无线光通信相关技术简介

光通信分为有线和无线两类。有线光通信即光纤通信，已成为广域网、城域网的绝对主力；无线光通信又称自由空间光通信(FSO，Free Space Optical communication)。近年来，激光大气通信技术取得了一系列的突破，随着"最后一公里"对高带宽、低成本接入技术的迫切需求，FSO在视距传输、宽带接入中有了新的发展机遇。本文就影响无线光通信的几个问题作简单的分析。

一、克服气候的影响

从大气光学的角度看，可见光及1.6µm以下的近红外光波谱中，除了几个强吸收峰(水分子0.72µm、二氧化碳1.4µm 、臭氧0.6µm 、氧0.69µm )外，都是透明的大气窗口。尽管如此，但大气层从来就不是光传输的理想通道。对信号光功率进行散射、吸收衰减的有气体分子、水分子、烟尘微粒等。当散射粒子直径比光波长小很多(1：10)时为瑞利散射，散射功率与波长的4次方成反比；当光遇到云、雾之类直径达几个微米的粒子时，发生米氏散射，散射功率与波长几乎无关。各种恶劣气候会使光信号的衰减变得极为严重，在雨、雪、雾中又以浓雾影响最大，衰减可达120dB/km。

在这种情况下，为了保证全天候线路连接质量指标，提高功率就是克服衰减的最直接有效的方法。为了利用光纤通信的成熟技术，许多民用FSO系统采用半导体激光器(O.85µm 或1.55µm 波长)。事实上，这种激光器是所有激光器中光束质量最差、输出光功率最难做大的一种，它之所以能够大行其道，完全是因为它与光纤耦合最为方便，而且能够直接调制。现在既然不使用光纤作为传输介质，就可以采用其他类型的激光器。近年来固体激光器的一个重大进展是采用LD作为泵浦源(工作波长对准激光晶体的吸收峰)取代了传统的泵浦灯(发射连续光谱，只有激光晶体吸收峰对应的部分功率能被吸收)，使能量转换效率从百分之几增加到百分之二十左右，同时使激光介质热负荷下降，光束质量大大改善,而且寿命长，体积小。所以半导体激光器泵浦固体激光器(DPSSL)成为了FSO光源的"希望之光"。比如LD泵浦Nd：YAG激光器，可以以连续工作方式在l.31µm波长提供几十至100多毫瓦低噪声的功率,在1.06µm波长的输出功率可达数瓦，比现有的半导体LD输出功率要大数个量级。虽然用掺铒光纤放大器也可以增加LD的光功率，但是会增加噪声，同时也增加成本。

发送端光功率增强以后，需要在接收端加强自动增益控制能力，还要考虑激光防护的问题。可以利用透镜系统进行"扩束"，减少单位面积的激光能量至安全范围。另外，由于可见光的黄绿光波段是人眼损伤阀值最低的波段，故1.06µm的Nd：YAG激光器倍频后的0.532µm波长不宜用在大气FSO系统中。

二、影响通信质量的大气湍流效应

大气湍流效应造成大气折射率的随机起伏，使接收光信号闪烁、漂移，相当于引入了很大的随机噪声，使误码率增加。

大气湍流效应引起的接收光信号闪烁，可以用多光束同步发射和大孔径光学接收天线来减少其影响。多光束同步发射是用几个不同位置(相距200mm左右)的激光器发送同样的信息，此举显然能够增加信号的可靠性，但成本也会相应增加。与此方式有异曲同工之妙的是"时延分集"方案，让数字信号按不同波长或不同偏振发送两次，其相隔时间大于大气扰动的关联时间(约10ms)，也有较好的效果。所谓光学天线实际上就是一个光学望远镜，由目镜和物镜组成。目镜用会聚透镜和发散透镜，分别称为开普勒望远镜和伽利略望远镜，物镜用反射镜和透射镜，分别称为反射式望远镜和透射式望远镜，其中反射式又有牛顿式、格利高利式、卡塞格伦式几种,都是经典的望远镜系统。光学天线的孔径越大，信号增益越大。

还可以采用自适应光学技术进行补偿。基本思想是以光学波前为控制对象，实时测量光学波前误差并进行实时补偿，以消除大气湍流的动态干扰。自适应光学系统的主要部件是波前传感器、波前控制器和波前校正器(可变形反射镜)。传感器测量出波前误差，波前控制器通过控制可变形反射镜产生相应的校正，使校正后的波前接近理想的平面波或球面波，从而消除了波前的畸变。

波前传感器由许多小透镜组成，每个透镜都有自己独立的图像探测器，如果一束光的波前是平面，小透镜聚焦后会在图像探测器中心成像；如果波前有倾斜，成像就会偏离中心。测量这些像的位移，就能计算出波前的形状，将计算结果传送到可变形反射镜。

可变形反射镜是一个表面形状每秒钟可以改变近千次的反射元件，也叫弹性镜面。镜面的背后装着数十到上百个压电晶体，在微电流的驱动下可以伸缩几个微米，从而形成各种形变。由于它与波前传感器形成反馈回路，在波前控制器的控制下，一旦形成了正确的形状，传感器就会测量出平面波，说明镜面形变抵消了大气扰动造成的波前误差，校正成功。其形变响应时间可达毫秒量级，分辨率可达几十纳米或十分之一微弧度。

波前控制器是一个高速、大容量的计算机系统，对波前误差信息进行处理，并转换成可变形反射镜的控制驱动信号。

有资料显示，发射光束的发散角为2？6微弧度时，传输1km后光束直径为2-6m，应用自适应光学技术可使接收机增加30-40dB的接收功率。