自由空间光通信（Free-Space Optical Communications, FSO）利用光波在大气、空间等信道中传输信息。相比传统射频无线通信，FSO通信具有频谱资源丰富、传输带宽大、光束方向性强、抗截获潜力高等优势，有望支撑高速、安全、灵活的新一代无线信息传输系统。随着激光器、高速调制器、探测器和数字信号处理等技术的发展，FSO通信正逐渐成为地面高速链路、无人平台通信、星间/星地激光通信以及复杂环境通信的重要候选方案。
目前，大多数FSO系统主要工作在近红外波段，尤其以1.55 μm附近通信C波段为代表。这一波段可以充分利用成熟的光纤通信器件生态，但在大气传输中仍会受到吸收、雾/云散射、湍流畸变等因素影响，导致链路损耗增加、光束漂移、功率闪烁和接收性能下降。相比之下，中红外波段具有两个重要大气传输窗口，即中波红外（MWIR, 3–5 μm）和长波红外（LWIR, 8–12 μm）。由于更长波长通常具有更弱的光—物质相互作用，相比于近红外波段，中红外光在雾、气溶胶散射和湍流等复杂大气条件下有望表现出更强的传输鲁棒性。
近日，美国南加州大学（USC）Alan E. Willner院士团队联合TOPTICA Photonics和以色列特拉维夫大学的合作者，以“Mid-infrared free-space optical communications: a tutorial”为题，在高影响力综述期刊Advances in Optics and Photonics上发表综述论文。该综述系统梳理了中红外自由空间光通信的发展脉络，围绕中红外大气传输效应、发射与接收器件、单信道和多信道高速链路演示、关键技术瓶颈以及未来研究方向进行了全面总结。该综述论文由美国南加州大学Alan E. Willner院士和周慧斌博士共同担任通信作者；周慧斌目前已回国任职于华中科技大学光学与电子信息学院，并在光通信与光网络团队开展研究工作。
图1：中红外自由空间光通信综述框架
主要内容/综述亮点
▏中红外 FSO 的波段优势与应用潜力
自由空间光通信可部署于多种平台和环境，包括地面固定终端、无人机、飞机、卫星、深空探测器以及水下平台等。不同传播介质对工作波长提出了不同要求：水下链路偏好低损耗蓝绿光，空间链路重点关注光束发散、指向和跟踪，而大气链路则需同时面对吸收、散射、湍流等复杂因素。近红外波段虽然器件成熟，但中红外波段在复杂大气环境中的潜力正在受到越来越多关注。中红外波段的MWIR（3–5 μm）和LWIR（8–12 μm）区域在大气传输窗口内具有相对较低的传输损耗，并且在雾、气溶胶散射和湍流等信道条件下能比近红外波段具备更好的传输鲁棒性。这使得中红外FSO有望服务于恶劣天气通信、空天地一体通信以及高鲁棒无线光链路等场景。
▏中红外自由空间链路效应
在大气中传播的光束会受到多类信道效应影响，包括大气吸收、粒子散射、湍流畸变和衍射发散。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。
图 2：中红外自由空间链路中的吸收、散射和湍流效应
▏中红外收发技术
中红外高速通信系统的发展受到器件技术的直接影响。综述将中红外收发技术大体分为两类：一类是基于原生中红外器件的方案，包括量子级联激光器（QCL）、带间级联激光器（ICL）、中红外调制器和中红外探测器等；另一类是基于波长转换的方案，即利用近红外成熟调制和相干通信技术，通过差频产生（DFG）、光参量振荡（OPO）等非线性过程将近红外数据信号转换到中红外波段。原生中红外器件具有系统架构简洁、波段覆盖灵活等优势，但在高速调制带宽、复杂调制格式支持和系统集成方面仍存在挑战。波长转换方案则能够利用近红外光纤通信中成熟的高速调制、相干检测和数字信号处理能力，为中红外高速、复杂调制和相干通信提供了一条重要路径，但目前仍然面临转换效率、泵浦功率、相位匹配、系统复杂度等限制因素。
图 3：中红外发射与接收方案：原生器件与波长转换路径
▏中红外高速 FSO 链路实验演示
综述总结了基于强度调制/直接探测（IM/DD）和相干探测的多类实验演示。IM/DD系统结构简单，适合短至中距离链路和相对低复杂度应用；相干系统能够同时利用光场的幅度和相位信息，并借助本振光提高接收灵敏度，因此更适合高阶调制、高频谱效率和远距离传输。另外，综述还系统介绍了偏振复用（PDM）、波分复用（WDM）和模式复用（MDM）等不同复用维度的中红外信道复用系统。多个数据通道可以分别加载在不同偏振、不同波长或不同空间模式上，在自由空间中共同传播，并在接收端解复用，从而提升总传输容量。然而，多信道系统也带来了新的挑战，包括可扩展波长数量受限、可用空间模式数受限、模式耦合、通道串扰、复用/解复用器件复杂度以及大气湍流导致的串扰增加和各通道性能退化等。
图4：中红外FSO单通道和多通道链路实验演示
▏未来发展方向
面向未来，综述指出中红外 FSO 通信仍处于快速发展阶段，多个关键方向值得持续推进。首先，片上中红外调制器和相干接收机有望降低系统体积、复杂度和能耗，推动中红外相干通信从实验室系统走向更紧凑、稳定和可部署的工程平台。此外，QCL 和 ICL 等原生中红外光源仍需在功率、调制速度、线宽和室温工作性能方面进一步优化。中红外通感一体（ISAC）、中红外量子通信以及面向中红外传输的光纤通信也被认为是具有潜力的新兴方向。随着中红外材料、器件、集成光子学、非线性波长转换和信道补偿技术的持续进步，中红外 FSO 有望为复杂大气环境下实现更高速、更稳健、更安全的无线光通信提供重要技术路径。
