三维激光通讯技术的研究概况

2022-09-11

人们通讯的历史悠久, 由远古的烽火狼烟、千里马到现在的电话电报、无线电和光纤等, 通讯手段先进了很多, 也更方便了人们的日常生活。随着日新月异的科技发展, 水、陆、空都是通讯的空间, 使用三维激光通讯已然成为现代通讯技术发展的新亮点。有专家预测, 在理想的状况下, 用激光作载体进行三维卫星通信, 若话路带宽为四千赫, 则可容纳一百亿条话路, 到那时, 人们的生活会越来越多彩。

一、三维激光通讯的关键技术

(一) 高功率光源

在空间光通信系统中, 一般采用低功率主控激光器产生低幅度、低相位噪声和良好频率特性的光信号, 并采用外调制器以降低啁啾, 提高调制带宽, 降低串话。鉴于空间光通信传输距离长及空间损耗大的特点, 要求光发射机输出功率大且调制速率高。光源一般采用半导体激光器或半导体泵浦的YAG固体激光器, 既可作为信号光源, 也可作为信标光源。工作波长为0.8~1.5Λm近红外波段。信标光源应能提供几瓦量级的连续光或脉冲光, 以便在大视场与高背景光干扰下, 能快速、精确地捕获和跟踪目标, 可采用大功率单管或多管芯阵列组合以提高功率。信号光则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器, 要求输出光束质量好、发散角小, 又不增加望远天线的尺寸和质量, 光发射机后可接进末级高功率放大器。

(二) 高效的收发天线

为了完成系统的双向互逆跟踪, 空间光通信系统均采用收、发合一天线, 隔离度近100%的精密光机组件。由于半导体激光器光束质量一般较差, 要求天线增益要高。另外, 为适应空间系统, 天线 (包括主副镜, 合束、分束滤光片等光学元件) 总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。目前天线口径一般为几厘米至25cm。

二、三维激光通讯技术的优点

三维激光通讯的优点有发散角小, 光学增益大, 强抗干扰、抗截获能力和容量大等, 而且, 它的系统体积小、功耗低、质量轻。在其发展过程中经历了高—低—高的曲折, 说明她的缺点还是有的: (1) 因为激光的方向性强, 束散角度小、适合点和点之间的安全通讯, 于组网时需要大面积覆盖较困难; (2) 远距离弱光探测技术的发展并不完善; (3) 大气干扰对激光通讯影响极大, 激光通过大气传播时存在激光波前畸变、损耗、湍流等效应; (4) 需要一个高精度的APT (跟踪、捕获、指向、) 分系统, 需考虑光学系统、大气等不利因素下精准调整发射与接收的光轴, 让两光轴满足通信要求精度。

三、国内发展历史和现状

我国空间激光通信研究与欧、美、日相比起步较晚, 已进行了关键技术、原理样机和野外试验等研究, 并开始部分工程化研究。开展空间光通信研究的单位主要有哈尔滨工业大学、北京大学、电子科技大学、上海光机所、航天504所、长春理工大学等。目前已取得一定成果。

2010年8月研制出7.5G速率空间激光通信系统, 并在青海省青海湖成功进行了7.5G速率40km距离的自由空间激光通信试验.在国内, 目前空间光通信技术的发展才处于初级阶段, 及时了解空间光通信的最新动向, 以及领航者的研究布局, 对我们发展空间光通信具有很强的借鉴和指导意义。

四、发展前景和趋势

目前基于SDH的ASON技术已经基本成熟, 其网络节点设备最大交叉容量可达1.28Tbit/s, 典型倒换时间远小于50ms, 在我国和国际上也都已经有了许多应用的实例, 但是尚缺乏大规模网络的应用经验, 特别是各种连接功能的应用缺乏实例。从技术层面上看, 目前的ASON系统还可以支持多种业务, 可以认为是ASON与MSTP的完美结合。有些ASON还具有40Gbit/s接口能力, 使其传输容量大大提高, 可适应网络的长期发展需求。其中光网络的智能化和电信机的以太网传输是光通信较为重要的发展方向。

(一) 光网络智能化是重要发展方向

光通信技术近40年的发展历史, 主要是以传输为主线的。但是随着计算机技术与通信技术结合越来越紧密, 以及光网络组网、调度、控制、生存性等各方面的需要, 在光网络中加入自动发现能力、连接控制技术和更完善的保护恢复功能, 即光网络的智能化是今后发展的重要目标。其中, ASON就是典型的例子。

(二) 电信级以太网的光传输将成为热点

由电路型交换向分组型交换演变, 是电信网的发展方向。因此, 作为电信网主要传输方式的光传输网, 其承载信号也要从以传输电路型信号向传输分组型信号过渡。以太网是最常用的分组信号, 自1973年以太网发明以来的30多年里, 以太网本身也经历了一次次改进和变异, 有了很大的发展。随着以太网被广泛使用, 特别在电信网中使用, 它必须适应电信网的要求而发生变化, 于是电信级以太网应运而生。因此国际上众多的标准化组织, 都在制订有关电信级以太网的标准。另一方面, 原来为传送电路型信号而建设的光传输网络, 也要适应传输以太网的要求而采用相应的技术。总的来说, 之所以以太网发展为电信级, 主要是要吸取原电信网面向连接的一些特性, 提高网络的可靠性、可管理性、可维护性、可运营性和安全性等等。而现有的光传输网络在这些方面都是有保证的, 主要是需要适应分组型的以太网信号的传输。

五、结语

三维激光通讯技术作为一项很有发展前景的通信技术正受到越来越多的重视, 经过三十多年的发展, 欧洲已可以实现高速 (5.625Gb/s) 、低误码率的空间相干光星间通信链路。各种迹象都表明, 空间激光通信技术将会引发一场新的通信革命。未来我们应该加强与国际间的合作, 共同构建网络式通讯系统, 方能很大程度地发挥激光通讯的优点, 让全世界的人们感受激光通讯的优越性能。

摘要：三维激光通讯有许多传统通讯不可相比的优点, 是现今社会比较先进的通讯技术。本文研究了三维激光通讯的必要性, 分析了三维激光通讯技术的组成、原理、优点及关键技术。指出国外和国内的发展状况及发展前景, 并对我国三维激光通讯技术做出评价和展望。

关键词：三维激光通讯,通讯模式,链路