自由空间光通信技术

1　引言

　　人类对光通信的研究可以追溯到19世纪70年代中期。当时，英国人吉?特奈德发现，由于全反射的作用，光线可以在喷射的水流中传播。1880年Alexander Graham Bell发明了第一个光电话机用光束传声。但“光电话”的通信距离很短，且易受外界噪声的影响，实用价值不大。1960年由TheodoreMaiman发明的红宝石可视激光器的出现，则大大改善了光通信的传输性能。但后来都主要应用在美国空与地和卫星与水下的军用通信。直到20世纪90年代，当激光器和光的调制技术都已成熟时，自由空间光通信才成为现实。而且近年来，随着连续波大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、空分复用和智能天线等技术的不断发展，无线光通信在传输距离、传输容量和可靠性方面都有了很大的改善，适用面也就越来越宽了。按照传输介质的不同，光通信系统可分为光纤通信、自由空间光通信和水下光通信。其中自由空间光通信又称无线光通信，是光纤通信和无线通信相结合的产物。他是指以激光波(MHz)为载体，在真空或大气中传递信息的一种通信技术。和其他无线通信相比，他具有不需要频率许可证、频率宽、成本低廉

、保密性好，低误码率、安装快速、抗电磁干扰，组网方便灵活等优点。特别适合骨干网的扩建、光纤网络的备援、宽频接入、企业应用、无线基地台数据的回传等领域以及其他需要高速接取的终端。因此是继MMDS，LMDS接入到以IEEE 802 自由空间光通信存在的主要问题和解决方法　
　
       尽管激光的定向性很好，保持窄波束，但波束还是会随传输距离的增加而慢慢变宽，超过一定距离后难以被正确接收。目前测试表明，在1 km以下FSO系统才能获得最佳的效率和质量。

  2 自然因素作用

　　地球表面的大气层存在着很多的气体及各种微粒，还可能发生各种复杂的气象现象。由于FSO的光信号裸露在大气中进行传输，势必会受到这些自然因素的影响。这些影响一般分为两部分：一部分来自于大气作用，另一部分来自于天气。

       大气作用主要包括大气的折射引起的的波前失真。大气的衰减是指因大气对光束的吸收和散射作用引起的信号能量减弱。大气的散射作用，与大气中微粒的数目和大小有关，而且对于不同波长的电磁波，大气的衰减作用也不同。一般自由空间光通信都采用波长为1 550 nm，因为大气对该波长的衰减作用小，所以信号透过率高、传输距离远。同时，该波长属于红外光波，当射到人眼时，大部分能量都会被眼角膜吸收，不会对视网膜造成影响。另外，通过提高激光器的输出功率，也可以有效地克服大气衰减。一般采用固体激光器和半导体激光器。采用量子阱结构的单片集成振荡器放大器(M-MPOA)结构的大功率半导体激光器仅用几百mA就可以获得几W单模功率。采用半导体泵浦的Nd∶YAG激光器(DPSSL)输出功率可达近几kW。而采用半导体激光器加光纤放大器(EDFA)或半导体放大器(SOA)也可以获得高速率的大功率激光输出。2001年8月Israel的Oraccess公司实现了使用EDFA放大器的250 M×2的再生传输，传输速率分别为2．5 Gb／s，10 Gb／s以及3×2．5 Gb／s．其中WDM传输分别使用1 545．3 nm，1 548 nm和1 553．3 nm。另外，提高探测器灵敏度、优化光学系统设计、增大接收望远镜、镀增透膜等也可以增加系统接收灵敏度，改善传输性能。

       风力和大气温度的梯度变化会产生气穴，气穴的密度的变化将带来光折射变化，这样会引起波前失真，影响FSO的通信质量。为消除这种影响可在发送和接收端分别使用自适应光学技术。也可用位于几个不同位置激光发射器同时发送同样的信息。几台激光发射器安装在同一地点，彼此间相距200 mm，由于气穴体积非常小，最后总有一束激光束会被接收机正确收到。　
　
       另一个影响FSO质量的因素就是天气，如雾、雨、雪等。FSO受天气影响如表1所示。其中雨和雪会造成光信号失真，雾的影响最大，因为FSO的波长接近雾粒，能量易被吸收，同时，雾粒呈现出棱镜的作用，使激光发生衍射，进而使光信号能量迅速衰减。解决方法包括增大发射率，增大发射口径和以微波作为备份手段等。其中，AirFiber推出了AirFiber5800基于HFR(Hybrid Free Space Optic／Radio)的系统，该系统采用785 nm激光通信＋60 GHz毫米波通信的工作方式，最大传输速率为1．25 Gb

／s，输出功率为12．5 dbm，BER达到10－12，而早期只有光纤传输才能达到这个值。AirFiber5800采用互补系统，一方面克服了雾气对激光的衰减作用，另一方面克服了雨水对毫米波的影响，使整个系统在1 km距离上传输可靠性达99．999％。互补系统中采用该公司自己发明的冗余链路控制技术(RLC)，他同时监控两路传输，当任何一路出现衰减或是阻塞，RLC会立刻使用另一路进行数据传输，保证数据传输不间断，也不会造成数据丢失，并且他能保证在任何天气条件下的通信质量。
 

 2．2　瞄准、捕获和跟踪

　　影响FSO传输性能的另外因素就是大风和地震。

由于FSO设备通常安装在高楼上，大风和地震引起建筑物的晃动会造成光路的偏移。其最大值可达4 mrad／2层楼。因此为了保证光传输链路的性能，光链路之间的瞄准、捕获和跟踪显得至关重要。一般采用：偏光法和动态跟踪法。

　　偏光法是让激光在发出时偏离一定的角度，在到达接收器时就会形成一个很大的光锥。光束偏转角度大都不同，一般产品的偏转角为3～6μrad，当传输距离为1 km时，光锥半径为3～6 m。使用前，要将接收

器置于光锥的圆心处，这样，就可消除各种导致光线偏离的因素所产生的偏差。但是这样产生的问题是，接收端的单位面积功率降低，一定程度上影响了信号传输。而动态跟踪技术比偏光技术纠偏的效果更好，但成本也比较高。他通过反馈装置动态调整可移动镜片，可移动镜片控制入射光的传播方向，从而使激光束始终锁住目标。动态跟踪是一种闭环控制系统，非常适合用在高速数据传输的场合。偏光法则不适于高速数据传输，因为他的工作方式降低了能量密度，当数据传输速率很高时，接收机的灵敏度会变弱。此时，就要增大入射光束的功率。

　　PAT技术是FSO系统的关键之一，他通常由两部分组成：

　　(1)捕获(粗跟踪)系统，捕获范围可达±1°～±20°或更大。常采用阵列CCD来实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构完成粗跟踪目标的捕获。

       (2)跟踪、瞄准(精跟踪)系统，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，并配以相应的电子学伺服控制系统。精跟踪要求现场角为几百μrad、跟踪精度为μrad，跟踪灵敏度大52约为几mW。目前常用的PAT包括目标成像定位跟踪系统、经纬仪跟踪平台。国外很多公司还采用GPS(全球卫星定位系统)来连续进行监测和调整发射器和接收器的位置、捕获和跟踪，但校正系统费用较为昂贵。美国Trex Enterprises公司研制出一种跟踪系统，就采用阵列CCD和陀螺稳定平台等技术，实现粗跟踪，精度达2μrad。2002年3月美国西雅图发生6．8级地震，Terabeam公司采用OFSC技术提供网络服务，除了个别链路短暂中断外，几乎未受到地震的影响，始终保持畅通。

 2．3　自适应技术(Adaptive Optics)

　　光信号在传输中由于大气折射会导致光束信号的闪烁、弯曲和扩散，从而影响了光信号的传输质量。使用自适应技术，就可以保证接收口径的光束能量达到最高，很好地减少这些影响，如图1所示。
 

　　在自适应光学系统中，关键部分就是可变形反射镜、分光器，波前探测器和计算机闭环波前整形机构。光束首先通过物镜，然后在可变形镜上反射，产生一个反噪声到入射光束，从而来抑制入射光束的色差。自适应光学系统组成如图2所示。其中波前误差探测器能够实时测量波前误差，并把监测到的波前误差信息传送给控制系统；控制系统是一台高速、大容量的CPU，主要用于波前误差信息处理，并转换为波前校正器的控制信号；波前校正器，接收来自控制系统的控制信号，从而在光路中改变波前形状，校正波前误差，输出为校正后的光束波。可变形反射镜可以修复入射光的波前，提高信躁比。同时还可以根据由入射光得到的波前误差信号对出射光进行预整形，以便进一步减小大气折射率的影响，提高信号传输质量。

    可变形反射器多采用硅微电子机械系统(MEMS)技术，他和MEM-DM系列的其他3种产品：微制造隔膜镜片、由独立元件控制单面板镜片持续向后运动和分段式镜片，结构简单、体积小巧、费用不高，改变了以前反射器的状况，而且在光纤放大器中都能较好的修复波前信号。其中微制造隔膜镜片的光学效率高，能容纳多种变形隔膜模型，但是他们的相关性能不高。由独立元件控制单面板镜片持续向后运动的产品也具有光学效率高的特点，但是他对感应功能和内部耦合调制器的优化性能比较差。而分段式镜片的关学效率很低，容易受到大气衍射的影响，但是他反射的速率非常快。在测量残留波前误差时，自适应光系统会

和变形镜的运动发生延时，因此一般都要求变形镜的运动要快，否则系统只是对过去波前的纠正，而不是即时的波前纠正。所以要求控制系统运行的速度至少一定要比控制的处理过程快10倍。因为大气变化的频率为100 Hz，所以变形镜中的控制系统纠正的速度要为1 000 Hz或更快。
 

　　以前军事上和天文上的自适应系统都是单向的，只要在光束通过望远镜后变形，或在激光武器的输出光束前变形就可以了。而在一个双向通信系统中，自适应光学系统不但要纠正接收的光束波前，而且同时要预变形输出光束的波前，用以预纠正两个自适应单元之间的光路径中已知的色差。预变形来自发射机的光束，用以纠正光束在已知的大气中的变形，从而消除漂移和起伏，所以光束可以锁定他的目标。

3　结　语

　　当前，网络用户对高速数据服务日益高涨的需求与网络基础设施建设资金相对短缺的矛盾，是困扰服务运营商的一个现实问题。目前，无论是发达国家还是我国，核心网或骨干网的建设已经比较完善，而边缘网(“最后一公里”)的建设还处于初始阶段，但网络的用户却在边缘网。以美国为例，城市里95％的建筑集中于距光纤通信中心设备1．

5 km的范围内。但时至今日，还有大部分地区未实现宽带接入。主要原因在于连接成本。据估算，如果使用光纤连接，每座大楼需要5～20万美元，4～12个月完成。而使用FSO技术，只需2万美元左右，2～3天即可实现宽带接入。FSO除了用于宽带接入，另一个主要应用是作为光纤通信系统的备份，即对光纤通信设施进行冗余备份设计时，选用FSO作为备份链路，以节省投资。另外，FSO还非常适用于城域网的扩建，即在现有城域网上向外延伸，连接新的网络；FSO还适用于企业网、校62园网等局域网，实现各局域网网段的互联。可见，自由空间光通信技术有着广阔的市场需求。

    到目前为止，已经有许多电信运营商将FSO运用到商业服务中，比较典型的有Terabeam和Airfiber公司。其中，在2000年悉尼奥运会期间，美国的Terabeam与Lacent Technology合作，在水上中心和演播中心之间建立了8波道的无线数据通信链路，运行期间始终保持畅通。同年，Terabeam公司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100 Mb／s的数据连接；LightPointe公司已经在全世界30多个国家部署了上千套FSO设备；2002年Airfibier公司则在美国波士顿地区将无线通信网与光纤网通过光节点连接在一起，完成了该地区整个网络的建设。我们相信兼有光通信和无线通信优势的FSO技术会有广阔的、迷人的前景。　

参考文献
［1］Alexis Demko，Georg Egger．Opticalfree space communication ．Optoelectronics TFFY 22 E，YPeter A，Lu P，et al．Development of segmented seformable mirrors for free space communication．Stanford University ，Stanford，CA
［3］Julie Perrault A ，Thomas Bifano G ，Martin Levine B，et al．Adaptive optic correctionusing microelectromechanical deformable mirrors．Boston University Boston Massachusetts，sep．21．2001．
［4］Shay TM．Firstexperimentaldemonstration of full-duplex opticalcommunications on a singlelaser beam．University of New Mexico Center for High Technology Materials 1313 Goddard SEAlbuqueruqe，NM 87109．