Modeling of Fine Tracking Sensor for Free Space Laser Communication Systems
Hu Zhen,Song Zhengxun Tong Shoufeng, Zhao Xin, Song Hongfei, Jiang Huilin School of Electronics and Information Engineering Space Institute of Photo-Electronic Technology
Changchun University of Science and Technology
No. 7089, Weixing Road, Changchun, P. R. China, 130022
zhu@https://www.doczj.com/doc/a513170074.html,
Abstract—The optical communication networks comprised of ground stations, aircraft, high altitude platforms, and satellites become an attainable goal, however, some challenges need to be overcome. One of challenges involves the difficulty of acquisition, tracking, and pointing (ATP) a concentrated beam of light arriving from another platform across the far reach of space. To meet the pointing accuracy requirement, the basic method of tracking between the terminals of optical communication systems includes the use of a beacon laser and tracking system with a quadrant detector sensor on each terminal. In some future optical communication networks, it is plausible to assume that tracking system and communication receiv ers will use the same sensor. In this paper, the architecture of the fine tracking assembly of the designing optical communication terminal (OCT) is described, and the fine tracking assembly sensor is modeled based on the correlation coefficient. The simulation and experiment results of the sensor show that the detecting accuracy satisfies the design demand for our developing OCT.
Keywords-modeling; quadrant detector; fine tracking sensor; optical communication networks
I.I NTRODUCTION
Communication from one place to another on Earth is an attractive goal. To achieve this aim, the communication net-works that cover the globe are established. Future optical
communication network is pictured in Figure 1.
Figure 1. Future optical communication network [1].
The optical communication networks comprised of ground stations, aircraft, high altitude platforms, and satellites become an attainable goal, however, some challenges need to be overcome. Laser-based communication links between a satellite and another satellite or a high flying aircraft have been investigated for free-space communication systems They include European Space Agency’s (ESA) Artemis, Japan Aerospace Exploration Agency’s (JAXA) OICETS and the Department of Defense’s (DoD) TSAT [2]. Laser communication systems offer greater capabilities than RF systems, such as smaller size and weight of the terminals, less transmitter power, higher immunity to interference, and larger data rate, but present greater challenges in implementation. One of challenges involves the difficulty of acquisition, tracking, and pointing (ATP) a concentrated beam of laser arriving from another platform across the far reach of space [3].
To meet the pointing accuracy requirement the optical communication terminals (OCT) mounted on satellite or other platforms use the Ephemeredes data (the position of the satellite according to the orbit equation) or navigation system for rough pointing, and a tracking system for fine pointing to another OCT. The basic method of tracking between OCT includes the use of a beacon laser and tracking system with a quadrant detector sensor on each OCT. In some future optical communication networks, it is plausible to assume that tracking system and communication receivers will use the same sensor. The reason is the possibility to design simple OCT at a reduced cost, mass, and volume in order to implement very compact, lightweight and low-power consumption precision beam-steering technologies. In view of this, a 4-quadrant detector (4QD) will be adapted in our developing OCT. Having a good mathematical description of the sensor is crucial for successful implementation of the tracking system, as it allows testing various control techniques prior to building a hardware prototype. This paper described the architecture of the fine tracking assembly of the designing OCT, proposed an approach to mathematical modeling of the fine tracking assembly sensor, and performed a number of experiments to validate the derived models.
The remainder of this paper is organized as follows. Section II described the ATP subsystem architecture, the fine tracking assembly components briefly. The operating principle of 4QD, the operation of the position detecting sensor, the transfer characteristics for the different spot in sizes, and mathematical model of the sensor are presented in Section III. Section IV gives the simulation and experiment results of the sensor. Finally, our work is summarized in Section V.
Supported by High-Tech Research and Development Plan of China (863).
978-1-4244-4412-0/09/$25.00 ?2009 IEEE
II.A RCHITECTURE OF F INE T RACKING A SSEMBLY A.System Description
Most acquisition, tracking, and pointing subsystems of free-space laser communication platforms consist of two structures, a coarse pointing assembly (CPA) and a fine pointing assembly (FPA). The CPA is loaded with the tasks of the initial acquisition and to change the orientation of the communication transceiver in bigger, but lower bandwidth higher amplitude movements. The FPA needs to be extremely precise and with fast response system in order to compensate for the fast changes in beam orientation and suppresses the disturbances such as the base vibration of the platform.
Developed ATP subsystem for space-based laser communication system also comprises of CPA and FPA. The CPA, which consists of a coarse tracking sensor using a charge coupled device (CCD), a 2-axis gimbal mechanism, and a controller for gimbal mechanism. The FPA, which consists of a fine tracking sensor using a 4-quadrant detector (4QD), a fast steering mirror (FSM), a controller for the FSM. The 4QD, which is an important component in the FPA, requires the characteristics of fine resolution and high speed response for this reason. A block diagram of the experiment setup of the
FPA is shown in Figure 2.
Figure 2. The experiment setup of the FPA.
B.The Experiment Setup of FPA
The laser source is the incoming collimated beam incident on the fast steering mirror at 45o, which is with a wavelength of 532nm. The beam splitter is used at 45o angles to split the beam in two directions: one beam is focused on a photodiode of laser communication receiver and the other is focused on the 4QD. The fast steering mirror with a 25.4 mm diameter glass mirror surface is operated open-loop, containing no internal sensor or feedback mechanism. Its angular range is ±2.5 mrad with a 0.05 μrad resolution and its resonant frequency is in the range of 2KHz [4]. The 4QD is a model QP50-6-18 produced by Pacific Silicon Sensor, Inc., which has a diameter of 7.98 mm active area and 18μm gap width [5]. The 4QD-measured position error signals are conditioned and fed to the analog-to-digital converters (ADCs) of the DSP controller. The actuator control signals from the digital-to-analog converters (DACs) of the DSP controller are fed back to the FSM driver, which directly drives the FSM actuator.
III.M ODELING OF F INE T RACKING S ENSOR
A.Operating principle of the 4QD
The 4QD is the fine tracking sensor used in this work, which detects the position of the incoming laser beam with a very high accuracy. It is consists of four separate silicon photodiodes, or quadrants, arranged in a quadrant geometry, as shown in Figure 3. The photodiodes A, B, C, D, where A, B, C, D are the four quadrants respectively, are equal and are separated by small gaps. Its operation principle is based on conversion of optical energy into electrical energy. The photodiodes A, B, C, D convert incoming light into currents I A ,I B , I C , I D , and then the currents are transformed into relative voltage levels V A , V B , V C , V D , by the operational amplifier
circuits. Voltage generated by each quadrant is proportional to
optical energy illuminating its surface. Figure 3. Position detector circuit of fine tracking sensor.
B.Operation of the position detecting sensor
To illustration the position sensing operation of the sensor, we assume that the shape of the laser beam or the spot can be represented as a circle with uniform distribution of power onto the 4QD detector. In general, the spot can appear on the four quadrant detector active area as suggested in Figure 4. If the spot is in the perfect centre of the 4QD, which is the cross point of the two gap lines, then currents I A , I B , I C , I D , from all the four photodiodes will be the same. The spot displacement along the x- and y-axes of the detector will be detected as a relative change between these four current outputs, and then removed in the fine tracking control loop.
These currents or voltages are added and subtracted in the following manner to calculate the E X and E Y , so-called the pointing error, relative to the centre of the detector,
D C B A C B D
A X D C
B A
C B
D A X X V V V V V V V V K I I I I I I I I K
E ++++?+=++++?+=)()()()( (1)
D
C B A
D C B
A Y D C
B A D
C B A Y
Y V V V V V V V V K I I I I I I I I K E ++++?+=++++?+=)()()()( (2)
where K X and K Y are the correlation coefficient of the x-axis
and y-axis directions respectively.
Figure 4. Relative position of the spot and the 4QD centre.
C.Transfer characteristics for the sensor in size
There are some constraints to be considered when using position sensor. First, incident laser spot must be smaller than the detector’s total active area, but larger than the gap between separated active areas. Second, the total positional detection range is limited to the incident laser spot size or the detector’s active area size, whichever is smaller. Another consequence of geometry is that detection range increases with spot size, while positional resolution decreases, as shown in Figure 5 [6]. This is because a given movement in a small spot creates a much bigger differential signal than the same movement in the larger beam, as is indicated in Figure 5 with dashed lines. In our effort, the laser spot size is appropriately limited to half the
detector’s active area size.
Figure 5. Transfer characteristics for the diffenent spot in size.
D.Mathimatical model of the sensor
The x-axis and y-axis outputs of the fine tracking sensor are directly related to the energy of the laser beam that falls in each quadrant. In order to make a mathematical model of the quadrant detector sensor, two main parts are considered: the first part represents the calculation of the illuminated energy of the four photodiodes by incoming laser beam, and another important issue is the shape of the incoming beam. In reality the laser energy is not uniformly distributed over the whole profile, but has a certain shape. Assuming that the laser beam used as the fine tracking has a uniform intensity distribution
(see Figure 4.), the energy in each of the four quadrants is given using each illuminated area by the following equations:
?
?o??
a++
?+
?++=
)arcsin()arcsin(22
2
422
2222r y r x r y r y x r x xy r S A π(3)??o??a
+??+??
?=
arcsin()arcsin(2
2242
22222r y r x r y r y x r x xy r S B π(4)?
?o??
a
+?????
+=)arcsin()arcsin(222422
2222
r y r x r y r y x r x xy r S C π (5)??
o
??a++???+
?=
)arcsin()arcsin(2224
222222r y r x r y r y x r x xy r S D π(6)
Where S A , S B , S C , S D are the illuminated area of the four quadrants respectively, x and y are x-displacement and y-displacement or the relative positions of the spot centre and the 4QD centre, r is the radius of the incoming laser beam spot.
The positing errors Ex, Ey (see (1) and (2)) in both x-axis and y-axis directions of the laser beam is also calculated using the each illuminated area of the four quadrants by following formulas.
D
C B A C B
D A
X D C B A C B D A X
X S S S S S S S S K I I I I I I I I K E ++++?+=++++?+=)()()()( (7)
D
C B A
D C B A Y
D C B A D C B A Y
Y S S S S S S S S K I I I I I I I I K E ++++?+=++++?+=)
()()()( (8)
If we use (3) - (6) and substitute into (7) and (8), we can
obtain the formulas of the positing errors and the displacements of the laser spot, which are the mathematical model of the 4QD sensor, as follows:
?
?o??a
+?=++++?+=arcsin(221)()(2222r x r x r x r K S S S S S S S S K E X D C B A C B D A X
X π (9) ??
o??a+?=++++?+=)arcsin(221
)()(2
222
r y r y r y r
K S S S S S S S S K E Y D C B A D C B A Y
Y π
(10) Figure 6. Simulation results in the x-axis.
IV.S IMULATION AND E XPERIMENT RESULTS
In order to develop a model of the quadrant detector a series of simulations and measurements has been performed. The laser beam has been steered across one quadrant in both x-
axis and y-axis directions to obtain the complete characteristics. Figure 6 presents a summary of this simulation. The data have been recorded while moving the beam across quadrants B and A (see Figure 4). For the model described above the (9) and (10), the three different laser spot sizes (in mm) are shown in Figure 6, showing a saturation effect due to the finite beam size, which determines the tradeoff between angle dynamic range and null position sensitivity. As a result, we set the spot size to approximately half the 4QD diameter. Then we measured the 4QD response for various incoming laser power levels, as shown in Figure 7. The experimental results validate the derived models based on the correlation
Figure 7. Experimental response in the x-axis.
V.C ONCLUSION
This paper presents an approach to modeling the quadrant detector sensor based on the correlation coefficient. The correlation coefficient of the sensor model is based on a series of measurements. Performance of the model has been assessed using the coefficient of determination. The simulation and experiment results of the sensor show that the detecting accuracy satisfies the design demand for our developing OCT.
The obtained model of the fine tracking sensor has been used as the experimental setup for development of a model reference fine tracking control system for the free-space laser communications.
R EFERENCES
[1]Brandon L. Wilkerson, Dirk Giggenbach, Bernhard Epple, “Concepts
for fast acquisition in optical communications systems”, SPIE Vol.6304, 2006
[2] C. Hindman, S. Lacy, and N. Hatten, “Image Based Acquisition and
Tracking for Multi-Access Laser Communications”, IEEE Aerospace Conference, March 4-11, 2006, pp. 1-10.
[3]John Maksyomwicz and Kenneth Conner, “Research Horizons, Laser
Beam Acquisition and Tracking,” Crosslink, Ground Systems, Vol.7, Number 1 (Spring 2006), pp. 43.
[4]Newport, FSM Datasheet, https://www.doczj.com/doc/a513170074.html,.
[5]Pacific Silicon Sensor Quadrant Series Datasheet, http://www.pacific-
https://www.doczj.com/doc/a513170074.html,.
[6]APT technologies, https://www.doczj.com/doc/a513170074.html,
3.3 光纤通信技术 一、光纤通信系统概述及基本结构 光纤通信系统是以光纤为传输媒介, 光波为载波的通信系统。主要由光发送机、光纤光缆、中继器和光接收机组成, 其基本结构原理如图所示。 系统中还包含了一些互联和光信号处理部件, 如光纤连接器、隔离器、光开关等。图中电端机和光端机均包括发送和接收两部分, 两者合起来构成发送器和接收器。其中发送光端机是将电信号变换成光信号,接收光端机则是将光信号转换成电信号。 1、发送器 发送器由发送光端机和电端机构成, 其核心是一个光源。光源的主要功能就是将一个信息信号从电子格式转换为光格式。今天的光纤通信系统采用发光二极管或激光二极管作为光源。两者都是小型的半导体
设备, 可以有效地将电信号转换为光信号。LD 输出的光功率较大, 谱线窄, 一般适合长距离、大容量的通信系统, 但其寿命较短, 价格高; LED 光源发出的光功率较小, 光谱线较宽, 调制速率较低, 输出线性好, 寿命长, 成本低, 适用于短距离和中小容量的系统。它们需要与电源相连并且需要调制电路。 2、光纤 光纤通信系统中的传输介质是光纤。光纤通信系统中发送器端的光信息信号就是通过光纤传送到接收器端的。实际上, 同任何其他通信链路一样, 光纤提供发送器和接收器间的连接。同时, 光纤对光信号进行传导, 就像铜线和同轴线传导电信号一样。它大概和人的头发的粗细相同, 为了保护非常脆弱的光纤, 使其不受恶劣的外部环境和机械的损害, 通常将光纤封装在特定的结构中。裸露的光纤包上保护膜后封装到其他几层中, 所有这些就构成了光纤光缆。 3、接收器 接收器由接收光端机和电端机构成。接收光端机的主要部分包括光检测器、放大器、均衡器、判决器、自动增益控制电路和时钟电路。其中光检测器是接收光端机的核心, 光检测器的主要功能就是把光信息信号转换回电信号( 光电流) 。光纤通信系统中的光检测器主要有PIN 二极管、雪崩光电二极管( APD) 。APD 比PIN 更灵敏, 而且对外部放大功能要求更低。A PD 的缺点是具有相对较长的渡越时间以及由于雪崩放大造成的附加内部噪声。 4、光中继器
空间激光通信技术的前世今生，这篇文章很深奥看完小编都蒙圈了空间激光通信是一种利用激光束作为载波在空间进行图像、语音、信号等信息传递的通信方式。与传统微波通信相比，激光通信具有传输速率快、通信容量大、抗电磁干扰性能强、保密性高等优点，且其通信终端体积小、功耗低、实用性极高，引发各国研究热潮，今天电子发烧友小编就给大家讲解一下空间激光通信技术的前世今生。 什么是空间激光通信技术？ 步轨道、星际间、太空间通信。激光空间通信与微波空间通信相比，波长比微波波长明显短，具有高度的相干性和空间定向性，这决定了空间激光通信具有通信容量大、重量轻、功耗和体积小、保密性高、建造和维护经费低等优点。 1、大通信容量：激光的频率比微波高3-4个数量级(其相应光频率在1013-1017 Hz) 光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目前光纤通信每束波束光波的数据率可达20Gb ／s以上，并且可采用波分复用技术使通信容量上升几十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的优势。2、低功耗：激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应于能源成本高昂的空间通信来说，是十分适用的。3、体积小、重量轻：由于空间激光通信的能量利用率高，使得发射机及其供电系统的重量减轻；由于激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角要求下，发射和接收望远镜的口径都可以减小。摆脱了微波系统巨大的碟形天线，重量减轻，体积减小。4 细，激光的发散角通常在毫弧度，这使激光通信具有高度的保密性，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力。5、激光空间通信具有较低的建造经费和维护经费。 空间激光通信技术前景展望
激光通信的应用 1． 激光的定义：由受激发射的光放大产生的辐射。 2． 激光通信： 定义1：利用激光进行信息传递的通信。 定义2：利用激光传输信息的通信方式。按传输媒介的不同，可分为大气激光通信和光纤通信。 3． 激光通信的原理： 无线激光通信设备的激光通信终端每一侧分别包括专用望远物镜(Telescope)、激光收发器部分、线路接口、电源、机械支架，部分厂商的设备还包括伺服、监控、远程管理等部分。 激光是一种光波，也具有电磁波的性质。然而。激光与一般的无线电波又有明显的不同，激光的频率为几亿兆周，是微波（超高频电磁波）频率的10万倍以上。由波长 与波速C及频率 的关系式 可知，激光的波长非常短，所以其波动性远比无线电波差。相反，激光却具有奇特的粒 子性，因而使它在军事通信中成为引人注目的“后起之秀”。 激光通信与无线电通信基本相似，在发送端用激光器发出的激光作为载波。话音信号通过发话器变为电信号送入调制器，调制器控制载波的某个参数（频率、振幅或相位）使其按话音的变化把话音信号寄载在激光光波上，通过发射望远镜(也称发射天线）发送出去在媒质中传播。在接收端，接收望远镜（也称接收天线）将激光信号按发送端的逆方向转化为话音信号。 根据传输媒质的不同，激光通信可分为宇宙通信（激光在大气层以外的宇宙空间传播）、大气通信（激光在大气层以内传播）、水下通信（激光在水下传播）以及光纤通信（激光在光导纤维内传播）。四．激光通信的优缺点： 相比于微波通信等其他几种接入方式，无线激光通信主要优势包括： 1．无须授权执照 无线激光通信工作频段在365～326 THz（目前提供无线激光通信设备的厂商使用的光波长范围多在820nm～920nm），设备间无射频信号干扰，所以无需申请频率使用许可证。 2．安全保密 激光的直线定向传播方式使它的发射光束窄，方向性好, 激光光束的发散角通常都在毫弧度，甚至微弧度量级，因此具有数据传递的保密性，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄。
空间激光通信研究现状 空间激光通信相对射频通信有着速率高、容量大等许多优点,从上世纪80年代起,各国就陆续开展了对空间激光通信的研究。目前,各国激光通信的调制方式主要分为PPM、PSK 与OOK三种,本文按照调制方式对各国的空间激光通信研究现状进行描述。 1,PPM 欧洲的SILEX项目、OPTEL项目与美国的LLCD项目、LCRD项目、MLCD项目使用或部分使用PPM调制方式。 1、1,LLCD项目[1~3] LLCD就是美国NASA2013年开始实行的一个项目,该项目建了两个探测器,月球环境探测器LLST与地面站LLGT,LLST与LLGT的通信距离距离在35000~400000km之间。 如图1(1)所示,地面站LLGT重达7吨,有4个15cm发射镜头与4个40cm接收镜头组成。LLGT的发射机使用的调制方式为4-PPM,每4个数据时隙后跟有12个或者28个静默时隙,发射激光器的波长就是1550nm,通过4个发射镜头实现4路时分复用,信号发射前经过一个10W光放大器放大,传输速率为10/20Mbps,这个速度就是目前地月RF通信的5000倍。为降低误码率采用了turbo码作为信道编码,码率为1/2,实现了0误码。4路接收镜头阵列有效提高了接收信号强度,接收机就是4个超导单光子计数探测器(工作在3K温度上),接收灵敏度极高,如图1(2)所示,能够提供高速光子计数测量[1]。 月球探测器LLST由光学模块、调制解调器、电子控制器三个模块组成[2],质量30kg。光学模块由一个10cm镜头的镜头组成,完成发射与接收光信号的功能,光学模块安装在一个二轴平衡台上,台上有粗瞄准与捕获探测器,该模块能够测试飞船的振动并进行补偿,实现对地面站的瞄准与捕获,光学模块通过光纤耦合到调制解调模块上。调制解调模块的主要功能就是调制与解调光信号,如图2所示,模块内置了311MHz低噪声时钟(经VCO可倍频至5GHz),解调模块前置了一个0、5W的放大器,对接收光信号进行放大,光信号进入后一部分经PLL使时钟频率同步,一部分进入解调器,解调器的时隙时钟由频率同步后的时钟提供(不需要额外的时隙同步),FPGA的主要作用就是上行链路帧同步,下行链路产生帧信号发送出去[3]。电子控制器模块有一些控制算法功能包括稳定光模块等。LLST的激光器功率仅为0、5W,波长为1550nm,使用的调制方式16-ppm,速率达到了40-622Mbps,使用turobo码信道编码,码率为1/2,速率为40/80/155/311Mbps时可做到0误码,速率622Mbps时误码率小于10^-5。上行链路速度明显小于下行,一个原因就是地面接收机没有体积质量等要求,灵敏度可以做的很高,另一个原因就是大气信道具有不对称性,对上行链路的影响较大,使之误码率变高。
第２７卷第３期２００７年５月 ＪＯＵＲＮＡＬ 孝感学院学报 ＯＦ ＸＩＡＯＧＡＮ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＶＯＬ．２７Ｎ０．３ ＭＡＹ．２００７ 激光无线通信光发射与接收电路的设计 鲁德初，吕 昊，吴迪 （孝感学院物理与电子信息工程学院，湖北孝感４３２０００） 摘要：提出了一种为半导体激光器的调制驱动电路，能够在大气激光通讯中稳定工作。还研究了大气信道的特点，并讨论了大气信道对信号的吸收、散射和湍流影响，给出了衰减的因子。结合信道编码定理，讨论了适于在大气中传输的码型，特别是Ｒｓ码，得出了适合大气信道的编码码长和码率的选择依据。 关键词：无线激光通信；大气信道；码型分析中图分类号：ＴＮ９２９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—２５４４（２００７）０３—００３８—０４
激光无线通信又称为自由空间光通信（ＦＳＯ），它以大气作为传输介质进行通讯¨也１，与传统的通信方式相比，有着许多优势，如传输速率高，光束方向性好，保密性高，不需无线电频率使用许可，不影响市政建设，成本低，结构轻巧，通信频带宽，尤其是激光特性中具有高度的定向性，发射波束纤细，在短时间内能够传输大量数据，通信时间短，具有高度的保密性和抗干扰性，能有效地防止窃听和侦测¨“ｏ。 ． １．１激光器的直接调制电路 图２是数字式直接调制电路图，图中晶体管ＢＧ２和ＢＧ３为发射极耦合对，组成非饱和电流选择开关。当ＢＧ：基极电位高于ＢＧ３基极电位时，ＢＧ２导通，恒流源的驱动电流Ｉ。全部流过ＢＧ：，故流过ＬＤ的电流为零；反之，当ＢＧ２基极电位低于ＢＧ３基极电位时，ＢＧ３导通，所有驱动电流都通过ＬＤ。电流开关的转换过程由输人数字信号转换成ＥＣＬ电平来控制，ＥＣＬ电平为“ｌ”码时，输出为一１．８Ｖ，为“０”码时，输出为＋０．８Ｖ，经过ＢＧｌ和Ｄ１电平移动后加到ＢＧ２基极，而ＢＧ３基极电平固定在一２．６Ｖ，它由温度补偿的参考电平Ｖｂｂ经ＢＧ。和Ｄ２电平移动得到。Ｖｂｂ＝一１．３ｌ是“ｌ”码和“０”码电平的中间值。 选择适当的输入电压，使晶体管不驱动到饱和状态，就能起到快速开关作用，同时恒流源可使开关噪声很小。１．２调制发射电路 图３是调制驱动电路图，主要由ＭＡＸＩＭ公司的１５５ＭＨｚ的ＭＡＸ３２６３芯片和内部带有监视二极管的激光器ＬＤ构成。ＭＡＸ３２６３内部的主偏置电源提供温度补偿偏置和参考电压输出Ｖｒｅｆｌ和Ｖｒｅｆ２，通过电阻Ｒ２５、Ｒ２６、Ｒ２７和Ｒ２８对内部的高速调制驱动电路、激光器和监视二极管进行编程。ＭＡＸ３２６３的输出电流都被内部的镜像电流 Ｖ
浅谈21世纪激光技术的发展与应用 Discussion of laser development and application of 21 century 专业：光电信息工程 姓名：陈斐然 学号：080212139 指导老师：张磊
21世纪激光技术的发展与应用 摘要：20世纪以来，激光是继原子能、计算机、半导体之后的又一重大科技发明。在有充分的理论准备和生产实践需要的背景下，激光技术应运而生。它一问世就获得了异乎寻常的快速发展。激光在现代通信领域有着广泛的应用。它在扩大通信容量，缓和通信频段拥挤，提高通信安全等方面都发挥着极为重要的作用。 关键词：激光技术现代通讯激光通信光子晶体能量衰减 Discussion of laser development and application of 21 century Abstract ：Since the 20th century, laser is another major technological invention after the atomic energy, computer, semiconductor .Under the background of a full theories preparation and production practice needs,the laser technology arises at the historic moment. It comes out to obtain the unusually rapid development. Laser in modern communication field have a wide range of applications. In expanding communication capacity, easing communication frequency crowded and improving the communication security aspects, it plays an extremely important role. Key words:laser technology; modern communication; laser communications; photonic crystal; energy attenuation 一、激光的发展历程 1960年5月16日，世界上第一个激光器——红宝石激光器发出了一束神奇的光，它的名字叫“激光”。最初中文的名称叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译。LASER是英文“受激辐射的光放大”
大气激光通信系统的研究 摘要：激光信息在大气中传输是目前大气光学领域最为活跃的研究热点之一。 由于激光本身所具有的高强度、高相干性、高单色性和高方向性等特性，从而有容量大、波束窄、速度快、保密性好和抗干扰性强等优点，因此激光成为无线光通信中最理想的载体。 本文概述了大气激光通信的基本原理及发展状况，介绍了其特点和用途。并以一种新型的具有以太网接口，能实现计算机间通信的大气激光通信系统（既可传输语音又可传输数据）为例，结合实验研究对发射端机和接收端机两大部分进行了阐述。 并针对大气无线激光通信系统，本文深入地研究了大气湍流信道中随机光 强信号的检测方法，对激光束在大气湍流信道中的传输进行了仿真和建模，并对实际的大气湍流信道进行了测量。 关键词：大气激光通信光发射端机光接收端机损耗特性激光器 一．激光通信的概述 1960年激光的出现极大地促进了许多学科的发展，其中也包括通信领域激光以其良好的方向性、相干性及高亮度性等特点成为光通信的理想光源。将激光应用于通信，掀开了现代光通信史上崭新的一页，成为当今信息传递的主力军。 激光通信是以激光光束作为信息载体的一种通信方式，和传统的电通信一样，它可分为有线激光通信和无线激光通信两种形式。其中，有线激光通信就是近年来发展迅猛的光纤通信。无线激光通信也可称为自由空间激光通信，它直接利用激光在大气或太空中进行信号传递，可进行语音、数据、电视、多媒体图像等信号的高速双向传递。这是目前国际上的一大研究热点，世界上各主要技术强国正投入大量的人力物力来抢占这一领域的技术优势。根据使用情况，无线激光通信可分为:点对点、点对多点、环形或网络状通信。在本文中，我们主要研究的是点对点的通信。此外，根据传输信道的不同，无线激光通信又可分为:大气激光通信、星际(深空)激光通信和水下激光通信川。 大气激光通信是自由空间激光通信的一个分支，它以近地面大气作为传输媒介，是激光出现后最先研制的一种通信方式。大气激光通信系统主要由光源、调制器、光发射机、光接收机及附加的电信发送和接收设备等组成，只要相互进行瞄准即可进行通信。根据所用光源的不同，大气激光通信系统大致可分为半导体激光通信系统、气体激光通信系统和固体激光通信系统。半导体激光器体积小，重量轻，灵活方便，但光束发散角稍大，适合于近地面的短距离通信。气体激光通信系统的体积和重量都较大，但其通信容量也大，光束发散角较小，适合于卫星间的通信和定点之间的大容量通信。因此，在实践中，根据通信系统在不同应用场合中的要求，合理选取光源。 大气激光通信系统的主要应用和优点
激光无线通信技术 激光通信是一种以光波作为“载波”，大气、海水或太空作为传输介质的通信方式，与利用电磁波作载波的通信原理一样，只是承载信号的载波是激光，其波长更短，频率更高。与传统无线通信和有线通信相对应的，激光通信也形成了无线通信及有线通信，军事通信所关注的主要是激光无线通信。 激光无线通信具有电磁兼容性好、抗电磁干扰能力强、重量轻、功耗和体积小、保密性好等特点。保密性好的原因在于，一：激光具有高度定向性，发射波束非常短，通常发散角小于1弧度，在毫弧度级，二：信道速率高，能在短时间内大量发送数据，从而减少通信持续时间。波束窄使得抗干扰抗截获能力强，通信时间短的特点使得抗侦测、防窃听的能力强。另外，及激光通信的传输带宽宽，比较适合侦察图像等的实时传输。
美国航天局（NASA ）在2014年6月6日宣布，该机构5日利用激光束在3.5秒内把一段时长37秒的高清视频从国际空间站传送回地面，成功完成了一项“可能根本性改变未来太空通信的技术演示”，也预示着太空宽带时代的到来。这项实验的成功表明激光传输技术是可行的，完全可以作为下一步进行更高速率传输和实用性通信的技术基础。
应用及前景展望 1、用于提升星间通信速率 卫星微波通信的极限通信速率在2Gbps左右，近年来通信速率提升困难。而激光通信技术可以轻松实现10Gbps以上的通信速率，采用复用的手段甚至能获得Tbps 以上的通信速率。如此高的通信速率，使得太空通信如同从拨号上网时代升级到了宽带上网时代。 2、用于能源成本较高的空间通信 由于激光通信的光束发散角很小，大大降低了通信过程中信息被截取的可能性，目前还没有截获空间激光通信信息的可行手段，这使激光通信具有高度的保密性。而能量的高度集中,使得落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应用于能源成本高昂的空间通信来说也是非常适用的。 3、用于水下通信 此外，激光在水下通信中也有很大的应用空间，电磁波在水中的衰减程度较大，传统的无线电波想要穿透海水，必须使用频率极低的波段，携带的信息量十分有限，传输时间长。然而，研究发现，激光中存在一个频段——光波波长为450～570nm 的蓝绿光，海水对其吸收损耗较小，它通过海水时，不仅穿透能力强，而且方向性极好。因此，激光通信也是深海中传输信息的重要方式之一，可以用于对潜通信、探潜探雷、测深等领域。 限制因素： 但空间激光通信中的激光是在自由空间中传播，因此存在巨大的传输损耗。空间激光通信，尤其是星地间的通信，最大的限制就是经过大气层时受到湍流，及其他天气、环境因素的影响。 其次，空间激光通信链路的距离从千公裡到数亿公里不等，并且链路之间不可能有中继放大，这与地面光纤通信千公裡的链路距离相比实现起来难度大得多。比如火星与地球之间的链路，由于距离太过遥远，激光的几何损耗极大，点对点的瞄准也更为困难。
空间激光通信研究现状及发展趋势 前言：在即将到来的信息时代，构建信息传播速率快、信息传输量大、覆盖空间广阔的通信网络是很重要的。空间激光通信技术正是构建符合未来社会发展需求的通信网络的重要技术支持之一。我国的各大高校和科学研究机构都有对这一方面展开研究，比如武汉大学的静态激光通信、华中科技大学的对潜激光通信、中科院成都光电所的自适应激光通信、中电集团34所的大气静态激光通信等。空间激光通信的应用，有助于构建一体化的通信网络，对于我国发展具有深远的影响。 一、空间激光通信的技术特点 1.1光波频率高 空间激光通信就是利用激光进行信号传输的通信技术[1]。激光的频率比微波高出三到四个数量级。这就导致以激光为载波进行通信，能够利用的频带更加宽广，在短时间内传输大量的数据。在地球科学研究、环境灾害监测、军事信息获取等领域，经常需要在一段时间内实现海量数据的传输，空间激光通信就可以有效实现这一点。 1.2光波波长短 空间激光通信所运用的光波具有极短的波长。光波的波长决定了发射天线的口径。如果光波的波长较短，发射天线的口径也
会比较小，这样，激光在发射过程中就会相对集中，不容易发生分散，同时消耗的功率也比以往的微波发射低，节省更多的能源。不仅仅是发射天线，接收终端的型号也与光波的波长长短有关。利用短波长的光波进行信息传输，接收终端的体积、重量也可以相应缩小，同时消耗更低的能源。这种性质使得空间激光通信能够搭配多种通信平台，适用范围极为广阔。 1.3方向性强 空间激光通信发射的激光光束很窄，指向明确，能够直达目的地，很少发生散射[2]。以往的微波通信，光束宽，指向性不明显，容易发生散射和折射，影响通信的效果，导致通信不稳定。空间激光通信就将这一问题进行极大程度的改善。另外，空间激光通信还具有防窃听的能力，在传输过程中不容易被外界窃取信息，在保证了通信的稳定性的同时，也保证了通信的保密性。 1.4波段远离电磁波谱 如果通信光波的波段距离电磁波谱较近，就容易在传输的过程中受到电磁波谱的干扰。所以，空间激光通信采取远离电磁波谱的光波波段。在机场、战争区域等环境中，电磁波谱的干扰极为严重，只有利用空间激光通信才能够确保信息的顺利传输。 二、空间激光通信的关键技术 2.1激光调制发射技术 激光调制发射技术具有高功率和高速率的特点。这种技术的主要组成部件有激光器、驱动器、温度控制、功率控制、光放大
万方数据
无线激光通信调制方式性能分析 作者：赵婷， 陈宇， 宋宇， 闫志强， 张景萃， 齐雷 作者单位：长春理工大学电信学院,长春,130022 刊名： 科技资讯 英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)：2011(16) 参考文献(4条) 1.何攀;李晓毅;侯倩基于LED的紫外光通信调制方式研究[期刊论文]-光通信技术 2010(4) 2.毛昕蓉;李荣无线光通信调制技术的性能分析[期刊论文]-通信技术 2009(42) 3.柯熙政;席晓莉无线激光通信概论 2004 4.David JT;David R Wisely lan Neild et OPtieal wlreless:the story so far 1998 本文读者也读过(5条) 1.柯熙政.陈锦妮.KE Xi-zheng.CHEN Jin-ni无线激光通信类脉冲位置调制性能比较[期刊论文]-激光技术2012,36(1) 2.赵丽丽.王挺峰.孙文涛.郭劲无线激光通信协议的设计[期刊论文]-中国光学2011,04(6) 3.卫斌.杨乾远.徐林.朱宏韬.WEI Bin.YANG Qian-yuan.XU Lin.ZHU Hong-tao一种用于大气激光通信透明传输的光端机[期刊论文]-光通信技术2010,34(7) 4.李国军.敬守钊.黄自力.唐湘成.LI Guo-un.JING Shou-zhao.HUANG Zi-li.TANG Xiang-cheng无线激光通信光发射模块的研究[期刊论文]-电子设计工程2011,19(5) 5.王鹏.邢柳.马永青.WANG Peng.XING Liu.MA Yong-qing无线激光通信APT系统设计[期刊论文]-光通信技术2011,35(3) 本文链接：https://www.doczj.com/doc/a513170074.html,/Periodical_kjzx201116019.aspx
考试时间：12月17日 19:00—21:00 考试地点：思源楼411，412， 座位安排：学号03211138-05231022在411教室，05231144—06292044在412教室 第一章作业（激光技术--蓝信鉅，66页）答案 2．在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个1／4波片，（1）它的轴向应如何设置为佳? （2）若旋转1／4波片，它所提供的直流偏置有何变化? 答：（1）. 其快、慢轴与晶体主轴x 轴成450角（即快、慢轴分别与x’、y’轴平行）。此时，它所提供 的直流偏置相当于在电光晶体上附加了一个V 1/4的固定偏压(E x’和E y’的附加位相差为900)；使得调制器在透过率T=50%的工作点上。 （2）. 若旋转1／4波片，会导致E x’和E y’的附加位相差不再是900；因而它所提供的直流偏置也 不再是V 1/4。当然调制器的工作点也偏离了透过率T=50%的位置。 3.为了降低电光调制器的半波电压，采用4块z 切割的KDP 晶体连接(光路串联、电路并联)成纵向串联式结构。试问：(1)为了使4块晶体的电光效应逐块叠加，各晶体的x 和y 轴取向应如何? (2) 若λ=0.628μm ，n 。＝1.51，γ63＝23.6×10—12m ／V ，计算其半波电压，并与单块晶体调制器比较之。 解：(1) 为了使晶体对入射的偏振光的两个分量的相位延迟皆有相同的符号，则把晶体x 和y 轴逐块旋转90安置，z 轴方向一致（如下图）， (2).四块晶体叠加后，每块晶体的电压为： v 966106.2351.1210628.0412n 41V 41V 123-663302' 2=?????=?==-γλλλ 而单块晶体得半波电压为： v 3864106.2351.1210628.02n V 123-6 63302 =????==-γλλ 与前者相差4倍。 4．试设计一种实验装置，如何检验出入射光的偏振态(线偏光、椭圆偏光和自然光)，并指出是根据什么现象? 如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强调制?为什么？ 解：（1）实验装置：偏振片和白色屏幕。 a. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如有两次消光现象，则为线偏振光。 b. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如光强有两次强弱变化（但无消光现象发生）；则为椭圆偏振光。 c. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如光强没有变化；则为自然光（或圆偏振光）。区分二者也不难，只需在偏振片前放置一个四分之一波片（可使圆偏振光变为线偏振光， 可出现a 的现象）即可。（这里自然光却不能变成线偏振光） （2）自然光得不到调制。原因是自然光没有固定的偏振方向，当它通过电光晶体后没有固定的位相差； 因而不能进行调制。 x y z x y z x y z x y z
激光通信技术简介 日前，由美国国家航空航天局研发的“激光通信中继演示”系统即将进入开发整合与测试阶段。空间激光通信是指利用激光束作为载波，在空间直接进行语音、数据和图像等信息双向传送的技术。不仅传输速率高、抗干扰能力强，还具有设备体积小、重量轻、能耗低等特点，将为人类走向太空和空天军事技术应用带来革命性变化。 未来，空间激光通信有望成为星地间数据传输的关键技术，并实现与地面光纤网络的互补，从而建立起包含卫星和大气层内外的立体交叉激光通信网，彻底颠覆现有的全球通信系统，成为满足大数据时代信息传输需求的大带宽高速通信网络。 “你好，世界!”这句看似普通的话，或将开启人类探索太空的新时代。这句话来自美国国家航空航天局录制的一段37秒的高清视频，跨越太空和大气层回传到地面用时3.5秒。虽然在如今的“4G时代”这个速率有些不值一提，但若不是采用了激光通信技术，传统的无线电传输则至少需要10分钟。 从烽火狼烟到太空WiFi 传统的无线电通信技术有着自身不可避免的缺陷，不仅由于各种通信波段之间相互干扰会影响通信质量，想要在“寸土寸金”的航天器上增加天线面积和数量来提升通信效果也真的比“登天”还难。更为重要的是，随着空间通信数据形式的不断丰富，单纯的无线电通信已经难以满足急剧增长的通信带宽需求，易受干扰的无线电波也加剧了太空军事应用的风险。 曾几何时，人们就曾利用“烽火狼烟”接力通信，将千里之外的边关战事信息第一时间传递至内地。从上个世纪60年代激光发明之后，利用激光进行无线光通信就成为研究的热点。说起激光通信，可能还有点陌生，但如果一提到光纤通信，我想大家都耳熟能详。其实，光纤通信只是激光通信的一个具体应用，是指激光在光纤介质中的传输。空间激光通信主要利用激光作为载体，将信息加载到激光上发送，并在外太空等自由空间内进行信息传输，到了接收端经过一系列光电变换就可实现信息的传输和通信。
大气激光通信机基本参数测试 2011/08/19 【产品介绍】 此红外线传输设备为上海毅得通讯设备有限公司生产的AO-1系列，可以在300m 至4000m 之内保证高质量的宽带数据通信，通信速率为155Mb/s （11/13/14）和622Mb/s(12)，通信端机正面示意图如图1： Pin 探测器 口径 红光指示发射器 图1 通信端机正面示意图 通信端机背面示意图如图2： 尾纤 外置光源尾纤 显示区 PIN 探测器显示区 显示区域 接线区域 望远目镜 图2 通信机背面示意图
图2中， TX：外接光源指示灯，灯亮表示正常 PW：电源接通指示灯，灯亮表示正常 LD1：指示红光指示灯，灯亮表示正常 LD2：内置光源指示灯，灯亮表示正常，内置LD6dBmW（4mW），发散角为0.8mrad。 PIN探测器显示区显示1023为最小，显示0000为最大，155M动态范围为：-4~-30db。 电源红线接地，黄线接负极。 1.通信机信号光源发射端前功率 使用3Sigma功率计及PM3探头，因为通信机光源发射端面处的光斑直径比较小（小于PM3探头面积），且功率小于4mW ，故将光直接打在PM3探头上分别测量信号光源发射功率，测试结果如表1： 表1通信机信号光源发射端前功率 1号通信机相比2号通信机功率略小。 产品说明中提到内置LD的发散角为0.8mrad，在做整体实验前，我们需要对其进行测量。在科技楼12楼楼道内，将通信端机置于楼道一端，因激光器有一定的发散角，（假定激光器束腰在距发射端口较近的距离下，在相距40m的距离处形成一定直径的光场分布（初步估计约约3~4cm）。我们采用3Sigma功率计及OP-2功率探头（直径5mm）对此处光场分布进行测量。）。在试验时，距离发射机端口有近及远测量中，发现在约40m处，OP-2（直径5mm）探头接收到的功率最大，说明激光器的束腰在该位置。要想测得其发散角需要进行远距离测试。 2.1（2）号指示红光与2（1）号接收口径轴线夹角
1，国外 （1）星地： LUCE（前身是第一个星地激光通信终端LCE,1995,速度1.04Mbps ）:2006年日本，OICETS卫星与NICT地面站,波长发射847接收819，调制方式OOK，速率接收2.048Mbps 发射50Mbps，误码率10^-7. SLS：2012；俄罗斯航天部门；国际空间站和北高加索地面站；125Mbps； LLCD：2013；美国NASA；月球环境探测器和地面站；距离35000~400000km；地面站：功率40W，波长1550nm，速率10/20Mbps，调制方式4-PPM，1/2码率（turbo码信道编码），4路时分复用，可做到0误码；月球探测器：功率0.5W，波长1550nm，速率40-622Mbps，调制方式16-ppm，1/2码率，40/80/155/311Mbps可做到0误码，622Mbps 误码率小于10^-5。可做到cm级别测距精度。 OPALS：2014；美国NASA；国际空间站与怀特伍地面站；距离700km，调制方式OOK，速率30~ 50Mbps，空间站波长1550nm、功率2.5W，地面站波长976nm，功率5W; （2）星空： LOLA：2006 ；法国；Artemis卫星与某飞机；距离40000km；IM/DD，波长848nm，功率104mW；forward link：调制方式BPPM(二进制PPM)，速率2Mbps，downloadlink：调制方式OOK，速率50Mbps，飞机高度9km
（3）星间 SILEX：2001法国，GEO和LEO卫星，4000km，波长797~853，调制方式ppm，速率50Mbps，误码率10^-6， OPTEL：瑞士，短距离到长距离多个卫星终端2000~80000km，速率1.5~2.5Gbps，其中高性能通信终端OPTEL-25，调制方式BPSK，信号光波长1064nm功率1.25W，信标光波长808n LUCE：2005日本欧洲，GEO和LEO，距离48000km，波长发射波长847nm接收819nm，调制方式位非归零码直接强度调制（OOK），速率接收2.048Mbps发射50Mbps，误码率达10^-7。2013日本JAXA建立高级激光通信终端LUCE，速率1.2/2.5Gbps，计划下一步10Gbps LCTSX：2008；德美；TerraSAR-X卫星与NFIRE卫星；二相相移键控/零差相干解调，调制方式BPSK，波长1064nm，距离1000~5100km，速率5.625Gbps，总功率120W（光传输功率0.7W），误码率小于10^-9。 EDRS：2014；欧洲；Sentinel1-Alphasat；距离45000km，调制方式BPSK，速率1.8Gbps，误码率10^-8，功率2.2W TSAT：卫星组网，2016美国，速率10~40Gbps
考试时间：12月17日 19:00—21:00 考试地点：思源楼411，412， 座位安排：学号032112在411教室，05231144—06292044在412教室 第一章作业（激光技术--蓝信鉅，66页）答案 2．在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个1／4波片，（1）它的轴向应如何设置为佳? （2）若旋转1／4波片，它所提供的直流偏置有何变化? 答：（1）. 其快、慢轴与晶体主轴x 轴成450 角（即快、慢轴分别与x’、y’轴平行）。此时，它所提 供的直流偏置相当于在电光晶体上附加了一个V 1/4的固定偏压(E x’和E y’的附加位相差为900 )；使得调制器在透过率T=50%的工作点上。 （2）. 若旋转1／4波片，会导致E x’和E y’的附加位相差不再是900 ；因而它所提供的直流偏置也 不再是V 1/4。当然调制器的工作点也偏离了透过率T=50%的位置。 3.为了降低电光调制器的半波电压，采用4块z 切割的KDP 晶体连接(光路串联、电路并联)成纵向串联式结构。试问：(1)为了使4块晶体的电光效应逐块叠加，各晶体的x 和y 轴取向应如何? (2) 若λ=0.628μm ， n 。＝1.51，γ63＝23.6×10—12 m ／V ，计算其半波电压，并与单块晶体调制器比较之。 解：(1) 为了使晶体对入射的偏振光的两个分量的相位延迟皆有相同的符号，则把晶体x 和y 轴逐块旋转90安置，z 轴方向一致（如下图）， (2).四块晶体叠加后，每块晶体的电压为： v 966106.2351.1210628.0412n 41V 41V 12 3-6 63302' 2 =?????=?==-γλλλ 而单块晶体得半波电压为： v 3864106.2351.1210628.02n V 12 3-6 63302 =????==-γλλ 与前者相差4倍。 4．试设计一种实验装置，如何检验出入射光的偏振态(线偏光、椭圆偏光和自然光)，并指出是根据什么现象? 如果一个纵向电光调制器没有起偏器，入射的自然光能否得到光强调制?为什么？ 解：（1）实验装置：偏振片和白色屏幕。 a. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如有两次消光现象，则为线偏振光。 b. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如光强有两次强弱变化（但无消光现象发生）；则为椭圆偏振光。 c. 在光路上放置偏振片和白色屏幕，转动偏振片一周，假如光强没有变化；则为自然光（或圆偏振光）。区分二者也不难，只需在偏振片前放置一个四分之一波片（可使圆偏振光变为线偏振光，可出现a 的现象）即可。（这里自然光却不能变成线偏振光） （2）自然光得不到调制。原因是自然光没有固定的偏振方向，当它通过电光晶体后没有固定的位相差； 因而不能进行调制。 x y z x y z x y z x y z
情境一巩固与提高： 一、填空题 1.华裔学者高锟科学地预言了制造通信用的超低耗光纤的可能性， 并因此获得诺贝尔物理学奖。 2.目前光纤通信所使用的光的波长为1260nm-1625 nm 。 3.数字光纤通信系统由光发射机、光纤和光接收机 构成。 4.光纤通信的3个低衰耗波长窗口分别是0.85um、 1.31um 、 和 1.55um 。 5.非色散位移光纤零色散波长在1310 nm，在波长为1550 nm处衰减最小。 6.光纤主要由纤芯和包层构成，单模光纤芯径一般为 8-10 μm，多模光纤的芯径一般在50 μm左右。 7.光纤的特性主要分为传输特性、机械特性、温度特性 三种。 二、简答题 1.简述光纤通信的优点和缺点。 答：光纤通信的优点： 1)频带宽、通信容量大 2)损耗低、传输距离远 3)信号串扰小、保密性能好
4)抗电磁干扰、传输质量佳 5)尺寸小、重量轻、便于敷设和运输 6)材料来源丰富、环境适应性强 光纤通信的缺点： 1）光纤性质脆。需要涂覆加以保护 2）对切断的连接光纤时，需要高精度技术和仪表器具 3）光路的分路、耦合不方便 4）光纤不能输送中继器所需的电能 5）弯曲半径不宜过小 2.简述光全反射原理。 答：光全反射原理：当光从光密媒质（折射率相对较大）到光疏媒质的 交界面会发生全反射现象，即入射角达到一定值时，折射光线将与法线 成90°角，再增大会使折射光线进入原媒质传输。 3.简述光纤通信系统的基本组成。 答：光纤通信系统由光发射机、光纤、光接收机组成。光发射机的作用就是进行电/光转换，并把转换成的光脉冲信号码流输入到光纤中进行传输。光源器件一般是LED和LD。 光纤：完成光波的传输。 光接收机的作用就是进行光/电转换。光收器件一般是光电二极管PIN和雪崩光电二极管APD。 4.简述G.652、G.653、G.655的特点和主要用途。 答：G.652：也称标准单模光纤，是指零色散点在1310nm附近的光纤；在
激光通信经历了大气通信和光波导（光纤）通信两个重要的发展阶段。早期的激光大气通信曾掀起了世界性的研究热潮，许多经济和技术力量雄厚的发达国家在这个阶段投入了大量的人力、财力和物力，对激光大气通信进行了广泛的研究开发。早期的激光大气通信所用光源多数为二氧化碳气体激光器、YAG固体激光器、He-Ne气体激光器等。二氧化碳气体激光器输出激光波长为10.6μm，此波长正好处在大气信道传输的低损耗窗口，是较为理想的通信用光源。与激光大气通信技术研究基本同步展开的还有光纤波导通信，从而在技术上形成了激光通信中与传统通信相对应的激光无线通信（激光空间通信）和激光有线通信（激光光纤通信）。 1975年，世界上第一条光纤通信实验应用线路在美国芝加哥开通，揭开了光纤通信应用的序幕。此后，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，光纤通信从80年代起在全世界掀起了应用的热潮，并迅速被确认为是地面有线通信最有发展潜力的重要的通信手段，以致得到了一日千里的发展和推广应用。与此同时，激光大气通信技术由于器件技术、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一时得不到很好的解决和弥补，便在轰轰烈烈的光纤通信热潮中，隐退得几乎无影无踪。 1.存在的主要问题 一段时间以来，激光大气通信技术之所以难以得到应有的发展和推广应用，存在的主要技术问题是： 对大气信道衰减大及误减随机变化量大的补偿技术问题;大气湍流的影响，使信道折射率发生不均匀的随机变化，其结果使接收光斑发生所谓的闪烁现象和漂移现象。要削弱大气湍流的影响，有许多技术工作要做；
驱动功率小、转换效率高、激光输出功率大、调制带宽及伺服系统简单的激光发射器件的制作；灵敏度高、噪声特性好，适合于常温环境下工作的接收器件的制作；体积小、重量轻、光学特性好、便于安装、调校的光学收发天线的制作；背景噪声的滤除技术问题；如果采用窄带光滤波技术，又是存在激光器的频率稳定技术；在机动性要求高和工作平台方位稳定性差的场合应用，自动跟瞄技术也很关键。上述可归纳为：解决全天候、高机动性和高灵活性稳定可靠工作问题。 2.悄然复兴的激光大气通信技术 激光问世后，将激光应用于通信的想法就随之产生了。在国际上，美国、英国、日本、前苏联等国家，广泛开展了对激光大气通信的深入研究。 然而，进入80年代中后期，国际国内大部分从事激光大气通信技术研究的单位相继停止了进一步研究。有的国家甚至还宣布了走激光大气通信研究的路是一条“死胡同”，“走不通”。尽管如此，国内外仍有单位和人员始终在坚持不懈、孜孜探求解决激光大气通信技术问题之路。 1998年，巴西AVIBRAS宇航公司公布了该公司研制的一种便携式半导体激光大气通信系统。这种通过激光器联通线路的军用红外通信装置，其外形如同一架双筒望远镜，在上面安装了激光二极管和麦克风。使用时，一方将双筒镜对准另一方即可实现通信，通信距离为1km，如果将光学天线固定下来，通信距离可达15km。1989年美国FARANT1仪器公司成功地研制出一种短距离、隐蔽式的大气激光通信系统。1990年，美国试验了适用于特种战争和低强度战争需要的紫外光波通信，这种通信系统完全符合战术任务的要求，通信距离为5~2km。如果对光束进行适当处理后，通信距离可达5~10km。
自由空间激光通信技术概述 06061118 刘晓彪 摘要：本文对自由空间激光通信技术经行了大体上的介绍，具体分析了其中的关键技术和研究重点，并对这一前沿技术的未来发展趋势经行了展望。 关键词：激光通信 自由传输 大气信道 空间激光通信系统是指以激光光波作为载波，大气作为传输介质的光通信系统。自由空间激光通信结合了光纤通信与微波通信的优点，既具有大通信容量、高速传输的优点，又不需要铺设光纤，因此各技术强国在空间激光通信领域投入大量人力物力，并取得了很大进展。 一、传输原理 大气传输激光通信系统是由两台激光通信机构成的通信系统，它们相互向对方发射被调制的激光脉冲信号（声音或数据），接收并解调来自对方的激光脉冲信号，实现双工通信。受调制的信号通过功率驱动电路使激光器发光，从而使载有语音信号的激光通过光学天线发射出去。另一端的激光通信机通过光学天线将收集到的光信号聚到光电探测器上，然后将这一光信号转换成电信号，再将信号放大，用阈值探测方法检出有用信号，再经过解调电路滤去基频分量和高频分量，还原出语音信号，最后通过功放经耳机接收，完成语音通信。当开关Ｋ掷向下时，可传递数据，进行计算机间通信，这相当于一个数字通信系统。它由计算机、接口电路、调制解调器、大气传输信道等几部分组成。接口电路将计算机与调制解调器连接起来，使两者能同步、协调工作；调制器把二进制脉冲变换成或调制成适宜在信道上传输的波形，其目的是在不改变传输结果的条件下，尽量减少激光器的发射总功率；解调是调制的逆过程，把接收到的已调制信号进行反变换，恢复出原数字信号将其送到接口电路；同步系统是数字通信系统中的重要组成部分之一，其作用是使通信系统的收、发端有统一的时间标准，步调一致。 二、关键技术分析 一）高功率激光器的选择 激光器用于产生激光信号，并形成光束射向空间。激光器的好坏直接影响通信质量及通信距离，对系统整体性能影响很大，因而对它的选择十分重要。空间光通信具有传输距离长，空间损耗大的特点，因此要求光发射系统中的激光器输出功率大，调制速率高。一般用于空间通信的激光器有三类：二氧化碳激光器。输出功率最大(>10kw)，输出波长有10.6m和9.6m，但体积较大，寿命较短，比较适合于卫星与地面间的光通信。 Nd:YAG激光器。波长为1064nm，能提供几瓦的连续输出，但要求高功率的调制器并保证波形质量，因此比较难于实现，是未来空间通信的发展方向之一。采用半导体泵浦的固体激光器，若使半导体发射谱线与Nd:YAG激光器吸收谱线一致，可减少热效应，改善激光光束质量，提高激光源综合性能。这种激光器适合用于星际光通信。 二极管激光器（LD）。LD具有高效率、结构简单、体积小、重量轻等优点，并且可以直接调制，所以现在的许多空间光通信系统都采用LD作为光源。例如波长为800～860nm的ALGaAs LD和波长为970～1010nm的InGaAs LD。由于ALGaAs LD具有简单、高效的特点，并且与探测、跟踪用CCD阵列具有波长兼容性，在空间光通信中成为一个较好的选择。 二）快速、精确的捕获、跟踪和瞄准（ATP）技术 这是保证实现空间远距离光通信的必要核心技术。系统通常由以下两部分组成： 1、捕获（粗跟踪）系统。它是在较大视场范围内捕获目标，捕获范围可达±1°～±20°或更大。通常采用CCD阵列来实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构共同完成粗跟踪，即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几mrad，灵敏度约为10pW，跟踪精度为几十mrad； 2、跟踪、瞄准（精跟踪）系统。该系统是在完成目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。通常采用四象限红外探测器（QD）或Q-APD高灵敏度位置传感器来实现，并配以相应伺服控制系统。精跟踪