自由空間光通信（Free-Space Optical Columniation，簡稱FSO）是一種通過激光在大氣信道中實現點對點、點對多點或多點對多點間語音、數據、圖像信息的雙向通信技術，本文介紹了自由空間光通信的國內外研究現狀，分析了應用現狀和未來發展趨勢。

1、自由空間光通信的研究現狀

1.1 基于光電探測器直接耦合的FSO系統

早在30多年前，自由空間光通信曾掀起了研究的熱潮，但當時的器件技術、系統技術和大氣信道光傳輸特性本身的不穩定性等諸多客觀因素卻阻礙了它的進一步發展。與此同時，隨著光纖制作技術、半導體器件技術、光通信系統技術的不斷完善和成熟，光纖通信在20世紀80年代掀起了熱潮，自由空間光通信一度陷入低谷。然而，隨著骨干網的基本建成以及最后一公里問題的出現，以及近年來大功率半導體激光器技術、自適應變焦技術、光學天線的設計制作及安裝校準技術的發展和成熟，自由空間光通信的研究重新得到重視。

在國外，FSO系統主要在美英等 經濟 和技術發達的國家生產和使用。到目前為止，FSO己被多家電信運營商應用于商業服務 網絡 ，比較典型的有Terabeam和Airfiber公司。在悉尼奧運會上，Terabeam公司成功地使用FSO設備進行圖像傳送，并在西雅圖的四季飯店成功地實現了利用FSO設備向客戶提供10OMb/s的數據連接。該公司還計劃4年內在全美建設100個FSO城市網絡。而Airfiber公司則在美國波士頓地區將FSO通信網與光纖網（SONET）通過光節點連接在一起，完成了該地區整個光網絡的建設。

目前商用的FSO系統（見圖1）通常采用光源直接輸出、光電探測器直接耦合的方式，這種系統有以下幾點缺點：

（l）半導體激光器出射光束在水平方向和垂直方向的發散角不同，且出射光斑較粗，因此我們需要先將出射光束整形為圓高斯光束再準直擴束后發射，這樣發射端的光學系統就較為復雜，體積也會相應增大。

（2）在接收端，光斑經光學天線會聚之后直接送入PD轉化為電信號。通常，我們需要提供點到點的，雙向的通信系統，這樣，FSO系統的每個終端都包括了激光器，探測器，光學系統， 電子 元器件和其中有源器件所需要的電源。這種系統的體積通常比較大，重量大，成本也比較高。從FSO系統終端的內部結構圖中可以看出，完成一個簡單的點到點的鏈路需要6個OE轉換單元。隨著人們對帶寬的需求越來越高，PD的成本也越來越高，6個OE轉換單元大大增加了成本閉。

（3）FSO終端設備一般安裝于樓頂，如果終端中含有大量的有源設備，會給我們的安裝帶來了很多不方便。

（4）系統的可擴展性很小。如果用戶所需要的帶寬增加，那么封裝在一起的整個FSO系統終端都需要被新的終端取代，安裝新設備的過程需要再次對準，整個升級過程所需要的時間很長，給人們帶來巨大的損失。

1.2 基于光纖耦合技術的FSO系統

光纖輸出、光纖輸入的自由空間光通信系統（見圖2），激光器輸出的高斯光束耦合至光纖再經準直出射，傳輸一定距離后，光束通過合適的聚焦光學系統聚焦在光纖纖芯上，沿著光纖傳輸后經PD接收還原信號。這樣我們通過在發射和接收端都采用光纖連接的方式，只需要在樓頂放置光學天線系統，而將其他的控制系統通過光纖放置于室內就可以實現點到點的連接，整個系統結構簡單，易于安裝。

這種新型的FSO系統具有以下優點：①減少了不必要的E一O轉換，一條鏈路現在只需要2個OE接口即可，大大降低了成本。②光學系統較為簡單，光纖出射的光束一般為圓高斯光，不需要整形，簡化了光學系統，減小了體積，易于安裝。③易于升級及維護，當用戶的帶寬增加時，我們只需要對放置在室內的系統進行升級即可，免去了復雜繁瑣的對準過程。④基于光纖耦合的空間光通信系統能夠很好的與現有的光纖通信網絡結合，利用現有的比較成熟的光纖通信系統中的器件如發射接收模塊，EDFA和WDM中所用到的復用器和解復用器。⑤可以與光碼分多址復用技術（OCDMA）相結合，構成自由空間OCDMA系統，進一步擴大系統的帶寬。

對于一個基于光纖耦合技術的FSO系統而言，以下2個因素必不可少：①體積小，重量輕的光學天線系統一個最佳的光學天線的設計首先必須使盡可能多的光耦合進單模光纖，獲得最大的耦合效率；其次要能通過粗跟蹤系統測出入射光的角度；另外，必須滿足盡可能高的通信速率和穩定性。②性能良好的跟蹤系統要使光學接收天線接收到的光能夠有效的耦合進纖芯和數值孔徑都極小的單模光纖，我們必須為系統加上雙向的跟蹤系統。

2、國內空間光通信系統研究現狀和進展