張羽桐，趙江南，艾 勇，梁赫西，胡仁杰

(1． 武漢大學 激光通信實驗室, 武漢 430072； 2.武漢六博光電技術有限責任公司，武漢 430000)

0 引 言

隨著無線光通信技術的發(fā)展和普及，在城市的很多角落都可以隨時連接行動熱點(Wireless Fidelity，Wi-Fi)亦或是移動流量進行上網(wǎng)通信。但是由于成本和人口密度的原因，針對一些光纖和無線網(wǎng)無法達到的地帶，通信和上網(wǎng)就成了一個難題，比如：在偏遠地區(qū)或沙漠中有一個研究所，需要與外界進行信息的互換，那么激光網(wǎng)橋就成為了一個很好的選擇。

激光網(wǎng)橋作為連接網(wǎng)絡的“橋梁”，可進行廣域網(wǎng)(Wide Area Network，WAN)的延長以及局域網(wǎng)(Local Area Network，LAN)的互聯(lián)，具有成本低、連接快捷、網(wǎng)絡安全性高和高效快速的特點，因而十分具有前景。激光網(wǎng)橋有多種連接模式：點對點、點對多和多對點等[1-2]。本文采用點對點的工作方式，在連接好相應的硬件電路后，進行激光點對點發(fā)射接收調(diào)試，調(diào)試使得兩端接收的光功率符合要求之后，參與實驗的兩端人員用手機連上相應的LAN，采用實驗室開發(fā)的手機軟件進行視頻語音通信。

國外的自由空間光通信 (Free Space Optical Communications,FSO)領域已經(jīng)進行了長達十幾年的研究，所以已經(jīng)有相應的產(chǎn)品被應用于某些方面。比如美國研究的激光通信系統(tǒng)，采用二進制啟閉鍵控(On-Off Keying，OOK)的調(diào)制方式可以130 Mbit/s的速率傳輸800 nm波段的光波；佳能公司生產(chǎn)的產(chǎn)品Canobeam DT-50的傳輸速率可到622 Mbit/s，可連接一些不同的網(wǎng)絡接口[1]等。

目前我國的FSO領域仍處在研究階段，還無法做到大規(guī)模普及以及量化生產(chǎn)，相關的FSO產(chǎn)品不多，只有部分研究所和少數(shù)企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品比較成熟。但隨著FSO技術的發(fā)展和半導體工藝的進步，基于激光網(wǎng)橋的FSO技術充滿了前景，它在解決目前頻帶擁擠資源較少這個問題方面有很好的優(yōu)勢，而且FSO的速率更快、延遲更小、容量更高且安全性也是十分顯著的[3-4]。因此，激光網(wǎng)橋的研究和發(fā)展對特殊地帶的網(wǎng)絡延伸和信息傳輸有著重要的意義。

1 FSO傳輸原理

1.1 FSO傳輸模型

FSO的傳輸主要由發(fā)射和接收這兩個部分組成,如圖1所示。發(fā)射模型由4個部分構成，分別為電/光轉(zhuǎn)換后的光信號，經(jīng)過相應的調(diào)制方式(如OOK)，再對光信號進行放大以提高發(fā)射功率，最后通過光學發(fā)射天線發(fā)射到大氣中。接收模型主要是接收天線接收到光信號，然后通過光濾波器進行濾波濾除背景光和雜光，再通過相應的光/電轉(zhuǎn)換模塊，如雪崩光電二極管(Avalanche Photon Diode，APD),進行光/電轉(zhuǎn)換，后續(xù)有電濾波器和判決電路等。

圖1 FSO發(fā)射和接收模型

1.2 FSO系統(tǒng)鏈路模型

整體鏈路構成為激光器出射的激光需經(jīng)過光學整形和聚焦擴束后出瞳，再進入大氣中，經(jīng)過長距離的大氣衰減損耗后，到達APD附近的光功率很弱，需要使用光學透鏡聚焦到其感光單元上。

對于FSO鏈路，設APD接收的光功率為PR，激光器輸出的光功率為PS，發(fā)射的光學系統(tǒng)透過率為T，F(xiàn)SO的幾何損耗為LS，激光的大氣衰減損耗為Lα，整體光鏈路傳輸方程為

光學系統(tǒng)透過率T的來源為光學組鏡的透過率以及光學整形和部分的系統(tǒng)遮攔，一般取值為0.5。本次實驗由于采用兩路發(fā)射(將激光分束)，通過功率計測得的分束前激光功率為200.52 mW,分束后經(jīng)過組鏡和整形的雙路輸出分別為49.60和49.26 mW，其整體透過率接近50%。

FSO的幾何損耗主要來源于發(fā)射和接收口徑以及發(fā)射接收端之間的距離，幾何損耗模型如圖2所示。圖中，S和R分別為發(fā)射和接收鏡頭；D1和D2分別為發(fā)射和接收口徑；θ為激光的光束發(fā)散角；Z為發(fā)射端和接收端之間的距離，因此理論上幾何損耗的表達式為

圖2 幾何損耗模型

激光在大氣中的衰減損耗Lα=e-αz，衰減系數(shù)α與大氣能見度V和通信波長λ有關，激光在大氣中的衰減系數(shù)為

式中，b為修正因子，也與能見度V有關，在一般天氣的平均能見度(10 km左右時)下取值為b=1.3。

2 激光網(wǎng)橋原理

無線網(wǎng)橋是通過大氣作為媒介，網(wǎng)橋?qū)⒁欢诵盘栟D(zhuǎn)換成相應的電磁波進行傳輸。雙向網(wǎng)橋的兩端都具有信號的發(fā)射和接收功能，圖3所示為無線網(wǎng)橋示意圖。激光網(wǎng)橋則是通過光/電轉(zhuǎn)換、激光收發(fā)的方式，在兩個LAN之間構建起一個無線的“橋梁”，相當于有線光纖到戶的無線延伸。網(wǎng)橋搭建起來后，對路由器和子網(wǎng)等的管理更加方便，它把小的分離的LAN連接成了大的整體的LAN。比如甲可以在LAN A內(nèi)進行信息交換，乙可以在LAN B內(nèi)進行信息交換，一旦構建網(wǎng)橋連接LAN A和B，那么甲和乙就可以通過網(wǎng)橋進行信息交換[5-8]。

圖3 無線網(wǎng)橋

2.1 系統(tǒng)硬件模型

本次實驗是在兩個相距1 km的大樓之間進行測試，采用光通信機為基礎進行測試，其一端的硬件組成為終端設備(比如：手機)、路由器、服務器(只在一端需要服務器，圖4中紅線連接)、光通信機和發(fā)射/接收鏡頭，其整體構架如圖4所示。

圖4 硬件系統(tǒng)組成

服務器中主要為可以安裝在手機內(nèi)的實驗室自制通信軟件：LaserCall(一款自制手機應用軟件)服務， LaserCall的主要功能同許多聊天軟件類似，可以用來發(fā)送文字圖片信息以及實時語音視頻通話。但是通過服務器和激光網(wǎng)橋系統(tǒng)，這款軟件可以在不連接外網(wǎng)的情況下，在兩個不同的LAN內(nèi)部進行通信[9]，即通過LaserCall可以在Wi-Fi路由器不接WAN的情況下進行雙方通信，這對野外亦或是復雜地帶的通信提供了很好的選擇。

2.2 光通信機——大面積的APD

空間光通信機是硬件系統(tǒng)的核心部件，也是激光網(wǎng)橋的基礎部分，服務器主要為軟件服務?？臻g光通信機的基本組成有4個部分：光學天線、光/電和電/光轉(zhuǎn)換模塊、光放大模塊以及電源模塊。最重要的就是光/電轉(zhuǎn)換模塊。FSO由于存在前文提到的幾何損耗，即發(fā)射與接收口徑的損耗，在完成音頻或者是視頻傳輸時，需要較高的光功率接收以及較低的誤碼率(Bit Error Ratio，BER)，很多實驗和文章都采用小尺寸的APD，這存在很大的對準難度，也對激光發(fā)散角有著很高的要求。

因此針對這一問題，本文采用了基于大面積APD的激光網(wǎng)橋通信。相較其他的光電探測設備，大面積APD具有更好的靈敏度以及更大的視場角，配合光學透鏡一起使用，更加有助于雙向FSO對準。

由于需要傳輸音頻視頻，對BER的要求會比較高，從而需要更高的光功率進入APD。圖5所示為高斯光斑，接收端的光斑為外圓，里面的小圓為APD。設發(fā)射的激光沒有徑向偏角，且最后會符合高斯光束的強度分布[5]，APD符合視頻傳輸條件的感光半徑為R，經(jīng)過光學組鏡的視場放大了a倍，則圖中的APD(小圓)半徑為aR，當兩圓圓心距離為r時，APD內(nèi)光強恰好滿足功率要求，則APD內(nèi)的光強I為

圖5 高斯光斑

式中：E0為最大幅值；ω0為腰斑尺寸；ω(z)為與傳播軸線相交于z點的高斯光束等相位面上的光斑半徑；z為離發(fā)射原點的距離。積分范圍為x2+(y-r)2=(aR)2。

由于剛好滿足視頻通信的光強是一定的，所以采用大尺寸的APD在雙向?qū)实臅r候有較大的對準活動范圍，并且對于激光發(fā)射的發(fā)散角θ，亦可以適當調(diào)大，以方便對準。因此采用大面積的APD在FSO接收方面有助于提高光接收的靈敏度，獲得更高的光功率；對于激光發(fā)散角可以適當靈活處理，比如略微增大發(fā)散角，這使得雙向?qū)实碾y度大大降低。

本文采用的是200 μm光敏面積的APD，如圖6所示。

圖6 銦鎵砷APD (波長800～1 700 nm)

3 實驗及結果

本實驗采用1 550 nm的紅外光，可以匹配很多種摻鉺光纖放大器，且此波段的光在大氣中的衰減小。激光發(fā)射端的初始光功率為23.15 dBm，經(jīng)過組鏡等入射大氣的雙路激光分別為17.01和17.10 dBm，光束發(fā)散角經(jīng)過測量得到為2 mrad，發(fā)射和接收口徑分別為5和100 mm，通信距離為1 km，當天的大氣能見度為6 km。

根據(jù)式(2)和(3)，得到幾何損耗為-26 dBm，其衰減系數(shù)α=0.170。

3.1 功率和BER測試

使用光模塊連接誤碼儀發(fā)送通信速率為2.5 Gbit/s的1 550 nm激光，在相隔1 km的另一端，首先使用紅外捕獲，獲得光斑大致位置，再使用大面積APD進行接收。通過改變大面積APD和光斑的相對位置對接收光功率進行衰減(也可使用衰減片)得到如圖7所示的光功率-BER曲線。

圖7 光功率-BER曲線

當接收光功率<-32 dBm時，BER>10-5，此時BER過高，無法完成通信;當接收光功率>-30 dBm時，此時的BER約為10-6，對于光傳輸設備，此時能基本完成通信;當連接攝像頭和顯示器時，發(fā)現(xiàn)此時的接收信號不穩(wěn)定，圖像傳輸時有時無;當BER=10-9時，這個大小的BER是視頻音頻傳輸?shù)慕?jīng)驗標準，在BER<10-9時，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)視頻信號可穩(wěn)定傳輸，且短時間內(nèi)不會產(chǎn)生誤碼。將接收光功率的值調(diào)節(jié)到約-20 dBm，此時BER遠小于10-9，且信號穩(wěn)定、視頻音頻圖像清晰。

圖8所示為光功率為27 dBm左右時的眼圖。測試發(fā)現(xiàn)，在27 dBm左右傳輸2.5 Gbit/s的數(shù)據(jù)信號時，眼圖清晰，且在一段時間內(nèi)無均衡的情況下沒有誤碼，此時的鏈路符合1 km雙向2.5 Gbit/s的視頻通信要求，可以連接兩側的LAN進行WAN的傳輸。

圖8 光功率為27 dBm左右時的眼圖

對于不同距離的雙向網(wǎng)橋通信測試，實驗根據(jù)鏈路計算的幾何損耗，設置相應的衰減，得到的測試結果大致也符合光功率-BER曲線。

此時使用Lasecall軟件時雙方的視頻通信如圖9所示。

圖9 LaserCall雙向視頻通信

3.2 大氣湍流的影響

實驗采用了一套激光設備記錄大氣湍流對激光的影響，在一端發(fā)射1 550 nm激光，并搜集角反射器反射回來的激光，選取記錄其中一段時間的相應電壓值，繪制出了如圖10所示的大氣湍流影響下的光電壓接收圖。

圖10 大氣湍流影響下的光電壓接收

圖中，電壓值的波動說明大氣湍流對于接收的激光束功率造成了一定的起伏，換算過來也有幾dBm的波動，如果采集數(shù)據(jù)充足的話，對于采集的功率進行統(tǒng)計按照功率大小畫圖，最后能得到類似高斯分布的功率圖。實驗采集了下午3個小時的接收數(shù)據(jù)，選取了其中連續(xù)的一小時數(shù)據(jù)，分段繪制概率如圖11所示，其光強的概率分布類似高斯分布。

圖11 大氣湍流下接收光強的概率分布

4 結束語

本次實驗以激光網(wǎng)橋連接LAN的方式，使用LaserCall進行雙端1 km 2.5 Gbit/s的視頻語音通信，實驗結果達到了預期。實驗核心為激光網(wǎng)橋的搭建連接，也就是兩端對于激光的接收和發(fā)送。針對調(diào)試兩端鏡頭的相對位置對準的問題，采用大面積的APD獲得了更高的光功率，提高了對準效率。

針對不同接收光功率的BER，對于1 km 2.5 Gbit/s的信號傳輸，在光功率為27 dBm左右時，可以穩(wěn)定無誤碼傳輸，測試了大氣湍流對于光功率的影響，即光束在傳輸后會逐漸靠近類高斯光束。

雖然實驗基本符合預期要求，但還是存在一些可以改進的問題。比如：如何自動實現(xiàn)點對點的激光捕獲，以及在實際的通話中，服務器是否可以容納很多用戶同時通信，提高激光的接收和發(fā)射效率等等，這些問題需要深入地研究和改進。相信隨著光電技術的發(fā)展，激光網(wǎng)橋的技術會得到長足的進步，并且會在通信領域起到重要的作用。