激光通信奠基“太空寬帶”

　　ICCSZ訊 用時(shí)3.5秒、175兆比特、時(shí)長(zhǎng)37秒的高清視頻，成功從國(guó)際空間站傳送回地面。美國(guó)航空航天局(NASA)近日宣布，此次利用激光通信技術(shù)，將高清視頻從國(guó)際空間站傳回。這便是NASA的“激光通信科學(xué)光學(xué)載荷”實(shí)驗(yàn)。此前美國(guó)曾從月球探測(cè)器上向地面進(jìn)行過(guò)激光通信，地面也完成過(guò)一次。NASA與國(guó)際空間站的激光通信表明激光傳輸是可行的，此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展和成熟或?qū)㈤_(kāi)啟人類的太空寬帶時(shí)代。

　　競(jìng)逐激光通信領(lǐng)域

　　利用激光束作為載體，將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制到光載波上進(jìn)行傳輸，這就是空間光通信，也稱激光無(wú)線通信或無(wú)線光通信。它包括了深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛(wèi)星間的光通信，也包括地面站的光通信。

　　美國(guó)此次就是用極為細(xì)小的激光束來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)的以電波為載波的電波通訊，因?yàn)楣獠ǖ念l率是常規(guī)電波的數(shù)千倍，所以即使此次國(guó)際空間站到地面距離達(dá)到了400公里，卻只耗時(shí)3.5秒，相當(dāng)于傳輸速率達(dá)到每秒50兆，倘若采用傳統(tǒng)技術(shù)下載，則需要耗費(fèi)10多分鐘時(shí)間。

　　太空空間光通信被喻為太空寬帶，是一種可能從根本上改變太空通信的技術(shù)。有關(guān)專家指出，激光通信最大優(yōu)勢(shì)，第一，在于通信容量大、速率高。激光的頻率比微波射頻高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，作為通信的載波，具有更大的可用頻帶。第二，在于它的功耗小。第三，激光通信的設(shè)備體積小、重量輕，尤其適用于衛(wèi)星通信。第四是保密性好，可有效防止竊聽(tīng)并提高抗干擾能力。

　　正是由于激光通信的眾多優(yōu)勢(shì)，不少航天航空大國(guó)紛紛開(kāi)展相關(guān)研究。美國(guó)早在上世紀(jì)60年代中期就開(kāi)始實(shí)施空間光通信方面的研究計(jì)劃，著名的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、林肯實(shí)驗(yàn)室、貝爾實(shí)驗(yàn)室等都加入其中。日本和歐洲空間局在80年代也開(kāi)始了空間光通信研究。 我國(guó)衛(wèi)星光通信研究起步較晚，但取得了迅速的進(jìn)展，與國(guó)外先進(jìn)水平差距并不大。目前我國(guó)開(kāi)展相關(guān)研究的機(jī)構(gòu)主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)等。在2012年3月，我國(guó)“海洋二號(hào)”衛(wèi)星第一次搭載進(jìn)行了中國(guó)首次星地激光通信實(shí)驗(yàn)并取得圓滿成功，將衛(wèi)星和地面用激光鏈接起來(lái)，形成空間的信息高速公路。

　　突破“太空寬帶”瓶頸

　　這項(xiàng)看似能引爆通信界革命的激光通信技術(shù)其實(shí)也面臨著自身的發(fā)展瓶頸。

　　首先，大氣對(duì)激光通信信號(hào)有吸收和散射的作用，大氣湍流則嚴(yán)重地影響到信號(hào)的接收。雖然激光通信不受電磁干擾，但大氣中的氣體分子、水霧、霾等與激光波長(zhǎng)相近的粒子會(huì)引起光的吸收和散射，極大地妨礙、吸收光波的傳輸，就更不用說(shuō)遇到強(qiáng)大氣湍流了。

　　其次，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的瞄準(zhǔn)非常困難。空間光通信系統(tǒng)要完成遠(yuǎn)距離衛(wèi)星間光信號(hào)的發(fā)射與接收，就必須進(jìn)行遠(yuǎn)距離衛(wèi)星間或者空間站間目標(biāo)的捕獲與跟蹤，前者依賴于激光通信系統(tǒng)，后者取決于光學(xué)跟瞄系統(tǒng)。激光目前只能通過(guò)機(jī)械裝置進(jìn)行定向，這對(duì)發(fā)射和接收設(shè)備的穩(wěn)定性和精度提出了很高的要求。據(jù)NASA稱，由于此次空地距離400公里，加上運(yùn)行時(shí)速高，這一任務(wù)“好似在9米開(kāi)外，于行走中始終用激光指針瞄準(zhǔn)某根頭發(fā)的末梢”。不過(guò)從NASA空間站傳回的高清視頻結(jié)果來(lái)看，這個(gè)難度大的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)得到較好的解決。

　　第三，發(fā)射天線和接收天線的效率都會(huì)對(duì)空間光通信系統(tǒng)的接收光功率產(chǎn)生重要影響。出于獲取最小光斑的需求，發(fā)射天線可以設(shè)計(jì)成接近衍射極限，但同時(shí)給精確對(duì)準(zhǔn)帶來(lái)了困難。為了接收更多的能量信號(hào)，接收天線直徑越大越好，但這會(huì)增加系統(tǒng)的體積、重量和成本。提高接收靈敏度十分重要。

　　第四，遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題也有待解決，遠(yuǎn)距離傳輸容易出現(xiàn)信號(hào)衰弱和延時(shí)等問(wèn)題。此次激光通訊實(shí)驗(yàn)空間站與地面距離只有約400公里，而通信衛(wèi)星一般在3.6萬(wàn)公里的軌道上。因此，激光通信的實(shí)用化，仍面臨挑戰(zhàn)。

　　變革人類通信系統(tǒng)

　　“太空寬帶”不僅僅在太空。從世界航空航天大國(guó)對(duì)空間光通信技術(shù)的研究與成果來(lái)看，此次空間站和地面成功傳輸高清視頻說(shuō)明了“太空寬帶”在不斷接近實(shí)用化。雖然最開(kāi)始的空間光通信基本都是用于軍事目的，但從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，它具有巨大的民用市場(chǎng)。有專家預(yù)測(cè)，未來(lái)很有可能形成立體交叉光網(wǎng)，在外太空衛(wèi)星和大氣層內(nèi)外形成高容量通信網(wǎng)，與地面的光纖網(wǎng)絡(luò)相鏈接，足以顛覆目前人類的通信系統(tǒng)。

　　或許正如成都信息工程學(xué)院王天寶教授介紹的那樣，美國(guó)航空航天局的目標(biāo)是利用光無(wú)線通信技術(shù)，開(kāi)發(fā)建立激光太空通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)“太空—地球”的遠(yuǎn)距、大數(shù)據(jù)通信。一旦建立激光太空互聯(lián)網(wǎng)，人類或?qū)㈤_(kāi)啟至月球的快速可靠的數(shù)據(jù)連接網(wǎng)絡(luò)，甚至還可以連接至火星和更遙遠(yuǎn)的星球。假如將來(lái)有在太空生活的人們，就可以利用激光太空通信系統(tǒng)與地球人進(jìn)行高清晰視頻聊天。

　　光纖通信網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)給我們的生活帶來(lái)了極大的不同。試想一下無(wú)線光通信會(huì)給人們帶來(lái)何種互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)。2002年哈爾濱工業(yè)大學(xué)和美國(guó)OA公司建立了全面戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，將大氣中的自由空間激光通信(Free Space Optical，簡(jiǎn)稱FSO)產(chǎn)品投入生產(chǎn)。早在1999年美國(guó)NASA就已經(jīng)將星對(duì)地激光通信技術(shù)民用化，開(kāi)發(fā)出5000米以內(nèi)的商業(yè)化FSO激光通信鏈產(chǎn)品。無(wú)線光通信將改變目前光纖通信材料和工程費(fèi)用高的狀況，并能克服河流、湖泊、立交橋等阻礙光纖鋪設(shè)的問(wèn)題，或者根本就不用耗時(shí)耗資鋪設(shè)光纖。它將改變平面型通訊網(wǎng)絡(luò)的局面，實(shí)現(xiàn)“三網(wǎng)合一”目標(biāo)(電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng))，組建三維通信網(wǎng)絡(luò)。

　　我們有理由對(duì)激光通信的未來(lái)保持充分信心。