从“烽火狼烟”到星地高速激光通信

图2 贝尔光通信试验

贝尔的实验是空间光通信技术的雏形。什么是空间光通信？信息是如何通过光波来传输的呢？日常生活中用到的无线通信（对讲机）和移动通信，其实是“波通信”，无论无线电波和还是光波，其实都是电磁波。空间光通信是以光波为信号载体，不需要使用光纤等波导介质，在大气、真空或水下等自由信道进行信息传输的一种无线通信技术。空间光通信系统通常包括光学天线、发射光端机、信道（真空、大气或水等）和接收光端机。

图3 空间光通信的组成及原理

光学天线（光学望远镜）是用于通信激光的发射和接收的光学系统，若要实现对飞机、卫星等动平台间的光通信，还要求光学天线具备对动平台上的通信激光的捕获、瞄准和跟踪的功能，就如天文爱好者利用光学望远镜对天空中的星光进行捕获和跟踪。

图4 信号的直接调制（图片来自网络）

（3）无须授权许可证。空间激光通信工作频率在百THz以上，不挤占宝贵的无线电频率资源，无需像无线电通信那样申请频率使用的许可证。

欧洲、美国、日本等均在空间激光通信技术领域投入巨资进行相关技术研究和在轨试验，对空间激光通信系统所涉及的各项关键技术展开了全面深入地研究，不断推动空间激光通信技术迈向工程实用化。

2014年NASA进行了国际空间站至地面的下行50Mbps单向激光通信，其通信方式为IM/DD，误码率为10-4。面向激光通信空间组网的需求，美国正在开展激光通信中继验证计划，旨在实现45000km的GEO至地的2.88Gbps/DPSK双向激光链路。根据NASA下一代（2024年）光通信中继卫星至地链路规划，其目标是实现下行速率为100Gbps，可用度为97%。欧洲的光通信组网验证项目正在开展中，2015年9月德国成功进行了同步轨道Alphasat卫星LCT终端与地面站的1.8Gbps/BPSK双向相干通信试验。以欧洲空间局（ESA）主导的“全球网”EDRS项目预计2020年完成，其星地指标是实现GEO至地的1.8Gbps/DPSK双向激光链路。

图7  LiFi的应用场景示意（图片来自网络）

LiFi传输速度可比WiFi的传输速率快一百倍，具有高带宽，高速率优点。2014年1月，法国一家公司演示了一款LiFi智能手机，它通过前置摄像头改装而成的光感应器，接收载有信号的LED灯光，平均上网速率为10Mbps。2014年10月，美国研究出了一种超快LED灯，发光速度提高了1000倍，能更大程度地提升LiFi的通信速率。未来应用中通信速率可到达1Gbps，如此快的上网速度，你还担心上网卡吗？

自适应光学技术，让我们享受高速、畅通的空间光通信

空间光通信系统的性能对天气非常敏感，雨、雪、云、雾对激光传输影响较大，大气中的气体分子、水雾、雪、霾、气溶胶等粒子，也会引起光的吸收、散射，可导致激光链路中断。即使在晴朗的天气下，大气湍流也会严重干扰光信号的传输。大气湍流效应可造成信号光束波前畸变、光斑弥散、抖动，使通信接收端的光功率降低甚至无法收到信号。为实现高速率、高可靠的星地激光通信，大气湍流干扰问题必须解决。

自适应光学技术是克服星地激光通信大气湍流效应的核心技术之一。该技术通过使用可变形镜面校正因大气抖动造成光波波前发生畸变，从而改进光学系统性能。自适应光学系统由波前探测器、波前控制器、波前校正器（变形镜和倾斜镜）组成。利用自适应光学技术可抑制大气湍流对通信信号光的影响，获得近衍射极限的校正光斑，从而提高通信端机对信号光的接收效率。2020年3月，光电所自适应光学技术团队参与实践二十卫星对地的激光通信试验，助力其实现试验目标。

图8 自适应校正下的星地通信示意图

自适应光学技术解决了星地通信的可靠性问题，使得其适应大气湍流的能力显著增强，让星地光通信更畅通，相信不久将来，空间光通信将更广泛的走进我们的生活，给我们带来高速、安全、自由的通信新世界。