标题：激光通信技术
激光通信发展历程
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。 
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。 
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20世纪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。 
20世纪90年代初，俄罗斯随着其大功率半导体激光器件的研制成功，开始了激光大气通信系统技术的实用化研究。随后不久便相继推出了10km以内的半导体激光大气通信系统并在莫斯科、瓦洛涅什、图拉等城市得以应用。在瓦洛涅什城瓦涅什河两岸相距离4km的两个能源站（电力站）之间，五年前架设起了半导体激光大气通信系统，该系统可同时传输8路数字电话。五年来，尤其是近三年以来，该系统运行稳定可靠。在距离瓦洛涅什城约200km以及在距莫斯科不远的地方，也开通了半导体激光大气通信系统线路。现在，俄罗斯有关专家普遍认为，半导体激光大气通信系统在一定的视距内有效地实现全天候通信是完全可能的，也是很有潜力的。这种潜力主要体现在： 
半导体激光大气通信象其他无线电通信手段一样，具有安装便捷、使用方便的特点，很适合于在特殊地形、地貌及有线通信难以实现和机动性要求较高的场所工作； 半导体激光大气通信系统跟其他无线电通信手段相比，具有不挤占宝贵的无线电频率资源、电磁兼容性好、抗强电磁干扰能力强、保密性好等特点。当然其有效通信距离和带宽还待进一步提高； 跟微波、毫米波通信相比，半导体激光通信系统在价格上也有较强的竞争优势，是一种易于被市场和用户接受的通信手段； 在点对点的半导体激光大气通信系统技术实用化后，半导体激光大气通信系统还是组建各种室内、室外局域网的有效手段。正如国外有的专家所说的那样，半导体激光大气通信系统对于城市中移动电话蜂窝网的建设和发展，有着不可低估的价值，因为它的合理应用，会使蜂窝网中宝贵的频率资源得到更加充分的利用。 
随着器件技术、工艺技术和地面通信系统技术的不断成熟，半导体激光大气通信系统还是未来实现卫星之间的通信的有效手段，因此，在构筑外层空间通信网上，半导体激光自由空间通信将发挥重要的作用。 
各类器件技术和工艺技术的不断完善成熟，也是半导体激光大气通信系统得以实用化的有力保证。在这方面，国外用于大气激光通信的半导体激光和接收器件已商品化，目前，就发射功率和探测灵敏度而言，完全能满足15km以内的大气通信系统需求。例如，近年来美国、日本及俄罗斯等国都相继推出了适用于半导体激光大气通信的大功率器件（含组合激光器件），连续输出光功率从数十毫瓦到数瓦之间，脉冲输出时蜂值功率有的还达到了灵敏十瓦的量级。此外，为使收发天线更加简单实用，俄罗斯还研制开发了收发合一的半导体组件。 
在光学天线设计制作上，相关技术也不断完善成熟。光学天线现在主要的构成方式为：收发结合式、收发分离式和收发合一式。就俄罗斯而言，收发分离式是用得较多的方式。在光学天线内光学系统的设计上，国外有效地采用了自适应变焦技术以解决大气信息道传输特性随机变化时对通信造成的不利影响。实践证明，自适应变焦技术是一项有效的实用技术。 
在光学天线的架设上，高效率地安装校准装置和方法已经试验成功。现在，在俄罗斯仅需几分钟时间就可将一对半导体激光大气通信系统的天线架设好并使系统开通工作。 
信号压缩编码技术的合理使用，为在半导体激光大气通信目前还十分有限的调制带宽内（尤其是大功率下的有限带宽）更大容量地传输多路信号提供了保证。光波窄带滤波技术和光源稳频技术的成熟，可有效地排除背景光噪声的干扰，提高系统的稳定可靠性，这些技术在实用化系统中得到了广泛的应用。 
上述各项关键技术的完善和成熟，为激光大气通信技术实用化提供了强有力的技术保障，使得沉默了十余年之久的激光大气通信技术正在悄然复兴。 
一项新技术最终能否得以实用化，排除市场因素而仅从技术因素而言，有的得依赖于这项技术中的一项或几项关键技术能否得到类似于发明性的重大突破才能得以实用，有的则可依赖各项关键技术的工艺技术不断完善和成熟而实用化。笔者认为，半导体激光大气通信技术之所以能够逐步得到推广应用，恐怕应属于后者的范畴。为了说明激光大气通信技术在悄然复兴这一主题，在这里还需补充说明的是，俄罗斯不但已在本国内开始使用半导体激光大气通信系统，而且已向国外少量出口。目前俄罗斯正在与亚洲一些国家联合开展半导体激光大气通信组网技术的研究。美国在过去的一些年里，激光大气通信的推广应用情况发展也不错，据悉在1996年里，激光大气通信系统设备产值已达数千万美元……。 
总之，从现在起，激光大气通信实用化技术应该是一项值得人们引以高度重视的重要技术。
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。图1所示的是一台激光通信机的原理框图。图中系统可传递语音和进行计算机间数据通信。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。[1]