激光通信

激光是20世纪中叶以后发展起来的一门新技术,是现代物理学的重要成果,是当今信息技术的主要支撑技术之一。

1.激光的发明与发展

激光( light amplification by stimulated emission of radiation,简称LASER)是受激发射的光,含义是“通过辐射的受激发射而实现光的放大”。所谓受激发射是指:处于高能级E2态的原子,受到外来光子的作用,若外来光子携带的能量hν正好等于它的某一对能级的能量差E2-E1 ,它就会从高能级E2 态跃迁到低能级E1 态,并发出与外来光子完全相同的另一光子,这就是受激发射的过程。受激发射产生的光子在频率上、发射方向上、偏振态、相位和速率等都与入射光子完全一样。受激发射的结果,使原子从高能级回到低能级,而光子数则由一个变为两个,这两个光子又可以使另外两个处于E2 态的原子产生受激发射,形成四个相同状态的光子..因此受激发射意味着原来光讯号的放大。显然,如果光源的发光是受激发射,那么得的光辐射就是单一频率的、并朝着一个方向传播。这样放大的光是一般自然条件下得不到的“相干光”,由此获得一种单色性好、相干性好和亮度极高(能量很集中)的新光源———激光。

能够发出激光的装置称为激光器。1960年美国科学家梅曼(T·Maman)研制出世界上第一台红宝石激光器,获得了波长为694. 3 nm的激光。1961年美国贝尔实验室的贾万(A·Javam)研制成世界第一台可连续运转的气体激光器———氦氖激光器。

以红宝石激光器为代表的固体激光器和以氦氖激光器为代表的气体激光器研制成功以后,引起了全世界科技界研究激光的热潮,各类激光器如雨后春笋相继诞生。如以半导体材料砷化镓( GaAs) 、硫化镉(CdS)和碲锡铅( Pb2SnTe)为工作物质的半导体激光器;以有机化合物和无机化合物为工作物质的液体激光器;基于化学反应来建立粒子数反转而产生激光的化激光器以及自由电子激光器、准分子激光器、离子激光器等等。

1961年8月,我国第一台“小球照明红宝石”激光器在长春光学机械研究所诞生。1978年研制的甲烷吸收稳频氦- 氖激光器,由于稳定度和再现性都非常高,促成第17界国际计量大会通过了光速的统一标准。1987年6月,中国科学院上海光机所建成1 TW ( 1012 W)大型高功率激光装置———神光装置,中国成为世界上少数拥有这种大型激光系统的国家之一。1989年,西安光机所研制成脉宽为21～500 fs( fs - 飞秒, 1fs = 10 - 15 s)的飞秒级脉冲连续可调激光器,超过当时美国贝尔实验室水平,使我国的飞秒激光器跃居国际领先地位。

由于激光具有高强度、高单色性、高相干性等特点,使得它在工业、农业、医学、通信、能源、军事等各个领域得到广泛应用,其影响是十分巨大的。激光从问世到应用,比以往任何新技术所用时间都短。电话从发明到应用大约为50年,飞机为20年,晶体管缩短为3年,而激光仅为几个月。1997年美国斯坦福大学的华裔科学家朱棣文因其在利用激光技术冷却囚禁气体原子实验方面的杰出贡献,与法国和美国两位学者一起分享了1997年诺贝尔物理奖。为此激光被誉为创造奇迹的光,照亮21世纪之光。

2.激光通信

激光与普通光在本质上没有区别,都是属于光频波段的电磁波,具有普通光的一切特性———反射、折射、透射、干涉、衍射等,但激光有其特殊性,可以把光能在时间、空间、谱线宽度上高度集中,频率范围宽广,可调谐性强;单色性好,强度高,方向性好和相干性好;激光束的发散角度小,能量集中在很小的范围内;激光通信的波长远小于微波通信的波长。因此,在同样功能和条件下,利用激光通信,在接收器处可获得比微波高几个数量级的功率密度。

利用光通信的历史比无线电还早,但没有无线电通信发展的迅速。激光出现以后,光通信的面貌发生了根本性的变化,激光像普通电磁波一样,可以进行调制和解调,可以把各种信号加载到光波上发射从而实现光通信。激光通信是以激光为载波,自由空间为传输介质的通信技术。激光在通信技术领域的应用主要体现在两方面:一是有线激光通信———光纤通信,二是无限激光通信———空间激光通信。

2. 1光纤通信

20世纪60年代,半导体激光器的问世,光通信盛极一时,但历时不久便陷入低潮。主要原因是大气层中的温度、湿度、尘土、云雾以及雨量等等的影响,使激光束在大气层内信号衰减,并使光束的位置发生变动,难以连续维持长久的正常通信。为了克服大气传光的缺点, 1966年,美籍华人科学家高琨提出利用光导纤维进行激光通信的设想,1970年美国康宁公司依据这一设想做出20 dB /km的低损耗光导纤维。光导纤维的研制成功,解决了激光大气传输问题。自此之后,光通信迅速发展起来,光导纤维成为光通信技术中最优越的传光线路。实用的光纤通信系统的基本构成如图1所示。

图1　光纤通信系统的基本构成

光纤通信系统由三部分组成:光发信机、传输光缆、光收信机。其中电端机(收、发部分)为常规的电子通信设备。光发信机实质上是一个电光调制器,它用电端机送来的信号对光源进行调制,光源一般为半导体激光器和发光二极管。光纤是光纤通信的主要组成部分,现在应用的光纤是根据全反射原理制成的,是一种比头发丝还细的玻璃纤维丝,呈圆柱型结构。一般有两层,内层是芯线,折射率比外层高,直径在8～50 μm,信号在其中传播;外层是包皮,既保护芯线,又与芯线配合使光束产生全反射。

实际通信系统使用的是由许多光纤聚集在一起的光缆。一根直径为1 cm的光缆,里面有近百根光导纤维。一根光缆可以传输几百万路电话或几十路彩色电视节目。由于光缆通信具有频带宽、容量大、抗电磁干扰;光纤内传播的光能几乎不会向外辐射,同一根光缆中不会造成各光纤之间的串扰;制作玻璃纤维的材料是石英石,比起制作电缆的铝、铜等材料,既经济又容易获得,可以说是用之不竭;光纤的损耗很小(现已做到0. 2 dB /km数量级) ,可增加无中继传输距离,适于长途传输通信等等众多的优越性,使光缆通信成为世界范围内发展最快的领域。目前,光纤通信被认为是地面有线通信最有发展潜力的重要通信手段。

2. 2无限激光通信

无限激光通信( Free Space Optical communication,简称FSO) ,是利用激光束作为信道在空间直接进行语音、数据、图象信息双向传送的一种通信技术,又称“自由空间光通信”。无限激光通信系统一般包括三个基本部分:发射机、信道和接收机,其原理如图2所示(图中只标注了单向传输部分,相反方向的传输原理相同) 。

根据使用情况,无限空间光通信可分为点对点、点对多点、环形或网格状通信等。点对点通信是由两台激光通信机构成的通信系统,每一端都设有光发射机和光接收机,他们相互向对方发射(视频、音频和数据等信号)被调制的激光脉冲信号,接收并解调来自对方的激光脉冲信号,实现双工通信。系统所用的基本技术是光电转换,传输特点是将光束以直线传播。

无限激光通信比无线电通信以及光纤通信有着很多优势。由于无限激光通信系统的设备没有射频信号的相互干扰,工作频率在100 THz以上,不挤占宝贵的无线电频率资源,可以免费使用,不需要频率许可证;由于是以大气作为传输媒介,不需要铺设光缆或电缆,安装快速、使用方便,造价及运行成本低;激光的直线定向传播使它的发射光束窄,方向性好,发散角小,数据传输的保密性好;激光通信的波长远小于微波通信的波长,因此,用于激光通信的天线尺寸远小于微波天线的尺寸,可做的很小,设备小巧轻便,有利于激光通信在各种航天器及小卫星上使用;与光纤通信一样,传输频带宽大,支持155 Mbit/ s～10 Gbit/ s的传输速率,信息容量大;因是以光为传输机制,协议透明———任何传输协议均可容易地叠加上去,对语音、数据、图象等业务可以做到透明传输;同时还具有电磁兼容性好、抗强电磁干扰、无电磁辐射、组网方便灵活、不影响人们的健康等优点,适用于保密通信、移动通信、城域网扩展、宽带网零公里接入、无线基站数据回传、局域网互连、应急和临时通信等。将无限激光通信与光纤和微波通信方式互相补充、相互配合,必将有良好的发展前景。

图2　无限激光通信传输原理图

激光通信也存在一些不足之处,例如光纤传输中的损耗、色散问题;无限激光通信在大气传输中的衰减问题等等。但是,由于激光的独特优点,随着空间通信诸多问题的解决,激光通信必将成为今后通信的主要手段,有着广阔的应用领域。