之前讨论过的一篇文章水下光学设计．本周，我们将回顾一个完全相反的应用——自由空间光通信(FSO)。与水下光学设计一样，光通信所面临的挑战之一是光信号在高度可变介质中的传播。例如，大气湍流产生了折射率略有不同的临时空气袋。这将随机改变激光的相前，产生强度波动和不同的吸收和散射。另一个挑战是收发器元件之间的最佳对齐。这可以通过使用高定向和窄光束来实现，跟踪接收机的误差，并产生信号反馈来调整对准。
什么是自由空间光通信?
无线光通信是指信号在空气或真空中传播的通信系统。无线光通信之所以如此有吸引力的原因之一是，它们在提供高传输数据的同时，提供了极大的灵活性和相对较低的部署成本。例如，无线光通信网络可以配置为点对点、点对多点、多点对多点或多点对多点。
缺点是，无线光通信受到上述大气效应的影响，从而限制了灵敏度和可实现的数据速率
虽然无线光通信领域也包括光学互连和卫星通信，但这里我们将重点关注两个地面站之间存在视线的系统。
图1所示。不同类型的无线光通信a)光互连，b)点-多点室内无线光通信，c)地面无线光通信，d)卫星无线光通信。继Arun K. Majumdar的《宽带全球互联网连接的光无线通信》之后，2019年。第4章。爱思唯尔
光学设计
为了正确地设计一个无线光通信系统，我们需要定义包括范围、数据速率和价格在内的要求。在波长方面，大多数无线光通信系统工作在近红外波长范围750至1600 nm。这是因为这些波长的吸收较低，尽管在较长的波长(>5微米)存在额外的显影。
发射光学的主要目的是在接收端产生与所期望的波束直径相匹配的合适的波束发散。如果没有发射光学，光束发散会产生太大的光束而不能实际使用(在500米的距离上大约200米)。此外，发射光学的一个理想特性是它应该增加最小的像差(特别是球像差)。
接收机的主要目的是收集尽可能多的传入信号，并将其耦合到光电探测器或光纤上。因此，接收机的设计往往比发射机的设计更为重要。一个重要的方面是它的对准公差，即多少接收器被允许偏离光轴。
对于收发器的任一组件，一个常见的解决方案是使用基于望远镜的配置(伽利略或开普勒)，用消色差代替一些单一组件，以减少球差。大多数接收器可能有多个输入端口。这些多重输入有助于减少大气像差和衰减的影响，以及一种使冗余路径和防止光路阻塞的方法。
图2。一种无线光通信系统的激光传输终端。图片取自德国航空航天中心(DLR)。博士Juraj Poliak
