术的研究工作同步展开，从而在技术上形成了激光无线通信和激光有线通信两种通信方式，这两种通信技术与传统通信技术大不相同。 腔面发射激光器（VCSEL）列阵光接受发射模块的处理能力不仅速度高而且容量特别大。微电子电路的多功能的逻辑控制、具有高强度并行操作功能的电子集成器件的优越性、光本身的高速传输能力、超高规模集成技术的优越性在垂直腔面发射激光器（VCSEL）列阵光接受发射模块当中得到了完美的体现。现代通信技术研究中，在激光通信领域，最引人瞩目的就要属垂直腔面发射激光器(VCSEL)了。包括制造成本很低、易与光纤耦合、阈值电流低、调制频率高、单模工作时温度和电流范围宽、易于集成等在内的特点都是垂直腔面发射激光器（VCSEL）的优点，这也是它一出世便被世人瞩目的重要原因。垂直腔面发射激光器（VCSEL）在激光通信当中最主要的用途就是作为信号光源，除了作为信号光源之外，它的应用非常广泛，例如在高速光开关、各种固体激光器的泵浦源、高密度光盘读写光源、图像处理与模式识别以及计算机芯片光互连和多值逻辑电路中都可以见到垂直腔面发射激光器（VCSEL）的靓丽身影。但是当前实际的研究情况表明，只有850nm的较短波长的垂直腔面发射激光器（VCSEL）在接入网中取得了比较广的实际应用效果，虽然现在市场上应经有了1310nm和1550nm长波长垂直腔面发射激光器（VCSEL）的产品推向市场，但是1310nm和1550nm长波长垂直腔面发射激光器（VCSEL）要想取得更好的发展必须完善自己的技术并逐渐走向成熟。在国际上，有许多国家和大公司均对垂直腔面发射激光器（VCSEL）的研究非常感兴趣；在国内，我国中科院半导体所、北京大学、吉林大学等单位在面发射激光器上都有非常深入的研究，也取得了累累硕果。 二光技术的发展机遇