第
19卷第
9期现代商贸工业
ModernBusinessTradeIndustry2007年
9月
自由空间光通信技术的
发展现状与未来趋势
易成林
(华中科技大学武昌分校
,湖北武汉
430070)
摘 要
:自由空间光通信(
Free2
SpaceOpticalColumniation,简称
FSO)是一种通过激光在大气信道中实现点对点、点对
多点或多点对多点间语音、数据、图像信息的双向通信技术
,介绍了自由空间光通信的国内外研究现状
,分析了应用现状和
未来发展趋势。
关键词
:自由空间
;光通信技术
;现状
;趋势
中图分类号
:F623 文献标识码
:A 文章编号
:16722
3198(
2007)
092
02632
02
1 自由空间光通信的研究现状
1.1 基于光电探测器直接耦合的
FSO系统
早在
30多年前
,自由空间光通信曾掀起了研究的热
潮
,但当时的器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本
身的不稳定性等诸多客观因素却阻碍了它的进一步发展。
与此同时
,随着光纤制作技术、半导体器件技术、光通信系
统技术的不断完善和成熟
,光纤通信在
20世纪
80年代掀起
了热潮
,自由空间光通信一度陷入低谷。然而
,随着骨干网
的基本建成以及最后一公里问题的出现
,以及近年来大功
率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制
作及安装校准技术的发展和成熟
,自由空间光通信的研究
重新得到重视。
在国外
,FSO系统主要在美英等经济和技术发达的国
家生产和使用。到目前为止
,FSO己被多家电信运营商应
用于商业服务网络
,比较典型的有
Terabeam和
Airfiber公
司。在悉尼奥运会上
,Terabeam公司成功地使用
FSO设备
进行图像传送
,并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用
FSO设备向客户提供
10OMb/s的数据连接。该公司还计
划
4年内在全美建设
100个
FSO城市网络。而
Airfiber公
司则在美国波士顿地区将
FSO通信网与光纤网(
SONET)
通过光节点连接在一起
,完成了该地区整个光网络的建设。
目前商用的
FSO系统(见图
1)通常采用光源直接输
出、光电探测器直接耦合的方式
,这种系统有以下几点缺
点
:
(
l)半导体激光器出射光束在水平方向和垂直方向的发
散角不同
,且出射光斑较粗
,因此我们需要先将出射光束整
形为圆高斯光束再准直扩束后发射
,这样发射端的光学系
统就较为复杂
,体积也会相应增大。
(
2)在接收端
,光斑经光学天线会聚之后直接送入
PD
转化为电信号。通常
,我们需要提供点到点的
,双向的通信
系统
,这样
,FSO系统的每个终端都包括了激光器
,探测器
,
光学系统
,电子元器件和其中有源器件所需要的电源。这
种系统的体积通常比较大
,重量大
,成本也比较高。从
FSO
系统终端的内部结构图中可以看出
,完成一个简单的点到
点的链路需要
6个
OE转换单元。随着人们对带宽的需求越来越高
,PD的成本也越来越高
,6个
OE转换单元大大增
加了成本闭。
(
3)
FSO终端设备一般安装于楼顶
,如果终端中含有大
量的有源设备
,会给我们的安装带来了很多不方便。
(
4)系统的可扩展性很小。如果用户所需要的带宽增
加
,那么封装在一起的整个
FSO系统终端都需要被新的终
端取代
,安装新设备的过程需要再次对准
,整个升级过程所
需要的时间很长
,给人们带来巨大的损失。
图
1 基于
PD直接接受的
FSO系统
1.2 基于光纤耦合技术的
FSO系统
光纤输出、光纤输入的自由空间光通信系统(见图
2)
,
激光器输出的高斯光束耦合至光纤再经准直出射
,传输一
定距离后
,光束通过合适的聚焦光学系统聚焦在光纤纤芯
上
,沿着光纤传输后经
PD接收还原信号。这样我们通过在
发射和接收端都采用光纤连接的方式
,只需要在楼顶放置
光学天线系统
,而将其他的控制系统通过光纤放置于室内
就可以实现点到点的连接
,整个系统结构简单
,易于安装。
图
2 基于光纤的
FSO系统
这种新型的
FSO系统具有以下优点
:①减少了不必要
的
E一
O转换
,一条链路现在只需要
2个
OE接口即可
,大
大降低了成本。②光学系统较为简单
,光纤出射的光束一
般为圆高斯光
,不需要整形
,简化了光学系统
,减小了体积
,
易于安装。③易于升级及维护
,当用户的带宽增加时
,我们
只需要对放置在室内的系统进行升级即可
,免去了复杂繁
琐的对准过程。④基于光纤耦合的空间光通信系统能够很
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9期现代商贸工业
ModernBusinessTradeIndustry2007年
9月
好的与现有的光纤通信网络结合
,利用现有的比较成熟的
光纤通信系统中的器件如发射接收模块
,EDFA和
WDM
中所用到的复用器和解复用器。⑤可以与光码分多址复用
技术(
OCDMA)相结合
,构成自由空间
OCDMA系统
,进一
步扩大系统的带宽。
对于一个基于光纤耦合技术的
FSO系统而言
,以下
2
个因素必不可少
:①体积小
,重量轻的光学天线系统一个最
佳的光学天线的设计首先必须使尽可能多的光耦合进单模
光纤
,获得最大的耦合效率
;其次要能通过粗跟踪系统测出
入射光的角度
;另外
,必须满足尽可能高的通信速率和稳定
性。②性能良好的跟踪系统要使光学接收天线接收到的光
能够有效的耦合进纤芯和数值孔径都极小的单模光纤
,我
们必须为系统加上双向的跟踪系统。
2 国内空间光通信系统研究现状和进展
我国卫星间光通信研究与欧、美、日相比起步较晚。国
内开展卫星光通信的单位主要有哈尔滨工业大学(系统模
拟和关键技术研究)、清华大学(精密结构终端和小卫星研
究)、北京大学(重点研究超窄带滤波技术)和电子科技大学
(侧重于
APT技术研究)。目前已完成了对国外研究情况
的调研分析
,进行了星间光通信系统的计算机模拟分析及
初步的实验室模拟实验研究
,大量的关键技术研究正在进
行
,与国外相比虽有一定的差距
,但近些年来在光通信领域
也取得了一些显著的成就。
2002年哈尔滨工业大学成功地研制了国内首套综合功
能完善的激光星间链路模拟实验系统
,该系统可模拟卫星
间激光链路瞄准、捕获、跟踪、通信及其性能指标的测试。
所研制的激光星间链路模拟实验系统的综合功能、卫星平
台振动对光通信系统性能的影响及对光通信关键单元技术
的攻关研究有创新性
,其技术水平为国内领先
,达到国际先
进水平
,目前该项研究已进入工程化研究阶段。上海光机
所研制出了点对点
155M大气激光通信机样机
,该所承担的
“无线激光通信系统”项目也在
2003年
1月份通过了验收
,
该系统具有双向高速传输和自动跟踪功能
,其传输速率可
达
622Mb/s,通信距离可以达到
2km,自动跟踪系统的跟踪
精度为
0.1mrad,响应时间为
0.2s。中科院成都光电所于
2004年在国内率先推出了
10M码率、通信距离
300m的点
对点国产激光无线通信机商品。桂林激光通信研究所也在
2003年正式推出
FSO商品
,最远通信距离可达
8km,速率
为
10～
155M。武汉大学于
2006年在国内首先完成
42M多
业务大气激光通信试验
,2007年
3月又在国内率先完成全
空域
FSO自动跟踪伺服系统试验
,这为开发机载、星载激光
通信系统和地面带自动目标捕获功能的
FSO系统创造了条
件。另外在光无线通信系统设计、以太网光无线通信、
USB
接口光无线通信、大气激光传输、大气光通信收发模块和信
号复接
/分接技术等方面都取得了多项成果。
3 自由空间光通信技术的应用与未来发展趋势
自由空间光通信和其他无线通信相比
,具有不需要频
率许可证、频率宽、成本低廉、保密性好
,低误码率、安装快
速、抗电磁干扰
,组网方便灵活等优点。正是由于这些特
点
,FSO系统正受到电信运营商越来越多的关注与青睐。
对于有线运营商
,FSO可以在城域光网之外提供高带宽连接
,而其成本只有地下埋设光缆的五分之一
,而且不需要等
6个月才能拿到施工许可证。对于无线运营商
,在昂贵的
E1/T1租用线路和带宽较低的微波解决方案之外
,FSO在
流量回输方面提供了一个经济的替代选择。在目前这个竞
争激烈的环境中
,FSO无疑为电信运营商以较低的成本加
速网络部署
,提高“服务速度”并降低网络操作费用提供了
可能。而且
FSO技术结合了光纤技术的高带宽和无线技术
的灵活、快速部署的特性
,可以在接入层等近距离高速网的
建设中大有用武之地
,在目前许多企业和机构都不具备光
纤线路
,但又需要较高速率(如
STM2
1或更高)的情况下
,
FSO不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径。
FSO产品目前最高速率可达
2.5G,最远可传送
4km,
在本地网和边缘网等近距离高速网的建设中大有用武之
地
,主要应用于一些不宜布线或是布线成本高、施工难度
大、经市政部门审批困难的地方
,如市区高层建筑物之间、
公路(铁路)两侧的建筑物之间、不易架桥的河流两岸之间、
古建筑、高山、岛屿以及沙漠地带等。另外
,FSO设备也可
用于移动基站的环路建设、场所比较分散的企业局域网子
网之间的连接和应急通信。对于银行、证券、政府机关等需
要稳定服务的商业应用来说
,FSO产品可以作为预防服务
中断的光纤备份设备。
当然
,FSO在应用过程中也存在一定的瓶颈
,主要是会
受到大气状况或物理障碍的影响
,比如其光束在传输中极
易受大雾等恶劣天气
,物理阻隔或建筑物的晃动
/地震的影
响。在恶劣的天气下
,光束传输的距离会下降
,从而降低通
信的可靠性
,严重的甚至会造成通信中断。
尽管存在不少问题
,但自由空间光通信的技术优势更
为明显
,其自身的特点决定了在一定的环境下
,它可以最大
发挥自身优势
,比如可以用于不便铺设光纤的地方和不适
宜使用微波的地方
;又由于光纤成本过高
,用户无法在短期
内实现光纤接入
,而他们却渴望享受宽带接入带来的便利
,
结合我国现阶段宽带网络的实际情况———许多企业和机构
都不具备光纤线路
,但又需要较高速率(如
STM2
1或更
高)
,FSO不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途
径。
FSO系统解决了宽带网络的“最后一公里”的接入
,实
现了光纤到桌面
,完成语音、数据、图像的高速传输
,拉动了
声讯服务业和互动影视传播
,实现了“三网融合”
,有利于电
子政务、电子商务、远程教育及远程医疗的发展
,并产生了
巨大的效益
,具有广阔的应用领域和市场前景。
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