2.3.1 自由空间光通信概述

1．自由空间光通信的分类

从光可以有一定穿透能力的介质来看，光在自由空间的传播介质有3种，即大气（近地）、星间（外太空）和水下，光在自由空间的传播介质如图2-21所示。因此，根据其传输信道特征可分为大气激光通信、星间激光通信和水下激光通信。

2．自由空间光通信的波段

以激光光波作为载波、大气作为传输介质来传输光信号的空间光通信，通常采用红外激光脉冲。在太赫兹光谱范围内，波长为850nm或1550nm的光波信号，只要在收、发两端之间无遮拦的视距路径和足够的光发射功率，就可以进行通信。

以激光光波作为载波、海水作为传输介质来传输光信号的空间光通信，通常采用蓝绿激光脉冲，波长范围为400～580nm光波信号。这里提到的400～580nm波段，在水质较好的时候损耗可低于0.05dB/m，这个波段被称为海水的蓝绿窗口，非常利于实现军用对潜水下通信。

由于篇幅所限，本节中仅重点介绍以大气作为传输媒质的自由空间光通信系统及关键技术。

3．大气对激光束传播的影响

大气是由大气分子、水蒸气及各种杂质微粒组成的混合物，它对激光束的传播有很大的影响，主要体现在以下4个方面。

①大气吸收：大气在紫外、可见光和红外区域对光具有吸收作用，主要的吸收分子是H2O、CO2、O3、O2，以及少量的CO、CH4、N2O等。

②大气散射：指由大气中不同大小的颗粒的反射或折射所造成的，如大气的气体分子、灰尘和大的水滴等。纯散射不会造成光波能量的损失，但会改变光波能量的传播方向，使部分能量偏离接收方向，从而造成接收光功率的下降。例如，瑞利散射就具有波长选择性，波长越长散射越小。

③大气湍流：指大气中局部温度、压力的随机变化而带来折射率的随机变化。

④热晕效应：指大功率激光束在大气中传播时，激光束路径上的大气分子或悬浮微粒因吸收部分激光能量而发热，且足以导致空气折射率发生变化，从而使激光束发生附加的弯曲和畸变等现象。