从NASA的试验看空间激光通信的发展

6/9/2014, 最近几天，美国航天局宣布利用激光束把一段37秒的高清视频从国际空间站传回地面的新闻被各类网站转载。一些媒体为此欢呼说，太空的宽带时代就要到来了吗？

     激光通信很早就被光通信业者关注，只不过在自由空间光通信FSO技术热了几年之后因为用途有限，成本也不低，逐渐销声匿迹。这一次沾了NASA的光，激光通信被主流媒体炒得热热闹闹。美国航天局在新闻中介绍说，他们的名为“激光通信科学光学载荷”(OPALS)的项目利用极为细小的激光束传输数据，速率可比现有基于无线电波的通信方式提高10倍到1000倍。这次试验中使用的时长37秒、名为“你好，世界!”的高清视频，只用了3.5秒就成功传回，相当于传输速率达到每秒50兆，而传统技术下载需要至少10分钟。

     但是事实上，这并不是空间激光通信的首次报道，50Mbps的带宽也不是什么新纪录。网上可以找到一条2012年的新闻说，“国际空间站的俄罗斯区段在10月2日首次通过激光将宽带信息传输到地面站。传输数据量为2.8GB，传输速度达到每秒125MB。”新闻里说俄罗斯的太空激光通信系统由俄精密仪器制造系统公司和“能源”火箭航天公司共同研发。它从太空发射激光信号，再由地面接收站将激光解调成电信号，从而实现信息传输。根据俄航天部门今年2月进行的实验，该系统可在1000公里的距离内以每秒2至75MB的速度传输数据。与传统的无线通信相比，激光通信的优点是保密性强、不怕电磁干扰和通信质量好。

    光通信技术杂志2010年8月号发表了时为北京邮电大学信息光子学与光通信教育部重点实验室以及上海光机所中科院空间激光通信与检验技术重点实验室刘宏展博士的文章“空间激光通信发展趋势分析”。文章一开头就说空间激光通信一直是许多技术强国一直在投入大量人力，财力，物力进行研究的，真正意义上第一次长距离相干光通信就说以空间激光通信的方式实现的，而不是在光纤网络上。2008年，欧洲航天局的科学家就利用搭载在德国TerraSAR-X 卫星上的第二代最新星间激光通信终端与相距5000km 的美国N-FIRE 卫星上的激光通信终端进行了B/SK 调制、零差接收的相干通信实验，其误码率小于10^-9、数据传输速率达到了5.625Gb/s。而这个时候光纤网络中还未实现相干通信。相比而言，刘宏展博士的文章说直接调制系统由于空间环境下背景噪声的问题最大通信速率不超过50Mbps每秒。

    文章还指出，对于新兴的量子保密通信，如何解决量子密钥长距离的有效分发是成功实现量子通信的关键。利用卫星来分发单光子(或纠缠光子对)的方法为远程量子通信网络提现有的光纤和陆上自由空间链路所带来的距离限制，实现真正意义上的全球量子通信。供了一种独特的解决方案，这将克服现有的光纤和陆上自由空间链路所带来的距离限制，实现真正意义上的全球量子通信。欧洲航天局从2002年就开始组织了一批相关的研究项目。

    对于光通信业者来说，空间激光通信里的光器件选择相信一定是更多厂商关心的。这方面，刘博士的文章提到，2009 年，欧洲航天局ESA 在其发射的SMOS （Soil Moisture and Ocean Salinity）卫星上装备了大量的光子器件，比如光纤传感器、6.25Gb/s 的空间光纤接收发射模块 和内嵌VCSEL 激光器及其驱动电路的ADC-DSP-DAC 高速传输模块（速率为25Gb/s）等。

    武汉楚星的关总曾经告诉编辑，他们的特种光纤产品也被应用到我国航天飞船的项目中。可以相信，随着中国航天事业的进展，会有越来越多的光电器件产品被应用到航天产品中。NASA的这条新闻虽然不算新，但对于空间激光通信来说也是很好的宣传稿，希望不久也能看到我们国家的空间激光通信试验的进展。