紫外光通信有哪些优缺点 未来紫外光通信的应用几何？

紫外光通信系统一般是由发射系统和接收系统组成，其中发射系统将信号源产生的原始电信号转换成适合在信道中传输的信号，接收系统从信号中接收并恢复出相应的原始信号。紫外光通信源于光无线通信技术或称自由空间光通信（FSO，Free Space Optical Communication），是一种宽带接入方式，是光通信和无线通信结合的产物。光无线通信技术，利用光束信号通过大气空间，这种技术的接入系统在组成结构上与光线传送系统类似。

紫外光通信与光通信技术结构大致相同，原理是基于两个相互关联的物理现象，一方是大气层中的臭氧对波长200nm-280nm的紫外光有吸收作用，我们通常称为日盲区，利用到达地面的日盲区紫外辐射在海平面几乎衰减至零；另一现象是地球表面的日盲区紫外光被大气强烈散射。由于日盲区的存在，为200nm-280nm波段的紫外光通信系统提供了通信条件。与此同时，由于紫外光的散射作用，使能量传输方向可发生改变，便奠定了通信基础，利用大气散射和吸收的原理实现了紫外光通信技术。

紫外光通信 以日盲区的光谱为载波，发生端口由信源、调制驱动、指定紫外光源组成，将发射端的信号调制并加载在该紫外光载波上发送出去，利用大气散射作用进行传播，并由接收端口紫外探测器、处理驱动、信宿识别，对紫外光信号的识别与破解，并处理得出信息信号。

当前紫外光通信系统从通信方式来说，有视距通信与非视距通信。视距通信方式，与光无线通信基本相同，遵循信号强度按指数规律衰减，与距离的平方成反比的规律。非视距通信是紫外光特有的方式，由于散射作用，紫外光在传输过程中产生的电磁场使大气中的粒子所带的电荷产生振荡，振荡的电荷产生了电偶极子，辐射出次级球面波。由于电荷的振荡与原始波同步，所以次级波与原始波是具有相同的电磁振荡频率，并与原始波有固定的相位关系，次级球面波的波面分布与振动情况决定散射光的散射方向。因此，散射在大气中紫外光信号与光源保持了相同的信息，从而实现了信息传输。

紫外光通信的特点 1. 不受无线电管理委员会的限制，由于波长为200-280nm，该频带是开放，在使用中是不需要频率应用，无需向无线电单通信申请频率许可证。2. 紫外光通信的干扰少。由于200-280nm属于日盲区，这种波长的光线被大气分子和悬浮颗粒吸收，强度指数衰减，到地球地表的能量非常弱，所以背景噪音很小。3. 紫外光通信的机密性高，紫外线的波速很窄，定向性好，又属于非可视光，白天夜间都无法发现，因此无法探测到链路位置，不存在监听的可能性，干扰和拦截的可能性更小。4. 紫外光通信适合在遮挡的场景中使用，由于紫外光源是通过在大气中扩散的粒子与电荷产生振荡，形成固定的相位关系，并由接收端接收。因此，紫外线可执行非视距通信，适应复杂的地形环境，克服了其他自由空间光通信系统必须采用视距工作方式的缺点。5.紫外光通信灵活性高，紫外光通信平台可以采用车载式、机载式、舰载式，克服了传统有线与无线通信需要电缆和基站的缺点。紫外光通信的接收器如同一部摄像机，可以随时随地安装，进行快速布局。在复杂环境中，当无线通信、有线通信和光纤通信都不能用的时候，紫外光通信作为一种备用通信手段就会发挥作用。

紫外光通信的技术突破 1. 传输距离短，由于大气衰减的影响，紫外线适合于1km内的短距离通信，超出此范围将很难检测。2. 紫外线对人体安全的威胁，紫外线对人体安全一直备受关注，在无遮挡时紫外线直射人体会造成伤害。但由于研发出222nm安全波段，这一问题也将迎刃而解。由于紫外光通信是利用紫外线通过大气进行传送的，紫外光会被大气与悬浮颗粒物吸收，不适合长距离通信。紫外光通信系统还在持续研发中，虽然无法进行大面积商用。但由于其技术优势明显，其劣势正在被技术的进步所抵消，具有广泛应用前景和巨大市场潜力，许多问题正在逐步解决。

其实，早在1960年，美国海军就开始了关于紫外光通信的研究，1964年 G.L.Harvey做了关于紫外光通信关键技术的研究，1967年 J.A.Sanderson 将其应用到实际的光通信实验中。

2000年美国通用公司为美军研制了一种实用的新型隐蔽式紫外光无线通信系统，已装备部队，该系统通信速率提高到4.8Kbit/s，误码率达到10的负六次方。该系统不易被探测和接收，适用于多种近距离抗干扰通信环境，尤其适用于特别行动和低裂度冲突，可满足战术通信要求。

2002年SET公司生产出了可以商用化的波长在247～365nm之间的深紫外LED。这SET 公司可提供峰值波长为247～365nm的深紫外LED。尽管其电功率为150毫瓦，辐射光功率仅为微瓦级，还不能与光功率为毫瓦级的红外LED相提并论，但是近年来随着工艺和材料等方面的长足发展，紫外LED的电功率和光功率以及可靠性都有了很大的提高。

2004年，美国麻省理工大学林肯实验室采用274nm的紫外LED作为光源，将240支紫外LED做成阵列，其光功率仅为4.5毫瓦。实验采用非直视通信，在100米的范围内通信速率为200bit/s。

2007年，美国国防部高科技计划规划局就开始资助深紫外波段雪崩二极管的研发，要求其响应波段峰值为280nm，增益为610 ，目前已取得积极进展。

2020年，日本东北大学的研究人员提出了深紫外线LED提升光无线通信LiFi的方法，并在7月22日将研究成果发表于《应用物理快报》。东北大学先进材料多学科研究所副教授Kazunobu Kojima表示，可见光和红外光无线通信都可能受到太阳光干扰。为了避免与太阳光混淆，使用深紫外光可改进光通信，深紫外光不受太阳光的干扰，从而被探测到。

美国陆军研究人员正在探索在战场上使用紫外线光通信，通过其技术使敌方无法检测到被保密的链路。这项由美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室进行的研究的主要目的是为未来的研究开发一个框架，该框架可以在何种情况下量化紫外通信，既对友军有用，又对敌方探测不到。

目前，受限于紫外芯片技术水平，生产厂商并不多，行业普遍认为UVB/UVC世界领军企业是美国的SETi，其次是韩国的LGIT和首尔半导体，以及Lumileds和Osram。中国涉足紫外芯片领域的厂商，主要是台湾公司，例如光宏、联胜以及国内的至芯半导体。由于技术难度大，许多欲进入这一领域的企业望而却步。

至芯半导体研究人员在蓝宝石模板上制作了深紫外芯片，测量它们的传输速度后发现，深紫外芯片可以做到比传统的LED体积更小，通信速度更快。 通过小型芯片的集成有利于提高光通信技术的功率和速度。

由此可见，紫外线通信系统作为新型通信手段，将为人们提供一种新的宽带接入技术，利用光谱来突破带宽接入的瓶颈。随着高速本地网络互联需求不断的增大，对于不同的场合和不同的用户需求，通过合理的配置系统来实现紫外光通信应用将加速实现。目前许多技术已在研发中，并在军事、娱乐、生活中的场景领域进行测试应用。

空间光通信技术究竟难在哪？

文 | 王天枢 长春理工大学

空间光通信凭借其带宽优势，成为未来高速空间通信不可或缺的有效手段，是近年来国际上的研究热点。基于广泛的潜在应用领域，发达国家一直极为重视空间光通信技术的研发，实施了一系列研究计划。美国参众两院军事委员会公布的《2022财年国防授权法》批准太空发展局新增1200万美元预算，用于激光通信终端和技术投资。可以看出，空间光通信逐渐成为未来各国在军事领域的技术竞争点。

什么是空间光通信？

光通信包括光纤通信和空间通信两种方式。光纤通信是以光纤作为传输信道进行通信，目前整体技术发展情况较为成熟。空间激光通信是以光为载波，自由空间或大气作为传输信道的通信方式，可以建立空空、空地、地地、星地、星间等完整的组网通信系统。

空间光通信的基本原理：包含信息的电信号通过调制加载到光上，收发两端捕获-对准-跟踪技术(APT)建立起通信链路，以光为载波在自由空间信道中传输信息。

空间光通信结合了无线电通信和光纤通信的优点，具有安全性好、通信速率高、传输速度快、波段选择方便且信息容量大的优点，其终端系统具有体积小、重量轻、功耗低、施工简单、可灵活机动的特点，在军事和民用领域均具有重大的战略需求与应用价值[1,2]。

空间光通信系统发展现状

空间光通信已经在多种链路成功开展了试验，如卫星/地面、卫星/卫星、卫星/飞机、飞机/飞机、空/地(飞艇/地面或飞机/地面)及地面站间[3]。

美国、欧洲、日本、中国和俄罗斯等国家在空间光通信领域进行了多项试验验证（如图1），取得了关键技术突破，推动空间光通信走向实用化。

图1（上图）空间激光通信试验成果 （下图）空间激光通信高速化进程

1

国外发展现状

美国在国家航空航天局(NASA)和空军支持下成为最早开展空间光通信研究的国家。

NASA依托喷气推进实验室，2000年就完成了光通信演示系统(OCD)试验，2013年月球光通信演示验证计划(LLCD)实现了月球轨道与多个地面基站40万公里距离的激光双向通信[4,5]。2017年NASA创新型1.5U立方体卫星的“激光通信与传感器演示”(OCSD)项目针对未来小型卫星的高速率激光数据传输技术进行验证[6]，星地链路下行速率最高2.5Gb/s。2021年进行了NASA第一个端到端激光中继系统的激光通信中继演示实验(LCRD)，实验使用人眼不可见的红外激光，以1.2Gb/s的速率在地球与相距22000英里的地球同步轨道之间传输数据[7]，图2为红外激光通信示意图。

图2 红外激光通信示意图

2023年，NASA计划发射一颗探索性金属卫星Psyche，搭载激光通信终端DSOC进行深空激光通信试验，通信距离为5500万公里[8]，试验架构如图3所示。

图3 深空光通信(DSOC)演示架构示意图

欧空局(ESA)于2001年实施的半导体激光星间链路试验(SILEX)项目，首次验证了低轨卫星(LEO)至地球同步轨道卫星(GEO)间通信。2020年10月，欧空局计划发射一颗卫星探索Didymos双星，搭载深空光通信终端OPTEL-D进行7500万公里超远距离光通信[9]，如图4所示。

图4 OPTEL-D终端原理框图

日本已经开展了一系列星地光通信演示验证，工程试验卫星(ETS-VI，1995-1996)计划和光学在轨测试通信卫星(OICETS, 2003/2006)计划都完成了光通信测试，实现了世界首次低轨卫星与移动光学地面站间的光传输[10,11]。日本的研究已经开始向空间光通信终端小型化、轻量化、低功耗方向发展。2018年日本国家信息通信技术研究所(NICT)发射的超小型空间光通信终端VSOTA质量不到1kg[12]，且功耗较低，稳定性较好。2020年11月，日本发射数据中继卫星JDRS，进行高轨卫星对低轨卫星的光通信及中继验证，采用差分相移键控(DPSK)通信制式，通信速率为1.8 Gb/s。2021年，日本计划开展HICALI项目，促进下一代激光通信技术研究，并在LEO轨道上验证10Gb/s级光通信[13]，如图5所示。

图5 HICALI演示系统示意图

2

国内发展现状

国内开展空间光通信技术的研究起步晚，但是近年来成果显著，哈尔滨工业大学和长春理工大学在通信系统技术和端机研制方面首先取得了重大突破，中科院上海光机所也开展了在轨试验，中国空间技术研究院、武汉大学、电子科技大学、西安光机所等单位在激光通信单元技术领域取得了不少研究成果。

2007年，长春理工大学完成了我国首次空间光通信动中通试验，突破了双动态光束瞄准跟踪技术，传输速率可达300 Mb/s，并逐渐将速率提高到1.5 Gb/s、2.5 Gb/s、10 Gb/s，陆续开展了空地、空空等链路的演示验证[14]；2013年又完成了两架固定翼飞机间远距离光通信试验，传输速率2.5 Gb/s，距离突破144 km，超过了欧美同类演示验证的最远距离[15]。

2011年，哈尔滨工业大学利用海洋二号卫星开展了我国首次星地激光通信链路的数据传输在轨测试[16]，最高下行速率504 Mb/s。

2017年，中科院上海光机所利用墨子号量子科学实验卫星开展了我国首次星地高速相干激光通信技术在轨试验[17]，采用差分相移键控(DPSK)最高下行速率达到5.12 Gb/s。同年，搭载实践十三号高通量卫星的星地激光通信终端开展的我国首次高轨卫星对地高速激光双向通信试验取得成功[18]，40000 km星地距离最高速率5 Gb/s。

2019年12月27日，中国空间技术研究院研制的实践20号卫星成功发射，卫星上搭载了由中国空间技术研究院西安分院研制的激光终端，终端主体如图6所示；2020年3月30日，该终端与丽江光学地面站建立了国际上首个正交相移键控(QPSK)相干星地激光通信链路。该系统的速率达到10 Gb/s，是截止到目前我国星载光通信的最高速率，链路其他关键指标也达到了国际先进水平。这些试验在系统设计、捕获跟踪技术和光波的大气传输特性等方面提供了宝贵的经验[19]。

图6 实践20号(SJ-20)卫星激光终端

空间光通信关键技术

随着激光、光学和光电子元器件技术的进步，空间光通信技术不断取得突破。按照系统功能划分，主要包括捕获跟踪、通信收发、大气补偿、光机电设计四类技术。

1

捕获跟踪

空间光通信借助光源的小发散角波束提供高功率增益，因此空间光通信对光束的捕获跟踪提出了比微波通信更高的要求。实现快速大概率大范围的光束捕获和稳定高带宽、高精度的光束跟踪是空间光通信研究的核心目标。

光束捕获采用激光瞄准技术和粗精跟踪相独立的体制，即粗跟踪由大视场相机和伺服转台组成闭环，提供大范围低频带伺服控制。2020年，中国空间技术研究院西安分院搭建了V频段天线捕跟系统（如图7），通过外场捕获跟踪试验，天线增益大于56 dB，低噪放噪声系数小于4.2 dB，自动跟踪精度优于0.05°[20]。

图7 V频段天线捕获跟踪系统组成框图

随着激光技术的进步，激光器体积更小、精度更高、效率更高，使激光光束智能变换、激光相控阵等新技术逐渐发展成熟。将这些技术运用于空间光通信捕获、对准、跟踪系统中，将改变传统的跟瞄模式，使空间光通信系统的跟瞄精度、速度和可靠性大大提高。而小型高效率激光器的出现，使跟瞄系统向小型化、轻型化和集成化发展。可采用粗精复合高精度跟踪，通过激光光束智能变换，在保证跟踪性能的前提下，简化了空间光通信跟瞄系统。

2

通信收发

空间光通信要求激光器具有大调制带宽、高发射功率和窄线宽等特点。激光调制技术主要有直接调制和间接调制，由于直接调制方式使带宽和发射功率受限，大多采用小功率种子激光源间接调制后通过高功率光纤放大器获得高发射功率的方法。根据作用光束的强度、频率、相位等参数不同，分为调幅、调频和调相等调制方式，由于不同波长系统相应器件的差异，调制方式也有区别。

目前空间光通信采用激光波长主要有800 nm、1000 nm和1550 nm等3个波段，800 nm的半导体激光器一般利用强度调制/直接检测(IM/DD)，1000 nm的Nd:YAG固体激光器可以采用各种调制方式，而1550 nm波段半导体激光器与光纤通信系统兼容，采用多种高速调制方式并利用掺铒光纤放大器实现高速高功率发射。

另外，激光通信接收机的高速探测器均由光纤耦合，适应高速探测器的小探测截面，有利于系统集成化。因此，空间光到光纤的耦合是激光通信接收部分的关键技术之一，而由于光纤静态角偏差、随机角起伏误差、大气湍流像差等因素使耦合变得十分困难。对光纤高效率耦合主要受模式匹配、对准偏差、菲涅尔反射、吸收损耗、平台振动等影响。目前的研究主要采用光学自适应、锥形光纤、光纤章动等方法，但并未出现实质性的突破，可见，光纤高效耦合技术是空间光通信系统的主要难题之一。

3

大气补偿

当空间光通信应用在星地、空空和空地等链路时，在穿越大气层的过程中，由于大气湍流影响，激光在传输时会出现接收功率抖动，导致系统出现严重误码，而高速光通信更明显[21]。

采用高精度实时波前畸变校正技术是抑制大气湍流对传输光束波前影响的方法，通过哈特曼传感器进行多孔径波面探测，在一定程度能够矫正波前畸变。主要技术难点在于激光到达角起伏补偿、波面变形补偿和空中飞行时附面层影响补偿，通过探测系统引入波前畸变补偿镜技术进行联合校正。

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光机电设计

减小自由空间的功率损耗，需要提高发射光学系统增益，这就要求通信光束以近衍射极限角发射。在保证发射光学口径的基础上，提高光束发射增益对于光纤耦合技术、光束整形技术、望远镜面型设计提出了严格要求。为突破近衍射极限角发射的关键技术、发射激光源的整形准直技术和高效率光纤耦合技术，需要研究光纤不同芯径、束散角与光学系统匹配的优化选取方法，均依赖激光技术的发展。

对于光学基台技术，要求模块化、轻量化设计，且能满足未来空间光通信网络一点对多点动中通同时传输[22]。激光技术应用的广泛性促成了跨功能行业的标准化，激光整形传输促成了元件的模块化和标准化，有利于降低整机体积与成本。在光机设计领域，激光加工大大提高了传统光机设计的精度，使空间光通信整体性能得到了快速发展。

空间光通信四大发展趋势

空间光通信技术近年来飞速发展，许多技术难题逐步被攻克。例如，快速高精度指向、捕获、跟踪(PAT)技术，大气湍流效应抑制及补偿技术，窄线宽大功率激光发射技术、低噪声光放大技术和高灵敏度DPSK/BPSK/QPSK光接收技术等。这些技术难题的攻克，为实现星际激光通信奠定了基础。纵观空间光通信技术领域的发展，呈现以下趋势：

1）高速率

近年来，空间光通信的迅速发展主要表现在速率方面。随着空间光通信高速调制解调和传输技术的快速发展，未来星地速率有望达到100 Gb/s量级。高速光通信采用高阶调制方式(QPSK、QAM)和复用方式(WDM、TDM、OAM)，短距离(<1 km)速率可达Tb/s量级。

2）网络化

随着全球化和信息技术的发展，亟需突破可以不依托地面网络、无缝覆盖全球、高带宽和抗毁性能的空间网络，并要求其有适应多样性业务的能力。因此，依赖空间光通信技术实现的天基宽带传送网络是必然发展趋势，如图8。空间光通信技术逐渐从“点对点”模式向中继转发和构建激光网络的方向发展。长春理工大学提出采用旋转抛物面结构设计“一点对多点”光学收发天线，实现多颗卫星间激光通信组网[23]，是探索解决“一对多”激光通信技术难题的重大进展。

图8天基宽带传送网络示意图

3）多用途

随着空间光通信技术的逐渐成熟，空间光通信调制速率高、传输距离远和能耗低的优点逐渐凸显，已广泛用于星间、星空、空空、空地等链路的宽带数据传输，并逐渐向深空、水下和地面接入通信扩展。如深空探测、探月工程、水下无线光通信等拓展了人类生存空间，是世界大国争相发展的技术。

4）一体化

由于激光在高速通信和精密测距具有一定的优势，近年来激光测距与通信一体化技术越来越受到重视。一体化设计以高速通信为主，兼顾精密测距，使用同一束激光和硬件平台实现测距和信息传输，进而实现同一套设备完成测距和通信双重功能。2021年，长春理工大学提出了一种对空间碎片进行探测与信息传输的新方案[24]，将激光测距、光谱偏振成像、激光通信三种功能融为一体，如图9。

图9 探测与成像一体化原理样机

另外，为兼顾通信系统的可靠性与大带宽，光波通信与微波通信将长期共存、互为备份。光波和微波通信技术的融合，也是目前学术研究的热点，主要包括光波与微波收发融合、数据处理融合、微波信号的光学调制和产生等。逐渐发展成熟的微波光子技术，已经开始应用于雷达信号的激光传输和处理，未来在光波与微波融合通信系统中也将获得重要应用。

5）多谱段

随着多种光谱段激光技术的进步，从紫外到红外，甚至太赫兹波段，均已出现能够实用的激光技术。由于各谱段在抗电磁干扰、云雾穿透能力、自组网等方面均有一定的优势，因此，利用不同谱段通信系统的优势，未来空间光通信将大力发展紫外、可见、中红外、太赫兹等多谱段结合的通信模式。

紫外无线光通信方面，2021年长春理工大学设计了一种基于数字信号处理的高灵敏度水下光通信发收机[25]，灵敏度可达-38 dBm，在码速率5 Mb/s条件下，在I类水质中传输距离20 m、II类水质中传输10 m、III类水质中传输距离4.5 m。

THz无线光通信方面，2021年中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心(简称中物院微太中心)首次开展了220 GHz频段机载高速通信动态技术验证[26]，突破了高功率源、低噪声接收、高精度动态跟瞄、高速信号调制解调等关键技术，获得了220GHz频段不同高度、公里级距离下的大气传输特性试验数据，完成了高清视频业务连续可靠传输。同时通过动态等效验证，具备了单路单载波20 Gb/s高速通信能力。

结束语

空间光通信技术发展沿用了很多光纤通信及光学设计的技术，根据新的应用特点必然形成颠覆性的技术概念。而相关光电子、光学核心元器件的工艺水平制约了我国空间光通信技术发展，目前不管是科研还是产业均需要依赖国外技术。因此，为了推动空间激光通信技术的发展，还需做到：

1）加强基础研究，突破重点核心技术；

2）积极组织元器件关键技术攻关和成果转化，努力实现核心元器件自主知识产权；

3）积极参与国际标准制定，促进我国空间光通信技术和产业化的发展；

4）引导和促进相关产业健康发展。

作者介绍

王天枢 ，博士，长春理工大学教授，光学工程学科博士生导师。主要研究方向为光通信及应用技术；主持完成国家自然科学基金等项目15项；发表学术论文200多篇，第一发明人获授权国家发明专利22项，出版专著2部，国际会议邀请报告8次；2018年获吉林省技术发明一等奖（排名第一）；享受国务院政府特殊津贴，吉林省第十五批有突出贡献专业技术人才、第七批拔尖创新人才。

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END

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光电子和微电子有什么区别?

光电子和微电子是电子学的两个重要分支,它们有以下区别:1.研究对象不同:光电子主要研究光子与电子的相互作用,涉及到光与电子的发射、吸收、传导等过程。而...

光通讯是什么?

光通讯是一种利用光来携带信息的通信技术,也称为远程光通信。不论利用电子仪器传收或以肉眼直接观察光都属于光通信。光通信技术最早可以回溯到数百年前。即1...

光隔离的优缺点?

信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无触点,使用寿命长,传输效率高。光耦合器是70年代发...

光通信的原理是什么?

1、光纤通信的原理是:在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号,然后调制到激光器发出的激光束上,使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化,并通过光...

光通信的原理是什么?

1、光纤通信的原理是:在发送端首先要把传送的信息(如话音)变成电信号,然后调制到激光器发出的激光束上,使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化,并通过光...

青岛大学电子信息学院(微纳技术学院)怎么样?设有哪些专业?...

[回答]~接下来我为大家简单介绍一下我们青岛大学的电子信息学院(微纳技术学院)开设的专业以及研究情况专业设置:电子信息工程,通信工程,电子信息科学与技...

西安讯光通讯科技有限公司怎么样?

西安讯光通汛科技有限公司,成立于2014年7月24日。公司经营范围是电线电缆、通讯设备、电子模块感应器、电子元器件的销售;家用电器(除专控)、配电柜、通信设...