2.3.3 自由空间光通信的关键技术

实现自由空间光通信需要有一系列器件和技术的支持。下面重点介绍其中的光源、光电检测器、调制解调、光学滤波器和光学天线等关键器件和技术。

1．光源

在空间光通信中，大气的“通信窗口”仍然是工作波长选择的重要根据。光纤通信中，光纤是一个相对封闭的信道，通常不会有杂散光侵入。但大气光通信系统不一样，大气信道中存在背景光，因此在选择光源的工作波长时，不仅要考虑低损耗窗口，还要注意避开背景光的高辐射谱段。

一般认为200～280nm、810～860nm、1550～1600nm都是无线光通信中可以选择的通信波长，从更好地抑制背景光噪声的考虑出发，200～280nm的日盲区和1550nm附近是更适合的通信窗口，且1550nm与目前光纤通信使用的波长一致，可用器件选择余地大、制造水平高，价格也比较便宜。

2．光电检测器

由于光在大气中的强散射特性和吸收特性，到达接收端的光强已经十分微弱，因此需要光电检测器具有很高的灵敏度和较低的暗电流。除了在光纤通信中常用的光电检测器（PIN）和雪崩增益光电检测器（APD），在大气光通信中还常使用光电倍增管（PMT）。

光电倍增管是将光电发射和次级发射相结合，把微弱的光信号转变并放大为电信号的真空器件。光电倍增管具有灵敏度高、暗电流小、光电转化能力强、动态响应速度快、信号检测能力强、稳定性和可靠性好的特点。光电倍增管的倍增增益可达105～107；响应度可达62A/W，其暗电流极低，约为0.1nA/cm2；响应时间较快，约为20ns。其检测面积也较大，可达数平方厘米。PMT各方面的技术性能优于APD，但是体积大、易破碎、功耗高，而且PMT的小型化较困难。

3．窄带光学滤波器

大气信道中存在众多背景噪声光源，如太阳光、云和建筑物反射光、人工光源等。要提高系统的工作性能，必须采取措施对这些背景光源进行抑制。一种措施是采用不同的焦点成像或加长天线套筒对背景光进行有效的遮挡；另一种是采用光学滤波技术对背景光进行抑制。在光电检测器前设置光学滤波器，使信号光能够很好地透过，同时滤除其他波长的背景光。

光学滤波器是一个放置在光束通道上用来控制各种不同波长光透过率的材料或元件，其作用与在通信系统中使用的任何类型的前置滤波器完全一样。通常在空间光通信中可以使用价格相对较低的DFT干涉型光学滤波器。另外，使用光纤布拉格光栅（FBG）光学滤波器也是一种可行的方案。

FBG光纤布拉格光栅利用光纤内部的特殊结构（折射率的周期扰动）形成对特定波长光的强反射，其滤波谱可以达到小于1nm。由于FBG是有选择地对某一波长范围的光波进行反射，因此还需要使用光纤环形器调整光传输方向，使反射的光波能够到达光电检测器。在空间光通信系统中应用FBG实现光学滤波的工作原理框图如图2-23所示。

4．光学天线

在空间光通信中，光学天线的作用主要表现在以下两个方面。

①在发送端，对激光束实现扩束，增大激光束的束腰半径。

②在接收端，增大接收面积，压缩接收视野，减少背景光干扰。

上述两种作用都可以充分提高大气光通信光接收机的信噪比，延伸系统的通信距离。

实际上光学天线相当于一个物镜系统，通常有3种结构形式：折射式天线、反射式天线、折反射组合式天线。

在近地的大气光通信系统中，主要出于成本方面的考虑，通常选择折射式光学天线。折射式光学天线通常由一组透镜构成，如图2-24所示。

折射式光学天线的主要优点是制作成本较低，光不会被遮挡，加工球面透镜工艺成熟，通过光学设计易消除各种像差，且物镜组牢固稳定，长期使用不变形。为减少表面反射，通常各透镜还需要镀上一层或多层针对工作波长的增透膜，如采用多层镀膜技术，实际上此时该透镜还起到了一定的光学滤波作用，可有效地减少背景光的干扰。

在星间、星地激光通信中，应用比较多的是反射式天线。按反射镜面的个数可以把反射式天线分为单反射面天线和双反射面天线，最常用的是双反射面天线，如图2-25所示。其中，卡塞格伦式天线是卫星光通信系统中最常用的光学天线形式。

反射式光学天线的特点是发射光束的形成依靠对光波几乎全反射的旋转抛物面，对光能量的吸收损耗很小，并且具有对材料要求不高、重量轻、成本低、光能损失小、不存在色差等优点。

5．调制与解调

目前的数字光通信系统大多设计为强度调制/直接检测（IM/DD）系统。应用于强度调制/直接检测光通信系统中的调制方式有很多种，其中最一般的形式是开关键控（OOK）和曼彻斯特编码。为了进一步提高传输通道抗干扰能力，应用于大气信道的光通信系统多采用脉冲位置调制（PPM）。PPM是一种正交调制方式，相比于开关键控（OOK）调制方式，它的平均功率降低了，但为此付出的代价是增加了对带宽的需求。