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光通信在最近几十年的发展
光通信技术中最有发展前景的当属光纤通信技术了，在最近几十年来发展最好最快的也是光纤通信技术。光纤通信技术的发展经历了三代，从工作波长为0.85μm的多模光纤通信逐渐发展为工作波长为1.3μm的单模光纤通信，并在此基础上发展到工作波长为1.55μm的光纤通信系统，这些年的进步很好的解决了光通信系统的色散问题。不仅如此在这些年光源也放上的很大的变化，发生了从发光二极管到半导体激光器的变化。半导体激光器的出现大大的提高了传输信息的效率，而且半导体激光器与二级发光体比较具有更高的功率和更长的使用寿命。光纤和光源的发展大大的缓解了信息衰减和色散的问题，加大了光纤的通信容量，提高了光纤通信的效率。另外在光网络协议方面也有了很大的发展。目前的技术种为了方便用户使用图像、数据、语音等业务，目前的重点是宽带接入网建设。宽带接入包括光纤、无线、同轴电缆和xDSL这几种方式，这些主要是基于分组交换方式的接入，其中以光纤接入为主。光纤接入分为有源方式接入和无源方式接入两种，即利用SDH或PDH为传输通道和无源光网络方式，光纤的非线性问题随着光纤放大器的广泛应用而逐渐显现出来。光纤的非线性主要指四波混频效应、自相位调制效应、交叉相位调制效应、受激喇曼效应、受激布里渊效应等。其中一些效应会使得系统的技术指标恶化，使得信号脉冲展宽、波型畸变、信号之间串扰。通过合理的使用某些非线性效应，我们可以研制出新型的光器件。
光通信技术的发展前景
1光纤通信技术的发展前景
为了更好的建设下一代网络就必须得构建一个拥有巨大传输容量的光纤基础设施，而由于光缆高达20年的寿命以及过高的造价，光纤基础设施的设计和构建必须具有前瞻性，应该结合设备和系统技术的发展趋势来设计。同时由于下一代电信网对容量的高要求以及频率的高宽度，这一代的光纤性能已经无法满足需求，必将被淘汰，那么开发新一代的光纤将势在必行。在G.652.A光纤的基础上进行改进并取得一定成果的G.652C/D光纤很好的解决了色散斜率的问题，减低系统成本，而且能实现更长距离和更大容量的传输。基于这些原因，具有更长使用寿命的新一代光纤必将得到更好的发展。
2波分复用系统的发展前景
1光纤模型
对于一些较为复杂的矢量信息的调制，光通信系统当中则一般都是用IQ调制器进行；光纤模型是为了将通信相干系统内处理数字信号进行提高，因此必须要具体研究整个系统内信号进行光纤传输的现象，而该现象则需要从物理以及数学的模型当中入手，对对应的补偿或均衡技术进行研究过程中将数字信号处理技术的作用发挥出来，使得光信号变换成为电磁波的形式，具体的解是在麦克斯韦方程组导出的波动方程中进行的，表达式是：其中X是信号偏振方向的单位向量，是初始振幅的傅立叶表示，是常数，最终将光信号基态模式分布成F（x，y）看成是近似高斯函数。另外在研究接收端过程中，一般都是将光相干接收机作为主要组成进行研究，其能够对接收机进行直接测探，让所检测的信号强度信息得以增强，同时还能够将强度调制信号进行光电转换前对其进行除匹配滤波之外的处理。
2信号处理
研究相干光通信系统内处理数字信号的技术主要是：光纤信道是信号进行传输的通道，而其中所出现的不同形式的失真或者损伤就会在结合过程中出现线性或者非线性的失真。而线性失真的补偿是不存在因果关系，即无需顾虑其顺序问题，不过需要在具体算法当中遵循以下原则：分离所需估计的线性失真为单独形式的变量，并补偿态应该优先估计，对于算法较为简单的变量，然后再补偿随机变量，最后才是对所有变量进行完整补偿。算法流程：每个方框所代表的都是相干接收机内的数字信号处理系统的子系统，且子系统之间所可能出现的反馈线路的具体图表也要进行表示，在预处理算法的研究中，它是指在进行实质的信道均衡、载波恢复之前，对采样后的信号进行一定程度的预先处理，为形成数字信号处理算法做出充分的准备。
3信号补偿
使用数字信号处理算法之后，相干光通信系统对信号补偿是在接收端，具体使用过程当中则会根据情况的不同来使用不同形式的数字信号处理子系统。去偏移系统可以针对偏振之间的采样时刻偏移进行补偿。正交化系统可以补偿因调制器和混频器缺陷造成的欠正交状况。归一化系统能够将信号具备单位的能力和幅度，进而使得信号发生色度色散后可利用静态信道的均衡系统对其进行补偿。即使出现不当采样而导致误差出现时，也能够使用采样时钟来对系统进行相关补偿。即自适应的信道均衡系统能够对于偏振所出现的相关损伤进行补偿，载波相位回复系统是估计载波相位的噪声，进而对所出现的失真进行补偿。载波频率恢复系统则是对发送端和接收端之间载波所出现的频率偏移进行补偿和估计。对于光线非线性造成的信号损伤可以借助非线性补偿系统进行补偿。
4相关耦合
在应用数字信号处理算法过程当中，先在接收端破和所输入的光信号和本振光，进而根据上述的数字信号处理技术子系统来对所耦合的光信号进行模数转化、去偏移以及正交化恢复等处理，然后根据实际的应用环境来选择具体形式的反馈和补偿。即相干光通信系统中有了数字信号处理算法的应用将会对其色散、偏振等造成的信号失真有了非常有效的补偿，进而更好的促进了相干光通信系统的发展。
二、小结
1.1基于光电探测器直接耦合的FSO系统
早在30多年前，自由空间光通信曾掀起了研究的热潮，但当时的器件技术、系统技术和大气信道光传输特性本身的不稳定性等诸多客观因素却阻碍了它的进一步发展。与此同时，随着光纤制作技术、半导体器件技术、光通信系统技术的不断完善和成熟，光纤通信在20世纪80年代掀起了热潮，自由空间光通信一度陷入低谷。然而，随着骨干网的基本建成以及最后一公里问题的出现，以及近年来大功率半导体激光器技术、自适应变焦技术、光学天线的设计制作及安装校准技术的发展和成熟，自由空间光通信的研究重新得到重视。
在国外，FSO系统主要在美英等经济和技术发达的国家生产和使用。到目前为止，FSO己被多家电信运营商应用于商业服务网络，比较典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奥运会上，Terabeam公司成功地使用FSO设备进行图像传送，并在西雅图的四季饭店成功地实现了利用FSO设备向客户提供10OMb/s的数据连接。该公司还计划4年内在全美建设100个FSO城市网络。而Airfiber公司则在美国波士顿地区将FSO通信网与光纤网（SONET）通过光节点连接在一起，完成了该地区整个光网络的建设。
目前商用的FSO系统（见图1）通常采用光源直接输出、光电探测器直接耦合的方式，这种系统有以下几点缺点：
（l）半导体激光器出射光束在水平方向和垂直方向的发散角不同，且出射光斑较粗，因此我们需要先将出射光束整形为圆高斯光束再准直扩束后发射，这样发射端的光学系统就较为复杂，体积也会相应增大。
（2）在接收端，光斑经光学天线会聚之后直接送入PD转化为电信号。通常，我们需要提供点到点的，双向的通信系统，这样，FSO系统的每个终端都包括了激光器，探测器，光学系统，电子元器件和其中有源器件所需要的电源。这种系统的体积通常比较大，重量大，成本也比较高。从FSO系统终端的内部结构图中可以看出，完成一个简单的点到点的链路需要6个OE转换单元。随着人们对带宽的需求越来越高，PD的成本也越来越高，6个OE转换单元大大增加了成本闭。
（3）FSO终端设备一般安装于楼顶，如果终端中含有大量的有源设备，会给我们的安装带来了很多不方便。
（4）系统的可扩展性很小。如果用户所需要的带宽增加，那么封装在一起的整个FSO系统终端都需要被新的终端取代，安装新设备的过程需要再次对准，整个升级过程所需要的时间很长，给人们带来巨大的损失。
1.2基于光纤耦合技术的FSO系统
光纤输出、光纤输入的自由空间光通信系统（见图2），激光器输出的高斯光束耦合至光纤再经准直出射，传输一定距离后，光束通过合适的聚焦光学系统聚焦在光纤纤芯上，沿着光纤传输后经PD接收还原信号。这样我们通过在发射和接收端都采用光纤连接的方式，只需要在楼顶放置光学天线系统，而将其他的控制系统通过光纤放置于室内就可以实现点到点的连接，整个系统结构简单，易于安装。
这种新型的FSO系统具有以下优点：①减少了不必要的E一O转换，一条链路现在只需要2个OE接口即可，大大降低了成本。②光学系统较为简单，光纤出射的光束一般为圆高斯光，不需要整形，简化了光学系统，减小了体积，易于安装。③易于升级及维护，当用户的带宽增加时，我们只需要对放置在室内的系统进行升级即可，免去了复杂繁琐的对准过程。④基于光纤耦合的空间光通信系统能够很好的与现有的光纤通信网络结合，利用现有的比较成熟的光纤通信系统中的器件如发射接收模块，EDFA和WDM中所用到的复用器和解复用器。⑤可以与光码分多址复用技术（OCDMA）相结合，构成自由空间OCDMA系统，进一步扩大系统的带宽。
对于一个基于光纤耦合技术的FSO系统而言，以下2个因素必不可少：①体积小，重量轻的光学天线系统一个最佳的光学天线的设计首先必须使尽可能多的光耦合进单模光纤，获得最大的耦合效率；其次要能通过粗跟踪系统测出入射光的角度；另外，必须满足尽可能高的通信速率和稳定性。②性能良好的跟踪系统要使光学接收天线接收到的光能够有效的耦合进纤芯和数值孔径都极小的单模光纤，我们必须为系统加上双向的跟踪系统。
2国内空间光通信系统研究现状和进展
我国卫星间光通信研究与欧、美、日相比起步较晚。国内开展卫星光通信的单位主要有哈尔滨工业大学（系统模拟和关键技术研究）、清华大学（精密结构终端和小卫星研究）、北京大学（重点研究超窄带滤波技术）和电子科技大学（侧重于APT技术研究）。目前已完成了对国外研究情况的调研分析，进行了星间光通信系统的计算机模拟分析及初步的实验室模拟实验研究，大量的关键技术研究正在进行，与国外相比虽有一定的差距，但近些年来在光通信领域也取得了一些显著的成就。
2002年哈尔滨工业大学成功地研制了国内首套综合功能完善的激光星间链路模拟实验系统，该系统可模拟卫星间激光链路瞄准、捕获、跟踪、通信及其性能指标的测试。所研制的激光星间链路模拟实验系统的综合功能、卫星平台振动对光通信系统性能的影响及对光通信关键单元技术的攻关研究有创新性，其技术水平为国内领先，达到国际先进水平，目前该项研究已进入工程化研究阶段。上海光机所研制出了点对点155M大气激光通信机样机，该所承担的“无线激光通信系统”项目也在2003年1月份通过了验收，该系统具有双向高速传输和自动跟踪功能，其传输速率可达622Mb/s，通信距离可以达到2km，自动跟踪系统的跟踪精度为0.1mrad，响应时间为0.2s。中科院成都光电所于2004年在国内率先推出了10M码率、通信距离300m的点对点国产激光无线通信机商品。桂林激光通信研究所也在2003年正式推出FSO商品，最远通信距离可达8km，速率为10~155M。武汉大学于2006年在国内首先完成42M多业务大气激光通信试验，2007年3月又在国内率先完成全空域FSO自动跟踪伺服系统试验，这为开发机载、星载激光通信系统和地面带自动目标捕获功能的FSO系统创造了条件。另外在光无线通信系统设计、以太网光无线通信、USB接口光无线通信、大气激光传输、大气光通信收发模块和信号复接/分接技术等方面都取得了多项成果。
3自由空间光通信技术的应用与未来发展趋势
自由空间光通信和其他无线通信相比，具有不需要频率许可证、频率宽、成本低廉、保密性好，低误码率、安装快速、抗电磁干扰，组网方便灵活等优点。正是由于这些特点，FSO系统正受到电信运营商越来越多的关注与青睐。对于有线运营商，FSO可以在城域光网之外提供高带宽连接，而其成本只有地下埋设光缆的五分之一，而且不需要等6个月才能拿到施工许可证。对于无线运营商，在昂贵的E1/T1租用线路和带宽较低的微波解决方案之外，FSO在流量回输方面提供了一个经济的替代选择。在目前这个竞争激烈的环境中，FSO无疑为电信运营商以较低的成本加速网络部署，提高“服务速度”并降低网络操作费用提供了可能。而且FSO技术结合了光纤技术的高带宽和无线技术的灵活、快速部署的特性，可以在接入层等近距离高速网的建设中大有用武之地，在目前许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率（如STM-1或更高）的情况下，FSO不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径。
FSO产品目前最高速率可达2.5G，最远可传送4km，在本地网和边缘网等近距离高速网的建设中大有用武之地，主要应用于一些不宜布线或是布线成本高、施工难度大、经市政部门审批困难的地方，如市区高层建筑物之间、公路（铁路）两侧的建筑物之间、不易架桥的河流两岸之间、古建筑、高山、岛屿以及沙漠地带等。另外，FSO设备也可用于移动基站的环路建设、场所比较分散的企业局域网子网之间的连接和应急通信。对于银行、证券、政府机关等需要稳定服务的商业应用来说，FSO产品可以作为预防服务中断的光纤备份设备。
当然，FSO在应用过程中也存在一定的瓶颈，主要是会受到大气状况或物理障碍的影响，比如其光束在传输中极易受大雾等恶劣天气，物理阻隔或建筑物的晃动/地震的影响。在恶劣的天气下，光束传输的距离会下降，从而降低通信的可靠性，严重的甚至会造成通信中断。
尽管存在不少问题，但自由空间光通信的技术优势更为明显，其自身的特点决定了在一定的环境下，它可以最大发挥自身优势，比如可以用于不便铺设光纤的地方和不适宜使用微波的地方；又由于光纤成本过高，用户无法在短期内实现光纤接入，而他们却渴望享受宽带接入带来的便利，结合我国现阶段宽带网络的实际情况——许多企业和机构都不具备光纤线路，但又需要较高速率（如STM-1或更高），FSO不失为一种解决“最后一公里”瓶颈问题的有效途径。FSO系统解决了宽带网络的“最后一公里”的接入，实现了光纤到桌面，完成语音、数据、图像的高速传输，拉动了声讯服务业和互动影视传播，实现了“三网融合”，有利于电子政务、电子商务、远程教育及远程医疗的发展，并产生了巨大的效益，具有广阔的应用领域和市场前景。
参考文献：
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确保通信线路安全运行的技术对策
1合理进行光纤布线
通常情况下，在机房中因为尾纤问题导致光通信中断的原因有：（1）机房灰尘大，尾纤接头有灰或者比较脏；（2）尾纤与法兰盘连接处松动；（3）法兰盘与尾纤角度不正导致对接偏离；（4）盘纤不合理，尾纤弯曲半径过小；（5）尾纤紧固不好；（6）线路衰耗大，接收的光功率在正常工作的临界点附近，尾纤的轻微扰动让光板反应敏感等。针对尾纤问题，可以通过优化机房环境、提高技术操作注意操作的细节等避免因为尾纤问题导致通信故障。
2做好接头，减小衰耗
在光缆线路中用到许多活接头，光设备接头接触不良产生的故障，其表现形式是光功率偏低，这主要是因为结构不精密、环境不清洁、接插不彻底，造成接触不良。在线路抢修过程中，也遇到接头问题。光缆接头比较复杂，主要注意以下几个问题：（1）接头环境尽量避免在灰尘过多的场合。（2）待光纤热塑保护管完全冷凝后再往接头托盘上的接头卡槽中放置。（3）当光纤接续完毕后，应安置好接头盒中的光纤，不能出现光纤曲率半径过小的现象，以免加大弯曲损耗。（4）光纤的每个接头损耗衰减应保证不大于0.1dB。（5）注意光缆接头盒的防水处理。
3通信光板的1+1保护
就一个光端机来说，光板使用1+1保护的旨意在于：两块光板同在工作，只要有一块光板工作正常，就能够保证通信不中断。在关键时刻1+1保护能够起到非常重要的作用。当在用的光板故障，或者在用纤芯的衰耗过大导致收不到光功率，系统能够马上切换到备用的通道，保证通信的正常运行。
4防强电措施
有金属构件的光缆线路，当其与高压电力线路、交流电气化铁道接触网平行，或与发电厂或变电站的地线网、高压电力线路杆塔的接地装置等强电设施接近时，应主要考虑强电设施在故障状态和工作状态时由电磁感应、地电位升高等因素在光缆金属构件上产生的危险影响。(1)光缆线路与强电线路交越时，宜垂直通过；在困难情况下，其交越角度应不小于45度。(2)为了防止光缆接头处产生电弧放电，宜对其接头处金属构件采用前后断开的方式，不作电气连接和接地处理。(3)当上述措施无法满足安全要求时，可增加光缆绝缘外护层的介质强度、采用非金属加强芯或无金属构件的光缆。
确保通信线路安全运行的管理方法
1加强日常维护、提高线路运行率
日常维护是维护工作的重中之重，只有日常维护工作做好后，才能有效地防止故障的产生。（1）设备的日常巡检：每月定期巡检机房，保证机房清洁、温度湿度适宜；并检查设备的工作指示灯、电源电压、接地防雷等。（2）线路日常巡查：应按巡线周期定期巡查，及早处理和详细记录巡线中发现的问题。（3）线路资料日常更新：线路资料是判断故障的重要依据，因此必须专人管理，并及时更新。（4）定期巡视，定点特殊巡察。
2重视通信光缆线路的监测工作
为了保证网络的正常运行，网络管理员、维护人员应定期通过性能管理措施对网络进行检查、监控，同时做好光通信线路测试工作：每年两次对备用的光纤采用OTDR或光功率机进行测试，并与上一次测试结果对比，防止光纤劣化。对测出的断芯、衰减大等问题，可在平时的维护中处理，针对比较大的问题可结合线路大修、技改进行处理。维护人员还应该及时根据通信光缆线路的性能指标，如传输光功率、衰减等的变化，故障发生率、故障发生原因进行统计和分析，及时发现问题，避免重复性工作和同类型故障的多次发生。
3做好通信线路保护设施
如通信线路与电力线路交叉、跨越时，做好通信线路的绝缘保护；通信线路过公路、耕地、鱼塘、沟渠时要有明显的警示牌，埋地通信线路上明显的标识，附近设置警示牌。特别地要关注光缆所经的风险区，设置警示标识，制止妨碍光缆的建筑施工、植树以及修路等活动，对光缆路由上易受冲刷、挖掘地段进行培土加固和必要的修整。
4及时识别和消除隐患
及时识别和消除隐患，做到“早发现，早处理”。如已经存在的通信线路隐患，如通信线路相对地面的埋深不够、相对鱼塘的埋深不够等的问题，需要及时处理。特别在汛期来临的前期需要对整个线路做好巡检，记录巡检过程中发现的风险点，并对风险点进行特殊的“照顾”。另外，要认真及时做好大型施工机械和操作人员的登记，全面掌握大型施工机械和操作人员的动向，严防大型施工机械施工造成的光缆线路损坏；严防光缆线路迁移、维护、抢修中不慎导致光缆线路阻断。
相干光通信系统中的主要关键技术
实际中，主要采用以下关键技术来实现准确、可靠、高效的相干光通信。
(1)稳定频率技术。相干光通信中，保持激光器的频率稳定性是一个重要的前提条件。在零差检测相干光通信系统中，如果激光器的波长或频率随着工作条件的变化而产生漂移，那就难以保证本振光信号与接收光信号频率之间的相对稳定。外差检测相干光通信系统也是如此。为了保证相干光通信系统的正常工作，必须确保光载波和光本振荡器的频率稳定性很高。
（2）调制外光技术。外光调制是利用某些光电、声光或磁光特性的外调制器，完成对光载波的调制。相干光纤通信系统中对信号光源和本振光源的要求较高，它要求较高的频率稳定度和较窄的光谱线。飞秒激光输入频率稳定，可调谐范围较宽，但所占带宽相对较小，具有超强的能量和超短的时间，完全符合作为相干光纤通信系统光源的要求。
（3）压缩频谱技术。在相干光通信中，光源的频谱宽度是一个重要参数。只有保证光波的频谱宽度窄，才能使相伴漂移而产生的相位噪声更小，从而得到大容量、高质量的光传输。
飞秒激光器
1飞秒激光器的介绍
伴随光纤通信技术的飞速发展，利用超长波长光纤实现超长距离通信，一直是我们不断追求的重要发展方向之一。如何获取并采用超长波长光源，这是超长波长光纤通信系统中首先需要解决的技术问题。飞秒激光就是这样一种超长波长光源，将其应用于相干光通信的光源，具有相当大的优势。飞秒激光是由激光发展起来的一种新型工具，其功能非常强大。飞秒脉冲短得令你无法想象，现在能够达到4飞秒以内。1飞秒（fs），即10-15秒，这仅仅是1千万亿分之一秒，所以也称为超短脉冲激光器。飞秒脉冲采用多级啁啾脉冲放大技术获得的最大脉冲峰值功率，可以达到百太瓦（TW，即1012W）甚至拍瓦（PW，即1015W）量级，飞秒激光的能量强度如此之高，毫不夸张地说，它比将太阳照射到地球上的全部光聚集成绣花针尖般大小后的能量密度还高。
2飞秒激光器的工作原理
飞秒激光器的工作原理。第一，采用衍射光栅将一束飞秒激光分成两束或更多束,通过一个共焦成像系统让它相干。第二,将一个镀有金属薄膜的透明基体与一个接受基体叠放在一起。第三,利用相干的飞秒激光脉冲辐照透明基体上的金属薄膜,激光瞬间加热作用产生的压力将会驱动辐照区的金属薄膜蒸发到与它接触的接受基体上,蒸发的金属将迅速重新固化，沉积到接受基体上,这样在接受基体上就会得到由相干飞秒激光脉冲传输的周期微结构。
3飞秒激光器的应用
飞秒激光最直接的应用就是作为超短超快光源。应用泵浦探测技术和多种时间光谱分辨技术，作为飞秒固体激光放大器的种子光源。虽说我们能够使光脉冲宽度愈来愈窄，光脉冲能量愈来愈高，但最令人欣喜的进展还是能够轻易得到飞秒脉冲。飞秒激光的应用研究领域大概分为两种，一种是超快瞬态现象的应用研究，另一种是超强现象的应用研究。伴随激光脉冲宽度的缩短和能量的增加，这两种研究都得到了深入的发展。可以看到，飞秒脉冲激光的发展直接带动了生物医疗、材料工程与信息科学进入超微观超快速的研究领域,并开创了一些如纳米技术、立体三维存贮等全新的研究领域，此外，它还被应用于信息的处理、传输和存贮方面，拥有广阔的应用前景。
飞秒激光作为相干光通信光源的广泛应用
相干光通信的研究和应用均发展迅速，这对于超长波长(2～10m)光纤通信来说，是非常好的选择。在超长波段，由瑞利散射引起的光纤固有损耗将进一步大幅减少。理论上，在超长波段可以实现光纤越洋跨海无中继超长距离通信；而实际上，在超长波段，直接探测接收机的各项性能和表现都不尽人意，唯一的选择，就是相干探测方式。以飞秒激光为光源，以超长波长光纤作为传输介质，利用相干光通信技术实现无需中继站的超长距离通信。超长波长光纤通信系统不但解决了普通光通信系统中距离和容量限制问题，而且提高了系统稳定可靠性，并使通信成本大幅降低，对跨海洋和沙漠地区的通信更具有非凡的意义。
考虑到高灵敏度的激光相干通信更适用于远距离的通信，这里以GEO轨道为例，综合考虑文献［8，12］的参数，以传输速率为2Gb／s的2PSK零差系统为例，选定的参数如表1所示。对信号光束与本振光束的要求按照文献［7］执行。为了更清晰地说明像差对接收系统可靠性的影响，分两步进行讨论，首先探讨接收系统各种像差各自所产生的影响，然后再探讨它们相互是否具有校正补偿功能。
不同像差单独作用时
先来考查倾斜、离焦、彗差及像散这4种像差对系统可靠性的影响。把表1的数据代入（13）式，并对倾斜、离焦、彗差及像散的像差进行归一化处理，即令W1x，W20，W31，W22分别除以λ，以此作为自变量，依次把（9）～（12）式代入（13）式进行运算，并对所得误码率进行以10为底的对数变换，得到图1和表2所示的像差与误码率关系。
图1横坐标表示归一化的像差系数，纵坐标是取对数后的误码率。从图看到，对于星间相干光通信接收系统其可靠性容易受各种像差的影响。从图1两坐标轴的起点和表2第1列数据可以看到，在表1设定的参数下，在没有像差的影响的情况下，系统最小误码率接近10－8；当有像差时，从图中4条曲线并比较表格第2～5行的数据，可以看到，接收系统的误码率随着像差的增加而递增，其中倾斜像差对接收系统误码率的影响最大，离焦和彗差相当，而像散的影响最小。若以εBER≤10－6为标准，系统能承受的最大倾斜像差W1x仅为0．2λ，最大离焦W20及彗差W31大约为0．32λ，最大像散W22不超过0．41λ。可能的原因是：系统一旦有倾斜像差，信号光束将完全偏离焦点，它与本振光束所形成的有效混频区域锐减，从而混频效率急降，使误码率快速攀升。离焦像差将使信号光束的聚焦光斑沿光轴在焦点前后变动，从而改变焦点处的光斑质量，影响它与本振光斑在焦点处的混频效果，使误码率上升；与倾斜像差导致的混频面积减少相比，这种信号光束聚焦特性的劣变是温和的，所以离焦像差对系统可靠性的影响比倾斜像差小。另外，考虑到接收光学系统已经进行过高阶像差的优化设计，且采取了抗扰动措施，所以彗差与像散的影响将更小，这也从侧面说明优化设计后的系统无需考虑更高阶像差的影响。
像差间的相互校正
根据文献［7］，倾斜像差与彗差之间、离焦与像散之间具有部分校正效应，接下来将进行比较分析。此时把（11）式改写成（14）式，而（12）式改写成（15）式。把（14），（15）式分别代入（13）式，并采用归一化像差系数，令W31／λ和W22／λ分别取：0．00，0．25，0．50，0．75，1．00，得到图2，3和表3，4所示结果。
图2表示倾斜像差与彗差之间的校正效果。以εBER≤10－6为标准，当倾斜像差W1x／λ＝0，从纵坐标轴上看，彗差W31／λ＝0．50时，系统的误码率接近10－4，已超出标准2个数量级；当W31／λ＝1．00时，误码率更是接近10－2。所以，若对彗差不进行校正，随着其数值的增大，误码率呈指数增长。但是，从图2也可看到，对于归一化的彗差W31／λ，可以通过调整归一化的倾斜像差W1x／λ来部分校正，从而降低系统误码率，提升系统可靠性。譬如，同样是W31／λ＝0．50，但只要调整W1x，使W1x／λ大致在－0．34～－0．24之间，则可以维持误码率εBER≤10－6。不仅如此，从图2来看，即便W31／λ＝1．00，只要W1x／λ大致在－0．44～－0．66之间，误码率依然可以小于等于10－6，而此时若不进行校正，误码率已接近10－2。因此，当W31／λ≤1．00时，为了保证系统误码率εBER≤10－6，通过调整W1x，倾斜像差与彗差之间能实现部分相互校正。
表3给出了通过调整倾斜来校正彗差而提升系统误码性能的效果。观察第4～7行，单独看每行时，发现随着归一化倾斜像差系数－W1x／λ绝对值的递增，误码率会经历变小、稳定、再变大的过程，这正是倾斜对彗差校正的体现，且对于不同取值的彗差，有相应的最佳倾斜调整参数，譬如当W31／λ＝0．25时，令－W1x／λ＝0．16，系统误码率由补偿前的10－6．7降低至最小值10－7．7，系统误码性能提升一个数量级；而比较第4、5、6、7行的数据，可以看到，随着彗差的增大，倾斜对其校正效果越来越弱。
回顾（8）与（14）式，可以发现，彗差W31ρ3cosθ（其中W31＝W131H）与x方向性的倾斜W1xρcosθ具有相似性。对于相同的θ，若令ρ取1，则彗差由W31决定，而倾斜由W1x决定，因此，只要两者取值相反，便能相互抵消，从而提高混频效率，降低误码率。对于W1yρcosθ有相同的结论。
图3和表4表示了离焦与像散的相互校正作用。其变化趋势与图2相似，从图3看到，当W22／λ≥0．75后，不管离焦像差W20如何变化，系统的误码率不可能满足εBER≤10－6，与之相比，即便是彗差W31／λ＝1．00，通过调整W1x，依然可以实现误码率εBER≤10－6的目标。以误码率εBER≤10－6为标准，经计算，此时的W22／λ＝0．53。因此，只有当W22／λ≤0．53时，才能通过调整W20对W22进行部分校正。
1类平衡探测-正交频分复用技术
类平衡探测-正交频分复用技术（QBD-OFDM）结合类平衡探测编码技术和OFDM技术[14]。OFDM信号数据被分为多个数据块，每个数据块有两个符号的数据。在相同的数据块，第二个符号中的信号是和第一个符号中的信号在运算符号上是相反的。经过理论推导，发现二阶互调制失真、直流电流、可以完全消除，而且接收机的灵敏度可以提高3dB，因此可以提高信噪比。我们采用QBD-OFDM技术，实现了可达到2.1Gb/s实际物理数据速率，并使传输距离达到2.5m。图1为所提出的QBD-OFDM实验的原理。实验中，QBD-OFDM信号由任意波形发生器（AWG）产生，经过低通滤波（LPF）、电放大器（EA）和偏置树（BiasTee）后调制到红绿蓝发光二极管（RGB-LED）不同颜色的芯片上。经过自由空间传输后，在接收端由棱镜聚光后，用滤光片将3个波长的光分开，最后采用雪崩光电二极管（APD）探测器接收。然后进行后端的均衡与解调算法处理。结合波分复用（WDM）和类平衡探测子载波复用，很好地利用了多色LED的波分复用，提供了更多的传输信道。利用类平衡探测技术很好地避免了OFDM提供更多子载波时的峰均功率比（PAPR）限制，有效提升了多色LED传输速度，提高了系统误码率（BER）性能，同时增加了可见光通信的传输距离。图2给出QBD-OFDM技术和直接探测光正交频分复用（DDO-OFDM）技术的对比。两个子信道带宽为，Sub1：6.25~56.25MHz，Sub2：56.25~106.25MHz。每个子信道对应的调制阶数分别为，红光：256正交幅度调制（256QAM）和128正交幅度调制（128QAM），绿光：128QAM和64QAM，蓝光：128QAM和128QAM。因此，红光、绿光和蓝光的数据速率分别为750Mb/s、650Mb/s和700Mb/s，总数据速率达到2.1Gb/s，实验距离可以达到2.5m。在距离为0.5m时，红绿蓝3色对应的Sub1、Sub2两个子信道的BER提升为25.6dB、31dB、30.3dB、25.8dB、21.8dB和19.3dB。当可见光通信系统的通信距离增加时，系统误码率会增加，这是因为距离增加导致系统接收到的光信号减弱，系统信噪比降低，误码率增加。继续增加距离会使BER超过前向纠错码的门限，为使距离增加，就要使系统的传输速率降低。蓝光LED采用QBD-OFDM和DDO-OFDM的对应的Sub1、Sub2两个子信道的星座图如图2（d）的（i）、（ii）、（iii）和（iv）所示。
2无载波幅相调制技术
无载波幅度相位调制（CAP）是正交幅度调制的一个变种多阶编码调制技术，可以使用模拟或数字滤波器，实现灵活的子带划分和高阶调制，减少了计算的复杂性和系统结构，在数字用户线路有着广泛的应用。无载波幅相调制信号可以表示如下:s(t)=a(t)?fI(t)-b(t)?fQ(t)（1）这里a（t）和b（t）是I路和Q路的原始比特序列经过编码和上采样之后的信号。fI(t)=g(t)cos(2πf)ct和fQ(t)=g(t)sin(2πf)ct是对应的整形滤波器的时域函数，它们形成一对希尔伯特变换对。假设传输信道是理想的，在接收机端两个匹配滤波器的输出可以表示如下：这里mI(t)=fI(-t)和mQ(t)=fQ(-t)是对应的匹配滤波器的脉冲响应。利用对应的匹配滤波器在接收端就可以解调出原始信号。我们采用了无载波幅相调制技术，结合先进预均衡与后均衡算，后均衡算法采用改进级联多模算法（CMMA），实现了1.35Gb/s可见光传输系统实验[15]。实验原理图和实验装置图如图3所示。图4（a）到图4（c）为采用改进CMMA均衡算法所测得BER和距离的关系。实验中，每个波长上采用频分复用技术，将不同用户的信号分别调制到3个子载波上，每个子载波调制信号带宽为25MHz，调制阶数为64QAM，因此每个子载波的传输速率为150Mb/s，每个波长的传输速率为450Mb/s。在发射和接收的距离为30cm时，经过波分复用后该系统总的传输速率达到1.35Gb/s。图4（d）对比了CMMA和改进CMMA的性能，改进CMMA性能要优于CMMA，尤其是在第3个子带更为明显。
3频域均衡单载波调制技术
基于频域均衡的单载波调制技术（SC-FDE）是基于单载波的高频谱效率调制技术，该调制技术频谱效率和OFDM一致，复杂度一致。可见光通信系统是一个非线性非常严重的系统，OFDM存在PAPR的缺点，高PAPR对于可见光系统是一个非常大的缺点，而SC-FDE相比于OFDM具有一定优势，因为SC-FDE拥有更小的PAPR，其调制/解调原理如图5所示。SC-FDE调制技术和OFDM过程基本一致，但SC-FDE技术把IFFT变换从系统发射端移到了系统接收端。采用SC-FDE技术，使用RGB-LED波分复用技术和高阶调制格式，并在频域采用预均衡和后均衡技术，可以在LED3dB带宽只有10MHz的条件下取得3.25Gb/s的速率[16]。如图6（a）所示。该速率是在发射和接收距离小于1cm条件下测得，预均衡后的带宽为125MHz，红光和绿光都采用512QAM，蓝光则采用256QAM。图6（b）、图6（c）和图6（d）分别为红绿蓝3色BER与距离的关系，并给出了每种颜色光有无预均衡的性能对比。
4结束语
