激光与光电子学进展 2001年第 7期(总第 427期) 45
1 引言
激光空间通信 ：系统 、技术及应用
通信技术经历了持续发展，携带信息所
用频率越来越高 。在马可尼的时代只有几百
千赫 ，而在光纤系统中使用 了激光技术后 已
达到数百太赫。主要驱动力是可用带宽即传
输能力随载波频率成正比增长。在自由空间
点对点链接中，另一优点开始发挥作用。自由
传输电磁波束所能获得的最小发散度用波长
度量 ，由微波 飞跃到光波 ，束宽减小了几个数
量级，即便所用发射天线 比微波系统中的小
很多 ，情况也是如此 。束宽减小不仅意味着接
收器位置的强度增加．，还使运转的紧邻链接
问串扰降低，并减少被截听的可能
往常在星际链接中应用的空间通信都用
微波进行 ，25年以前已在研究用激光系统将
其替换。人们希望光收发机的质量、功耗和尺
寸能 比微波收发机的小，还希望在将天线快
速重新定位时用于卫星状态控制的燃料消耗
较少。但另一方面必须指出，对指向 搜索和
跟踪窄频带宽度激光束的极大需求带来诸多
新的困难。
本文首先讨论光学 自由空间链接 的基
础，然后指 出它与地面光纤系统和微波链接
的不同，并给出对发送器、接收器、光学天线
和 PAT系统(PAT即指向、搜索和跟踪)的
需求和现有技术 ，最后概述应用情况及 系统
技术。
2 系统设计
上述发射系统一般都需要满足宇宙飞船
间的点对点数据传输 (见图 1)。需连接的距
收藕 日期 2OOl—O3—2o
离可能是几百公里到七万公里 (近地应用)，
也可能达数百万公里 (由空间探 测器发射信
号)。现在数据速率的范围从每秒几百千 比特
一 直到约 10 Gb／s。
图 1 空间激光通信链接示意图
多数 空间光通信终 端都设计成双 向链
接 ，这至少涉及光学跟踪作用 。它们由共用光
学天线的发射器和接收器组成。光束转向(或
指 向)能力必需达到亚微弧度级角分辨率和
可能超过半球的角度范围。
由于这些需求 ，形成了图 2所示 的收发
机结构。光源 S是激光器 ，工作于单横模，以
使天线达到最大可能增益。如激光为连续波
或周期脉冲列，用外调制器(M)将数字信号
加载到光束上。对于某些激光器也可使用内
调制 。调制后 的光束在进入用作发射天线的
望远镜(ANT)前 ，光经过光复用装置(DUP)
和精密指向组件(FPA)。望远镜放大光束直
径，减小发散度。用粗调指向组件(CPA)使天
线转向
接收的辐射同样通过天线和精密指向组
件 ，然后在光复用装置的辅助下指 向终端 的
接收部位。由分束器(Bs)将接收光的一部分
导向数据探测器<DD)完成解调，并在数码电
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子元件(DE)中作进一步处理 ；另一部分光用
于控制精密、粗调指向组件 ，其方法是撞击搜
索与跟踪探测器(ATD)的中心部位。须在发
送路径或接收路径插入前向组件(PAA)，以
实现发选和接收之间角度准直的电控。
前
接收敦据 == 光束
— + 电子 学联接
图 2 空问链接光学收发机结构图
s；激光源；M ：调制器 ；DUP；光复 用装置{FPA 精 密指
向组件 fANT；天线fCPA：粗调指向组件|PAA：前向组
件fBs 分束器 fDD 敢据 探测器 fDE：敦码 电子 元件，
ATD：搜索与跟踪择测嚣 ；ATE：搜索与跟踪 电子元件
图 2仅为示意图，可作如下几方面的改
进 ：
1)为产生搜索 和跟 踪专用光束而设置
的独立激光源(信号激光器)；
2)用于输出、输入光束的独立天线；
3)搜索过程中为照射对应终端，精细增
加信号光束发散度的方法；
4)配备独立光探测器用于搜索和跟踪 ，
或用单个光探测器进行数据检测 、搜索和跟
踪 ；
5)安装光学辅助放大器以提 高输 出功
率 。
在任何情况下 ，激光终端 的制作都有三
点要求，即；
1)能覆盖数据传送 目标的方位 ；
2)可指向、搜索和跟踪甚窄激光束；
3)设计 可限制间距 的光机械结构和与
飞船工作台的电路连接。
以上各方面都要求尖端理论。但 目前人
们普遍对与指向、搜索和跟踪有关的难题估
计不足。
3 空间激光通信的特点
人们可能更熟悉基于光纤的光传输系统
或应用微波的传统星际链接 ，下面试阐明空
间激光通信与它们的不同
3．I 与光纤系统的不同
光纤系统 中色散和非线性是 主要关系 ，
自由空间通道中则不存在这种效应 。将传输
信号耦台到 自由空间通道 中需要天线 ，通常
其形式为望远镜 。但是 ，由日光等造成的背景
辐射提 出了难题 ，不能使用直线放大器或再
生器 。
如有一空间链接用来维持双向同步数据
传输 ，而终端又仅有一个天线 ，收发机中就必
须有一光复用元 件将发送光与接 收光分离
(图 2)。要使发送光束不致被其 自身终端的
接收器接收，需选到很高的分离程度：如发送
功率为 500 mW，接收功率为 5 nw，分离程
度必须高于 90 dB才可忽略串扰。光复用器
散射光水平极低是必备条件 。复用器可基于
光谱鉴别 (即滤光)或偏振疏散 ，也可同时利
用这两种技术。一种常用的做法是在两个方
向分别使用左 、右圆偏振光。这也使发送对终
端沿天线轴的旋转不灵敏。由于偏振复用仅
能提供约 15dB的分离，系统必须有波长复
用的设计 。
一 般情况下，两终端都有措视线的相对
速 度 o，多普勒效应将产生接收信号的频移
af。只要UD《 c(c为光速)，hf=vD／2(2为载
波波长) 在 LEO--GEO链接 中(LEO为低空
地 球轨道卫星，GEO为同步卫 星)， o可达
约 ±1．8x10 m／s。由于波 长短 ，对 于 j=
1．06 ，多普勒频移非常大 ，为士7．5 GHz。
只要未使用极窄带光学滤片，直接探测接收
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激光与光 电子学进展 2001年第 7期(总第 427期) 47
器中也可忽略这样的频移。但在外差接收器
中，该频移须加以校正，可通过调节本机激光
振荡器或 在第二 中频级调节 电子振荡器实
现，也可同时进行这两种调节 。
空间应用中可靠性和寿命 尤其重 要，这
比在海底光缆系统中更明显。例如，激光源 自
身或(冷却)探测器可能表现出可靠性方面的
弱点，需要重复操作。其它子单元如望远镜或
粗调指向组件可能过于笨重而被否定。
3．2 与微波系统的不 同
首先，给出光学指向链接所接收功率值
P 的等式与微波链接 中的相同，即
= P GR[ ／(4 R)] LrL LP (1)
式 中 Pr为发送器产生的光输出功率；G 和
为传输和接收天线的增益值； 为载波波
长；R为终端间距离； 和 为发送与接收
终端内的损耗} 考虑的是非理想指向导致
的 损耗 ，在 自由空间激光链接 中相当于几分
贝。由于光学链接中束线宽度小 ，发送和接收
天 线一般不会达到最大增益 。即使辅以灵敏
跟 踪控制 电路来校准天线轴 ，仍将存在指向
失准 ，接收强度会发生统计学变化 。
由一级近似 ，天线增益 Gr，G 与发送和
接收(环形)天线直径 Dr， 相关
Gr
．
一 ( Dr．Rn ) (2)
将式 (2)代入式 (1)得出接 收功率 P 正 比于
l／ 。将其与微波方法比较可知，光学方法更
具吸引力。式(2)适用于天线工作在衍射极限
情形，其全角值可由下式得到
≈ a／Dr (3)
显然，光频甚小的光束宽度 (对于 和
Dr的典型值约为 5~rad)为可获得高天线增
益(约 115 dB)提供基础 。但这一好处不能轻
易得到。形成并保持与极窄束线的连接很困
难，特别是当发送器与接收器相对位置改变
时 。
窄光束星际激光通信的苛刻要求之一是
需引入前向角 由于限定的光速 (c)和空间
中两移动通信终端豹相对角速度，发送光须
指向接收器稍后时刻将到达的位置。前向角
由下式给出
卢一 2 ／c (4)
式中 为发送器和接收器的相对速度分量 ，
与视线垂直，如图 3所示 。在 GEO—GEO和
LEO—GEO链接 中都需考虑前 向角，其 中前
者为 4o rad，后者达 70 ad，明显大于束线
宽度 。前向角可在任一收发机的发送或接收
路径引入 ， 随 时间变化时前 向角应可调。
很难设计 自动校正前向角的控制 电路。因此 ．
现在的原理立足于从已知位置数据计算前 向
角并以开路作补充。
tD+ L／c
图 3 宇宙飞船 S，和 Sz有 一相对速度分量与视
线 垂直，卢为其前 向角。虚线图形所示为指
示时刻 所在位置 。 为距离 {c为光逮
4 需求与技术
4．1 数据发送器
描述光源的主要参数为波长、输出功率 、
横模、偏振态、线宽和调制能力。波长短则对
光学元件表面质量要求提高 ，如需作衍射极
限运转就需器件体积加大。天线的质量和粗
调指向组件很大程度上受 的选择的影响 。
同时，必须考虑实际光接收器灵敏度的波长
f莨赖性。输出功率需按链接距离和数据速率
在 100 mw～1 W 间选取 单横模可达到最
大在轴天线增益，单纵模可获得最佳 光谱效
率。相干接收时有不利的相位噪声，此时发送
激光器和接收器内的本机激光振荡器都需有
窄线宽 。激光源发射的常规线偏振应先转换
为圆偏振方可离开终端。应直接调制(如在二
极管激光器 、中等数据速率情形下)或使用外
调制器 。特别是 ，如在联接中有次级光学辅助
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放大器，由电一光或电吸收调制器引起的插入
损耗应在容许范围内。与光纤通信系统一样，
为空间链接设计了基本二进制调制格式。在
相干接收器联接中 ，相移开关(也可能是频移
开关 )是通一断开关有吸 引力的替代物，能更
好地利用载波功率。
4．2 数据接收器
空间通信中不可能有在线放大 ，因而接
收器有良好灵敏度是极其重要。常用能达到
10 位错率的每位最小输入光子数表征灵敏
度。如果由于辐射的量子特性产生的其它噪
声源可忽略，则直接探测接收器要求 =6．6
光子／位。另外 ，对于相干接收器，用相移开关
调制的零差接收器要求 = 5．6光子／位 。两
种情形下都假定用二进制教发送信号 ，且零
与非零几率相等 。实际达到量子极限的程度
依赣于技术人员将其它噪声成分的影响降至
可忽略水平的能力，这些成分包括：
1)雪崩光二极管(APD)的额外噪声 ；
2)光学前置 放大 器噪声 (放大 自发辐
射)；
3)接收器 电路中的晶体管 噪声和 回路
噪声 ；
4)激光相位噪声 ；
5)发送一接收交叉耦合 ；
6)背景辐射 。
目前，使用雪崩光二投管的直接接收器
已可达到 2．5 Gb／s。其灵敏度由电子学噪声
和放大噪声决定 ，低数据速率时约为 100光
子／位。将掺铒光纤放大器用作光学前置放大
器，在 10 Gb／s时灵敏度好于 50光子／位。
相干接收时，接收光场与本机激光振荡
器光场混频 ，变换为 电子学体系(中频 ，IF)。
混频用光探测器完成。光场的幅度、频率和相
位的信息都被保存起来，因此也可探测到频
率和相位调制光信号 。对于高数据速率的相
移和差分相移信号，也可配合直接接收器实
现光解调 。因为光混频器灵敏范 围的尺度大
于波长，在光学角度 ，接收光场和本机光场的
空间模须互相 匹配方能获得最大 的中频信
号。匹配要求偏振、幅度和相位分布均相同，
后两者的优化与混频元件相关 。
相干接收器完全滤去来 自指定入射方向
以外的辐射。它还通过中频滤波器很好地剔
除不想要的光谱元素。因此它事先就对背景
辐射和串扰较不灵敏。[直接接收器如装有单
模空间滤波器 (如光纤预放大器)和与数据光
谱匹配的光学滤片 ，也能获得同等空间、光谱
滤除效果。]在 565 Mb／s使用相移开关外差
接收器实验上演示了 22光子／位的灵敏度。
4．3 天线
发射天线实际上是一台望远镜，它将由
激光器或辅助放大器发出的光束直径 放大 。
光束呈高斯强度分布。天线不仅因其有限的
直径产生截断，还可能产生某些中心模糊，这
取决于望远镜的结构。这两种作用一般会使
式 (2)给 出的理 想在 轴天 线增 益 藏小 1．5
dB。天线干涉图类似爱里(A y)斑。构成望
远镜的光学元件的准直公差很紧密，因为要
得到最大增益就须使输出光束完全准直。
光学天线的主要指标有：主反射镜或透
镜的直径、放大倍率、像差、输入输 出的渡长
依赣性、对温度改变和温度梯度的灵敏度以
及散射光水平 。通常在小直径情况下选择折
射式望 远镜 ，而直径超过几厘米时选择反射
式望远镜。随着天线口径增大，要符合指标变
得越来越困难且造价昂贵。大型天线无疑将
增加光收发机的重量和体积，因为望远镜和
粗调指向组件对此影响报大。最近的看法是 ，
用于 自由空间激光链接的衍射极限天线直径
不应超过 25 crfi。通过万向安装天线 ，或利用
由两正交安装的转向反射镜或一个万向反射
镜组成的独立单元，实现粗调指向。
4．4 指向 ，搜索和最踩
要建立空间光链 接，必须引入复杂的空
间指向与搜索程序。应能获得两空间终端的
位置信息。而且 ，由于位置不确定，对宇宙飞
船的定位不完全清楚(高度不确定)，所以需
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将一个终端光束宽度精确加宽 ，以准确照射
到忽略了位置不确定性的另一终端。在搜索
完成、转换到跟踪状态前 ，还需要一个对第二
终端 (并随即对第一终端)窄光束接收路径的
空间研究过程。CCD这样的广视场搜索探测
器用处最大。
数据传送过程 中，视线和传输光轴 问的
夹角必须保持在传输束线宽度 口(可能仅有
几微弧度)的几分之一以内。为保持发送和接
收天线充分准直 (不考虑工作台振动)，两终
端都需安装跟踪伺服 电路。两个方 向都需产
生光信号，以向控制电路提供输入信息 携带
数据 的光束本身即可作为信号光，在单 向链
接中，也可使用独立的光束 一般在跟踪中应
保证指 向偏差在 1 rad以内。只要跟踪 电路
发 出最佳 接收位置信号 ，传输光束 (或信号
光)就将准确地指向对应终端 。对于任一收发
机内的发送和接收光路 ，都要求精确的共轴
准直。通常准直中还考虑了偏差和前 向角。为
确保短搜索时间和足够的跟踪精度，搜索、跟
踪过程应接收充足的光功率。
5 应用情况
考虑 的第 一 种 情 况 是 两 颗 同 步 卫 星
(GEO)问的双向对称链接。GEO卫星间的轨
道距离在几度到 120。间 ，对应为几千公里到
75000 km [图 4(日)]。这种链接具吸引力的
特点有：单一(或极少)搜索过程 ，标称的零多
普勒相移 ，及很低的跟踪角速度。通过微波实
现与地面接收站的联系。
将低空地球轨道卫星(LEo，距地面高度
小于 1000 km)产生的大量数据 流先发送到
用 作中继卫星 的 GEo上 ，再通过微波发往
地面[见图 4(b)]能收到很好的效果 这种
非对称链接的总距离约为 45000 km 原则上
允许连续将数据传送至少 1／2个 LEO轨道 ，
到达单个地面接收站。
激光数据链接的另一用途即图 l上部所
示情形，其特征为距离极远(如几百万公里)、
数据速率相对较低(如约 100 kb／s)。这种链
接的作用是将宇宙或太空深处的探测器上的
数据发往绕地球运转的中继卫星。中继卫星
可装备大型接收天线 。接下来再用微波传往
地面接收站。光学地面接收站接收的是通过
大气层的探测器数据。
GEO1
Gl：02
图 4 )用 激 光 复 用 链 接 联 系 两 同 步 卫 星
(GEOI和 GEO2)‘(6)将 GEO用作中继
卫星，用激光链接从 LEO传送数据。两种
情况都通过微波 将数据发往地面
为提供移动数据传输 ，现正计划和建立
卫星网，其 间的甚高数据速率互联能力即可
通过光学链接实现(见图 1)。因互相干可忽
略的优势 ，困扰射频链接的频率分配问题 现
在实际上 已不存在。另一优点是光学终端的
重量和体积将减小。
6 系统技术
在为星际激光链接努力的近三十年时间
里涌现了许多技术 ，开始是以灯抽运锁模 Nd
：YAG激光器、在 ^一10 m工作 的 CO 激
光器、GaA1As二投管 (^ 0．85 m)等为基
础、现在应用二极管抽运 Nd：YAG激光器
(^ =1 06 m)和 InGaAsP半导体激光器(^
一 1．5 m)。
但至今还只发射 了少数实验系统。欧洲
空 间局 (ESA)在 LEO观测卫星 SPOT N上
安装了一台终端。它使用的是 0．85 m二投
管激光器 ，可 以 50 Mb／s速率传输数据。另
一 终 端 还 在 等 待 被 送 上 同 步 卫 星
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5o 激光与光 电子学进展 2001年第 7期 (总第 427期)
ARTEMIS。该系统名为 SILEX(半导体激光
星际链接实验)，早在 1985年即 已开始。2001
年 日本将发射其专用 LEO卫星 OICETS，以
此参与这项实验。这颗卫星上将装载一台光
学终端，用以与 ARTEMIS通信 。1 994年～
1996年同测试了一个激光链接，为 日本试验
卫星 ETS一Ⅵ上一台终端和东京 、加利福尼亚
的地面接收站 间的通信，不过卫星并未进入
预定的同步轨道，而是绕高度椭圆轨道运行 。
用二极管激光下传 ，用氩激光上传 。
针对未来的应用 ，目前正研究基于 Nd：
YAG激光器和 1．5 m二极管激光器与掺铒
光纤放大器结合的系统。由于这两种激光源
固有的特征 ，它们分别适于相干探测和光学
预放大器直接探测 。
将来应从几方面开展研究：相位调制信
号的光学解调之类最新技术进展 ，低占空比
归零编 码的应用 ，或 将两者结合 ；使用 1．5
pm波段大量成熟可靠的技术基础。只有如
此，星际网络之类中等规模应用才不乏其经
济性 。 (颜 严供稿)
相变光盘的现状和前景
1 前言
磁记录硬盘 (HDD)随着计算机需求 的
扩大取得发展。记录密度以 60 的速率逐年
递增 ，近十年持续增长约 100倍 。另一记录媒
体光盘 ，除 了用 于 PC机以外 ，还作为声盘、
视盘用 。1 982年上市了 CD盘 ，作为计算机
用CD-ROM 占领了急剧变化的市场。可重写
型光盘在磁光盘和相变光盘的竞争中取得了
发展。1877年 J．Kerr发现了磁光 Kerr效应 ，
和磁存储一样具有 100年以上历史。1968年
s．R，Ovshinsky发现了相变记录效应。
本文讨论相变光盘的基础技术以及向重
写型 DVD光盘的发展和前景 。
相变光盘是应用硫硒碲材料的相变现像
作为光存储。但是相变光盘在实用性方面还
必须解决可重复次数、擦除性能等许多课题 ，
并且实现了和磁记录对应的利用可重复专用
存储信息媒体和可重写型媒体互换特征的多
媒体光盘和 PD系统。在高密度化技术开发
中，开发了一种与 CD基板不一样(相对 CD
收薯 日期 ，2ool—o2—13
基板 t一0．6 mm)的薄型基板 ，打开 了通 向
DVD的大 门，实现了比 CD容量大 7倍以上
的 4．7 GB的大存储容量。作为播放音乐、高
质量影视 的媒体取得 了进展 ，相变光盘技术
也可用于 DVD。
相变光盘 由于记录速度、数据传输速度
的提高和采用短波长蓝激光记录高密度化，
以及多层(双层)大存储容量技术等，正从吉
比特(GB)向太比特(TB)大容量光存储技术
发展
2 相变光盘重写存储的原理
相变存储是将原子规则排列晶体相和非
规则排列非晶体相 间的相转换现像应用于可
重写光存储中的技术。相变记录膜的晶体相
和非晶体相其复数折射率 N — n+ i× k(n
是折射率，k是擦除 系数)不一样大，因此 ，
膜的反射率发生变化。如 Ge—sb．Te组成 的
相 变 型 膜 ，对 于 非 晶态 时 n一 4．47，k—
L 40，晶态时 n一 5．07，k= 3．42，显示出各
自提高的特性。相变记录重现方式和 CD等
的凹凸槽一样 ，通过检出反射光量的变化再
现原信息，驱动光学系统和CD兼容。图1示
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