一、概述
自由空间光通信（FSO：Free Space Optical Communication），或称无线光通信、无纤光通信，这是以激光作为信息载体，不需要任何有线信道为传输媒介的通信方式，可用于空间及地面间通信。其传输特点是光束以直线传播。
FSO技术以小功率的红外激光束为载体在位于楼顶或窗外的收发器间传输数据。这种红外光不伤眼睛，传输距离受气候条件影响，从几百米到几公里不等。
与大多数低频段电磁波不同的是，300GHz以上的电磁波频段的应用在全球都不受管制，而且可以免费使用，唯一的限制是设备功率不能超过国际电子技术委员会规定的功率上限（IEC60825-1标准）。在美国，与该标准相对应的规章是食品与药品管理局下属的放射设备卫生中心颁布的有关规定。
FSO设备有两种工作波长：850纳米和1550纳米。850纳米的设备相对来说很便宜（从30美元到1000多美元不等），一般应用在传输距离不太远的场合。工作在1550纳米波长的FSO设备的价格要高一些，但在功率、传输距离和视觉安全方面有更好的表现。1550纳米的红外光波大部分都被角膜吸收，照射不到视网膜，因此，相关安全规定允许1550纳米波长设备的功率可以比850纳米的设备高2个等级。功率增大，不但可以增加传输距离，提高数据传输速率，还有利于消除恶劣气候条件（如大雾天气）给传输带来的不良影响。
二、自由空间光通信网络的结构
FSO网络主要有3种拓扑结构：点到点、点到多点（星形）和格形网，也可以把它们组合起来使用。这3种拓扑结构的优缺点汇总在下表2内。
表2：FSO网络主要拓扑结构的优缺点
三、自由空间光通信网络系统组成
1、光源部分
由于大气性能的影响，进行激光空间通信时必须考虑激光的功率和传输频率等特性。目前应用于通信系统的激光器有半导体激光器、固体激光器如 YAG激光器、气体激光器等。半导体激光器可以产生波长为1.06μm的激光，这是大气的一个低损耗窗口，因而可以有效减少激光传输中的衰减。此外半导体激光器具有体积小、转换效率高、成本低并可直接调制的特点，放实际通信系统一般均采用半导体激光器作光源。
2、发射与接收部分
发射与接收是空间激光通信系统中最重要的部分，包括调制（解调）器、光发射（接收）天线及探测放大等装置。发射机主要是完成信息对光源的调制，并通过光学天线发出承载信息的激光，而接收机用来接收信号光、进行光电转换，通过放大、解调等处理完成通信任务。
3、对准、捕获、跟踪系统
激光空间通信与微波等无线通信方式不同，是近似的点对点通信，所以发送光必须准确地到达接收机探测器上。其对准（Pointing）、捕获（Acquisition）、跟踪（Tracking）的含义详见下表3-3。在进行空间激光通信时，要尽量减少信道中的衰减和干扰因素的影响，同时要求通信具有较高的传输码率和较高的保密性能。由于自由空间信道具有随机的不稳定性，所以通信系统必须具有实时调整的ATP来适应不断变化的条件。
表3-3：对准、捕获、跟踪的含义
四、FSO网络的关键技术
1、高功率激光器技术
自由空间光通信系统对激光器的要求远高于光纤通信，主要有如下表4-1所示的三个要求。
表4-1：FSO通信系统的特殊要求
通常信标光源（采用单管或多个管芯阵列组合，以加大输出功率）要求能提供在几瓦量级的连续光或脉冲光，以便在大视场和高背景光干扰下快速、精确地捕获和跟踪目标。信标光的调制频率为几十赫兹至几千赫兹或几千赫兹至几十千赫兹，以克服背景光的干扰。信号光源则选择输出功率为几十毫瓦的半导体激光器，但要求输出光束质量好、调制频率高（可达到几十兆赫兹至几十吉赫兹）。贝尔实验室已研制出调制频率高达10GHZ的光源，而国外用于大气激光通信的半导体激光器和接收器件已实现商品化。就发射功率和探测灵敏度而言，完全能满足15km以内的自由空间光通信系统的需求。美国、日本及俄罗斯等国都相继推出了适于半导体激光大气通信的大功率器件（含组合激光器件），连续输出光功率从数十毫瓦到数瓦，脉冲输出时有些组件的峰值功率可达10W的量级。
2、光学天线技术
构成光学天线的主要方式为：收发结合式、收发分离式和收发合一式。为完成系统的双向互逆跟踪，光通信系统均采用收、发合一天线，隔离度近100％的精密光机组件（又称万向支架）。收发分离式是俄罗斯用得较多的方式。由于半导体激光器光束质量一般较差，因而要求天线增益要高。此外为适应空间系统，天线（包括主副镜，合束、分束滤光片等光学元件）总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。国际上现有系统的天线口径一般为几厘米至25cm。在天线光学系统的设计上，国外有效地采用了自适应变焦技术以解决大气信息道传输特性随机变化时对通信产生的不利影响。实践证明，自适应变焦技术是一项有效的实用技术。在光学天线架设的技术上，高效率地安装校准装置和方法已经试验成功。收发天线应达到体积小、重量轻、光学特性好、便于安装和调校的要求。俄罗斯的科技人员曾仅需几分钟就可将一对半导体激光大气通信系统的天线架设好并使系统开通工作。
3、自动跟瞄技术
自动跟瞄技术在机动性要求高和工作平台方位稳定性差的场合中具有良好的性能。在该系统中最重要的PAT方案中，美国TI6rmoTrex研究所提出的采用原子滤光器的方案相当成熟。在接收端采用性能优异的超窄带宽的原子滤光器可以展宽视场角，所以卫星接收端能很容易地捕获发射激光束。而且原子滤光器对太阳背景辐射有很强的抑制作用，发射端的信标信号光不会淹没在强噪声中，卫星接收端就可以捕捉并跟踪锁定在另一颗卫星的发射光束上，然后进行高码率的通信。
1）捕获（粗跟踪）是在较大视场范围内捕获目标，捕获范围可达±1°～±20°或更大。通常由阵列CCD实现，并与带通光滤波器、信号实时处理的伺服执行机构完成粗跟踪即目标的捕获。粗跟踪的视场角为几个毫弧度，灵敏度约10PW，跟踪精度为几十毫弧度。
2）跟踪、瞄准（精跟踪）是在完成目标捕获后，对目标进行瞄准和实时跟踪。通常由四象限红外探测器QD或Q-APD位敏传感器，并配以相应的电子学伺服控制系统来实现。精跟踪要求视场角为几百微弧度，跟踪精度为几个微弧度，跟踪灵敏度大约为几纳瓦。
4、信道分析及压缩编码技术
在自由空间通信中，信道的性能以及许多外界的干扰均会对通信质量及性能产生很大影响，因此在通信系统传输中需采用必要的信号分析及信号压缩编码技术。通常自由空间信道都是随机的。尤其是大气中的气体分子、水雾、雪、雨、气溶胶等粒子，其几何尺寸与半导体激光波长相近甚至更小，这就会引起光的吸收和散射。特别是在强湍流的情况下，光信号将受到严重干扰甚至脱靶。因此保证系统在随机信道条件下的正常工作对自由空间通信系统的工程化研究十分重要。实验证明，自适应光学技术可以较好地解决这一问题，并已逐渐走向实用化。为了在自由空间光通信目前还十分有限的调制带宽内（尤其是大功率下的有限带宽）更大容量地传输多路信号提供保证，信号压缩编码技术发展迅速，其中被誉为“数学显微镜”的小波技术由于具有优良的时频分析能力及变焦性能，因而能有效地应用于空间数据的压缩和解压缩。结合分形理论，从空间数据的组织特点和信息特征出发，利用小波理论进行空间数据的压缩和解压缩将成为空间数据压缩领域的研究热点。此外还需建立网上空间数据（特别是影像数据）的压缩和解压缩模型，实现空间数据的无约束通信。
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