海洋水下激光通信系统和特性

激光通信与其他各种通信方式有着共同的系统组成和工作原理，即在通信链路中有作为信源的发射端和作为信宿的接收端。在发射端把信息调制成载有调制信息的信号，经信道传输至接收端，再通过解调还原出载有的原信息。对于海水下激光通信来说，其信源是激光装置，通过调制器系统调制其输出的激光成载波并发射出去，在海水信道中传播，然后在接收端使用光电接收器将光信号转换成电信号，再经过信号的解调还原出发射端的信息。不过，光束在水中传输的特性远比在大气中传输复杂。

（一）通信系统组成

图2-54是水下激光通信系统组成，主要由激光发射系统、海水信道和接收系统等组成。其通信机理是：将待传送的信息经过编码器编码后加载到调制器上，转换为随着变化的电信号驱动激光器，将信息加载到激光束上。随后此激光束通过光学系统耦合进入海水信道传输，在接收端由光学系统将传输过来的激光信号会聚在光学探测器上，并由该探测器将光信号转变为电信号，然后进行信号放大、解调处理，还原出原来的信息。

图2-54　海洋水下激光通信系统组成

（二）通信链路方式

根据通信对象和通信环境的不同，海洋水下激光通信链路形式有多种，其中双向链路有3种：

1．直接扩散型

这种链路方式简单并且有较高的传输效率，但是在光路径中不能存在遮挡物，而且需要双方进行实时跟瞄，复杂性较高。

2．反射调制型

这是利用调制反射技术实现问询-应答式的双向通信，应答方的设备无需光源和跟瞄系统，体积小、功耗低，但对制造工艺要求高，且调制速率受到限制。

3．反射扩散型

这种链路方式在有遮挡区域也可以使用，能避开一定角度的遮挡，但是能量损失很大，光路较远时更容易产生多径效应，导致调制速率也受到限制。

上述3种链路方式中，前两种实现难度相对低，尤其是第2种，应用于空对潜通信场合，对水下通信对象的通信端机要求比较低，而且不会破坏目标的隐蔽性。

（三）主要性能

1．误码率

误码率是通信质量的一个重要性能指标，其基本定义是数字信息在传输过程中发生差错的概率。海洋水下激光传输特性对误码率的影响主要体现在激光束的时间展宽、多径效应以及空间展宽等现象，它们将掩盖真实激光信号波形，改变调制后的信号波形相位，使得激光信号波形相互重合，造成接收信号失真，最终影响接收到数据。

设P（1）和P（0）分别为接收到“1”和“0”的概率，P（0／1）是收到“1”而错判为“0”的概率，P（1／0）是收到“0”而错判为“1”的概率，总的错判率即误码率（BER）为

在脉冲编码调制比特流中，“0”和“1”的出现概率是相同的，同为1／2，代入上式，BER可化简为

在光信号数字处理系统中，信号被调制成只包含“0”和“1”的数字比特流，因此，这里的光信号处理实际上是二值化处理。

根据信号在纯水和空气中传输误码率的对比可知，海洋水体的光学吸收对激光水下通信的传输影响并不明显，而悬浮粒子的光学散射是引起传输误码率的主要原因，解决这个问题的传统办法是：加大发射端激光器出射的激光功率，或者是在信号接收端提高接收天线的灵敏度。不过，这两种方法都存在弊端，因为激光器发射的激光功率不可能无限制地加大，而接收天线的信号探测灵敏度也有一定的限制。一种新方法是使用偏振光作为载波光波，这可以在很大程度上消除由海洋水体光学散射引起的误码率。

根据光的偏振理论和试验结果，偏振光信号被海水粒子散射后偏振态会发生改变，并且传输的距离越远，偏振态的改变越多，如果光信号传输足够远，在理论上偏振光信号的偏振态会完全改变。在海洋水下通信系统中，在不应用偏振技术的情况下激光也会发生偏振态变化，这种变化增加了通信系统噪声，使通信系统产生误码，增高了通信系统的误码率；而在使用了偏振技术后，由于散射光的偏振态与入射光的偏振态不同，当在信号接收系统前面放置与入射光偏振态相同的检偏装置时，系统的“1”信号与“0”信号能量比值就会有很大的改善，即系统的误码率将会大大降低。例如，当发射端使用的是右旋圆偏振光，在接收系统前放置右旋圆偏振器时，系统的“0”光信号能量（左旋圆偏振光）就会被滤除，虽然接收系统接收到的总激光信号能量较不用偏振光时有所降低，但在系统接收到的“0”光信号电平能量接近系统“地”的情况下，系统的激光能量利用率还是有很大提高的。同时，在使用偏振技术的情况下，还可以通过增加发射功率的方式提高接收的有效激光能量，进一步提高通信系统的激光能量利用率；而在不使用偏振技术的情况下，增加发射激光功率会加大海洋水体的光学散射光强度，使接收系统接收到的无效激光能量大大提高，相应地造成系统的误码率提高。

2．接收光功率

从通信系统发射的光信号经过海水传播时，将受到海水的衰减。

海洋水下光信号在发射端从激光器到发射天线出瞳的过程，光束一般会受到准直整形、光路设计、发射天线设计等的影响，接收光功率会产生一定的光学损耗。在接收端从接收天线光阑到探测器的光敏器件的传播过程中，接收的光束会受到接收天线质量、滤色片、光学设计等因素的影响，产生接收损耗。此外，光信号在传输过程中受环境影响，存在一些附加影响，如海水信道变化的随机性、光路对准等附加影响。

3．有效传输距离

除了海水信道对光信号衰减影响通信距离之外，接收光信号端的探测特性也产生影响。在光学衰减系数小的海水环境中，有效通信距离远。图2-55是传输速率为100 Mb／s条件下，混浊水环境、近海水环境、深海水环境中传输损耗与传输距离的关系。

有效传输距离与可接收信息传输误码率也有关，信息传输误码率指标低，有效通信距离可以延长。对通信光源采用大功率发光二极管（LED）、接收器件用光电倍增管做的实验结果显示，误码率指标为10－4时，在混浊海水中的最大通信距离为8 m，在近海海水中的通信距离为59 m，在深海海区可达114 m；当提高误码率指标为10－9时，在混浊水中最大通信距离仍然为8 m，在近海海水中的通信距离将降为56 m，在深海海区降为108 m。

图2-55　海水信道传输损耗与传输距离的关系(www.zuozong.com)

4．海水背景光噪声

海洋水下可见光通信系统在海水中传输的光信号除了受到光吸收和散射影响外，还会受到外界背景光的影响，其来源广泛，包括太阳光照射海水水体的光学散射、海水中颗粒的光学反射和散射、海洋发光生物体的发光及人造光源等，背景光噪声降低了通信信号的信噪比，相应地降低了通信质量。研究显示，一天中7∶00～18∶00背景光噪声变化剧烈；在海水下深度越深，背景光噪声越低，海岸地区的背景光噪声普遍高于港口地区的噪声。降低背景光噪声带来的影响有多种方法，在信号接收端采用超窄带滤光技术是重要手段，比如在接收端加超窄带原子滤光器，它是基于原子吸收、发射和内部能量转换的一种量子滤光器件，具有极窄的线宽和较高光学透过率，其很高的带外噪声抑制比很适用于对滤光有严苛要求的场合。原子滤光器的组成一般包括原子泡、温控、磁体、起偏与检偏等部分。

（四）关键技术

1．光调制技术

这是将需要传递的信息加载到激光束上去的工作，也是光通信重要的技术环节之一。调制方式可分为直接调制（又称内调制）和间接调制（又称外调制）两大类。

1）直接调制

光通信通常使用半导体光源［包括LED和激光二极管（LD）］，这种光源有一个重要特性，改变注入电流能够使其输出光强度获得快速变化。将带有信息的电流信号以驱动电流的形式注入LED或LD，它们输出的光束便载有对应信息。理论计算表明，经直接调制后的光载波振幅的平方与调制信号成正比，即光强变化可反映调制信号的变化，通常可用光调制度表示电信号对半导体光源的调制特性，图2-56是数字电脉冲串对半导体激光器进行调制的示意图，图中IB为偏置电流，Ith为阈值电流。调制结果是电脉码流变成了相同编码规则的光脉码流。显然调制度应小于1，否则LD就会产生消波效应，影响其光输出特性。如将图中的电（光）脉码流改为电（光）正弦波，同样反映模拟信号的调制特性。

从原理上讲，由于LED和LD（大于阈值电流部分）的输出光功率与注入电流的变化曲线（即P-I）大致上呈线性关系，因此LED的调制特性与LD是一样的。

图2-56　半导体激光器的数字调制特性

在调制过程中还存在着电光延迟、张弛振荡和自脉动等3种瞬态现象，它们作为噪声会直接影响到半导体激光器对注入电信号的调制效果。其中电光延迟反映激光器输出与注入电脉冲之间存在时间差，一般为纳秒数量级。为了减少电光延迟，行之有效的办法是对LD加直流预偏置电流，使有源区内的电子密度预先达到一定值。张弛振荡是LD内部电光相互作用所固有的特性，以输出激光衰减式振荡的形式表现出来。振荡频率通常在几百兆赫兹～2 GHz的数量级，决定于载流子寿命和光子寿命，典型的直接带隙半导体的载流子寿命是纳秒数量级，间接带隙半导体的载流子寿命则比它大3～4个数量级；普通输出波长800 nm的半导体激光器，其光子寿命为皮秒量级。因此，当激光器是在注入电流2倍阈值电流的条件下工作时，最大调制频率是几千兆赫兹量级。调制频率也受与激光器连接的电子线路频率响应的限制。

自脉动现象是指LD在某些注入电流下，产生的一种持续振荡现象，多数发生在一些P-I曲线有明显扭曲的LD中。

2）间接调制

这是把激光器与调制器分开，用独立的调制器调制激光器输出激光。使用的调制器主要是利用半导体晶体的电光、声光和磁光等效应制成的，并分别称为电光调制器、声光调制器和磁光调制器。

（1）电光调制。电光晶体在调制信号的电场作用下折射率发生变化，激光通过晶体之后的相位也按调制信号规律发生变化，从而可以实现对激光的相位或频率调制。如果考虑到电场引起电光晶体发生的双折射效应，利用互相垂直偏振方向的两偏振分量通过检偏器之后产生的干涉，还可以实现激光振幅调制或强度调制。调制方式有两种：纵向调制和横向调制。激光入射的传播方向和加在电光调制晶体上的电场方向相同时进行的调制叫作纵向电光调制，激光传播方向和外加的电场方向垂直时进行的调制称为横向电光调制。纵向电光调制要求在晶体上使用电极，而且调制指数只能靠提高电压来增大。常用来做电光调制的晶体有KDP晶体和GaAs晶体，KDP晶体是单轴晶体，要避开双折射的影响可采用纵向电光调制，如果采用横向电光调制，必须进行自然双折射的温度补偿。GaAs型电光晶体是各向同性的，不存在上述问题。

（2）声光调制。超声波通过介质时，在介质内将产生周期性的应变场。由于光弹性效应，也就引起介质折射率发生周期性变化，形成“相位光栅”，光波通过此介质时会被衍射，衍射光强度、频率和方向等都随超声场而变化。因此，用信号控制超声波的波长或它们的强度，产生的衍射光强也就按调制信号的规律变化。

声光调制器由电源、换能器、声光介质和吸声介质组成。电源产生的调制电压加在换能器上，产生射频超声波。换能器由压电晶体（如石英、铌酸锂等）制成，从换能器产生的超声波耦合到声光介质，在介质中形成超声场。常用的声光介质有玻璃、钼酸铅、锗、铌酸钽等。吸声材料一般是金属铝。

（3）磁光调制。光学介质在磁场作用下具有旋光性，线偏振光沿磁场方向通过此光学介质时偏振方向将发生旋转，其旋转角度正比于磁场强度。用信号控制磁场强度的变化，在其中传播的激光偏振方向也将作相应的变化，该激光光束通过检偏器之后，它的偏振方向或光强度将按调制信号而变化。此外，还可以根据半导体材料中光学吸收系数正比于载流子浓度，用调制信号控制载流子浓度，从这半导体材料透射的光强度也就按调制信号而变化，实现调制激光器输出的激光强度。

2．光电接收技术

这是光通信系统中不可缺少的部分，通过光电接收技术将来自信道的光信号转换成电信号，即把光子变换成电子，所用的光电接收器性能的好坏会直接影响光通信系统的性能。对光电接收器的基本要求是，对光信号波长的光辐射有足够高的灵敏度；量子效率高（生成的光电子数与入射光子数的比值高）；响应速度快；噪声低；能在室温条件下使用等。目前光通信系统中常用的半导体光电接收器有两种：光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）。

1）光电二极管（PIN）

以任何一种半导体材料做的光电二极管均存在截止波长，接收器只对入射光波长小于截止波长的光信号有响应。但是，如果光波波长太短，半导体材料对光信号的光学吸收会增强，结果大量的入射光子在PIN管的表面就被吸收掉，这会降低光电转换效率。同时，也都存在最佳工作波长响应范围和峰值波长，如Si光电二极管的波长响应范围为0．5～1．1μm，峰值波长为0．85μm；InGaAs光电二极管的波长响应范围为1．1～1．6μm，峰值波长为1．26μm；Ge光电二极管的波长响应范围为0．5～1．8μm，峰值波长为1．5μm。

响应速度是光电二极管另外一个重要参数，常以响应时间（上升时间和下降时间）来表征，它反映了光电转换的速度，影响其响应速度的主要因素是由半导体结电容与负载电阻所构成的时间常数及载流子的渡越时间。反映光电二极管特性的另一个重要参量是暗电流，即在没有光照射时光电二极管的反向电流。暗电流会产生噪声，而且还随着温度升高而急剧增大，直接影响光电二极管的接收灵敏度。

2）雪崩光电二极管（APD）

与光电二极管不同，雪崩光电二极管主要特性是它的雪崩倍增效应，使其成为一种高灵敏度的光电接收器件。

雪崩光电二极管的倍增效果可用平均增益系数（平均倍增因子）G来表示。反向偏压越大，倍增因子G也越大；但是，当偏压大过击穿电压时，雪崩光电二极管就会被击穿。击穿电压对温度比较敏感，会随温度变化而产生漂移，通常需采用温控电路对其工作状态进行控制。雪崩增益过程是一个随机过程，必然会引入噪声。雪崩光电二极管在对信号进行倍增的同时，也会对噪声产生倍增放大效应。雪崩管的倍增噪声称为过剩噪声，即使是在理想工作状态下的雪崩光电二极管，其噪声水平也是光电二极管的2G 2倍。

如同光电二极管一样，雪崩光电二极管的响应带宽也同样受限于载流子渡越时间及外部负载电路参数，平均倍增因子G增大，将降低其响应带宽。