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)。

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(shì)，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）。



光纖入戶 20世紀(jì)80年代以來，光纖通信產(chǎn)業(yè)一直保持著快速增長，已經(jīng)成為支撐信息時(shí)代的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

運(yùn)營商的長途干線傳輸，已經(jīng)從電纜、微波、衛(wèi)星改成了光纖傳輸，全球互聯(lián)網(wǎng)干線也采用了光纖通信，我國光纖入戶家庭的占比更是達(dá)到了90%以上。

激光大氣通信

激光大氣通信和自由空間激光通信，都是在沒有傳輸線路（光纖）的條件下進(jìn)行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

大氣通信指的是利用空氣作為傳輸介質(zhì)，屬于無線通信。



大氣環(huán)境對(duì)光信號(hào)的影響 大氣通信的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備類別簡單且通信容量大，單光束速率可達(dá)10Gb/s以上。缺點(diǎn)則是非常容易受到雨雪沙塵等天氣影響。

云雨霧雪會(huì)造成信號(hào)衰減，煙塵微生物水滴造成散射，氮氧等氣體分子則會(huì)吸收光信號(hào)，大氣湍流帶來的光斑閃爍和漂移……

此外由于激光的指向性強(qiáng)，高穩(wěn)定的瞄準(zhǔn)捕獲與跟蹤（APT）系統(tǒng)就變得非常重要，這也是大氣通信大規(guī)模商用的難點(diǎn)之一。

水下藍(lán)綠激光通信 我國在激光大氣通信的研究方面起步比較晚，不過近些年進(jìn)展較快。例如2009年的時(shí)候，西安理工大學(xué)便研發(fā)出通信距離長達(dá)3km~5km的大氣激光視頻傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全天候不間斷的視頻數(shù)據(jù)傳輸。

隨著材料技術(shù)、工藝技術(shù)、APT系統(tǒng)、大氣補(bǔ)償算法等關(guān)鍵技術(shù)的不斷完善，大氣激光通信應(yīng)該會(huì)迎來一輪大發(fā)展，適用領(lǐng)域包括樓宇通信、跨河通信、島嶼入網(wǎng)、水下通信等等。

自由空間激光通信

與激光大氣通信的最大不同在于，自由空間激光通信主要用在太空領(lǐng)域，因此信道環(huán)境充斥著各種復(fù)雜的電磁波，在系統(tǒng)組成、關(guān)鍵部件和傳輸容量上倒是跟大氣通信相差不大。

自由空間激光通信既可用于衛(wèi)星-衛(wèi)星通信（星星傳輸），也可用于衛(wèi)星-地面通信（星地傳輸）。

由于通訊距離長達(dá)幾千甚至上萬公里，因此激光發(fā)散小、能量集中的特性可以大大降低發(fā)射機(jī)的功率和重量，發(fā)射端和接收端的口徑也相應(yīng)大大縮小。

在星星傳輸和星地傳輸?shù)膱?chǎng)景下，體積小巧、功耗低、傳輸容量大，就成為激光通信相比于微波通信的巨大優(yōu)勢(shì)。

最近幾年，國內(nèi)外對(duì)自由空間激光通信的研發(fā)投入不斷加快。

我國早在2017年，就成功進(jìn)行了國際首次高軌衛(wèi)星-地面的雙向激光通信試驗(yàn)，實(shí)測(cè)距離地球近4萬公里的衛(wèi)星和地面之間（星地傳輸）的通信速率達(dá)到5Gbps。

國際上，SpaceX在2020年進(jìn)行了一次試驗(yàn)，兩顆Starlink互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星利用搭載的激光通訊載荷，傳輸了數(shù)百GB的數(shù)據(jù)（星星傳輸），為布局SpaceX公司的天基網(wǎng)絡(luò)提供了重要參考。

激光大氣通信和自由空間激光通信成熟之后，將會(huì)和地面上的光纖通信網(wǎng)絡(luò)交叉融合，構(gòu)建出立體的天-空-地-海光通信網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)將真正做到隨時(shí)隨地接入。

審核編輯：劉清