說到激光通信，多數(shù)人會(huì)感到有些陌生，但如果提到光纖通信，恐怕無人不曉。激光通信與光纖通信同屬光通信范疇，只是傳輸?shù)慕橘|(zhì)不同而已。
什么是激光通信
光纖通信是將光信號(hào)限制在細(xì)微的光纖中進(jìn)行長距離傳輸，自由空間無線光通信則涵蓋星地和星間等多種信道，包括宇宙空間傳播、大氣傳播甚至水下傳播。
激光通信實(shí)際上指的是自由空間無線光通信，它利用激光作為載體，將信息加載到激光上發(fā)送出去，攜帶了信息的光信號(hào)在自由空間進(jìn)行傳輸，到了接收端再利用望遠(yuǎn)鏡將畸變了的光信號(hào)收集到光電探測(cè)器上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步根據(jù)信息的加載方式就可以還原出發(fā)送信息，實(shí)現(xiàn)雙方的通信。
空間光通信是目前解決數(shù)據(jù)傳輸瓶頸最有效可行的技術(shù)途徑之一。值得注意的是，雖然光通信在地面光纖通信系統(tǒng)中取得了巨大成功，但空間光通信的發(fā)展不能照搬地面光纖通信的發(fā)展思路。這是因?yàn)榭臻g激光通信技術(shù)和光纖通信技術(shù)既有相同、也有不同。具體表現(xiàn)在：
1
空間激光通信和光纖通信均以光頻電磁波作為信息載波，因此均可以獲得極高的信息傳輸速率；
2
在通信原理和體制上是相同的，均包括相干光通信和非相干光通信兩種通信體制。非相干通信采用強(qiáng)度調(diào)制，直接探測(cè)方式進(jìn)行通信，通過接收端直接判斷光信號(hào)的強(qiáng)度，由于受到背景光噪聲和接收機(jī)的電子學(xué)噪聲影響，接收靈敏度較低。相干激光通信技術(shù)采用相位調(diào)制/相干探測(cè)方式進(jìn)行通信，可以實(shí)現(xiàn)僅對(duì)接收窄帶微弱光信號(hào)的放大，避免了采用電子學(xué)放大引入的信噪比下降；
3
在傳輸介質(zhì)上是不同的?？臻g激光通信中的激光在自由空間中傳播，因此存在巨大的傳輸損耗；光纖通信中的光在光纖中傳播，可以獲得很小的傳輸損耗；
4
通信收發(fā)端機(jī)安裝的平臺(tái)不同?？臻g激光通信端機(jī)一般安裝在衛(wèi)星或者其他空間飛行器平臺(tái)上，參與通信的兩個(gè)端機(jī)之間的空間位置是時(shí)刻變化的，這就需要考慮和解決通信之前的相互捕獲，通信過程中的相互跟蹤問題；
5
通信鏈路不同。空間激光通信鏈路距離從千公里到數(shù)億公里不等，并且鏈路之間不可能有中繼放大，這與地面光纖通信千公里的鏈路距離相比實(shí)現(xiàn)起來更加困難。
針對(duì)最主要的光信號(hào)衰減問題，科學(xué)家已經(jīng)找到了比較可靠的解決方案，即相干激光通信技術(shù)。2017年初，中科院上海光機(jī)所已成功完成了星地高速相干激光通信實(shí)驗(yàn)的在軌測(cè)試，在星地鏈路距離1000 km以上，通信速率20 Mbps,傳輸?shù)膱D片清晰。
激光通信優(yōu)勢(shì)明顯 應(yīng)用潛力巨大
一套完整的激光通信系統(tǒng)主要包括光學(xué)瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤分系統(tǒng)和光通信發(fā)射接收分系統(tǒng)。光學(xué)瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)空間激光通信鏈路的建立和保持。其中光跟瞄系統(tǒng)也是空間激光通信系統(tǒng)所特有，在光纖通信中是不存在的。
由于空間激光通信端機(jī)的光束發(fā)散角非常小，因此，具有高度的定向性。同時(shí)，這也大大降低了通信過程中信息被截取的可能性，目前還沒有截獲空間激光通信信息的可行手段，這使得激光通信具有高度的保密性。而能量的高度集中,使得落在接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡天線上的功率密度高，發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率可大大降低，功耗相對(duì)較低。這對(duì)應(yīng)用于能源成本高昂的空間通信來說是非常適用的。
激光在水下通信中也有很大的應(yīng)用空間。據(jù)西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院教授、光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任柯熙政介紹，水是一種特殊的介質(zhì)，它與大氣一樣，都是流體，但電磁波在其中的衰減程度更大。傳統(tǒng)的無線電波想要穿透海水，必須使用頻率極低的波段，攜帶的信息量十分有限，傳輸時(shí)間長。然而，研究發(fā)現(xiàn)，激光中存在一個(gè)頻段——波長為450～570 nm的藍(lán)綠光，海水對(duì)其吸收損耗較小，它通過海水時(shí)，不僅穿透能力強(qiáng)，而且方向性極好。因此，激光通信也是深海中傳輸信息的重要方式之一，可以用于對(duì)潛通信、探潛探雷、測(cè)深等領(lǐng)域。
激光通信更為重要的優(yōu)勢(shì)還在于，目前，全世界范圍內(nèi)無線電頻譜資源日趨匱乏，而國際上對(duì)激光通信頻譜并沒有實(shí)行管制，可以自由使用。
因此，目前激光通信被廣泛關(guān)注的領(lǐng)域主要是航天、軍事領(lǐng)域，但事實(shí)上，激光通信在民用領(lǐng)域也大有可為，包括地面間的短距離通信、應(yīng)急通信等。比如海岸與海島之間的通信、山與山之間的通信、樓房與樓房之間的通信，甚至移動(dòng)通信的基站與交換局之間都可以嘗試采用激光鏈路。此外，舉辦世界杯、奧運(yùn)會(huì)用的大型體育場(chǎng)館，它們多是臨時(shí)使用，專門鋪設(shè)光纖成本高、利用率低。因此，將來可以考慮在比賽期間，臨時(shí)布置激光通信線路。
國外商業(yè)化運(yùn)作先行一步
激光通信是未來通信世界的重要組成部分，為此，世界各國很早就開展了相應(yīng)的研究和嘗試。早在1995年，日本工程測(cè)試衛(wèi)星（ETS-VI）就在美國NASA的協(xié)助下首次實(shí)現(xiàn)了星地通信；2001年，歐洲首次開展了星間激光通信試驗(yàn)；2004年，日本也開展了星間激光通信試驗(yàn)；同年，俄羅斯宇航員首次實(shí)現(xiàn)了空間站與北高加索地面站的高速激光通信。
不僅如此，早在2014年，美國已經(jīng)開始激光通信的商業(yè)化運(yùn)作了。
美國通信技術(shù)公司Anova于2014年2月開始布局激光通信網(wǎng)絡(luò)，以取代光纖和微波無線網(wǎng)絡(luò)。他們?cè)诩~交所和納斯達(dá)克的數(shù)據(jù)中心之間建立激光通信網(wǎng)絡(luò)，直線距離大約是55 km，中途修建6-7個(gè)激光基站。
Anova的技術(shù)人員采用紅外激光，在雨天和大霧中也能正常傳輸數(shù)據(jù)，解決了激光通信易受天氣等環(huán)境因素影響的問題。此外，他們?cè)诨纠镞€安裝了穩(wěn)定系統(tǒng)，并通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)糾正激光的偏差，也解決了激光跟瞄難的問題。
中國科學(xué)院上海光機(jī)所研究員孫建鋒曾作過一個(gè)比喻來解釋激光跟瞄的難度。“一束激光從上海打到北京的光斑大小僅為10 m左右，它的難度就像在1 km外將激光穿過1 mm的針孔。”
根據(jù)Anova公司提供的信息，Anova的激光通信網(wǎng)絡(luò)能夠提供2 Gbps的帶寬，大約是之前該公司提供的微波通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)百倍。而用戶方面除了交易所以外，有超過40家投資公司和基金已經(jīng)決定在網(wǎng)絡(luò)建成后成為該技術(shù)的第一批用戶。
而我國空間激光通信的研究方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、長春理工大學(xué)、航天五院西安分院、北京大學(xué)、電子科技大學(xué)、武漢大學(xué)、華中科技大學(xué)、中科院上海光機(jī)所等都有所研究。其中，最引人關(guān)注的是，2012年中國“海洋二號(hào)”衛(wèi)星采用直接探測(cè)通信方式，實(shí)現(xiàn)了約500 Mbps的衛(wèi)星與地面高速激光通信；2017年初，中科院上海光機(jī)所已成功完成了星地高速相干激光通信實(shí)驗(yàn)的在軌測(cè)試；而民用領(lǐng)域例如海島之間、樓宇之間的激光通信應(yīng)用尚未見到有關(guān)報(bào)道。
參考文獻(xiàn)：
1.中國科學(xué)報(bào)
2.方興未艾的新型空間信息傳輸技術(shù)——空間激光通信技術(shù)及其鏈路分類[J]光電產(chǎn)品與資訊，2014,9:24-26
3.衛(wèi)星激光通信的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]光電產(chǎn)品與資訊，2014,9:27-30
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
