激光通信技术

一、激光通信技术

众所周知，通信的本质是信息的传递。直到20世纪70年代，远距离信息主要都靠的是微波通信及同轴电缆来传递。20世纪90年代国际互联网Internet向全世界公众开放，从此通信网的数据业务量出现爆炸性增长的趋势。随着社会的发展，人类科技进步的步伐越来越快，与此同时需要传递的信息也越来越多。因此，电通信就渐渐不再能满足需求，找一种新的通信方式迫在眉睫！

是激光通信解决了“电通信面临的巨大危机”。

其实人们早就想用光波作为信息载体传递信息了。贝尔发明电话后，又发明了一个“光电话”，但可惜并不实用。直到1962年第一个半导体激光管试验成功后，人们才将激光束作为信息载体来进行通信，也就是发送端用信息调制激光束，接收端接收到激光经过解调后还原信息。激光通信技术与以往通信技术相比，具有四大显著特点：（1）信息容量大。由于激光光波频率比微波频率高1000倍，这就可使“信道数”剧增，一束激光理论上可以同时容纳100亿个电话。按全球人口60亿计算，则全地球的人同时利用一束激光通话还绰绰有余。（2）通信质量高。因为激光通信抗干扰性强、信噪比高、失真度小，因此通话声音清晰；传输数据准确无误；传送图像，色彩逼真。（3）保密性能好。由于激光方向性好。在空间传播时发散角很小，而且通信用的激光大多是不可见的红外激光，所以想截获激光十分困难。（4）费用低廉。目前激光通信的大部分为光纤通信，其设备和架设费用低，因此激光通信十分经济。

激光通信以光纤作为有线传输的方式应用非常广泛，大气激光通信及卫星之间的无线激光通信特别受到军方的关注。

1976年华裔科学家高锟博士（如图7-1所示）发明了光纤通信。光纤通信的基本原理是用信息调制激光束，再让激光在光纤中传输来实现通信。高锟的科学研究解决了光纤传输激光损耗大的问题，他研究发现，最初的玻璃光纤对光信号损耗很大，其主要原因是里面含有过量的铜、铁、锰等金属粒子和其他杂质。按照高锟的理论，1970年美国康宁公司拉出了第一根有实用意义的光纤。1970年被称为“揭开光纤通信序幕的一年”。半导体激光器作为理想光源，这样“光纤通信”开始逐步实现并投入现实应用。高锟的重大发明对世界的通信及信息技术发展做出了重大贡献，“光纤通信”解决了信息的大容量高速传输，使宽带信息高速公路得以迅速蓬勃发展。因此，高锟博士的发明是具有里程碑意义的。

图7-1　高锟

人们一定想知道，光纤弯曲的时候，激光信号在里面又如何传播呢？激光从光纤的一端射进去，经过一段距离之后，到达光纤和外部的交界处，由于纤芯的折射率大于包层，因此，只要入射角足够大，光就会在两者的交界处发生全反射。也就是说，全部光都将反射回纤芯中。反射回来的光，经过一段距离后很快又会在另一边的交界面发生全反射，如此，光波便在光纤中“曲折”前行了。光信号就像是“醉酒鬼”，纤芯是道路，界面则是道路两旁的“墙壁”，“醉酒鬼”边撞墙边向前奔跑。这样曲曲折折地前进，总能到家。实际上光信号在光纤中传播，也与之类似。如图7-2所示为激光在光纤内传播的示意图。光线1与2进入光纤后，由于它们入射在纤芯与包层界面处的入射角大于或等于全反射临界角θ_c，因而被全反射回纤芯内，光线3的入射角小于θ_c，所以该光线透射到包层造成光线的传播损失。

图7-2　突变型光纤示意图

实际光纤通信的光缆是内部有32根细如发丝的光纤组成，其直径为1.3cm，由光缆及相关设备形成通信网络后，便可进行网络通信。实际上目前一根光纤可容50万对用户同时通话或同时传送5000个电视频道节目，不受电磁干扰。“光纤通信”的特点是：成本低；原料充足；可穿洋过海。全球兴建的信息高速公路，它的中枢神经和骨干正是光纤或称为光缆组成的，它允许话音、数据、图像、视频等多媒体信息双向快速传递。

光纤、微波、卫星通信已成为现代化通信的三大支柱。过去的电话系统需要长达数万公里而又纵横交错的电缆、导管，还需要大量中继站、选择器等，这就等于在城市街道以及公路沿线的地下埋下了一座座真正的纯铜矿。光纤通信则使信息由头发丝还细的光纤来传导，除了通信技术上具有宽频带和大容量的优点外，另一方面还大大减少能源消耗，因为制造一段光纤所消耗的能源差不多仅为制造同样长的电缆所需的能源的千分之一，也就是说制造150km电缆的能源可以用来制造整整150 000km的光纤。制造光纤的原材料是硅，比电缆用的材料铜便宜多了。

随着现代战争特点的变化，军事卫星通信发展的重点是激光通信，因为卫星激光通信能提供一流的新型战争能力。今后的战场将投入更多的无人驾驶飞机（UAV），它需要新型的卫星激光通信来为战场搜集情报服务，这样UAV在执行任务时才不会受到带宽的限制。美军方近年投入20亿美元进行新一代军用卫星激光通信系统的研制，因为卫星激光通信系统的巨大带宽允许“实时情报”及“目标信息”的处理系统可以共用。据称在未来战争中巨大的激光通信带宽能够满足在美国本土与战场之间传送庞大的数据流，使信息不至于滞留在战场；而前线部队只需要携带数据接收机与显示设备，却不再携带大量繁重的数据处理设备。

激光通信拥有30GB甚至更强的带宽能力（它是微波通信容量的几十倍）。这就是美军方对激光通信研究特别感兴趣的地方，美国国防部新的“变革通信计划”的核心就是发展激光通信。

第一代军事卫星激光通信是在2004年由波音公司为美空军（USAF）制造并发射的，称为宽带填隙卫星。激光通信系统在卫星之间高宽带星间链路成功，使激光通信在军用卫星通信系统中得到广泛应用。它最终将成为军用卫星通信体系中的“中心节点”，将为无人驾驶飞机等平台传送庞大的数据流。激光通信对无人机的影响非常大，据悉一架单独执行侦察任务的“全球鹰”需要三颗卫星链路的支持，并且还需要繁重的其他设备；而激光通信系统能相当即时而且有效地简化空间链路，以减轻携带设备重量。