激光大氣通信技術

  在通信技術發展的進程中，人們總是在尋找更高頻率的信息傳載體，以實現更大容量地傳輸信息的目的。1960年第一臺激光器的問世，由于其良好的光束特性（單色性好、方向性強、功率密度大等），引發著人們探索實現以激光光波為載體的通信，即激光通信。
       激光通信經歷了大氣通信和光波導（光纖）通信兩個重要的發展階段。早期的激光大氣通信曾掀起了世界性的研究熱潮，許多經濟和技術力量雄厚的發達國家在這個階段投入了大量的人力、財力和物力，對激光大氣通信進行了廣泛的研究開發。早期的激光大氣通信所用光源多數為二氧化碳氣體激光器、YAG固體激光器、He-Ne氣體激光器等。二氧化碳氣體激光器輸出激光波長為10.6μm，此波長正好處在大氣信道傳輸的低損耗窗口，是較為理想的通信用光源。與激光大氣通信技術研究基本同步展開的還有光纖波導通信，從而在技術上形成了激光通信中與傳統通信相對應的激光無線通信（激光空間通信）和激光有線通信（激光光纖通信）。1975年，世界上第一條光纖通信實驗應用線路在美國芝加哥開通，揭開了光纖通信應用的序幕。此后，隨著光纖制作技術、半導體器件技術、光通信系統技術的不斷完善和成熟，光纖通信從80年代起在全世界掀起了應用的熱潮，并迅速被確認為是地面有線通信最有發展潛力的重要的通信手段，以致得到了一日千里的發展和推廣應用。與此同時，激光大氣通信技術由于器件技術、系統技術和大氣信道光傳輸特性本身的不穩定性等諸多客觀因素一時得不到很好的解決和彌補，便在轟轟烈烈的光纖通信熱潮中，隱退得幾乎無影無蹤。
       1、存在的主要問題
       一段時間以來，激光大氣通信技術之所以難以得到應有的發展和推廣應用，存在的主要技術問題是：
       對大氣信道衰減大及誤減隨機變化量大的補償技術問題；
       大氣湍流的影響，使信道折射率發生不均勻的隨機變化，其結果使接收光斑發生所謂的閃爍現象和漂移現象。要削弱大氣湍流的影響，有許多技術工作要做； 
       驅動功率小、轉換效率高、激光輸出功率大、調制帶寬及伺服系統簡單的激光發射器件的制作； 
       靈敏度高、噪聲特性好，適合于常溫環境下工作的接收器件的制作； 
       體積小、重量輕、光學特性好、便于安裝、調校的光學收發天線的制作； 
       背景噪聲的濾除技術問題；如果采用窄帶光濾波技術，又是存在激光器的頻率穩定技術； 
       在機動性要求高和工作平臺方位穩定性差的場合應用，自動跟瞄技術也很關鍵。 
       上述可歸納為：解決全天候、高機動性和高靈活性穩定可靠工作問題。
       2、悄然復興的激光大氣通信技術
       激光問世后，將激光應用于通信的想法就隨之產生了。在國際上，美國、英國、日本、前蘇聯等國家，廣泛開展了對激光大氣通信的深入研究。
然而，進入80年代中后期，國際國內大部分從事激光大氣通信技術研究的單位相繼停止了進一步研究。有的國家甚至還宣布了走激光大氣通信研究的路是一條“死胡同”，“走不通”。盡管如此，國內外仍有單位和人員始終在堅持不懈、孜孜探求解決激光大氣通信技術問題之路。
      1998年，巴西AVIBRAS宇航公司公布了該公司研制的一種便攜式半導體激光大氣通信系統。這種通過激光器聯通線路的軍用紅外通信裝置，其外形如同一架雙筒望遠鏡，在上面安裝了激光二極管和麥克風。使用時，一方將雙筒鏡對準另一方即可實現通信，通信距離為1km，如果將光學天線固定下來，通信距離可達15km。1989年美國FARANT1儀器公司成功地研制出一種短距離、隱蔽式的大氣激光通信系統。1990年，美國試驗了適用于特種戰爭和低強度戰爭需要的紫外光波通信，這種通信系統完全符合戰術任務的要求，通信距離為5~2km。如果對光束進行適當處理后，通信距離可達5~10km。
      90年代初，俄羅斯隨著其大功率半導體激光器件的研制成功，開始了激光大氣通信系統技術的實用化研究。隨后不久便相繼推出了10km以內的半導體激光大氣通信系統并在莫斯科、瓦洛涅什、圖拉等城市得以應用。在瓦洛涅什城瓦涅什河兩岸相距離4km的兩個能源站（電力站）之間，五年前架設起了半導體激光大氣通信系統，該系統可同時傳輸8路數字電話。五年來，尤其是近三年以來，該系統運行穩定可靠。在距離瓦洛涅什城約200km以及在距莫斯科不遠的地方，也開通了半導體激光大氣通信系統線路?，F在，俄羅斯有關專家普遍認為，半導體激光大氣通信系統在一定的視距內有效地實現全天候通信是完全可能的，也是很有潛力的。這種潛力主要體現在：半導體激光大氣通信象其他無線電通信手段一樣，具有安裝便捷、使用方便的特點，很適合于在特殊地形、地貌及有線通信難以實現和機動性要求較高的場所工作；半導體激光大氣通信系統跟其他無線電通信手段相比，具有不擠占寶貴的無線電頻率資源、電磁兼容性好、抗強電磁干擾能力強、保密性好等特點。當然其有效通信距離和帶寬還待進一步提高； 跟微波、毫米波通信相比，半導體激光通信系統在價格上也有較強的競爭優勢，是一種易于被市場和用戶接受的通信手段；在點對點的半導體激光大氣通信系統技術實用化后，半導體激光大氣通信系統還是組建各種室內、室外局域網的有效手段。正如國外有的專家所說的那樣，半導體激光大氣通信系統對于城市中移動電話蜂窩網的建設和發展，有著不可低估的價值，因為它的合理應用，會使蜂窩網中寶貴的頻率資源得到更加充分的利用。 
      隨著器件技術、工藝技術和地面通信系統技術的不斷成熟，半導體激光大氣通信系統還是未來實現衛星之間的通信的有效手段，因此，在構筑外層空間通信網上，半導體激光自由空間通信將發揮重要的作用。 
      各類器件技術和工藝技術的不斷完善成熟，也是半導體激光大氣通信系統得以實用化的有力保證。在這方面，國外用于大氣激光通信的半導體激光和接收器件已商品化，目前，就發射功率和探測靈敏度而言，完全能滿足15km以內的大氣通信系統需求。例如，近年來美國、日本及俄羅斯等國都相繼推出了適用于半導體激光大氣通信的大功率器件（含組合激光器件），連續輸出光功率從數十毫瓦到數瓦之間，脈沖輸出時蜂值功率有的還達到了靈敏十瓦的量級。此外，為使收發天線更加簡單實用，俄羅斯還研制開發了收發合一的半導體組件。