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李明琪
如何突破城域网的瓶颈，向渴求带宽的用户递送高容量的语音和数据？如果直接向要求高带宽的用户建筑物敷设高容量光纤，那么一是成本高，二可能需要花费数十年的时间。从一个国家的范围来看，大中型办公楼中只有5%～10%已经安装了光终端，而这些建筑物中有3/4距离主干光纤在一公里之内。这种“带宽间隙”令网络运营商烦恼不已。
消灭这种“带宽间隙”是基于电频率和光频率的无线通信技术的目标。固定宽带的无线系统的带宽是有限的，而且为了得到频谱的授权和在用户付费之前建设网络又需要巨额的投资。无线光系统，又称为无间隔的光（free-space-optics——FSO），由于光频率传输不必经过授权，且使用真正的“付费随着用量的增长而增加”的点对点的体系结构，既解决了问题，又避免了前期的巨额投资。但是FSO传输容易受到大气环境的影响而衰减，而适应性光（AO——Adaptive Optics）技术可以把被大气损坏的光波几乎全部恢复。适应性光技术宣称对FSO通信技术做出了革命性的改进，完全可以满足电信公司的新需求。
FSO存在由来已久
早在1880年6月，Alexander Graham Bell就在他发明的“光电话”上第一次传输了无线电话信息，通过一个仪器把声音信号投向一个与镜子相连的听觉装置。声音的颤动在镜子上产生了类似的颤动，镜子把日光向前反射和投射到一个接收机上，接收机把日光重新转换成为声音。由于光电话易于受到外部噪声的干扰，而且声音信号在铜线上传输更为可靠，所以光电话没有在商业上取得成功。
80年后，激光被发明了，使用经过调制的光穿过空气的通信方式开始实用。20世纪70年代美国开始开发用于航空器到地面和卫星到水下的通信技术。而商业FSO系统实用化则是在上个世纪的90年代，主要用于互连建筑物和校园的LAN，以及像现场的电视摄像通信这样一类的专业应用领域。这些市场的特点是范围短、速率适度和在室外安装。为这类市场建造的系统是用市场上可买到的现成的光部件（如激光器、接收器、透镜等）制成的。
最近一个时期以来，电信公司开始考虑用FSO系统来满足市场上出现的不断提高的苛刻需求，包括最后一公里的接入、城市周边的扩展和无线回程传输。在这些市场上的用户需求包括：
● 在所有条件下的长距离和高可靠性传输；
● 真正的物理层数据速率和与协议的无关性；
● 集成了网络管理要素的载波级的产品；
● 能够真正穿过办公室的窗玻璃在室外和室内运行；
● 单一信道采用WDM的速率最高可达10Gb/s以上。
但是，FSO要投入使用还需要解决漂移、闪烁等问题，但是现在的方案却难以产生一个可靠的全光的解决方案，因为没有解决一个根本问题:光的波峰被大气扭曲了。更为有效的对策是适应性光技术。
适应性光技术的贡献
在空中经常飞行的飞行员都知道，带噪声控制的耳机比较好用。在飞行期间，这种耳机大大地降低了飞机的噪声，使旅途更舒适。这种耳机的工作原理就是“抗噪声”，即建立一个反向的相位信号来削弱机舱的噪声。适应性光技术就采用了类似的方式。它利用“抗噪声”信号来削弱光束在穿过湍流大气和办公室的窗玻璃时光的噪声（失常），从而在无线光通信系统中成功应用。
适应性光技术最初是在20世纪50年代为了校正由于每秒钟要翘起望远镜的辅助镜几次而造成的大气图像模糊现象而开发的。它减少了图像的漂移，使图像的清晰度提高了两倍。但是要想完全消除在天文观测中大气图像的模糊现象需要提高10倍的清晰度。
美国军方为了把浓缩的激光发射到敌方，在20 世纪70年代和80年代对适应性光技术投入了大量的资金。等到后来美国军方将此技术解密时，天文学家迅速行动，采用这项技术制作望远镜来消除由于大气造成的星球和星系的图像模糊现象。虽然是手工制作的，且成本很高，但是得到的效果却是令人吃惊的。在装备了适应性光技术制作的望远镜的地面天文台观测的天文图像完全可与从地球的大气层之外用哈勃空间望远镜观测到的图像质量相媲美。适应性光技术的应用是自1609年伽利略发明望远镜以来在天文学上取得的最具革命性的发展。
双向AO的实践
适应性光技术与其他技术结合可以去除光信号中的噪声，光首先穿过一个物镜，然后由一个特制的适应性光部件反射出去。这个特制的适应性光部件被称为可变形镜，它用于抵抗光束中的噪声，消除进来的光束中的失常。校正过的那部分波峰被分发到一个波峰传感器上，波峰传感器测量在波峰中的剩余的畸变和误差。校正的信号经过计算发送给可变形镜。
在剩余的波峰误差的测量和可变形镜的位移之间时间延迟（即反应时间）必须保持在最小，否则系统校正的就将是过去的而不是当时的气候条件。由于大气中的灰尘、水蒸气等对光信号的干扰变化迅速，而从当时的条件无法推断出未来的状态，因此在这种情况下，控制系统的运行速度必须比被控制过程的变化速度快至少10倍。由于大气是以100 Hz的周期变化的，所以控制系统在可变形镜中必须以1000 Hz以上的速率执行校正。
以前的军用和天文的适应性光系统都是单向的，或者用来校正通过望远镜获取的星球或星系来的变形的光，或者用来在激光武器中把发出的光预先变形。FSO系统第一次在双向通信系统的两个方向各自应用了一台适应性光设备。因此，可变形镜不只是校正进来的光波峰，而且同时也预先把出去的光波峰变形，以便提前校正在两台设备之间光传播路径上已知的失常。对发射机发出的光束的预先整形，校正已知的失常条件，可以消除漂移和闪烁，从而使光束可以锁定在其目标上。
在两公里距离的线路上进行的全光系统的运行模拟实验表明，适应性光系统的效果良好。
观点
采用适应性光技术的FSO系统是光通信系统的一次革命，它向当前用越来越高功率的激光器与标准光部件的创造性封装技术来改进系统性能的设计趋势提出了挑战。适应性光技术在解决FSO传输缺陷方面有许多先天的优点。由于在一秒钟的时间内对变形的光波峰校正了数千次，所以它既能够传输双向的、高度校准的光束，又克服了闪烁。得到的效果就是：它能够直接通过用户的单模光纤穿过窗玻璃和空气长距离传输信号，并能传输到接收光纤中，有更可靠的链路、更高的带宽，是真正与速度和协议无关的连接技术。在解决了成本问题后，经过试验验证的适应性光技术的FSO系统不久将走向市场，成为通信系统发展的一个“助推器”。
摘自《计算机世界报》2003.04
