激光通信：将“宽带”搬上太空

作者： 记者 胡珉琦

2014年06月20日 来源： 中国科学报    

    本月初，美国国家航空航天局（NASA）发布消息，一段时长37秒、名为“你好，世界！”的高清视频，用时3.5秒传到接收端，传输速率达到50Mbps。在这个已被称为“4G时代”的通信世界，这样的速率本不值得一提。不过，实际上这段视频跨越了太空和大气层，如果不是使用了激光通信技术，而是用传统的无线电波方式进行传输则至少需要10分钟。

    对此，国内专家在接受《中国科学报》记者采访时表示，NASA此次试验的目的是以国际空间站为平台，验证利用激光拓宽空间通信带宽的技术，从而解决今后来自火星等深空高清图像下载速度过慢的问题。同时也表明，激光通信相关技术已经日臻成熟，星地激光通信已经逐步具备业务化运行能力。

    自由空间的无线光通信

    据美国国家航空航天局介绍，这一通信试验名为“激光通信科学光学载荷”（OPALS）。OPALS是利用极窄的激光束传输数据，速率可比现射频通信方式提高10～1000倍。而此次试验的一大挑战就是“极度精确地”锁定位于美国加州小镇赖特伍德的地面站。

    事实上，这并非美国国家航空航天局的第一次空间激光通信技术试验。就在今年年初，NASA开展了“月球激光通信演示验证”（LLCD）项目。在试验验证中，LLCD与月球之间通信的数据下行和上行速率分别达到了622Mbps和20Mbps。

    说到激光通信，多数人会感到有些陌生，但如果提到光纤通信，恐怕无人不晓。激光通信与光纤通信同属光通信范畴，只是传输的介质不同而已。

    中国科学院上海光机所研究员蔡海文向《中国科学报》记者介绍，光纤通信是将光信号限制在细微的光纤中进行长距离传输，自由空间无线光通信则涵盖星地和星间等多种信道，包括宇宙空间传播、大气传播甚至水下传播。激光通信实际上指的是自由空间无线光通信，它利用激光作为载体，将信息加载到激光上发送出去，携带了信息的光信号在自由空间进行传输，到了接收端再利用望远镜将畸变了的光信号收集到光电探测器上进行光电转换，进一步根据信息的加载方式就可以还原出发送信息，实现双方的通信。

    据了解，一套完整的激光通信系统主要包括光学瞄准、捕获、跟踪分系统和光通信发射接收分系统。光学瞄准、捕获、跟踪分系统主要负责空间激光通信链路的建立和保持。由于空间激光通信端机的光束发散角非常小，为微弧度量级，因此，具有高度的定向性。中国科学院上海光机所研究员孙建锋给《中国科学报》记者打了一个比方，一束激光从上海打到北京的光斑大小仅为10米左右，这就对光跟瞄系统提出了非常高的要求，跟瞄精度达到1微弧度左右。“它的难度就像在1公里外将激光穿过1毫米的针孔。”孙建锋坦言。光跟瞄系统也是空间激光通信系统所特有，在光纤通信中是不存在的。

    激光通信发射接收部分则包括了发射和接收两部分。发射部分负责信息的存储、编码、调制、转发；接收部分负责信息的解调、解码、存储、转发等功能。“这部分与光纤通信的发射接收原理上基本相同，但在具体实现上还是存在很大差别的。”孙建锋表示。

    “太空宽带”衰减严重

    相较于传统的无线电通信方式，空间激光通信技术采用光频电磁波作为信息载波，其波长比微波短4个数量级左右，频率高4个数量级左右，拥有更大的利用频带。因此，激光通信技术的优势是显而易见的。

    孙建锋指出，卫星微波通信的极限通信速率在2Gbps左右，近年来通信速率提升困难。而激光通信技术可以轻松实现10Gbps以上的通信速率，采用复用的手段甚至能获得Tbps以上的通信速率。如此高的通信速率，使得太空通信如同从拨号上网时代升级到了宽带上网时代。

    由于激光通信的光束发散角很小，大大降低了通信过程中信息被截取的可能性，目前还没有截获空间激光通信信息的可行手段，这使激光通信具有高度的保密性。而能量的高度集中,使得落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低。这对应用于能源成本高昂的空间通信来说也是非常适用的。

    此外，激光在水下通信中也有很大的应用空间。据西安理工大学自动化与信息工程学院教授、光电技术实验室主任柯熙政介绍，水是一种特殊的介质，它与大气一样，都是流体，但电磁波在其中的衰减程度更大。传统的无线电波想要穿透海水，必须使用频率极低的波段，携带的信息量十分有限，传输时间长。然而，研究发现，激光中存在一个频段——光波波长为450～570nm的蓝绿光，海水对其吸收损耗较小，它通过海水时，不仅穿透能力强，而且方向性极好。因此，激光通信也是深海中传输信息的重要方式之一，可以用于对潜通信、探潜探雷、测深等领域。

    不过，在柯熙政看来，激光通信更为重要的优势在于，目前，全世界范围内无线电频谱资源日趋匮乏，而国际上对激光通信频谱并没有实行管制，可以自由使用。

    然而，激光通信迟迟未能实现真正的业务化运行，表明其技术施展始终存在某种制约因素。

    孙建锋指出，光纤通信中的光在光纤中传播，可以获得很小的传输损耗，但空间激光通信中的激光是在自由空间中传播，因此存在巨大的传输损耗。蔡海文和柯熙政均表示，空间激光通信，尤其是星地间的通信，最大的限制就是经过大气层时受到湍流，及其他天气、环境因素的影响。

    其次，空间激光通信链路的距离从千公里到数亿公里不等，并且链路之间不可能有中继放大，这与地面光纤通信千公里的链路距离相比实现起来难度大得多。柯熙政提到，比如火星与地球之间的链路，由于距离太过遥远，激光的几何损耗极大，点对点的瞄准也更为困难。

    除距离因素以外，孙建锋认为，由于空间激光通信端机一般安装在卫星或者其他空间飞行器平台上，参与通信的两个端机之间的空间位置是时刻变化的，这就需要考虑和解决通信之前的相互捕获，通信过程中的相互跟踪问题。

    不过，针对最主要的光信号衰减问题，科学家已经找到了比较可靠的解决方案，也就是相干激光通信技术。简单说，通过相干探测方式可以提升接收端的探测灵敏度，实现仅对接收窄带微弱光信号的放大。柯熙政表示，这项技术在光纤通信中已经比较成熟，在激光中的应用则还处在探索阶段。

    激光通信的民用拓展

    激光通信是未来通信世界的重要组成部分，为此，世界各国很早就开展了相应的研究和尝试。据蔡海文介绍，早在1995年，日本工程测试卫星（ETS-VI）就在美国NASA的协助下首次实现了星地通信；2001年，欧洲首次开展了星间激光通信试验；2004年，日本也开展了星间激光通信试验；同年，俄罗斯宇航员首次实现了空间站与北高加索地面站的高速激光通信。

    他告诉《中国科学报》记者，2012年中国“海洋二号”卫星采用直接探测通信方式，实现了约500Mbps的卫星与地面高速激光通信。目前，中国也正在研制星地高速相干激光通信系统，可以实现更高的通信速率。

    柯熙政也透露，国际上已经试验成功的空间激光通信速率要远远高于此次NASA的OPALS项目试验。

    目前，激光通信被广泛关注的领域主要是航天、军事领域，但事实上，受访专家均认为，激光通信在民用领域将大有可为，包括地面间的短距离通信、应急通信等。柯熙政举例道，比如海岸与海岛之间的通信、山与山之间的通信、楼房与楼房之间的通信，甚至移动通信的基站与交换局之间都可以尝试采用激光链路。此外，举办世界杯、奥运会用的大型体育场馆，它们多是临时使用，专门铺设光纤成本高、利用率低。因此，将来可以考虑在比赛期间，临时布置激光通信线路。