2.5.5 激光通信（Laser Communication）

激光是20世纪以来继核能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。

从物理光学的角度而言，光是原子中的电子吸收能量后，从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级，回落的时候释放的能量以光子的形式放出。而激光，就是被诱发（激发）出来的光子队列，光子队列中的光子，光学特性一样，步调一致。打个比方就是，普通光源，比如电灯泡发出来的光子各不同，而且会各个方向乱跑，很不团结，但是激光中的光子则是心往一处想，劲往一处使，这导致它们所向披靡，威力很大。所以，激光是一种新型光源，具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特征。

激光应用很广泛，主要有激光打标、激光焊接、激光切割、激光通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。

激光通信是一种利用激光传输信息的通信方式。按传输媒质的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。大气激光通信是利用大气作为传输媒质的激光通信。光纤通信是利用光纤来传输光信号的通信方式。

激光通信系统包括发送和接收两部分。发送部分主要有激光器、光调制器和光学发射天线。接收部分主要包括光学接收天线、光学滤波器、光探测器。在发送端，将要传送的信息送到与激光器相连的光调制器中，光调制器将信息调制在激光上，通过光学发射天线发送出去。在接收端，光学接收天线将激光信号接收下来，送至光探测器，光探测器将激光信号变为电信号，经放大、解调后变为原来的信息。激光通信可传输语言、文字、数据、图像等信息。激光通信系统的原理图如图2-24所示。

图2-24 激光通信系统的原理图

所以，激光通信具有通信容量大、保密性强、结构轻便、设备经济等特点。

激光通信具有十分广阔的前景，目前空间激光通信技术中主要涉及的关键技术有以下五个方面。

1）高功率光源及高码率调制技术。信号光源则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器，但要求输出光束质量好，工作频率高（可达到几十兆赫至几十GHz)。具体选择视需要而定。据报道，贝尔实验室已研制出调制频率高达10GHz的光源。

2）高灵敏度抗干扰的光信号接收技术。为快速、精确地捕获目标和接收信号，通常采取两方面的措施：一是提高接收端机的灵敏度，达到纳瓦甚至皮瓦量级；其次是对所接收信号进行处理，在光信道上采用光窄带滤波器（干涉滤光片或原子滤光器等),以抑制背景杂散光的干扰，在电信道上则采用微弱信号检测与处理技术。

3）精密、可靠、高增益的收、发天线。为完成系统的双向互逆跟踪，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（又称万向支架)。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。国际上现有系统的天线口径一般为几厘米至25厘米。

4）快速、精确的捕获、跟踪和瞄准技术。这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。ATP（Acquisition Tracking Pointing）系统通常由两部分组成：捕获（粗跟踪）系统和跟踪、瞄准（精跟踪）系统。

5）大气信道的研究。在地-地、地-空的激光通信系统的信号传输中，涉及的大气信道是随机的。大气中的气体分子、水雾、雪、霾、气溶胶等粒子，其几何尺寸与半导体激光波长相近甚至更小，这就会引起光的吸收、散射，特别是在强湍流的情况下，光信号将受到严重干扰甚至脱靶。因此，如何保证随机信道条件下系统的正常工作，对大气信道的工程化研究是十分重要的。自适应光学技术可以较好地解决这一问题，并已逐渐走向实用化。此外，完整的卫星间光通信系统还包括相应的机械支撑结构、热控制、辅助电子学等部分及系统整体优化等技术。

这些技术的难度较大，但也是十分重要的。总之，空间光通信是包含多项工程的交叉科学研究课题，它不仅在空间要完成一系列重要的技术功能，还需要有步骤地从地—地、地—空、空—空获取许多试验数据。值得提出的是，空间光通信的发展是与高质量大功率半导体激光器、精密光学元件、高质量光滤波器件、高灵敏度光学探测器及快速、精密的光学、机械、电控制等多综合技术的研究和发展密不可分的。近几年来光电器件、激光技术、电子学技术的发展，为空间光通信奠定了物质基础，在人力、物力上也做了准备，更由于信息社会发展的需要，日渐成熟的空间卫星间激光通信技术已是指日可待了。