二 信息时代的主力军

现在，光通信已经成为激光应用的最活跃、最重要的现代技术领域之一。按照光通道的不同，可分为光纤通信、大气激光通信和空间激光通信。光纤通信由于其突出的优点而成为信息时代的主力军，另两种激光通信方式作为补充也发挥着各自的作用。下面就分别谈谈三种通信方式的情况。

1. 有线光通信

光纤通信就是让光在一种特制的光学纤维（或称光导纤维）中传送信息。也就是说，这种通信的信道是光学纤维，这实际上是一种有线光通信。正像电通信可以采用无线和有线两种通信方式一样，光通信也可以采用无线（大气激光通信和空间激光通信）和有线（光纤通信）两种方式。下面，我们就首先来讲讲光纤通信。

光纤通信虽然是用光导纤维作为传输手段，形式上是采用有线通信方式，但实质上它的通信系统是采用无线电波的通信方式。因为它是把信号调制到频率很高的光波上，利用光波来传输信号，这与微波通信把信号调制到微波上，再用微波来发射出去相似，所不同的是由于光波受气候影响较大， 难于在空中传播，其实，光导传输就是波导传输，类似微波波导通信。所以光导纤维通信的系统必然具有一般无线通信系统的特点。

目前一般无线通信系统常采用外差形式的系统。例如微波系统就是把信号调制到中频然后加到微波上，再在接收端变频至中频进行放大处理。为什么采用这种系统？这是由于这类系统具有避免干扰能力强、接收灵敏度高等等特点所决定。但是现在光波通信还在初始阶段，采用任何复杂系统（例如外差系统），无论在技术上，还是实用需要上都还存在很多问题。因此，目前光导纤维通信系统只能采用简单的直接检波系统，这就是在发射端直接把信号调制在光波上（即：把信号的变化变作光波强度的变化），然后在接收端直接用光电检波管把光强的变化转变为电信号的变化。这种情况与 1887 年使用无线电的初期相类似，当时在火花发报机上发电报，对方用矿石检波器直接检波。当然，这是从基本组成形式来讲，实际上光波直接检波系统要比这种情况复杂得多。直接检波系统基本优点是构成简单，就当前光频技术水平来讲是现实可行的，而且在光导纤维上传送成万路电话、几十路电视也不是困难的事，因此能满足目前需要。现在，国外国内都在集中研究直接检波系统，努力设法使这一系统能在实际中迅速得到应用。

为了简化起见，我们只画了收发单向通话情况，事实上每个光端机都包括收发设备，可作双向对通的通信。电端机就是一般的低频设备，它送出多路电信号，通过光端机的发送部分把电信号调制到光波上。已调制的光波信号输入到光导纤维上（通常实用线路上的光导纤维已制成电缆形状，通称为光缆），通过光导纤维，把已调制的光波传输到光端机接收端的光电二极管上，经过光电二极管的检波作用，使光波还原成电信号，然后进行解调处理， 以后再送到电端机接收端，形成一般的多路电信号，这就是整个光纤通信系统的通信过程。可见，光纤通信系统是由光导纤维、光频器件、光端机等构成。

光导纤维

人们很早就学会利用光纤了，例如，胃病常常会给人们带来很大的痛苦， 但胃在人的腹腔里面，人眼不能直接看清楚胃里面的情况。怎么办呢？人们已经想出了巧妙的办法。当病人做检查时，医生拿出一个带着长长导线的仪器，将它的头部通过食道插入人的胃里。这个头上有照明装置，比方，一个小灯泡，它能将胃里面照亮。医生从“鞭子”的另一端朝胃里看，就能看清里面的种种景象：某个部位有溃疡，某个部位发现肿瘤⋯⋯这个仪器现在我们叫“胃镜”，它对胃病的诊断很有帮助。那根“鞭子”就是一根光缆，它由许多根极细的玻璃纤维捆扎在一起而成，可以随意弯曲。医生就是通过这种光纤来观察胃里面的情况的。这大概是光纤的最早的应用。不过那时制作的光学纤维光透过率很低，长度一米的纤维，光的透过率没有超过 80％，而延长到 100 米，光透过率几乎为零。到了 1958 年前后，经过进一步的改进， 其结构才近似目前的光导纤维。所以当激光被发现不久，人们就想到利用光纤来通信了。只是通信用的光纤质量要求比胃镜用的光纤要高得多。

上图中所画的是一根沿着它的轴线切开的四芯光缆。当然，真正通信用的光纤是很细的，细的与头发丝差不多，粗的直径也只有 0.l 毫米左右。

光纤是由中心和外皮有不同折射率的高纯度石英玻璃棒在高温下拉制而成的。从光纤的横截面看，中心折射率高，外皮折射率低，且折射率相差仅1％左右。为了保护光纤表皮不受损伤并增加其机械强度，在其表面涂上环氧树脂保护层，再挤制一层尼龙套层。套层后的光纤抗拉强度一般可达几千克。而光缆是由若干根比头发丝还细的光导纤维扭绞而成。

那么光是怎样在光导纤维中传输的呢？我们先来看一下光学中的折射定律和反射定律。如果光投射在两种媒质的界面上，则其中的一部分光将从界面上发生反射，另一部分光将因折射而透入第二种媒质，入射光线、反射光线、折射光线和分界面的法线同在一个平面内。入射角和反射角总是相等的。在光从光密媒质射入光疏媒质时，如果将入射角逐渐增大，则折射角也会逐渐增大，当入射角再增大时，折射光就不存在了，入射光全部反射回第一种媒质，这种现象在光学上叫做全反射。开始发生全反射时的那个入射角叫做全反射临界角。所有入射角大于临界角的光束在这样两种媒质的分界面上都将发生全反射。

根据这个道理我们可以明白：为什么光纤包层的折射率应低于芯线的折射率。因为在这种情况下，以大于临界角的角度入射在芯线和包层界面上的光束（也就是与光纤轴线构成较小角度的光束）将在界面上发生全反射。这样的光就将在光纤芯线中沿着“Z”字形的路径曲折前进，不会穿过光纤壁跑出去，也就不会因此而造成损耗。

除了上面这种类型的光纤以外，还有另外一种类型的光纤，它不是简单地由两层折射率不同的材料一层套着一层构成的。它是一种看起来不分层的光纤，但光纤的折射率却从光纤轴线向外边缘逐渐减小。制造这样的光纤当然不是一件容易的事，要采用某些特殊工艺，比如离子交换法或气相沉积法等。这里我们不去详细介绍了。

由于第一种类型的光纤是由两种折射率不同的材料组成，知越过芯线与包层分界面时，折射率发生突变，因此通常称这种光学纤维为折射率突变型光纤或阶跃型光纤，就好像在分界面处折射率有一个台阶一样。这类光纤按

照全反射的原理工作。在第二种类型的光纤中，折射率随离开轴线的距离而逐渐变化，光束在其中循着波浪式的曲线前进，光束在这类光纤中传输时，将周期性地会聚和发散。因此，我们称这种光纤为折射率渐变型光纤或自聚焦光纤。目前在光通信中应用的光纤大体上都是按照上述两类原理工作的。至于光纤的具体结构，则是多种多样的。以阶跃型光纤为例，有的光纤

芯线和包层都用玻璃做成，玻璃的成分不同，其折射率也就不同；质量好的光纤芯线和包层都用石英做成；有的光纤芯线用石英或玻璃，但包层用塑料， 这样就更易于大量生产，成本也低；也有光纤用石英或玻璃做包层，而在其内部注入某种特殊成分的液体，构成所谓液芯纤维。

下面再谈谈“多模光纤”和“单模光纤”。它们是什么意思呢？这就牵涉到光纤传输中最基本的概念之一——传输模式概念。这个概念比较抽象，不太容易理解，还是让我们先来打个比方吧！就像你在电影上常常看到的那样，设想发生了某种紧急情况，因而在一条重要的交通线上实行戒严，在重要路口设置拦木，并且布置了层层岗哨，行人必须接受检查，只有那些持有各式各样的特殊通行证的人才能通行，其他没有通行证的人干脆就不许进入。光在光纤中传输的情况与人在一条戒严的交通线上通过的情况有些类似。只是光纤是一条永远处在“戒严”状态下的光通道。光纤的理论分析证明，并不是任何光波都能在光纤中通行无阻的，在每种光纤中都只允许某些特定形式的光波通过，而其它形式的光波在该光纤中无法存在。通常将允许在光纤中传输的每一种特定形式的光波称为光纤的一个模式，它就好像是有某一种通行证的人一样。通行证可能有好几种，光纤中的模式也有好几种。前面已经讲过，在芯线与包层的交界面上，入射角大于临界角的光才能

在界面上发生全反射，而入射角小于临界角的光就有一部分透射到包层之中，这两类光就属于不同的模式。显然，与不能发生全反射的那些光相对应的模式，在光纤中衰减大，它们所能传播的距离很短，或者说它们实际上无法在光纤中传播。因此，在光纤中只有那些与能发生全反射的光波相应的模式对于长距离传输才有意义，通常称这样的模式为导模。

现在我们来看一看什么是多模光纤，什么是单模光纤。单模光导纤维通常是指光纤中内芯尺寸很小，通常只有几个微米，因而它的光纤传输的模式很少，原则上只能传送一种模式的光纤结构。这类光纤传输性能好，频带很宽，传输容量很大，但由于它内芯直径太小，联接、耦合和制造加工都非常困难。多模光导纤维通常是指内芯直径较大（大部分为几十微米，是波长的几十至几百倍）的光纤，除了沿轴线方向传输的导模能在其中存在之外，还有其他很多导模也能存在，这些导模光束在光纤中以各种不同的角度传输成百上千个导模。这类光纤性能较差，传输容量小但由于内芯的截面大，不仅容易联接、耦合，而且除激光器外，还可以用发光二极管作光源，加工制造也较单模光纤容易。近年来，由于技术的不断发展和通信容量的要求，多以研制单模光纤为主。

既然光纤中的导模是按全反射（或自聚焦）的方式而传输的，那么是不是就没有衰减了呢？某一强度的光射入光纤以后，即使在其中走了十万八千里以后，仍和射入时一样强，这当然是我们所盼望的。然而，事实是当光从纤维的一端射入而从另一端射出时，光强会减弱，这意味着光在纤维中传输时受到损耗。通过对损耗的来源做了大量的研究工作后，发现有许多因素会使它发生衰减。

其一是材料吸收：制造光纤维的材料能吸收光能，并把它转为热能而散失掉。其主要原因是用来制作光纤的玻璃、石英等材料中总含有少量不需要的杂质离子，如铁、铜、铬等和水分中的氢氧根负离子等。这些离子在光波的激励下发生振动，从而消耗光能。

其二是材料散射：散射就是光在纤维内传播过程中遇到不均匀或不连续的情况时，就会有一部分光散射到各个方向去，不能传输到终点，从而造成损耗。例如出现极小的气泡以及在材料冷凝过程中出现析晶等缺陷，它们都将使光发生散射。纵使材料是完全均匀的，但构成光纤材料的分子对光的散射也是不可避免的。

其三是芯线与包层的分界面不可能是绝对光滑的，必然有凹凸不平的地方。在这种界面上，也不可能发生理想的全反射。光波传播到这些地方时， 会有一部分能量辐射出去，造成光的损失。可见光损耗除原材料的吸收损耗和散射损耗外，还有制造工艺的不完善等。由于所有这些原因，以前制造的光纤损耗是很高的，例如，每米衰减 3 分贝，每公里就要衰减三千分贝，光

在这样的光纤中传十米远，强度只剩下原来的千分之一，传 20 米远强度就只剩下原来的百万之一！显然，这样的光纤是不能用于光通信的。

要实现光纤通信，第一个先决条件就是必须制成低损耗的优质光纤。从60 年代中期开始在这方面进行了大量的工作。到 1970 年，人们果然研制出

了损耗为每公里 20 分贝的光纤。从此以后，光纤通信取得了迅速进展，光纤

的损耗逐年下降。在实验室里，光纤损耗已降低到每公里 0.5 分贝或更低。也许，你还体会不到究竟这是多大的一种损耗。为了便于理解这一点我们可以设想，当光在海水中传输时，如果每传输一公里损耗 0.5 分贝的话，那么， 在海面上我们就能清楚观察海底的一切。

应该注意，对于由一定材料制成的光纤，其损耗随传输波长的不同而不同。前面所讲的光纤损耗的数据，都是对目前光纤通信中常用的波段——近红外波段的激光而言的。石英或玻璃光纤可适用于砷化镓、磷化锢及钇铝榴石激光。自然，由于其波长的差异，这些激光在光纤中传输时损耗也有一些差别，但其损耗都可以达到比较低的水平。

如果把光纤的损耗降得很低，通信距离是否就可以无限制地增加呢？事实并不是这样。光纤通信的距离，并不可能随着损耗的降低而无限制地增加， 因为光纤的损耗不是决定传输距离的唯一因素。当损耗已降低到很低的水平时，另一个矛盾就相对地变得突出了，这就是光纤中的所谓时延问题。

什么是时延呢？当光信号通过光导纤维时，入射角越大的光线，到达终端所经反射的次数越多，所走的路程就越长，因而所需时间也越长。于是本来同时射进纤维端面的一荣光波，由于光波中各光线入射角不同，到达终端就出现先后的时间差，造成光信号中各模式之间在时间上的延迟。光纤维越长，延迟时间也越大。

为什么会出现这种现象呢？根据前面讲过的光纤模式概念是不难理解的。在多模光纤中任意一个光脉冲本身一般不可能是光纤的一个导模，因此它在光纤中是不能通行无阻的。但当它注入光纤时，将在光纤中激发起一系列的导模，在光纤的输入端将这些导模叠加起来，就得到输入的矩形光脉冲。这种情形就好像要将一台大设备用火车从一个地方运到另一个地方一样，设备太大，不能整体运走，就将它拆成零件或部件，按铁路上规定的规格包装好，然后分件装车，运到目的地以后再将它组装起来。光脉冲在光纤中的传

输过程与此类似。但由于属于不同模式的光能量走过同样长一段光纤所用的时间各不相同（或者说它们沿轴线方向传输的快慢各不相同），因此它们到达终点的时间就不一致：有的模式先到，有的模式后到，而且，各模式在传输过程中的损耗也不相等。这样一来，当到达光纤的另一端时，即使将各个模式的光叠加起来，也不可能再得到原来的矩形脉冲，而是一个变形的矩形脉冲。我们把不同模式的光走过同一段光纤所花的时间不同这一现象称为群时延。时延的结果会导致脉冲形状的改变。显然，光脉冲在光纤中传输的距离越长，光纤中容许的模式越多，时延就越大，脉冲的畸变也越严重。

我们再打个比方来说明光纤中由时延而引起光脉冲畸变的现象。马拉松长跑赛是大家所熟悉的，出发前运动员整齐地排列着，一声枪响，大家开始跑，但由于运动员的速度各不相同，有的跑得快，有的跑得慢，因此，在跑了一段距离以后，队伍将慢慢散开、拉长，跑过的路程愈长，队伍将拉得愈开。当冠军到达终点时，其他的人还正在各自的位置上“加油”，有时人稀稀拉拉落在后面很远！整个阶段已不像刚出发时那样整齐了，而是发生了“畸变”！

上面分析的是传输一个光脉冲的情况。在实际进行光纤通信的情况下， 总是按信息信号的要求发出一连串的光脉冲，这些脉冲排列的方式、它们的幅度、位置和重复频率等，就包含着要传送的信息。如果脉冲畸变太严重—

—展宽太大，则相邻各个脉冲可能会互相重叠，当重叠到一定程度时，我们就不能准确判断光脉冲到达的时间，有时就会弄错，通信上就称为误码。当重叠现象很严重时，我们甚至会完全分辨不出是什么时候有光脉冲到达，这样，即使我们还能接收到光信号，但却已经无法从中取出它所携带的信息， 因而也就谈不上通信了。由于光脉冲展宽和畸变的严重程度，与光纤的时延效应有关。因此，光纤通信的距离不仅取决于光纤的损耗，同时还决定光纤的时延。对损耗不太低的光纤，前者是主要的，在损耗很低的情况下，后者就成了主要矛盾。要想加大通信距离，可以采用中继的方法。也就是说，在我们尚能正确地辨认光脉冲的有无或它们到达的时间时，将它接收下来，“修整”一番，把它恢复成矩形脉冲的形状（这个过程称为脉冲整形），加以放大以后重新发射出去。这样就可以再传输同样长一段距离。重复使用这样的方法便可使通信信号传送到很远的地方。显然，这种中继的方法对克服由光纤的衰减和对延所造成的对通信距离的限制是同样有效的。每一个能完成对光脉冲进行接收、整形、放大并重新发射出去的装置就称为一个中继站。

在单模光纤中，由于只能传输一个模式，故不存在多模色散问题，但脉冲展宽和畸变仍然存在。这是由光纤材料的色散所引起的。任何光脉冲都不是由一种频率的光波组成的，它包含着一定范围内的一些波长不同的光波， 而波长不同的光波在光纤中走得快慢也是各不相同的，到达输出端时就产生时间上的差别。这种现象称为材料色散。太阳光通过三棱镜分解成七色光就是由于色散引起的。在光纤中，材料色散也将引起脉冲展宽。但在单模光纤中发生的这种展宽现象要比多模光纤轻微得多。现在，脉冲展宽在每公里一毫微秒以下的光纤也已经研制出来了。

一根光纤能以多大的速度传送信息，这是我们十分关心的问题。光纤在一秒钟内所能传送的信息量，或者说光纤的信息带宽（或信息容量）也受到光纤时延的限制。在用光脉冲来传送信息的情况下，为了在每秒钟内传送更多的信息，我们就要在每秒钟内发射更多的脉冲。每秒钟内发送的光脉冲愈

多，则相邻两个脉冲就靠得越近，这些脉冲就更容易因展宽而出现重叠现象。当光脉冲重叠到我们无法辨认脉冲的有无时，就不能再增加脉冲的数目了， 也就是说不能再增加信息量了。可见，传输的距离越长，光纤传输的模式越多，它在一秒钟内能传送的信息量就越小，也就是说光纤的带宽越窄。一般地说，多模阶跃光纤的容量最小，自聚焦光纤稍大一些，单模光纤的容量最大。一根比头发丝还细的单模光纤的带宽可达到几千兆赫兹以上，原则上可以同时传送几百万路电话及上千套电视节目，其容量是十分惊人的。用这样的光纤作“通道”，就能使得远隔千里的两个城市中的千百万人同时互相打电话、发电报、同时通可视电话、用电视传输多种图像、图表和数据等。多模阶跃光纤的容量通常只有几兆到几十兆赫兹，因此只能传输上千路电话。自聚焦光纤的容量可以达到几百兆赫兹。

建造实用的光纤系统的一个重要问题，是光纤成缆问题。前面已经讲过， 单根光纤是一些直径极细的玻璃（或石英）丝，即使在外面套上一层塑料， 强度仍然很低，直接将它们用于通信很容易折断。因此，实际上是将很多根光纤捆扎在一起制成光缆，就像用多股电线制成同轴电缆一样。近年来，已提出多种制造光缆的方案，而且已经有多种光缆出售，例如，有的光缆用几根细钢丝作芯子，用以提高抗拉强度，中间包着几根到几百根光纤，并加上一些填料，外面再用塑料或其他保护层包起来。将多根光纤制成光缆，不仅提高了光纤的强度，而且大大增加了光纤通信系统的容量。

理想的光源

除了要有优良的光纤以外，光源对发展光纤通信同样具有极为重要的意义。下面就谈谈激光与半导体激光器。

激光就是在原子或离子体系内，通过受激辐射，使光得到放大而产生的一种新型的光。它与大家十分熟悉的日光、各种灯光等一般光相比，是很有规律而频率单纯的光波，具有适用于通信的特点：它的单色性好，也就是它包含的频率成份少，频率变动的幅度小；它的方向性好，发射角很小。例如， 由一点发出的激光在空间传播十公里，光斑直径只有一米左右；能量高度集中，激光束的亮度可比太阳光的亮度高百亿倍；频率单纯，相干性好，激光与无线电波相似，其辐射传播过程中在空间的分布是均匀、有规律的，称为相干波。激光的优良特性，使我们有可能对光波的运用像无线电波一样，进行各种调制、解调技术，从而实现质量较高的光波通信。所以，利用激光进行通信是一种非常理想的光源。

我们已经知道激光是一种理想的光源，产生适合光纤通信的激光器就成为关键问题。1970 年是光纤通信发展史上值得纪念的一年，这一年中除了研制出了低损耗的光纤以外，还发明了一种高效率的、能在常温下连续发光的半导体激光器，这就是其它类型的半导体激光器，现在已被认为是光纤通信的比较理想的光源。这是一种半导体激光器，不仅具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，而且一般只需要几十毫安的工作电流。激光器能连续发光，脉冲工作当然更不成问题。它通常能连续发出功率为几个毫瓦到十来个毫瓦的激光，这对光纤通信来说已经够用了。

除了砷化镓激光器以外，目前已经发现能产生激光的工作物质有上千种，根据物质形态的不同，一般可分为固体激光器、气体激光器、半导体激

光器、化学激光器和液体激光器五大类。但在这些激光器中，适合通信系统使用的，具有频率单纯、相干性好、方向性强和工作稳定等要求的只有几种， 如：钇铝石榴石固体激光器、氦氖气体激光器、二氧化碳气体激光器等。为了更适合实用的要求，现在普遍采用砷化镓半导体激光源。近年来出现的其它类型半导体激光器也引起了人们很大的兴趣。激光的波长向长波方向发展，它在光纤中的损耗能达到更低的水平。

自从制成了低损耗光纤及双异质结砷化镓激光器以来，光纤通信获得了极为迅速的发展，光纤通信所需要的元件、部件及关键技术进展都很快。其中光端机的发展是很重要的。因为光端机的作用主要是：一方面要把电信号调制到光波上，另一方面又需要将收到的、已调制的光波复原为电信号。现在，光端机中用于光波调制的实际上就是一个体积很小的半导体激光器。当通上电流时，就会发射光波能量，其光波的强弱是随着所通过二极管的电流大小而变化的，这种直接把电信号加在激光器件的电源上，从而直接引起激光器输出光波强度的变化的方法，叫作内调制。而用于光波检波的主要器件也是光电二极管。通过光波照射，光电二极管可以将光能转换为电能，即把已调制的光波转化为电信号。由于在光源、调制、信道（光纤）及探测器方面的进展，使得设计容量极大的光纤通信系统已成为可能。

光纤通信系统中还有一个关键性的技术问题，就是要保证中继站工作的可靠性。中继站一般应用无人管理的方法，将中继站与光纤一起埋在地下。在使用海底光缆的情况下更必须如此。下面这个例子可以使我们对中继站工作的可靠性问题获得一些印象：若两个中继站之间的距离为 5 公里，则 1000

公里长的光纤通信线路就要设置 200 个中继站，所有这些中继站都必须常年

地、自动地、可靠地工作。如果线路由 100 根光纤并列组成，则包括中继站在内整个线路上将需要二万来只激光器和二万来只探测器。所有这些激光器和探测器都必须正常工作，整个线路才能运转，如果某一个激光器或探测器出了故障，这条线路就会中断。由于中继站不便于经常维修和更换元件，这就要求整个光纤通信系统中的各个元件、部件都应十分可靠。比方，希望激光器的寿命应该在几十万小时以上。关于中继站的研制工作，近年来也取得了很大进展，制成了多种中继装置，它们能很好地完成对光脉冲的接收、整形、放大、重新发射等任务。可喜的是，由于科技的不断发展进步，已生产出传输几千公里而无需中继器的全光传输系统。

光纤通信发展的 30 年

光纤通信的发展已走过 30 年历程，如粗略地以五年作为一个阶段，则每阶段各有其突出的标志，六个阶段的标志连起来，足以显示光纤通信迅速成长发展的全貌。

60 年代下半期，光导纤维在理论和实验初露锋芒，发现石英光纤有作为实用光纤的可能性，即在纤芯掺入杂质以后，光的折射率稍高于包层的折射率，光波就局限于纤芯内向前传播，从而形成导波。而且，这样的光纤对近红外区适当光波长的信号传输提供很低损耗，完全适合于通信应用。这就是光纤通信的创新发明，它为光纤通信的实际可行奠定了基础。

接着，70 年代上半期，几个大的玻璃研究制造公司，分别利用各自把持的制造工艺，制成预制棒，构成了低损耗，低色散的实用光纤。最低损耗为

每公里 0.2 分贝，而且，由生产的光纤制成光缆，可以提供使用。

70 年代下半期，光纤和激光器件组成的光纤通信系统首次经过市内电话网局间线路上以中等数字速率几十兆比特/秒（“比特”是数字通信的基本信息单位，相当于电报中每个单元符号一样，通常用 bit 来表示）进行现场传输实验得到满意的结果，于是一致认为光纤光缆可以替代铜质电缆作为正式的通信传输线路投放使用。

80 年代上半期，从最初的多模光纤发展至稍后的单模光纤。证明它们有更大的潜在容量，能够传输很高的数字速率，对于高速数据和数字通信传输极为适合，其优越性远远超过铜线和同轴电缆的极限能力。短波长 0.8 微米

过渡至长波长 1.3 微米；发光管过渡至激光管。光电子器件技术与产品质量有明显改进。

80 年代下半期单模光纤的光缆在市内局间线路和省际长途线路大量敷设使用，数字速率加快，中继距离延长，显示它代替原有的铜线和同轴电缆是不可抗拒的必然倾向，另外，光纤通信系统在专用的计算机通信局域网开始应用。

90 年代上半期，波长 1.55 微米通信系统在中距和长距线路开始大量应用，并且掺铒石英光纤放大器制成产品，淘汰再生中继机成为全光传输系统， 另一方面，单模光纤在一定的光功率条件下能产生超窄光脉冲，称为光孤子， 经过沿线放大，可以传输超长距离几千公里，仍能保持超窄脉冲和超高速率的运行。预计将来对越洋海底光缆几千公里的直达传输完全适合应用。

另外 90 年代下半期的发展趋向，将看到光纤通信网整体结构设计和建设的大踏步发展。与此同时，各种必需的新型光子器件，包括新型光源器件， 将加快步伐陆续设计和研制成功，为下一世纪大规模实现全光通信网打下基础。

光纤通信新技术

光纤通信的出现和发展，导致了电信史上的巨大变革，对人类社会的发展，产生了深远的影响。然而，从整体上看，光纤通信的巨大潜力还远远没有挖掘出来，光纤通信仍处于方兴未艾的阶段。研究表明，目前光纤通 43 信对光纤极大的传输容量只利用了 0.01％，要进一步提高光纤通信系统的能力，一方面，应不断地改革现有光纤及其元器件的性能，另一方面，也是更重要的，则应积极研制新系统，以便将光通信的巨大潜力充分挖掘出来。为了跟踪世界光通信高技术的发展，我们在这里将当今光通信发展的前沿技术，向读者作一必要的介绍。

①波分复用技术

作为携带信息的传输媒质——光纤，到底有多大的传输潜力（或说究竟有多大的带宽资源）？光通信采用激光光源，单个光源发出光的线宽很窄， 只占用了可传输的频率宽度的极窄一部分。如果将每个峰值发送波长适当错开的光源信号同时在一根光纤上传送，则可以大大增加光纤的信息传输容量。每个波长的光是以不同峰值分别携带各自的电信号，因而接收时，可以完整地保持每个光源的独立信息。所谓波分复用技术，就是将不同波长的信号复用到一根光纤上传输，从而大幅度提高光纤资源的利用率。

富士通研究所宣布：相当于一份报纸 250 年所容纳的信息量仅用 1 秒钟

就能传送完毕——这种大容量光通信试验获得成功。其传送容量为每秒钟

1.1 太拉（1 太拉为 1012）比特，是当今世界上最大的。现在实用化的光通信的传送容量是每秒 10 千兆比特，而这项试验所达到的容量超过了它的 100 多倍，使多媒体时代传送信息量大的图文信息等变的更容易了。计划到 2000 年使这一系统实用化。

试验中，将波长略有差异的 55 束光信号分别载入每秒 20 千兆比特的信息，用一根光纤传送，从而实现了合计每秒钟传送 1.l 太拉比特的信息。传送距离为 150 公里。每 50 公里设立一个放大器，以增强减弱的光信号。据说，

每秒 1.1 太拉比特的传送容量大约相当于 1500 万条电话线路的传送容量。富士通研究所将配合光通信网的大容量化逐渐应用这一技术。

由此可见，波分复用技术大幅度提高了光纤的传输能力，因而一提出来就受到了极大的关注。目前美国贝尔实验室的波分复用系统，已进入实用阶段。理论上表明，若进一步采用相干通信技术，则一根光纤大约能传输 10 万路广播电视信号。

②相干光通信

迄今为止，所有实用化的光纤系统都是采用非相干的强度调制——直接检测方式，这类系统成熟、简单，其原理有点类似早期无线电通信中的电火花发射/矿石检波通信方式（在第一次世界大战期间，人们多用矿石收音机收听战争消息）。受无线电通信中外差式技术的启示（目前许多收音机都采用超外差式），人们提出了光纤相干通信的设想。所谓光纤相干通信，是指相干调制，外差检测方式的通信。光调制是指将信息载入光载波的过程，光的相干调制能将光的强度、相位、频率等信息都载入光载波（这与全息照像有点类似）。

从历史上看，尽管 1905 年就提出了外差通信概念，但经过了 20 年的艰苦努力人们才制造出第一台超外差接收机。我们相信，今天相干光通信面临的困难，也会一个一个得到完满解决，并最终像历史上的超外差无线通信一样获得广泛的应用。可以预见，在不远的将来，长途单波长大容最光纤系统仍将由直接检测方式占主导地位，而相干光通信将在长途多波长通信系统中发挥主要作用。

从目前来得，经过十余年的广泛深入研究，相干光通信已开始进入实用化阶段，且发展速度比预想的快得多。现在看来在本世纪末完全进入实用化阶段已成定局。

③全光放大器

传统的光纤长途传输系统中，信号随传输距离增加而减弱，需要隔一定距离加一个再生中继器才能保证信号的质量。故在光纤通信系统中，光放大器是必不可缺少的。目前一些实用系统中，这种放大器都无一例外采用光—

—电——光方式，这使得系统复杂化，并导致效率大幅度降低、造价提高、设备庞大等等。长期以来，人们致力于全光传输放大器的研究，以取代目前的光——电——光放大器。所谓“全光放大器”，就是不经过光——电—— 光转换，而直接经过光纤本身起到放大作用。经过多年的努力，目前已研制出了掺稀土光纤放大器、半导体激光放大器等。尤其是其中的掺铒（铒是 17 种稀土元素中的一种）光纤放大器，技术简单，已进入了实用阶段。1985 年英国南安普顿大学首次研制成功掺铒光纤。目前，美国 AT&T，日本 NTT 和英

国 BT 已分别成功进行了全光放大器无中继传输试验。

从以上的内容，我们知道，限制和阻碍光纤通信向超高速，超长距离和超大容量发展的主要因素来自“电”。在现行光通信系统中，电子设备是必不可少的。光——电——光或电——光——电的转换环节，限制了光纤通信的优良性能的发挥。全光放大器的诞生、光孤子传输和量子光通信的提出， 为实现高效率的“全光通信”奠定了基础。因此，如果说光复用系统和相干通信深刻改变了光纤通信的面貌，那么，全光放大器的研制成功，则是光通信发展史上一个新的里程碑。

④光孤子通信

孤子现象在上世纪 30 年代便被发现了。人们在水流中，发现有这样一种水波，它局域于一个有限范围内，以一定速度传播, 且传播中波形保持不变。后来，人们又发现了光孤子现象，并对该现象解释为：一相干光脉冲通过某介质时，其前沿部分作用于介质，使之激活，而后沿部分则受到介质的作用得到增益。这样，波前沿失去的能量和后沿得到的能量相抵，光脉冲就好像在完全透明的介质中传播一样，没有任何损耗，形成一传播中不变形的光脉冲，这就是光传输中的孤子现象。由于光孤子具有传播不变形的优良特点， 故一旦用于光通信，可大幅度提高传输距离和传输速度。

那么，怎样实现光孤子通信呢？

传输光通信中，光波在光纤里传播，色散现象使传输波展宽，从而限制了传输距离，而光纤传输的非线性特性又使波形中频率高的分量不断累积， 波形越来越陡，最终破裂，限制了传输信号不能太强。若将两种对立因素结合在一起，相互平衡，就可以保持波形在传输中稳定不变。可见，光孤子现象就是利用光纤折射率随光强而变化的特性，来补偿光纤中的线性色散（色散使波形变宽），从而使光脉冲的波形在传播过程中保持不变，形成所谓的“光孤子”。利用这种光孤子进行通信，在理论上几乎没有传输容量的限制， 采用这种技术，世界上最大的图书馆——美国国会图书馆全部藏书 100 秒就可传送完毕！

目前，光孤子研究不断取得了突破，英国 BT 公司演示将 2.54 兆比/每秒信号在光纤上传输了一万公里，美国 AT&T 公司将同等量信号在光纤上成功传输了一万二千公里，而日本 NTT 公司在光纤上，成功演示了将 10 兆比/每秒信号传输了一万公里。一句话，光孤子已不再是深奥莫测的领地，而是接近实用化的活动阶段，美国贝尔实验室预计 90 年代中后期可推出实用化系统。近年来光纤放大器的研制成功，并成功运用于光孤子通信实验，使光孤子通信的面貌焕然一新，为其实用化走出了关键一步。

⑤量子光通信

为了挖掘光纤通信的巨大潜力，人们已研制开发了几种先进的光纤系统，如波分复用通信、相干通信、光孤子通信。这些新系统虽然在很大程度上提高了通信容量，并为光通信展示出广阔的发展远景。但是光通信的潜在能力，发挥程度仍然是有限的。这是因为这些系统均基于经典的通信现象和理论。根据这种理论，光载波传输信息的机制，从本质上讲，和早已实用化的无线电中波、短波的通信并无实质上的区别，无线电通信中的所有概念， 理论和技术均可沿用到光通信领域。这种“经典”通信，从理论上讲，通信

容量最终将受到高倍噪声的限制。

在这一限制面前人们会束手无策吗？

走出恢宏的经典大厦，人们可从现代科技发展的最前沿领域得到什么启示？

为了超越这一极限，人们受到现代量子光学的启发，提出了量子光通信。精通量子论的科学家们坚信：光通信应服从量子信息论，由于信息的载体是光量子，所以应由量子力学原理来规范。经过严密而复杂的计算，科学家们预言：一个光子可以将无限的信息传递给无限个分支终端和无限个受信者。

这是一个令人兴奋的结论，人们由此普遍认为这种通信模式的开发会引起光通信领域内一场深刻的革命。

量子光通信的具体原理、机制，我们留给那些有志于量子光通信研究的读者去慢慢了解。这里我们只想告诉读者：目前，量子光通信的实验和研究仍处于开创阶段，尽管它的理论框架和实验模型都已经初步形成，并且已经足以证明其优越性，但具体研制中，有一些关键问题仍然难以解决。不过， 在今天这种信息技术得到飞速发展的时代，一些技术难题解决时间往往会出人意料地大幅度缩短。

事物的发展是无止境的。在光纤通信中各关键性技术问题基本解决以后，人们并未就此止步，而且正在向着更先进、更复杂的技术进军。一个重要的发展方向是将光纤通信与集成光学技术结合起来。集成光学与集成电路有着某些类似的技术，它试图把激光器、探测器、调制器、光开关、光耦合器等各种器件集成在一个很小的基片上。如果我们能做出只有火柴盒甚至手指盖那么一点点大的集成化的光纤通信中继站，那该有多好啊！如果将光集成技术与传输损耗更低、通信容量更大的光纤（如优质单模光纤）配合起来， 并选择合适的激光波长，就将产生通信容量更大、中继距离更长、性能更好的新一代光纤通信系统。

总之，在制造低损耗光纤方面取得重大突破以后，近年来光纤通信进展神速。目前，关于长寿命、高效率的光源，高灵敏度、高响应速率的探测器等问题均逐一解决；在制作实用的光缆，连结、耦合、中继装置，电子线路以及系统设计等方面均已取得很大进展。可以说，坚冰已经突破，航道已经开通，一个以光纤通信为主要标志的激光通信时代就在我们眼前！其发展之迅速，在科学技术史上也是罕见的。光纤通信技术的发展，不仅影响了电信网的面貌和社会进步，而且深刻地影响甚至改变着人们的工作、思维、甚至生活方式。我们相信，随着光通信技术的发展和成熟，人类将迎来一个崭新的信息时代。

1. 无线光通信

无线光通信大致可分为大气激光通信和空间激光通信两种。大气激光通信的特点是通信容量大，但体积和重量都较大，适用于定点之间大容量保密通信。空间激光通信是特大容量的通信系统，它主要在地球大气层以外的空间传输，不受大气条件的影响，是很有发展前途的一种方法。

大气激光通信

大气激光通信就是以激光作为载波，借助于大气这一天然通道，把光信号送到接收端。它不需要像有线电通信那样架设电话线和电缆，也不需要像光纤通信那样的光缆和设备，因而比较简单易行。它是光通信中最早研究和应用的一种。

要想顺利实现大气激光通信，必须满足两个前提条件：第一所使用的光载波必须能很好地透过大气而传输。我们都知道，地球表面的大气层，存在着多种气体以及各种微粒，如尘埃、烟、雾、水滴等等。还可能要发生各种复杂的气象现象，如雨、雾、雪、风等。这些因素，52 对光波有衰减作用， 会使激光能量大大减小，或者使激光偏离原来的传输方向，破坏了激光原有的特性。这些影响主要来自以下几个方面：大气中悬浮微粒的散射、气体分子的吸收和大气湍流的偏折作用。

大气引起的光散射，就是大气中的微粒阻挡了传播的光束，使一部分光的能量向四面八方散开，减弱了原来传播方向的光能，引起损耗。就是空气分子也会对光产生散射作用。一般地说，波长较长的光散射较弱，波长越短散射越强。由于吸收和散射的结果，光在空气中传播时就会逐渐减弱。就像一股清泉流经一条干涸的河道，通过的距离越长，衰减得越严重。微粒越多， 散射越严重，损耗越大。另外，还与波长有关，一般波长越长散射越小。这样，在晴天通信距离能达到数十公里的通信机，在大雾时，可能连一公里的通信也保证不了。

大气的吸收作用，最主要的是水蒸汽和二氧化碳的分子对传输光波的选择性吸收。就是说，某些特定波长的光，会引起这些分子的共振，消耗了光能。引起损耗的大小，取决于水蒸汽、二氧化碳等气体的分子浓度。所以损耗的大小随着大气温度、湿度、压力、地形、高度等条件而变化。比如在标准晴朗天气，指的是大气中除各种空气成分外，没有尘埃、水滴等微粒，这时大气对激光的衰减主要是由大气吸收造成的。在这种条件下激光的衰减都在每公里一分贝以下，即光每走过一公里时仅衰减百分之几到百分之二十左右。但当天气变坏时，大气对激光的吸收就会急剧增加。尤其是雾，它所引起衰减要比雨、雪所引起的衰减更严重。在这种情况下，波长较短的可见光及近红外激光在大气中的衰减增加很快，因此要在较长距离上实现全天候通信也还是困难的。

大气湍流，就是大气各点的密度不规则的微小起伏。它是由于地球表面空气的不断对流引起的。在地球表面附近，由于太阳光的照射而受热不均匀及其它原因，造成大气中局部的温度、气压、气体密度的不均匀性，从而形成很多大小不一、密度和温度各不相同的气团，引起大量不稳定的气体流动， 这就是大气湍流。它改变了大气中局部范围的折射率，而且这种折射率的不均匀性还随时发生无规则的变化，从而使激光束在大气中传播时发生无规则的抖动、弯曲、波前畸变等现象，影响通信质量。这种光束“抖动”现象在日常生活中我们不难遇到。例如，透过一个灼热的大火炉上的热空气去看炉子后面的物体时，会发现炉子后面的物体像浸在水波里一样抖动，这就是由于炉子上面不稳定气流造成的；在晴朗的夏夜，天上的星星时常忽闪忽闪地向我们眨眼睛，也是由于空气折射率无规则变化的结果。由大气湍流造成的光束抖动等效应也常常称为“大气抖动”。由于接收地点固定不动，收到的光信号强度就会发生变化，带来强烈的干扰。尽管人们做了大量的研究工作，

但是至今还无法完全克服大气抖动效应对光通信的干扰。

因此，要想顺利实现大气激光通信，保证通信质量，就必须选择合适的激光波长及提高光通信机的抗干扰能力。首先，所使用的光载波必须能很好地透过大气而传播。要知道，并不是任何波长的光都能在大气中自由穿行的。有些波长的光比较容易穿过大气，衰减较小；有些波长的光在大气中传播很困难，衰减较大，传播的距离越远，光就衰减得越多。我们把能顺利透过晴朗大气的光波的波长范围称为“大气窗口”，正像在房间里只有通过窗口才能看到外面的景物一样，在大气中也只有波长处在大气窗口上的那些光波才能顺利通过。幸运的是，现有的几种主要激光波长都处在大气窗口上，所以它们都可用作通信。因此，在同样的气候条件下，通信质量取决于通信机的抗干扰能力。比如，加大发射功率，提高接收灵敏度，选择合适的调制方式等。

实现大气激光通信的另一个前提是：只有在用眼睛有可能看得到的地方才能进行通信。因为激光和普通光一样（在某种程度上与微波也类似），波长很短，它在均匀大气中是沿直线前进的。因此，激光通信只能在视线距离内进行。由于地球表面是个曲面，即使没有高山峻岭的遮挡，极目所视，也只能看到几十公里的范围。人们常说“高瞻远瞩”，站得愈高，才能看得愈远。对微波和激光通信来说，也是这样。因此，通常的微波中继塔和电视台天线都修得很高。现在，世界上最高的电视大线塔已高达 600 多米！在光通信的情况下，发射和接收地点也要选得高一些，通信距离才能远一点。如果碰到大山，就要在山顶上架设一个中继站，在大山的两边，虽然人们彼此不能看到，却仍然可以进行通信。

激光大气通信的优点也是十分明显的，比如它不需要铺设线路，投资少， 应用范围比较广泛等。根据大气激光通信的这些特点，它可以有许多实际用途，而且在有些场合下，它的优越性还特别明显。由于激光大气通信的机动性比较好，随时随地可以进行。比如，近距离的定点激光通信，可以用在山头之间、江河两岸之间，地面和海岛之间，以及城市里某些通信业务特别繁忙的地区。在这些情况下，铺设海底电缆或过江电缆都比较困难，造价太高； 利用微波通信，或者不利于保密，或者设备较庞大，费用高昂。同样，基于保密的原因，在边防地区可采用定点激光通信。在战争条件下，当无线电通信设备受到强烈干扰甚至被迫中断的时候，用大气激光通讯可作为补充通信手段，将显得特别有价值。

大气激光通信系统，特别是像使用砷化镓这一类半导体激光器作光源的通信系统，可以做得十分轻便，因此可作为便携式通讯装置使用，用于舰船之间、飞机和飞机之间、边防、林区以及水文地质勘探等流动性场合。大气激光通信还可用于某些特殊的地面定点通信线路，这些线路要求极大的通信容量，但却允许在少数特殊恶劣的气候条件下中断，甚至可以由人们主动选择在天气较好的情况下才进行工作。对这种线路，大气激光通信系统是比较理想的。

大气激光通信的研究工作已进行了多年，技术上取得了很大进展，但至今还没有被广泛采用，其原因就是可靠性还达不到要求，或者说还做不到“全天候”通信。所谓“全天候”通信，就是指在任何恶劣的气象条件下，通信都能正常进行。做不到全天候通信，这就在一定程度上限制了它的实用范围。

如果希望得到高质量的通信，只好在晴好天气占多数的地区，才能得到较好的效果，而在雨雾较多、能见度较差的地区，就不很适用了。但是由于大气激光通信的特点，在一定场合下还是有它的用武之地。

空间激光通信

空间激光通信是很有发展前途的，特别是在卫星激光通信方面，有很大的发展潜力。

与大气激光通信相比，广漠无垠的宇宙太空无疑是激光通信最理想的场所。在那里，没有令人苦恼的大气干扰问题，光在传输中也不会因受到吸收、散射而衰减，真空对传输带宽也看不出有任何限制，也就谈不上“大气抖动” 效应。剩下的问题就只是因为光束本身的不断扩展而导致能量的分散。但恰恰是在这一点上激光优越于其它任何光源，而且也优越于任何无线电发射机。激光本身的方向性就极好，这一点我们在前面已作了介绍，并且激光的亮度极高，因此，它能胜任在极远的距离上进行大容量光通信的任务。难怪激光一出现，人们就立即想到将它用于空间通信。

我们知道，60 年代发展起来的卫星通信，已经成为一种重要的实际通信方式。卫星通信主要由通信卫星和卫星通信地面接收站组成，卫星通信系统不仅能够传输多路电报电话，而且能够传输电视、传真和高速数据。它不仅适于民用通信，而且也适用于军事、航空航天和航海等专用通信，应用范围相当广泛。我们经常可以通过电视收看到各种国际体育比赛的实况，就是卫星通信的功劳。不过目前的卫星通信已经不能满足人们对信息日益增长的需要，开始出现供不应求的状况。

首先是要增加通信容量就要提高卫星的有效发射功率，这就要大大的增加卫星的体积和重量。比如从 1965 年到 1971 年这六年时间内，卫星容量从

240 路电话增加到 6000 路，而卫星重量竟从 39 千克猛增到 1112 千克，体积也增加了三、四十倍，卫星的天线也从一个增加到六个。而随着社会的发展， 6000 路容量显然是远远不够的，如果要再增加通信容量，那么卫星就得做的更大、更重，结构也更加复杂。但是用激光代替微波进行卫星通信，不仅可以减小卫星的体积和重量，还可以获得很大的通信容量。因为利用微波通信时，即使采用庞大的天线，它发射出微波束也有几度的发射角，而利用激光时，激光束的发射角只有零点零几度。这样，如果发射功率相同，用激光代替微波时，地面接收站收到的信号功率要大千万倍。另外，地面接收站的天线尺寸也可以由几十米缩小到几十厘米。所以，采用激光代替微波进行卫星通信，不仅可以大大减小卫星的体积和重量，还可以使地面接收站向小型化发展。

卫星通信的另一个问题是微波波段越来越拥挤，限制了卫星通信容量的发展。例如，同步通信卫星是放在赤道上空 36000 公里的地方，在赤道上空

最多只能放 120 个同步卫星。所谓同步卫星，也是一种人造地球卫星，它绕地球转一周所需要的时间与地球自转一周所需的时间一样长，绕行的方向也与地球自转的方向一致，因此我们说它与地球启转“同步”，即步调一致的意思。在地面上看起来，同步卫星老是停留在空中一个固定的位置“不动”， 因此有时又称为“静止卫星”。由于卫星通信业务急剧增加，而微波频带窄， 又不能再增加卫星的数目，已经限制了卫星业务的发展。而激光的频率很高，

频带宽，如果用激光进行卫星通信，通信容量可以增加上万倍，能够胜任信息社会发展的需要。

还有一个问题是微波通信不能适应卫星中继的需要。比如卫星通信中， 微波必须经地面站——卫星——地面站——卫星——地面站几次转接，造成很大的时延，并且信号几次转接都要消耗一部分能量，这样又要增大卫星的重量和体积。而资源卫星、侦察卫星、军用通信卫星等经常需要将信息及时地送回地面站。一般地说，近地卫星绕地球一周通常要 100 分钟左右。如果侦察卫星在敌方上空飞行时发现敌人正向我方发射远程导弹，等到经过几十分钟甚至一、二小时以后卫星飞经我方上空时再将这个消息送回地面站，显然已成为“马后炮”了，因为导弹以每秒数公里的速度飞行，飞越上万公里的距离也只需要大约半个小时。可见，及时传送信息在军事上具有重要意义。现在已经公认：利用激光建立一个星对星光通信中继是最为有效的。我们知道一颗同步卫星可以覆盖地球表面三分之一的地区，要是在赤道上空的同步轨道上等距离地方置三颗同步通信卫星，就基本可以实现全球通信，即除了地球两极以外的任何地方的信号都可以传到指定地点。这样同步卫星所起的作用就像一个信息转运站，因此又被称为同步中继卫星，正好像微波中继塔， 不过，这个中继塔高悬在空中而已。总之，同步中继卫星通信系统包含两个通信环节：空间——空间环节和空间——地面环节。其中空间——空间环节， 即从低空卫星向同步卫星发送的过程和同步卫星之间的发送过程，对激光通信最有吸引力，因为它既可以发挥激光通信系统结构紧凑、容量大、光束窄等优点，又可避开大气干扰。从同步卫星到地面站，即空间——地面环节， 通常由微波通信系统来完成。当然，也不排除利用激光将信息从同步卫星送回地面站的可能性，因为垂直穿过大气层的衰减比在地面附近水平传输时衰减要小。一般地说，在晴朗天气激光垂直穿过整个大气层时的衰减总共也只有几分贝，因此现在人们在这方面正在进行大量的探索研究。如果这样的系统一旦成功，就可以大大提高卫星遥感的威力，很可能能对第一次核打击作出早期预警，所以发展激光空间通信技术成了当务之急的事情。

以上谈到的为近空通信，空间通信还有一种为深空通信。所谓深空通信就是指从地球或人造地球卫星到其他遥远星体，如太阳系内的其他行星、太阳系以外甚至银河系以外其他什么星体之间的通信。当然，我们假定在这种星体上有与人类相似的高级智慧生物存在，或者是从地球上发射的宇宙飞船到达这些星体或从它们附近经过时，需要将所获得的信息（如拍摄到的图片等）传送回地面。要实现这类通信，看来现有的微波通信设备是勉为其难的， 只有用激光或其它波长更短的电磁波，如 x 光、γ光等才能胜任。总之波长越短越有利。因为波长越短，用同样尺寸的天线所能获得的发射角就越小； 这样，在发射功率及天线尺寸相同的情况下，波长越短，接收到的功率就越大。我们知道，通信系统遵循一个共同的规律：系统的带宽越宽，则系统的接收灵敏度就越低；如果到达接收机的功率很低，那么，系统就只能在带宽较窄的状态下工作，也就是说它只能以较低的速率传送信息。例如，从距地球二亿九千公里远的地方向地球发回关于金星的照片。由于距离太远，所使用的又是微波通信系统，所接收到的功率只有发射功率的大约一百亿亿亿分之五！因此，这个系统只有用很窄的频带工作。卫星将它所拍摄的一幅照片送回地球要用 8 小时，发送 21 幅照片所用的时间竟长达 9 天！如果使用激光通信，速度就可大大提高。例如，在使用同样尺寸的发送和接收天线的情况

下，如果不考虑激光通过大气时的衰减，接收到的功率可提高约 100 亿倍。

因此，系统的带宽也可以增加 100 亿倍，这样，不用万分之一秒的时间就可

将 21 幅照片全部发送完毕。从这个例子就可以明显看出将激光用于深空通信的威力。

但这类工作的大量开展实际上为期尚远，还有一些特殊问题，需要进一步解决。

首先是大气的影响。在地球和卫星之间，激光信号的传输还要经过 10 公里厚的大气层。另外通信距离也必须达到几万公里。比方，在低空卫星到同步卫星之间相距三万多公里，而在两个同步卫星之间大约相距七、八万公里。要在这样远的距离上实现通信，发射激光束必须有足够的功率和极好的方向性，发散角应达到秒的数量级。从实用的要求来说，目前的技术还是较低的。

激光束的方向性极好，也带来了新的问题，这就是如何使卫星与卫星、卫星与地面站之间的精确地互相瞄准和跟踪。我们知道，低空卫星与同步卫星的相对位置是不断变化的，因此，要想不间断地进行通信，必须不断地控制卫星的飞行姿态和调节天线的指向，使激光通信系统的发射和接收天线能自动地、精确地互相对准，而且要始终保持对准状态。

此外，卫星通信系统需要在空间无人看管的条件下长期工作，因此卫星通信系统应该极其稳定、可靠、有很长的寿命。比方，通常要求激光器的寿命在五万小时以上。因为万一系统出了故障，在卫星运转过程中是极难进行检修的。

随着时代的进步和高技术的迅速发展，可以断言，激光的空间技术必将被人们掌握，在近地遥感卫星与同步卫星之间实现激光通信只是时间问题。让我们加倍努力，来迎接光通信的美好的明天。