激光通讯
激光通信作为现代信息传输的重要技术手段，凭借其高带宽、强抗干扰和低截获率等优势，在空间通信、水下通信和特殊环境通信等领域展现出不可替代的价值。
1.激光通信的基本原理与技术特点
激光通信技术以激光束作为信息载体，通过强度调制或相位调制将电信号转换为光信号，经大气、空间或光纤等信道传输后，由光探测器还原为电信号。与传统的射频（RF）通信相比，激光通信最显著的优势是其超高带宽特性，光波频率高达数百THz，理论可用带宽超过RF系统3-4个数量级，能够支持Tbps量级的超高速数据传输。这一特性使激光通信成为解决"带宽瓶颈"问题的关键技术，特别适合卫星间大数据量传输、高清视频实时回传等应用场景。
激光通信的原理
激光通信系统的核心组件包括激光发射机、光学天线、信道和接收机。发射机中的激光器（如半导体激光器、固体激光器、光纤激光器）在驱动电路控制下产生载波光，通过外调制器（如电光调制器EOM或马赫-曾德尔调制器MZM）将基带信号加载到光波上。光学天线（通常为望远镜系统）负责光束的准直和指向，其增益与孔径直径的平方成正比，是决定链路预算的关键因素。接收端使用大口径光学系统收集信号光，经窄带光学滤波后由高灵敏度探测器（如雪崩光电二极管APD或光电倍增管PMT）转换为电信号，最后通过解调电路恢复原始信息。
激光通信面临的主要技术挑战包括：大气湍流效应导致光束漂移和强度闪烁，严重时可使误码率上升数个数量级；精确对准要求极高，尤其是在空间通信中，窄光束（通常0.1-1mrad发散角）需要μrad级的指向精度；背景光干扰在白天或近太阳方向工作时尤为显著，需要通过窄带滤波和时域门控等技术抑制。针对这些挑战，现代激光通信系统采用自适应光学（AO）、多输入多输出（MIMO）和高级编码调制（如QPSK、16-QAM）等技术提升性能。
激光通信与射频通信性能比较：
特性参数 | 激光通信 | 射频通信 | 激光通信优势 |
载波频率 | 193THz(1550nm) | 1-100GHz | 带宽高3-4个数量级 |
天线增益 | ~120dB(30cm孔径） | ~60dB(10m天线） | 更小尺寸实现更高增益 |
波束宽度 | 0.1-1mrad | 1-10° | 抗干扰和截获能力强 |
带宽容量 | 1-100Gbps（当前） | 1-100Mbps（同尺寸） | 支持高清视频等大数据量 |
功耗效率 | 1-10nJ/bit | 10-100nJ/bit | 更适合能源受限平台 |
激光通信的调制技术主要包括直接调制和外调制两种方式。直接调制通过改变激光器驱动电流实现强度调制（IM），简单经济但带宽受限，且会引起频率啁啾。外调制则保持激光器连续工作，通过独立的电光或声光调制器加载信号，支持更复杂的调制格式（如QAM、OFDM）和更高带宽（可达100GHz），是高速系统的首选。在探测方式上，直接探测（DD）系统简单可靠但灵敏度较低；相干探测通过本振激光与信号光混频，可提升接收灵敏度10-20dB，但系统复杂度显著增加。
激光通信的常用波段包括可见光（450nm、520nm、532nm、635nm等）和近红外（785nm、808nm、850nm、1064nm、1550nm等）。1550nm波段因大气传输窗口良好、光纤兼容性强且人眼安全（允许更高功率），成为当前主流选择。为适应不同应用场景，激光通信系统设计需在功率效率、带宽容量和环境适应性之间取得平衡。例如，低轨卫星间链路侧重高速率，常采用高阶调制和相干探测；而水下通信受蓝绿激光波段的穿透能力限制，更注重功率优化和灵敏度提升。
2.激光通信系统的分类
激光通信技术根据传输介质和应用场景的不同，形成了多个特色鲜明的技术分支，每种类型在系统设计、性能指标和适用环境方面均有独特考量。
按传输介质分类
自由空间光通信（FSO）系统通过大气或真空传输激光信号，是激光通信中最灵活的一类。地面FSO链路通常采用635nm、785nm、850nm或1550nm波段，传输距离从数百米（城市环境）至数十公里（山地或海岛间）。FSO系统的核心挑战是大气湍流补偿，采用自适应光学（变形镜频率>1kHz）和多孔径接收等技术可将湍流影响降低90%以上。
空间量子通信
光纤通信是目前激光通信最成功的应用领域，形成了从短距离接入到长途骨干网的完整体系。单模光纤（SMF）在1550nm波段的损耗可低至0.2dB/km，结合掺铒光纤放大器（EDFA）实现数千公里无中继传输。
光纤通信原理图
水下激光通信利用450-550nm蓝绿光在海水的传输窗口（衰减系数约0.03-0.1m⁻¹）。与声通信相比，水下激光通信速率高3-4个数量级且延迟极低，但受限于视距传播和浑浊水体影响，更适合短距离高速应用。新兴技术如单光子探测和自适应光学有望将有效距离延长至300m以上。
水下通讯监测鱼类的健康状态
按应用平台分类
空间激光通信包括低轨（LEO）卫星间、LEO-地球同步轨道（GEO）和星际链路。
地面移动平台应用涵盖无人机（UAV）、车辆和手持设备间通信。
军事与安全通信利用激光的低截获率和抗干扰特性实现保密传输。
按调制与探测方式分类
强度调制/直接探测（IM/DD）系统通过改变光强传递信息，使用光电二极管直接检测光功率变化。
相干光通信通过调制光波的相位和幅度，并在接收端与本振激光混频实现解调。这种技术能实现更高频谱效率（如64-QAM达12bit/s/Hz）和接收灵敏度（比IM/DD高10-20dB）。现代相干系统采用数字信号处理（DSP）补偿色散和偏振模色散（PMD），单载波速率可达1Tbps。海底光缆和长途骨干网几乎全部采用相干技术，最新的400ZR标准实现400Gbps/80km传输，功耗<100W。
光正交频分复用（O-OFDM）将高频谱效率的OFDM技术引入光域，特别适合色散受限和带宽受限系统。
典型激光通信系统性能参数：
系统类型 | 传输介质 | 距离 | 波长（nm） | 关键技术 | 典型应用 |
地面FSO | 大气 | 1-10km | 1550 | 自适应光学 | 城市接入网 |
星间链路 | 真空 | 5000-80000km | 1064/1550 | 精密ATP | 数据中继 |
水下通信 | 海水 | 50-100m | 450-550 | 蓝绿激光 | 潜水器通信 |
光纤骨干网 | 单模光纤 | 80-1000km | 1550 | 相干探测 | 电信网络 |
量子通信 | 大气/光纤 | 10-1200km | 850/1550 | 单光子探测 | 安全通信 |
激光通信技术的选择需综合考虑链路预算、环境条件和经济性因素。短距离高带宽场景（如数据中心互连）适合多模光纤和VCSEL技术；长距离空间通信需要高功率单模激光和精密跟踪；水下和移动应用则需在功率、尺寸和可靠性间取得平衡。随着光子集成和智能信号处理技术的发展，激光通信系统正朝着更小体积、更低功耗和更高性能方向演进，有望在未来6G通信和空间互联网中发挥核心作用。
3.激光通信系统中的激光器的关键参数
激光器作为激光通信系统的核心光源，其性能参数直接影响通信质量、传输距离和系统可靠性。激光通讯用的激光器关键性能参数如下：
激光波长：
不同波长的激光在大气中的吸收、散射特性差异显著，直接影响通信的穿透性和抗干扰能力。典型波段如下：
可见光波段（如635nm、532nm、450nm）：适用于短距离通信或水下通信。
近红外（如1550nm）：大气传输损耗低，常用于远距离自由空间光通信（FSO）。
中红外（如4.33-7.67μm）：量子级联激光器（QCL）适用于特殊传感或军事通信。
激光功率和稳定性：
单位时间内激光器输出的能量，分为连续波（CW）功率和脉冲峰值功率。功率大小直接影响通信距离和信号强度。
高功率：可延长传输距离，但需平衡大气湍流、热晕效应等负面影响。
功率稳定性：稳定性不足会导致信号抖动，影响通信可靠性（RMS稳定性需优于1%）。
光谱线宽：
激光频率的波动范围，单位通常为赫兹（Hz）。窄线宽是相干光通信的核心要求。
窄线宽（如300kHz以下）：提升频率稳定性，减少相位噪声，适用于高阶调制。
光束质量：
M²因子越接近1表示光束越接近理想高斯光束，聚焦能力越强。大气湍流会劣化光束质量，需通过自适应光学补偿。
调制特性：
调制带宽决定通信速率，高频调制需要激光器响应速度快。
激光器的电流低于阈值时，导通延迟会导致信号抖动。
脉冲能量与重复频率
高峰值功率脉冲可抵抗大气散射，但需避免非线性效应。
4.CNI典型的激光通讯用激光器
激光通讯用激光器的选择需要综合考虑传输的距离、环境和干扰情况等，典型的激光波长有450nm、515nm、520nm、532nm、635nm、650nm、670nm、690nm、785nm、808nm、850nm、1064nm、1319nm、1342nm、1550nm、4.33-7.67μm等。
 |  |  |  |
窄线宽激光器 | 单频激光器 | 量子级联激光器 | 大能量脉冲激光器 |
一般情况下，长距离高速通信优先选择1550nm波长、窄线宽、高光束质量的半导体或光纤激光器。想提高抗干扰能力，要选择中红外量子级联或高功率脉冲固体激光器，如果是相干通信，需要选择激光功率和线宽长期稳定性都好的单频类的激光器。
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