激光竞逐光通信领域 突破“太空宽带”瓶颈

7/10/2014,用时3.5秒、175兆比特、时长37秒的高清视频，成功从国际空间站传送回地面。美国航空航天局近日宣布，此次利用激光通信技术，将高清视频从国际空间站传回。这便是NASA的“激光通信科学光学载荷”实验。此前美国曾从月球探测器上向地面进行过激光通信，地面也完成过一次。NASA与国际空间站的激光通信表明激光传输是可行的，此项技术的发展和成熟或将开启人类的太空宽带时代。

竞逐激光通信领域
　　利用激光束作为载体，将数据信号调制到光载波上进行传输，这就是空间光通信，也称激光无线通信或无线光通信。它包括了深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信，也包括地面站的光通信。

　　美国此次就是用极为细小的激光束来传输数据。相较于传统的以电波为载波的电波通讯，因为光波的频率是常规电波的数千倍，所以即使此次国际空间站到地面距离达到了400公里，却只耗时3.5秒，相当于传输速率达到每秒50兆，倘若采用传统技术下载，则需要耗费10多分钟时间。

　　太空空间光通信被喻为太空宽带，是一种可能从根本上改变太空通信的技术。有关专家指出，激光通信最大优势，第一，在于通信容量大、速率高。激光的频率比微波射频高3-4个数量级，作为通信的载波，具有更大的可用频带。第二，在于它的功耗小。第三，激光通信的设备体积小、重量轻，尤其适用于卫星通信。第四是保密性好，可有效防止窃听并提高抗干扰能力。

　　正是由于激光通信的众多优势，不少航天航空大国纷纷开展相关研究。美国早在上世纪60年代中期就开始实施空间光通信方面的研究计划，著名的喷气推进实验室、林肯实验室、贝尔实验室等都加入其中。日本和欧洲空间局在80年代也开始了空间光通信研究。 我国卫星光通信研究起步较晚，但取得了迅速的进展，与国外先进水平差距并不大。目前我国开展相关研究的机构主要有哈尔滨工业大学、电子科技大学、清华大学、北京大学等。在2012年3月，我国“海洋二号”卫星第一次搭载进行了中国首次星地激光通信实验并取得圆满成功，将卫星和地面用激光链接起来，形成空间的信息高速公路。

突破“太空宽带”瓶颈
　　这项看似能引爆通信界革命的激光通信技术其实也面临着自身的发展瓶颈。

　　首先，大气对激光通信信号有吸收和散射的作用，大气湍流则严重地影响到信号的接收。虽然激光通信不受电磁干扰，但大气中的气体分子、水雾、霾等与激光波长相近的粒子会引起光的吸收和散射，极大地妨碍、吸收光波的传输，就更不用说遇到强大气湍流了。

　　其次，接收机和发射机之间的瞄准非常困难。空间光通信系统要完成远距离卫星间光信号的发射与接收，就必须进行远距离卫星间或者空间站间目标的捕获与跟踪，前者依赖于激光通信系统，后者取决于光学跟瞄系统。激光目前只能通过机械装置进行定向，这对发射和接收设备的稳定性和精度提出了很高的要求。据NASA称，由于此次空地距离400公里，加上运行时速高，这一任务“好似在9米开外，于行走中始终用激光指针瞄准某根头发的末梢”。不过从NASA空间站传回的高清视频结果来看，这个难度大的关键技术已经得到较好的解决。

　　第三，发射天线和接收天线的效率都会对空间光通信系统的接收光功率产生重要影响。出于获取最小光斑的需求，发射天线可以设计成接近衍射极限，但同时给精确对准带来了困难。为了接收更多的能量信号，接收天线直径越大越好，但这会增加系统的体积、重量和成本。提高接收灵敏度十分重要。

　　第四，远距离传输问题也有待解决，远距离传输容易出现信号衰弱和延时等问题。此次激光通讯实验空间站与地面距离只有约400公里，而通信卫星一般在3.6万公里的轨道上。因此，激光通信的实用化，仍面临挑战。

变革人类通信系统
　　“太空宽带”不仅仅在太空。从世界航空航天大国对空间光通信技术的研究与成果来看，此次空间站和地面成功传输高清视频说明了“太空宽带”在不断接近实用化。虽然最开始的空间光通信基本都是用于军事目的，但从发展趋势来看，它具有巨大的民用市场。有专家预测，未来很有可能形成立体交叉光网，在外太空卫星和大气层内外形成高容量通信网，与地面的光纤网络相链接，足以颠覆目前人类的通信系统。
 
或许正如成都信息工程学院王天宝教授介绍的那样，美国航空航天局的目标是利用光无线通信技术，开发建立激光太空通信系统，以实现“太空—地球”的远距、大数据通信。一旦建立激光太空互联网，人类或将开启至月球的快速可靠的数据连接网络，甚至还可以连接至火星和更遥远的星球。假如将来有在太空生活的人们，就可以利用激光太空通信系统与地球人进行高清晰视频聊天。

　　光纤通信网络已经给我们的生活带来了极大的不同。试想一下无线光通信会给人们带来何种互联网体验。2002年哈尔滨工业大学和美国OA公司建立了全面战略合作伙伴关系，将大气中的自由空间激光通信（Free Space Optical，简称FSO）产品投入生产。早在1999年美国NASA就已经将星对地激光通信技术民用化，开发出5000米以内的商业化FSO激光通信链产品。无线光通信将改变目前光纤通信材料和工程费用高的状况，并能克服河流、湖泊、立交桥等阻碍光纤铺设的问题，或者根本就不用耗时耗资铺设光纤。它将改变平面型通讯网络的局面，实现“三网合一”目标（电信网、广播电视网和互联网），组建三维通信网络。

　　我们有理由对激光通信的未来保持充分信心。

来源人民日报