無線光通信相關(guān)技術(shù)簡介

光通信分為有線和無線兩類。有線光通信即光纖通信，已成為廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)的絕對主力；無線光通信又稱自由空間光通信(FSO，F(xiàn)ree Space Optical communication)。近年來，激光大氣通信技術(shù)取得了一系列的突破，隨著“最后一公里”對高帶寬、低成本接入技術(shù)的迫切需求，F(xiàn)SO在視距傳輸、寬帶接入中有了新的發(fā)展機遇。本文就影響無線光通信的幾個問題作簡單的分析。

一、克服氣候的影響

從大氣光學的角度看，可見光及1.6µm以下的近紅外光波譜中，除了幾個強吸收峰(水分子0.72µm、二氧化碳1.4µm 、臭氧0.6µm 、氧0.69µm )外，都是透明的大氣窗口。盡管如此，但大氣層從來就不是光傳輸?shù)睦硐胪ǖ�。對信號光功率進行散射、吸收衰減的有氣體分子、水分子、煙塵微粒等。當散射粒子直徑比光波長小很多(1：10)時為瑞利散射，散射功率與波長的4次方成反比；當光遇到云、霧之類直徑達幾個微米的粒子時，發(fā)生米氏散射，散射功率與波長幾乎無關(guān)。各種惡劣氣候會使光信號的衰減變得極為嚴重，在雨、雪、霧中又以濃霧影響最大，衰減可達120dB/km。

在這種情況下，為了保證全天候線路連接質(zhì)量指標，提高功率就是克服衰減的最直接有效的方法。為了利用光纖通信的成熟技術(shù)，許多民用FSO系統(tǒng)采用半導體激光器(O.85µm 或1.55µm 波長)。事實上，這種激光器是所有激光器中光束質(zhì)量最差、輸出光功率最難做大的一種，它之所以能夠大行其道，完全是因為它與光纖耦合最為方便，而且能夠直接調(diào)制。現(xiàn)在既然不使用光纖作為傳輸介質(zhì)，就可以采用其他類型的激光器。近年來固體激光器的一個重大進展是采用LD作為泵浦源(工作波長對準激光晶體的吸收峰)取代了傳統(tǒng)的泵浦燈(發(fā)射連續(xù)光譜，只有激光晶體吸收峰對應的部分功率能被吸收)，使能量轉(zhuǎn)換效率從百分之幾增加到百分之二十左右，同時使激光介質(zhì)熱負荷下降，光束質(zhì)量大大改善,而且壽命長，體積小。所以半導體激光器泵浦固體激光器(DPSSL)成為了FSO光源的“希望之光”。比如LD泵浦Nd：YAG激光器，可以以連續(xù)工作方式在l.31µm波長提供幾十至100多毫瓦低噪聲的功率,在1.06µm波長的輸出功率可達數(shù)瓦，比現(xiàn)有的半導體LD輸出功率要大數(shù)個量級。雖然用摻鉺光纖放大器也可以增加LD的光功率，但是會增加噪聲，同時也增加成本。

發(fā)送端光功率增強以后，需要在接收端加強自動增益控制能力，還要考慮激光防護的問題�？梢岳�用透鏡系統(tǒng)進行“擴束”，減少單位面積的激光能量至安全范圍。另外，由于可見光的黃綠光波段是人眼損傷閥值最低的波段，故1.06µm的Nd：YAG激光器倍頻后的0.532µm波長不宜用在大氣FSO系統(tǒng)中。

二、影響通信質(zhì)量的大氣湍流效應

大氣湍流效應造成大氣折射率的隨機起伏，使接收光信號閃爍、漂移，相當于引入了很大的隨機噪聲，使誤碼率增加。

大氣湍流效應引起的接收光信號閃爍，可以用多光束同步發(fā)射和大孔徑光學接收天線來減少其影響。多光束同步發(fā)射是用幾個不同位置(相距200mm左右)的激光器發(fā)送同樣的信息，此舉顯然能夠增加信號的可靠性，但成本也會相應增加。與此方式有異曲同工之妙的是“時延分集”方案，讓數(shù)字信號按不同波長或不同偏振發(fā)送兩次，其相隔時間大于大氣擾動的關(guān)聯(lián)時間(約10ms)，也有較好的效果。所謂光學天線實際上就是一個光學望遠鏡，由目鏡和物鏡組成。目鏡用會聚透鏡和發(fā)散透鏡，分別稱為開普勒望遠鏡和伽利略望遠鏡，物鏡用反射鏡和透射鏡，分別稱為反射式望遠鏡和透射式望遠鏡，其中反射式又有牛頓式、格利高利式、卡塞格倫式幾種,都是經(jīng)典的望遠鏡系統(tǒng)。光學天線的孔徑越大，信號增益越大。

還可以采用自適應光學技術(shù)進行補償�；�本思想是以光學波前為控制對象，實時測量光學波前誤差并進行實時補償，以消除大氣湍流的動態(tài)干擾。自適應光學系統(tǒng)的主要部件是波前傳感器、波前控制器和波前校正器(可變形反射鏡)。傳感器測量出波前誤差，波前控制器通過控制可變形反射鏡產(chǎn)生相應的校正，使校正后的波前接近理想的平面波或球面波，從而消除了波前的畸變。

波前傳感器由許多小透鏡組成，每個透鏡都有自己獨立的圖像探測器，如果一束光的波前是平面，小透鏡聚焦后會在圖像探測器中心成像；如果波前有傾斜，成像就會偏離中心。測量這些像的位移，就能計算出波前的形狀，將計算結(jié)果傳送到可變形反射鏡。

可變形反射鏡是一個表面形狀每秒鐘可以改變近千次的反射元件，也叫彈性鏡面。鏡面的背后裝著數(shù)十到上百個壓電晶體，在微電流的驅(qū)動下可以伸縮幾個微米，從而形成各種形變。由于它與波前傳感器形成反饋回路，在波前控制器的控制下，一旦形成了正確的形狀，傳感器就會測量出平面波，說明鏡面形變抵消了大氣擾動造成的波前誤差，校正成功。其形變響應時間可達毫秒量級，分辨率可達幾十納米或十分之一微弧度。

波前控制器是一個高速、大容量的計算機系統(tǒng)，對波前誤差信息進行處理，并轉(zhuǎn)換成可變形反射鏡的控制驅(qū)動信號。

有資料顯示，發(fā)射光束的發(fā)散角為2？6微弧度時，傳輸1km后光束直徑為2-6m，應用自適應光學技術(shù)可使接收機增加30-40dB的接收功率。