用于世界互联的快速、安全的无线通信

利用激光在空气中无线传输信息

比基于无线电的无线通信的带宽大得多

为农村偏远地区或灾难现场实现快速、可负担的互联网

为国防应用提供高度安全的通信保障

在我们这个联系日益紧密的世界上，快速的全球通信是至关重要的。世界银行宣布，宽带互联网接入是经济和人类发展的基本必需品，而不是奢侈品。¹它为教育、就业、医疗保健服务以及政府透明度和问责制开辟了机会，否则就会失去这些机会。自由空间光学（FSO）通信涉及使用激光将数据从一个地点传输到另一个地点，无论是从卫星到类似望远镜的地面站，一个卫星到另一个卫星，还是在地面的不同地点之间(图 1)。根据 Global Market Insights 的数据，自由空间光学（FSO）市场在未来五年中可能每年以超过 35% 的速度增长，到 2027 年将从 2 亿美元猛增到 20 亿美元。²除了可以到达没有光纤连接区域的快速互联网接入之外，FSO 还为国防应用提供了难以拦截的高度安全通信手段。

图 1: 自由空间光通信的一般过程。

高速互联网：现代生活的基本必需品

世界银行估计，发达经济体80%的人口拥有宽带高速互联网接入，而发展中国家只有35%的人口拥有宽带接入。¹ 这里的 "宽带 "是指比拨号上网更快的互联网。FSO 通信为已经拥有宽带互联网接入的群体以及没有宽带互联网接入的群体提供了更好的无线通信潜力。与射频（RF）无线通信相比，光通信提供的带宽增加了10-100倍，并且需要的输入功率更少。³ 由于相关的劳动力和挖掘成本，建立地面无线电站以接收FSO信号的相关成本也大大低于安装新的光纤连接。在某些情况下，使用FSO通信从地面上的一个位置到另一个位置也比安装光缆要便宜。

目前商业化的FSO网络的典型数据速率从100 Mbps到10 Gbps不等，而高端原型报告的容量高达160 Gbps。⁴ 许多不同的公司正在建立卫星网络，以促进高速、支持FSO的通信（图 2）。FSO 通信为创建全球宽带无线连接提供了一个实用的解决方案。⁵

图 2: 已经部署了卫星网络，以促进与地面接收器的高速自由空间光通信。

用于国防的安全FSO通信

FSO通信与射频或其他无线通信相比拥有更高的安全性，因此在国防应用中具有很大的优势。FSO激光传输可以加密、不可见或带宽窄，不能用射频表或频谱分析仪破译，沿着难以截获的视线路径传播，并且需要一个匹配的FSO接收器来收集信息⁴ FSO通信的接收器也可以设计成移动式的以易于使用，使其可以轻松部署在国防应用领域。这有利于可以挽救生命的快速、高带宽、安全的通信。

FSO 中使用光学元件的考量

设计用于接收FSO信号的光学系统必须高度敏感，因为大气吸收、色散、发射器和接收器之间的巨大距离以及闪烁使得输出和输入信号之间的比率非常大（图 3）。闪烁是指由于光传播所经过的大气层的结构而使接收到的信号快速变化。⁶

天气	波长, λ	在L距离下的衰减，单位是dB
天气	波长, λ	1 km	10 km	100 km
条件	microns
晴天（在海平面上）	0.53, 1.06	0.06	0.6	6
晴天（在海平面上）	10.6	0.54	5.4	54
C0₂ 吸收	0.53, 1.06	-	-	-
C0₂ 吸收	10.6	0.25	2.5	25
雾霾（密度： 0.1 mg/m³)	0.53, 1.06	1.4	14	140
雾霾（密度： 0.1 mg/m³)	10.6	0.66	6.6	66
轻雾（尺寸： 0.5-10μ; density: 0.5 mg/m³; 能见度: ~2 km)	0.53, 1.06	0.1-5	1-50	10-500
轻雾（尺寸： 0.5-10μ; density: 0.5 mg/m³; 能见度: ~2 km)	10.6	.9	9	90
大雾（尺寸： 0.5-10μ; density: 1 mg/m³; 能见度: ~0.5 km)	0.53, 1.06	0.2-10	2-100	20-1000
大雾（尺寸： 0.5-10μ; density: 1 mg/m³; 能见度: ~0.5 km)	10.6	1.9	19	190
雨量 5 毫米/小时	0.53, 1.06	1.6	16	160
雨量 25 毫米/小时	0.53, 1.06	4.2	42	420
雨量 75 毫米/小时	0.53, 1.06	0.7	7	70
小雨（尺寸： 1000μ; density: 50 mg/m³)	10.6	1.6	16	160
小雪	0.53, 1.06	1.9	19	190
大雪	0.53, 1.06	6.9	69	690

图 3: 表格中显示了FSO通信在不同天气条件下的衰减情况，如雾天和雨天。⁷

用于FSO的光学系统的指向准确性和稳定性也很关键。与传统的射频通信相比，基于激光的通信固有的窄光束发散（比射频信号少10倍左右）使得 FSO 的指向精度更加重要。⁸ 指向精度要求通常在几百µrad左右，因此可能需要额外的万向节或其他转向机制。⁹ 光机械元件装配设计中的严格机械公差可以防止内部透镜元件的移动，进而提高指向精度。透镜元件在组件内的非必要运动可以用滚动、偏心以及这些效应从一个元件到另一个元件的耦合来描述（图 4）。更多信息可以参考应用说明：《设计可制造透镜和组件的诀窍》一文。FSO系统中使用的算法也经过了精心的调整，以更好地定位和接收微弱、狭窄的信号。

图 4: A.镜头元件的滚动运动。B.耦合的滚动运动。C.镜头元件的偏心运动。D.耦合的偏心运动。

参考文献：

The World Bank. (2019). Connecting for Inclusion: Broadband Access for All. World Bank. https://www.worldbank.org/en/topic/digitaldevelopment/brief/connecting-for-inclusion-broadband-access-for-all .
Global Market Insights. (November 2021). Free Space Optics (FSO) Communication Market Size By Platform (Terrestrial, Satellite, Airborne), By Application (Mobile Backhaul, Enterprise Connectivity, Disaster Recovery, Defense, Satellite), COVID-19 Impact Analysis, Regional Outlook, Growth Potential, Competitive Market Share & Forecast, 2021 – 2027. Global Market Insights. https://www.gminsights.com/industry-analysis/free-space-optics-fso-communication-market .
NASA. (2021). Laser Communications Relay Demonstration (LCRD). Space Technology Mission Directorate. https://www.nasa.gov/mission_pages/tdm/lcrd/index.html .
fSONA. (2003). FSO Guide. fSONA Optical Wireless. http://www.fsona.com/technology.php?sec=fso_guide.
Majumdar, A. (October 2019). Optical Wireless Communications for Broadband Global Internet Connectivity (1st ed.). Elsevier.
National Oceanic and Atmospheric Administration. (2022). Satellite Communications. Space Weather Prediction Center. https://www.swpc.noaa.gov/impacts/satellite-communications.
Raible, D. E. (2011). Free Space Optical Communications with High Intensity Laser Power Beaming. ETD Archive.. https://engagedscholarship.csuohio.edu/etdarchive/251.
Kaushal, H. and Kaddoum, G. (2015). Free Space Optical Communication: Challenges and Mitigation Techniques. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 19(1), 57 - 96. DOI: 10.1109/COMST.2016.2603518.
Hall, S. (May 2020). A Survey of Free Space Optical Communications in Satellites. Georgia Institute of Technology. https://www.ssdl.gatech.edu/sites/default/files/ssdl-files/papers/mastersProjects/Hall_Stephen_8900.pdf.
CableFree (2022). Free Space Optics (FSO). CableFree 10+ Gigabit Wireless Networks. https://www.cablefree.net/cablefree-free-space-optics-fso/.

常见问题

空气中的雾气和水汽等障碍物会干扰自由空间光学（FSO）通信吗？

会的，虽然FSO通信一般不受雨或小雪的影响，但雾和水汽会干扰FSO通信。激光可以被空气中的小水滴吸收或散射，导致宽带降低或信号阻断。正因如此，FSO可能不是雾区的最佳通信解决方案。¹⁰

Does Edmund Optics^® 是否制造 FSO 系统?

没有，但 Edmund Optics 确实在生产像FSO系统中使用的光学元件。

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