综述：中红外自由空间光通信技术

自由空间光通信以光波为载波实现无线数据传输，相比传统射频通信具备带宽大、频谱资源丰富、波束方向性强、保密性好等核心优势，是6G空天地一体化网络的关键支撑技术之一。当前主流FSO系统多采用近红外通信C波段（~1.55 μm），可直接复用光纤通信成熟器件，但在雾、霾、湍流等复杂大气环境下链路衰减严重、可靠性不足。而中红外波段（含3–5 μm中波红外与8–12 μm长波红外两大大气窗口）凭借更长的波长，具备更弱的大气散射与湍流效应，在恶劣气象条件下展现出更强的链路鲁棒性。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国南加州大学（USC）的联合研究团队系统综述了中红外波段自由空间光通信（FSO）的基础理论、信道特性、核心器件、系统实现与前沿研究方向。相关成果以“Mid-infrared free-space optical communications: a tutorial”为题近日发表在Advances in Optics and Photonics期刊上。

图1 中红外自由空间光通信综述框架

FSO系统基础与波长选择逻辑

FSO系统在架构上与光纤通信具有高度同源性，核心分为发射端、自由空间信道与接收端三部分，根据检测体制可分为两大类：强度调制直接检测（IM/DD）与相干检测。波长选择是FSO系统设计的核心决策，不同传播场景对应最优波段：水下通信采用蓝绿光以降低水吸收；空间链路近红外占主导，核心制约是光束发散；而大气链路需要平衡吸收、散射、湍流与发散效应。相比近红外，中红外除了信道优势外，还具备更高的人眼安全阈值（波长超过1.4 μm后光线无法聚焦至视网膜），允许更高的发射光功率，为提升链路距离提供了额外空间。

大气信道特性

中红外FSO的核心价值源于其在大气信道中的传播特性，该综述从吸收、散射、湍流、光束发散四个维度进行了定量对比。综述首先分析了水汽、二氧化碳、臭氧等大气分子在不同波长处的吸收特性，并说明了为什么中红外区域会形成3–5 μm和8–12 μm两个主要传输窗口。对于散射效应，文章区分了瑞利散射、米氏散射以及与波长相关性较弱的不同散射机制。一般而言，随着波长增加，瑞利散射会快速减弱；在雾、烟尘、气溶胶等复杂条件下，与近红外波段相比，中红外波段由于与粒子相互作用相对较弱，能够降低散射导致的功率衰减。对于湍流效应，综述讨论了空气折射率随机扰动导致的光强闪烁、光束漂移、波前畸变和空间模式串扰等问题，并指出中红外波长在一定条件下有助于减弱湍流引起的链路退化。

实现中红外高速通信存在两条技术路径：基于原生中红外器件的直接方案，以及基于近红外成熟技术的波长转换方案，二者各有优劣，在不同发展阶段形成互补。

图2 中红外发射与接收方案：原生器件与波长转换路径

原生方案直接采用中红外波段的激光器、调制器与探测器，系统架构简洁，是未来集成化、低功耗系统的发展方向。波长转换方案先在近红外C波段生成高速数据信号，再通过差频产生（DFG）、光参量振荡（OPO）等二阶非线性过程转换至中红外，接收端再反向转换回近红外进行检测，可充分复用近红外高速相干器件与算法。

单信道链路：从强度调制向相干传输跨越

基于上述器件技术，国内外已完成大量单信道中红外FSO链路演示，速率从百兆比特提升至数十吉比特量级。直接调制IM/DD链路架构最简单，外调制方案进一步突破速率上限。相干通信方面，波长转换方案仍是主流。值得注意的是，数字信号处理（DSP）是提升链路性能的关键手段。

图3 中红外FSO单通道和多通道链路实验演示

多信道复用：向太比特级容量演进

单信道速率受限于器件带宽，通过多维度复用提升总容量是必然趋势，综述梳理了偏振复用（PDM）、波分复用（WDM）、模分复用（MDM）三类技术的进展。多信道系统的核心挑战在于可扩展性与串扰抑制：WDM需要更宽带的非线性材料，MDM需要集成化的模式生成与分选器件，而大气湍流引起的模式耦合与串扰则需要自适应光学、波束成形与MIMO DSP来补偿。

前沿展望

综述最后指出，中红外FSO仍处于快速发展阶段，未来有六大重点研究方向：（1）片上中红I/Q调制器与相干接收机；（2）可调可扩展的模式器件；（3）QCL与ICL性能优化；（4）通感一体化系统；（5）中红外量子通信；（6）中红外光纤通信。

总结

总体而言，中红外自由空间光通信凭借恶劣环境下的高鲁棒性，正在成为传统近红外FSO的重要补充技术路线。当前领域正处于器件性能快速提升、系统演示不断突破的阶段：原生器件向着高带宽、集成化稳步推进，波长转换方案率先实现太比特级容量验证。未来随着核心材料、集成光子技术与信号处理算法的持续进步，中红外FSO有望在应急通信、空天地一体化网络、工业无线回传等场景实现规模化应用，为下一代高速无线光网络提供全新的技术路径。

https://doi.org/10.1364/AOP.582922