入门级科普光通信

光纤的发明，带动了通信领域内的革命，如果没有光纤提供大容量的高速通道，互联网也只能停留在理论设想阶段。如果说，20世纪是电的时代，那么21世纪就是光的时代。光到底是如何做到能通信的？

什么是光通信

简单来说，光通信就是使用光，向对方传输信息的技术。

光通信的基本结构 ：我们身边的电脑和手机，通过电信号“0和1”发送信息。光通信是由将电信号转换成光信号的“发送机”、将光信号转换成电信号的“接收机”，以及传输光的回路“光纤”构成。

光传播媒质（光纤）

▶光纤结构

光纤裸纤分为三层：

第一层纤芯：位于光纤的中心部位，成分为高纯度的二氧化硅即玻璃。芯径一般为9-10微米（单模）、50或62.5微米（多模）。纤芯折射率较高，用来传送光。第二层包层：位于纤芯的周围，成分也是二氧化硅玻璃（直径一般为125微米）。包层的折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件。第三层涂覆层：最外层是加强用的树脂涂层。保护层材料强度大，能承受较大冲击，保护光纤不受水汽的侵蚀和机械擦伤。

▶光传输损耗

光纤传输损耗是影响光纤通信质量的一个很重要的因素。造成光信号衰减的主要因素有：材料的吸收损耗、传输时的散射损耗以及其他包括光纤弯曲、受挤压、对接损耗等因素造成的损耗。

光的波长不同，在光纤中的传输损耗也不同，经过漫长的摸索和实践，专家们逐渐总结出一个低损耗波长（1260nm~1625nm）区域，这个波长区域范围的光，最适合在光纤中传输。所以光纤通信使用的光波一般都是红外波段的。

▶光纤分类

多模光纤：传输多种模式，但模间色散比较大，限制了传输数字信号的频率，而且随传输距离的增加这种限制会更加严重。因此多模光纤传输的距离比较近，一般只有几公里。单模光纤：纤径很小，理论上只能传输一个模式，适用于远程通信。

光纤通信系统工作原理

▶光纤通信系统

平常使用的手机、电脑等通信产品，发送的信息是以电信号的方式存在。

简单介绍一下光纤通信系统中每个器件的工作原理。

光发送机： 将电信号转换成光信号，主要由信号调制器和光源组成。

信号复用器： 将多个不同波长的光载波信号，耦合到同一根光纤中进行传输，达到传输容量倍增的效果。

光中继器： 传输过程中，信号的波形和强度会发生劣化，因此需要将波形复原到原信号那样整齐的波形，加大光强。

信号解复用器： 将复用的信号分解成原来的单独信号。

光接收机： 将接收的光信号转换成电信号，主要由光电探测器和解调器组成。

光通信的优点与应用

▶光通信的优点

中继距离长，经济节能

假设传输10 Gbps（每秒100亿个0或1信号）的信息，如果使用电通信的话，每隔几百米就要进中继处理，调整一次信号。与此相比，使用光通信的话，中继距离可达100千米以上。调整信号的次数越少，成本越低，另一方面，光纤的材料是二氧化硅，储量丰富且成本比铜线低得多，因此光通信具有经济节能的效果。

信息传递快速，通信质量高

比如说，现在和国外的朋友通话或上网聊天时，不像以前那样声音会滞后。光通信借助于海底光缆，缩短了传输距离，因此信息传递更加快速。因此使用光通信能实现与海外更畅通的通信。

抗干扰能力强，保密性好

电通信会因电磁干扰出现错误，导致通信质量下降。但是，光通信不会受到电噪声的影响，因此更加安全可靠。并且由于全反射工作原理，信号完全束缚在光纤中进行传输，所以保密性良好。

传输容量大

一般电通信只能传输10Gbps（每秒100亿个0或1信号）的信息量，与此相比，光通信可以传输1Tbps（1万亿个0或1信号）信息量。

▶光通信的应用

光通信的优点众多，发展至今光通信已经融入了我们每个人的生活每一个角落。

电脑和手机发出的信号聚集在本地通信运营商的基站和网络供应商设备中，再通过海底光缆中的光纤传输至世界各地。

视频通话、网购、电游、追剧等日常活动的实现，都离不开它在背后的助力支撑。毋庸置疑，光网络的出现，让我们的生活变得更加舒适便捷。

卫星间的光链路通信技术：最新的前沿通信技术介绍

题记：着眼于广泛的互联网接入和防御，许多航天机构和公司已经将目光投向了用于卫星到卫星通信的激光通信系统。

光学和激光技术的创新开创了低地球轨道（LEO）卫星通信的爆炸式增长时代，其应用范围从宽带互联网到弹道导弹探测应用等。

自1990年代末以来，全球对数据的需求以惊人的速度增长。从在线游戏到高分辨率信息娱乐系统，消费者对低延迟、高吞吐量连接的需求一直永无止境。

但是，推动这种数据需求的不仅仅有消费者;也包括政府和国防机构的需求。在当今快速发展的地缘政治局势中，军方寻求快速准确的威胁探测能力。为了满足这一需求，低地球轨道（LEO）卫星星座通信在连接当今世界的方方面面发挥着越来越重要的作用。

LEO星座需要减少延迟

虽然卫星通信技术几十年来在通信基础设施中发挥了关键作用，但近年来对低地轨道"星座"通信系统进行了大量投资。一个低等轨道星座——比如SpaceX的Starlink——由数十颗甚至数百颗相互通信并将信息传输到地面的卫星组成。

近低地球轨道通常被定义为距离地球表面不到1000公里的轨道。与地球相对静止的地球轨道（GEO）和中地球轨道（MEO）卫星系统相比，低地轨道系统的主要优点是它们靠近地球，而这种接近度降低了信号到地面的传播延迟。

LEO，MEO和GEO卫星相对于地球位置的比较

此外，低地轨道系统中的卫星通常比地球静止轨道或MEO系统中的卫星更近。这意味着在LEO卫星之间传输光学数据所需的硬件可以更小，功耗更低。除了SpaceX之外，总部位于英国的OneWeb Technologies公司也发射了几百颗LEO卫星。Starlink和OneWeb的星座都旨在在全球范围内提供宽带互联网接入。

光学通信提高传输吞吐量

虽然射频（RF）技术历来用于卫星间通信，但现代卫星越来越多地使用基于激光的（光学）技术来使相互之间进行通信。

基于激光的技术有两个主要优点。首先，由于红外激光波的频率高于无线电波（意味着更短的波长），因此它们可以将更多信息打包到单个传输中。其次，与无线电波相比，激光在长距离上的色散较小。这意味着它们更难拦截，而这种传播特性增加了数据传输的安全性。

无线电波和红外激光之间的波长比较

卫星之间的光通信剖析

用于卫星间通信的光学系统由三个关键组件组成：接收器（RX），发射器（TX）和用于输出和传入激光束的放大倍率和方向的望远模块（telescopic module）。

在发射器中，电数据信号通过光参考和调制器转换为光域信号。在接收器中，望远模块（telescopic module）用于聚焦入射光束，并通过将其与馈送到本地振荡器的伪随机噪声序列相结合，将其转换为电信号。反馈环路用于确保本地振荡器保持与传输的传入数据具有相同的相位和频率。这在概念上类似于锁相环（PLL），而后者是许多电子电路中的基本组件。

用于空间通信的光收发系统框图

由于基于激光的通信是点对点的，因此在卫星星座系统中集成跟踪机制也是必不可少的。这样，发射卫星就可以定位接收卫星。这在技术上被称为采集和跟踪系统。

粗定位系统（CPS）将发射/接收光学系统定位到正确传输和接收光信号所需的大致位置。精细定位系统（FPS）定位系统，因此可以建立和维护激光通信链路。

上图显示了采集、粗指向和精细指向的流程图

同时，光传输系统和跟踪系统协同工作，在卫星之间建立通信链路。

用于卫星的光子IC获得牵引力

随着LEO卫星系统获得市场牵引力，基于微型光子集成电路（PIC）的光通信解决方案也随之获得牵引力。2018年，Tesat发布了世界上最小的CubeSats激光通信终端之一，名为CubeL。几年后的2021年，Tesat宣布成功测试ConLCT80，这是一款微型光通信终端，适用于美国政府项目。

Tesat ConLCT80，用于光卫星通信的微型激光通信终端

此外，目前正在对基于PIC的解决方案进行研究，以解决卫星间光通信挑战。PIC是在光域中工作的电路。根据UCSB的研究人员的说法，与传统系统相比，基于PIC的激光器具有更低的成本，尺寸，重量和功率。使用紧凑型掺铒光纤放大器（EDFA），基于PIC的光学激光器系统可以小至6 mm。

基于PIC的光通信系统采用紧凑型EDFA

由于太空中的极端环境条件，这些PIC必须像电气对应物一样具有耐辐射性。例如，NeoPhotonics Corporation最近宣布了一种耐辐射、可调谐激光器，用于LEO卫星系统。

卫星间通信的未来

由于基于激光的卫星间通信系统已经部署在LEO星座中，很明显该技术将继续存在。除了通过Starlink和OneWeb Technologies的星座提供互联网宽带接入外，政府和国防承包商还热衷于部署自己的光学LEO卫星网络。

美国航天发展署计划部署自己的低地轨道星座，配备各种军事用途的传感器。此外，该机构计划与L3Harris Technologies和SpaceX合作，使用LEO星座实现先进的导弹跟踪能力。

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