空间激光通信技术若干问题的讨论

　　作为全球信息网络的一个重要组成部分，卫星通信受到世界各国的重视，成为研究开发的重点。

　　激光通信同微波通信相比，具有以下特点：（1）微波频率大致在数GHz到数十GHz量级，而激光频率大致在数百THz量级，高3～5个数量级，因而可以得到高得多的数据传输速率。1～10Gb/s量级速率的自由空间数据传输已经实现。

　　这就能满足大容量传输的要求，给实现多功能空间任务提供了时间保障。

　　（2）激光波长大致在微米和亚微米量级，而射频和微波波长在数十厘米到毫米量级。根据波动光学理论，在相同通光口径的情况下，光波衍射极限发散角正比于波长。因此，激光束比微波波束的发散角小3～5个量级，增加了接收端的能量密度，并为减轻质量、减少功耗，增加工作距离提供了基本条件。

　　（3）由于激光束宽远小于微波束宽，捕捉和干扰非常窄的激光束是很困难的，因此满足军事应用中的保密和抗干扰要求。

　　激光通信除了在科学研究和军事领域有着重要的作用外，随着市场经济的发展，商业应用的潜力也十分巨大。世界上先进国家都大力开展空间激光通信的研究[ 1～5]，我国也已开始方案预研和理论研究工作，对系统总体的技术方案提出了各种建议。对于激光通信来说，选择哪一个波段的激光器、配备什么样的光学系统显然是一个基本的问题。一部分研究者主张采用短波长，以至紫外波段[ 6～8].国外有不少采用800nm近红外波段实验工作的报道，也有一些采用1550nm的报道。文中拟着重讨论卫星间和星地间激光通信系统工作波长的选择、收发光学系统的方案设计等问题，并提出系统总体方案的建议。

　　2激光工作波长的选择空间激光通信波长选择主要考虑：尽量避免太阳辐射的影响、减小光束发散角，减小收发天线的尺寸、光波在大气中的透过率以及器件的现实性，或预期的可行性，包括器件性能价格比的预计。

　　2.1背景辐射的影响大气和地面对太阳光的散射形成的背景辐射，对激光通信的接收器来说是一个强的噪声源，更不用说在某种几何位置上，阳光直射的影响了。图1是太阳辐照度的光谱分布[ 14].由图可见，太阳辐照度的光谱可以用一个色温为5762K的黑体来表示，其辐照度光谱分布的峰值在500nm左右。对于常用的激光波段， 800nm波段的辐射强度约为峰值的二分之一1060nm波段的辐射强度约为峰值的三分之一1500～1600nm波段的辐射强度约为峰值的十分之一。在紫外波段， 300nm波段附近辐射降到峰值的十分之一以下。波长进一步缩短时，太阳的辐照度迅速下降。

　　从图1还可以看到大气引起的吸收峰。图2给出了具体的大气透过率光谱分布[ 14].由图可以明显地看到大气中主要的吸收物质和吸收峰位置，水汽、二氧化碳、笑气、臭氧等是主要的吸收物质。

　　从星地间通信的角度分析，大气的透射率是一个重要影响因素。在小于300nm的紫外波段，大气的透过率急剧下降。显然，紫外激光不利于大气通信。可见波段的激光，比如二次倍频YAG激光器，也不利于避开太阳光引起的背景辐射噪声。对1550～1600nm波段，都是良好的大气窗口。

　　大气通信波段也应避开地球辐射的影响。地球热辐射的波段可以从地球的温度来推算，假如以300K估算，热辐射的峰值波长大致在9～10μm量陈刚：空间激光通信技术若干问题的讨论级。在近红外和可见光范围，热辐射的能量密度是很低的。在1～2μm波段的热辐射强度大约低于峰值7、8个数量级，应当说影响不是很大。

　　当然，对于星间和星地间这样超长距离的通信，信号光极其微弱，无论太阳辐射还是地球辐射的影响都必须尽可能地消除，这就要求使用良好的滤光器。

　　2.2天线尺寸同激光波长的关系光束衍射限制的发散角可以用圆孔衍射的Airy光斑的第一个暗环位置表示：θ=1 .22λ/D.

　　式中D为光束直径，即出瞳直径。显然波长越短，光束的衍射角越小。假如取D =300mm ，几个典型的发散角，对于较长的波长就要采用相应较大的出瞳孔径。根据圆孔衍射的Airy光斑分布，光能量主要集中在中心部分。在第一暗环内光通量占84 .在小于2θ/3和θ/2角度内的光通量所占比例，分别为不小于75 和接近60 .根据能量和质量要求，可以对所采用的波长、光学孔径进行折衷设计。

　　另一方面，光学系统的发散角还同光源本身的线度和发散角有关。半导体激光的发散角较大，但光源线度很小，一般单模半导体激光器的光源线度大致在3～5μm范围，且光束呈长椭圆形分布。为简单起见，可以用几何光学方法来做一下估算。根据几何光学，发散角=δ/F =（D/ F）δ/D.式中δ为光源线度。设D =300mm ，相对孔径D/ F =0 .

　　15和0.3.不同光源线度（设为δ=3～5μm）对应～5μrad（D/ F =0 .3）。可见，与光波衍射效应相比，光源线度对极限发散角的影响不是主要因素。

　　应考虑采用同LD发散角相匹配的足够大的相对孔径，但又要避免增加整机质量。

　　2.3激光器和光调制技术的可行性用于紫外波段的激光器虽具有背景噪声低、体积小、质量轻的优点，但不能用于星地间通信，且尚无合适的产品可用。用于可见光波段的背景噪声大。红外波段的虽然体积略大，但背景噪声较低，而且现实可行性最有利。除了2.1、2.2中所述两个因素之外，还需要分析调制技术和探测技术的可行性。

　　半导体激光器可以采用内调制方法，即直接电流调制的方法，调制频率可以容易地达到GHz量级，目前2.5～10GHz速率的光纤通信已经实用化。固体和气体激光器需要采用外调制的方法，如电光调制。一种是体调制器，采用体积较大的晶体，需要有很高的调制电压。对于GHz量级调制的高压电源十分困难。另一种是波导调制器，由于波导的线度只有微米量级，容易获得很强的电光效应，调制电源容易解决。目前20GHz调制速率的铌酸锂调制器已经实用化。但是通光口径的大小直接决定容许的激光功率。采用波导调制器的输出功率较小。为了既获得高的调制速率，又获得大的输出功率，可以采用主振功放技术（M OPA），这是一个值得考虑的技术方案。

　　最近报道，采用1550nm波段LD和掺铒光纤放大器（EDFA）组合的MOPA作为发射器，获得了4×2 .5Gb/ s波分复用空间光通信的实验结果该方案的主要特点是可充分利用光纤通信的许多先进技术，可行性较好。表1为不同波段系统的一个简单比较。

　　陈刚：空间激光通信技术若干问题的讨论TDM ：时分复用。WDM ：波分复用。