什么是激光通信激光通信主要分为哪几类

激光，是利用单色光进行受激辐射后产生的光，特点是方向性强、亮度高、单色性好、相干性强。

激光和微波一样都属于电磁波，但频率比微波要高几个数量级。

激光通信，顾名思义就是利用激光来传递数据，基本原理是将信号调制到激光的频率、振幅或者相位上面，然后进行传输。

根据传输介质的不同，激光主要分为三类：光纤通信，激光大气通信，自由空间激光通信。 在激光通信的早期，激光大气通信技术吸引了发达国家投入大量人力物力进行研发。 但由于大气信道衰减补偿、大气信道折射率不均匀变化、器件和材料不过关、难以精确对接等技术难题，激光大气通信没有进入大规模商用。 目前应用最广泛的是光纤通信，另外两种通信方式也在近些年再度受到各技术强国的重视，取得了很大进展。

光纤通信

20世纪60年代，高锟和G.A.Hockham经过仔细论证，提出了基于光纤的远距离通信方案。几年后光纤的衰减达到了高锟的要求，光纤传输成为现实。1975年，美国在芝加哥开通了第一条光纤通信实验线路，光纤通信时代正式开启。

光纤通信

光纤的导光原理 利用光的全反射，将激光导入光纤进行传输，就是光纤通信的基本原理。 跟电缆传输比较，光纤通信有很多优势，比如超大的通信容量（单根光纤已经达到100Tbps），原料为石英（节省金属），绝缘抗干扰防窃听（在光纤内部传输）。

光纤通信

光纤入户 20世纪80年代以来，光纤通信产业一直保持着快速增长，已经成为支撑信息时代的数据传输技术。 运营商的长途干线传输，已经从电缆、微波、卫星改成了光纤传输，全球互联网干线也采用了光纤通信，我国光纤入户家庭的占比更是达到了90%以上。

激光大气通信

激光大气通信和自由空间激光通信，都是在没有传输线路（光纤）的条件下进行的点对点通信。 大气通信指的是利用空气作为传输介质，属于无线通信。

光纤通信

大气环境对光信号的影响 大气通信的优点是设备类别简单且通信容量大，单光束速率可达10Gb/s以上。缺点则是非常容易受到雨雪沙尘等天气影响。 云雨雾雪会造成信号衰减，烟尘微生物水滴造成散射，氮氧等气体分子则会吸收光信号，大气湍流带来的光斑闪烁和漂移…… 此外由于激光的指向性强，高稳定的瞄准捕获与跟踪（APT）系统就变得非常重要，这也是大气通信大规模商用的难点之一。 水下蓝绿激光通信 我国在激光大气通信的研究方面起步比较晚，不过近些年进展较快。例如2009年的时候，西安理工大学便研发出通信距离长达3km~5km的大气激光视频传输系统，实现了全天候不间断的视频数据传输。 随着材料技术、工艺技术、APT系统、大气补偿算法等关键技术的不断完善，大气激光通信应该会迎来一轮大发展，适用领域包括楼宇通信、跨河通信、岛屿入网、水下通信等等。

自由空间激光通信

与激光大气通信的最大不同在于，自由空间激光通信主要用在太空领域，因此信道环境充斥着各种复杂的电磁波，在系统组成、关键部件和传输容量上倒是跟大气通信相差不大。 自由空间激光通信既可用于卫星-卫星通信（星星传输），也可用于卫星-地面通信（星地传输）。 由于通讯距离长达几千甚至上万公里，因此激光发散小、能量集中的特性可以大大降低发射机的功率和重量，发射端和接收端的口径也相应大大缩小。 在星星传输和星地传输的场景下，体积小巧、功耗低、传输容量大，就成为激光通信相比于微波通信的巨大优势。 最近几年，国内外对自由空间激光通信的研发投入不断加快。 我国早在2017年，就成功进行了国际首次高轨卫星-地面的双向激光通信试验，实测距离地球近4万公里的卫星和地面之间（星地传输）的通信速率达到5Gbps。 国际上，SpaceX在2020年进行了一次试验，两颗Starlink互联网卫星利用搭载的激光通讯载荷，传输了数百GB的数据（星星传输），为布局SpaceX公司的天基网络提供了重要参考。 激光大气通信和自由空间激光通信成熟之后，将会和地面上的光纤通信网络交叉融合，构建出立体的天-空-地-海光通信网络，互联网将真正做到随时随地接入。

激光通信：连接世界的光速桥梁

激光通信的产生可追溯到20世纪中叶，自激光问世后，其凭借单色性、方向性好和亮度高等优势，被人们应用在科学、医学、工业等领域。而后，随着信息社会的到来，通信需求急剧增长。传统的电磁波通信技术在数据传输速率和带宽方面逐渐受到限制，因此人们开始寻求新的通信技术来满足这一增长的需求。光纤通信因其具备大带宽、低损耗等优点，可大大提高信息传输的速率和距离，在众多通信方式中脱颖而出。在这种背景下，光纤通信技术在20世纪70年代末至80年代初得到了快速发展，并为激光通信提供了重要的技术支持和应用基础。

激光通信是指利用激光光束作为信息传输载体的通信技术。除了光纤通信领域，由于激光通信一般具有高速、大容量、低延迟等优点，适用于长距离、高带宽需求的通信场景，因此也被人们广泛应用于空间通信、卫星通信等领域，为信息传输提供了更快、更可靠的解决方案。

接下来，请随激光评论一起进入激光通信的世界。

图1 激光通信的应用举例

光纤通信技术

光纤通信是激光通信的一种形式。在光纤通信中，激光光源产生的光通过光纤传输信息。光纤作为一种传输介质，能够有效地传输激光中的信息信号，实现高速、远距离的通信。光纤通信技术是现代通信网络框架的重要组成部分，当代互联网世界的蓬勃发展离不开光纤通信技术的在其中起到的中流砥柱作用。光纤通信技术一般由三大要素组成：光源、光纤、光电探测器。光纤通信技术当中一般采用激光器作为光源，既能减少信号在传输过程中的损耗，又能保持信号的一致性与稳定性[1]。光纤通信中信息的高速传输同样与光纤紧密相关，诺贝尔物理学奖得主高锟博士指出，玻璃光纤能够满足激光通信中对于波导的需求。此外，玻璃光纤在传输过程中的瑞利散射损耗非常低，而光纤中能量的损耗往往来源于材料中杂质对光的吸收,因此，对光纤中的材料进行提纯是减小通信损耗，保持良好通信性能的关键[2]。

图2 导线中的光纤

自20世纪90年代以来，信息时代的浪潮席卷全球，人们对于互联网流量的需求度与日俱增，随之而来的是对光纤通信容量增长的需要。光纤通信容量的增长可通过多种技术手段来实现。首先是波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术，它允许在同一根光纤上同时传输多个不同波长的光信号，每个波长可以承载独立的数据流，从而提高了光纤通信系统的传输容量。其次是高速调制和解调技术，通过提高单个光信号的调制速率，使其能够携带更多的数据，进而增加了单个波长上的数据传输速率。另外，相干调制技术可以提高光信号的传输效率和抗干扰能力，从而进一步提高了光纤通信系统的容量。

图3 波分复用示意图

在现代社会中，光纤通信被广泛运用在各个领域，包括但不限于互联网、电信、广播电视、军事、医疗等。光纤通信是支撑互联网和电信网络的关键技术之一。根据国际电信联盟（ITU）的数据，截至2021年底，全球光纤通信网络的总长度已经超过数百万公里。大多数互联网骨干网络和电信运营商的主干网络都采用了光纤传输技术。例如，中国的“宽带中国”计划中，光纤网络建设是其中重要的一部分。此外，随着高清、4K、8K视频的普及，对于宽带和高速数据传输的需求越来越高。光纤通信技术能够提供足够的带宽和稳定的传输速率，诸多有线电视运营商都逐渐将同轴电缆网络升级成光纤网络。

光纤通信技术的发展面临着日益增长的带宽需求挑战。随着数据量的不断增加，尤其是人工智能、虚拟现实、元宇宙等应用的普及，对通信带宽的需求不断提升，光纤通信技术需要不断提高其传输速率和容量，以满足日益增长的数据传输需求。此外，成本和资源消耗也是光纤通信技术继续发展的一类难题。光纤通信系统的建设和维护成本较高，需要光纤材料、光学器件、设备和人力资源等方面的投入，除此之外，光纤通信系统的建设还需要大量的基础设施和资源支持，包括地面站、光纤网络等设施的搭建。

光纤通信网络历经长久的发展，已然成为信息时代的重要基石，也形成了一个规模巨大的学科与产业领域。随着人们对信息传递需求的不断增加，光纤通信技术必将朝着超大容量、智能化、集成化方向演化发展，继续为服务社会，造福人民发挥力量。

空间激光通信

空间激光通信技术是一种利用激光光束在太空或大气中进行数据传输的通信技术。它利用激光的高方向性和高频率特性，并结合了无线电通信和光纤通信的优点，通过激光光束进行通信，以实现高速、大容量、长距离的数据传输。空间激光通信技术通常应用于卫星通信、航天器之间的通信以及地球与空间站之间的通信等场景。相比传统的无线电通信技术，空间激光通信具有更高的传输速率、更低的延迟和更高的安全性，在军用领域与民用领域都展现出了重大优势[3-4]。

该技术可作为应急通信解决方案，适用于抗震救灾、突发事件、反恐、公安侦查等领域。具体来说，该技术能够为多种兵种的联合攻防提供军事保密信息服务，在局部战争、战地组网和信息对抗等方面具有显著优势。此外，由于其高带宽、快速传输和低成本等特点，空间激光通信技术被视为解决信息传输“最后一公里”和第五代移动通信技术（5G）小微基站传输的最佳选择[5]。

图4 空间激光通信链路分类

在空间激光通信中，捕获跟踪技术是关键技术之一，用于确保激光光束能够准确地指向通信终端，以实现高效的数据传输。该技术包括捕获和跟踪两个方面。捕获技术是在通信建立之前，需要将激光光束精确地对准接收终端，这个过程需要通过精密的控制系统来实现。跟踪技术则是在通信过程中持续追踪和调整激光光束的方向，以适应通信终端的运动和位置变化，需要利用反馈控制系统和光学设备来实现精确调整。在空间激光通信中，通常借助光源的小发散角波束提供高功率增益，这使得捕获跟踪技术面临更高的要求：更快速、高概率、大范围的捕获和更稳定的高带宽、高精度的跟踪。光束捕获采用激光瞄准技术和粗/精跟踪相互独立的运行机制，粗跟踪是利用大视场相机和伺服转台进行调节，而精跟踪则采用高帧频相机和快速振镜的闭环系统进行控制，两者相互配合以抑制光束运动和抖动引起的扰动。随着激光技术的进步，新技术如激光光束智能变换、激光相控阵的发展成熟，使空间激光通信技术的捕获、瞄准、跟踪系统发生改变，提高了跟瞄精度、速度和可靠性。同时，小型高效率激光器的出现推动了跟瞄系统向小型化、轻型化和集成化的发展。我国的空间激光通信技术虽起步较晚，但成果也十分显著，在该技术的多种链路中成功开展了大量实验，如星地链路、星间链路、星空链路、空空链路、空地链路等。

大气干扰是空间激光通信技术发展的主要挑战之一。大气中的云、雨、雾等天气条件会对激光光束造成散射和吸收，影响通信的稳定性和可靠性。相比传统的无线通信技术，空间激光通信技术还需要更多的设备和资源投入，包括激光器、光学设备、跟踪系统等，成本较高。如何降低空间激光通信系统的建设和运营成本，提高其成本效益，是值得思考的问题。其次，激光通信系统需要具备精确的光束捕获和跟踪能力，以确保激光光束能够准确地指向通信终端，因此，捕获跟踪技术的迭代更新显得尤为重要。

卫星激光通信技术

卫星激光通信和空间激光通信密切相关，两者都是利用激光技术进行数据传输的重要应用领域。卫星激光通信是指利用卫星作为中继站，通过激光光束在地球上不同地点之间传输数据的通信方式。随着人类对外太空的探索和利用不断深入，对于太空通信的需求日益增加。利用卫星作为通信系统中的中继站，在地面和地面、地面和空间、甚至地面和其他星球之间实现高速、高带宽的数据传输。

图5 卫星激光通信

近年来，随着遥感技术的广泛应用，以单颗卫星作为中继站的方式已经难以满足日益增长的业务需要，卫星组网的趋势逐渐在各国散播开来。各国争先恐后地开展卫星激光通信网络的布局和建设工作以抢占有限的空间频谱和轨道资源。在组网过程中，由于每颗卫星的负载、坐标不尽相同，导致针对单颗在轨卫星的硬件更新维护成本较高。由此人们引入了软件定义卫星网络，软件定义的卫星激光通信网络是一种利用软件定义网络和网络功能虚拟化等技术构建的高度灵活、可编程的卫星通信网络[6]。其通过集中式控制器对网络进行统一管理和控制，同时实现了网络功能的虚拟化和软件化，灵活部署各种卫星通信功能，如路由器、交换机、数据处理器等。此外，该技术还结合了人工智能和机器学习等技术，实现了网络的智能化管理和优化，自动识别和解决网络中的问题，提高网络的性能和可靠性。

图6 卫星激光通信网络

卫星通信的难点之一在于组建卫星网络架构。将多个卫星进行联网，在线上进行统一的资源调度与网络管理工作，以保障整个通信系统的运行性能与通信效率。设计高效运行的卫星组网拓扑结构、制定合理的资源分配策略，值得人们进行深入思考与探索。

除此之外，卫星网络路由算法上也有挑战摆在人们眼前。其一是如何在动态的网络拓扑结构下实现高效的数据传输，其间需考虑到卫星轨道的变化、信号覆盖范围的变化等因素。其二是如何优化路由算法来应对大气干扰、星际干扰等客观存在的干扰，确保通信的稳定性和可靠性。其三需要解决时延和吞吐量优化的问题，以提高数据传输的效率和及时性。设计兼顾动态性、稳定性和效率性的卫星通信网络路由算法，是一个充满挑战性的任务。

总结

21世纪以来，激光通信技术仍具有巨大的发展潜力，未来在各个领域能够实现更广泛更深入的应用。随着通信需求不断增长、技术不断进步，激光通信已然成为现代通信网络的重要组成部分，持续为互联网、电信、军事、医疗等领域提供稳定且高效的通信服务。在太空通信领域，激光通信技术还将成为星际通信和甚至探索外太空的主要方式，为人类探索宇宙提供重要的技术支持。

参考文献：

[1]谈仲纬,吕超.光纤通信技术发展现状与展望[J].中国工程科学,2020,22(03):100-107.

[2]Kao K C，Hockham G A. Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies [J]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1966, 113(7): 1151–1158.

[3]Jiang H L, An Y, Zhang Y L, et al. Analysis of the status quo, development trend and key technologies of space laser communication [J]. Journal of spacecraft TT & C Technology, 2015, 34(3): 207-217.

[4]Gao D R, Li T L, Sun Y, et al. Latest developments and trends of space laser communication [J]. Chinese Optics, 2018, 11(6): 901-913.

[5]杨乾远, 孙晖, 马拥华, 等．5G基站前传和中传的无线光通信方案设计 [J]．光通信技术, 2019, 43(9): 23-26．

[6]张家铭.卫星激光通信网络研究进展[J].光通信技术,2023,47(05):37-44.DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2023.05.008.

相关问答

激光通信原理?

激光通信是一种利用激光传输信息的通信方式。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传输光信号的通信方式。激光通信系统组成设备包括发送和...

利用激光是否可以通信?

完全可以的,而且激光通信技术相当成熟,应用在许多方面。激光通信的应用主要有以下几个方面:1、地面间短距离通信;2、短距离内传送传真和电视;3、由于激光...

光纤通信是利用激光从光导纤维的一端射入，在内壁上多次____...

[最佳回答]光纤通信是利用激光从光纤的一端射入,在内壁上多次反射后在另一端放射出来,然后在接收端,检测器收到光信号后把它变换成电信号,经解调后恢复原信息;...

星地激光通信原理?

是利用激光光束在地球上地面站和地球轨道上的通信卫星之间进行数据传输。其工作流程可以简单概括为:地面站通过激光器产生激光光束,经过光学系统聚焦后发送到...

【细读课文,说说为什么激光是世界上最快的刀·最准的尺·最...

[最佳回答]最快的刀:指它锋利、灵敏、速度快;最亮的光:方向集中,比太阳还亮100亿倍,如果对着激光看,眼睛会严重受损以致永久失明,如激光切割加工,或者是指激光...

激光产生的原理及应用是什么?

激光产生的原理: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的时候,所释放的能量以光子的形式放出。被引诱(激发)出来的光子束(...

激光测距传感器485通讯接线方法?

RS485有两线制和四线制两种接线,四线制只能实现点对点的通信方式,现很少采用,现在多采用的是两线制接线方式,这种接线方式为总线式拓扑结构,在同一总线上最...

激光光纤通信有什么优点?

光纤通信是利用光波在光导纤维中传输信息的通信方式。由于激光具有高方向性、高相干性、高单色性等显著优点,光纤通信中的光波主要是激光,所以又叫做激光-光纤...

激光切割机连接电脑com1通讯端口，打开软件里面提示说没设备。是哪里问题?

1,连接线是不是没有插好,如果是老是板卡DSP插卡的工作模式,请插拔下DSP板卡,避免接触不好导致而成;2,重新安装下激光切割机操作系统,驱动也要整体的安装...1...

量子加密通信在本质上是激光通信，却挂羊头卖狗肉上股市圈钱，你怎么看?

凡是满足量子力学基本原理的粒子都是量子。电子,质子,光子等都可以叫量子。所以光子有时又叫光量子,或光子。量子并不是指某一个确定的粒子,就如牛顿力学中的...