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空間激光通信技術結合了無線電通信和光纖通信的優(yōu)點，以激光為載波進行通信?？臻g激光通信技術具有抗干擾能力強、安全性高、通信速率高、傳輸速度快、波段選擇方便及信息容量大的優(yōu)勢，其特點是系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗低、施工簡單、靈活機動，在軍事和民用領域均有重大的戰(zhàn)略需求與應用價值。

空間激光通信技術可作為一種應急通信方案，應用于抗震救災、突發(fā)事件、反恐、公安偵查等領域。具體來看，空間激光通信技術可為多兵種聯(lián)合攻防提供軍事保密信息服務，在局部戰(zhàn)爭、戰(zhàn)地組網和信息對抗中優(yōu)勢突出。另外，受益于帶寬高、傳輸快速便捷及成本低的優(yōu)勢，空間激光通信技術是解決信息傳輸“最后一千米”和第五代移動通信技術（5G）小微基站傳輸?shù)淖罴堰x擇。我國天地一體化信息網絡工程是落實“沒有網絡安全，就沒有國家安全”的重大建設項目，包括空間網絡的寬帶骨干網、接入網等寬帶空間信息傳輸，但由于傳統(tǒng)微波衛(wèi)星通信方式很難滿足空間網絡最高傳輸寬帶40~100 Gb/s的需求，亟需建設空間激光網絡來支撐這項重大工程。

鑒于空間激光通信技術發(fā)展的重要性和緊迫性，亟需對此開展全面的深入研究?；诖?，本文梳理空間激光通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀，分析其關鍵技術情況，研判其未來發(fā)展趨勢，并就此提出促進我國激光通信技術快速發(fā)展的對策建議。

目前，空間激光通信技術已在多種鏈路成功開展了試驗，如衛(wèi)星/地面、衛(wèi)星/衛(wèi)星、衛(wèi)星/飛機、飛機/飛機、飛機/地面及地面站間等。美國、歐洲、日本、中國和俄羅斯等國家和地區(qū)在空間激光通信關鍵技術領域均已取得突破，且進行了多項試驗驗證（見圖1），積極推動空間激光通信技術的實際應用。

圖1 空間激光通信技術試驗成果

（一）國外主要發(fā)展現(xiàn)狀

（1）美國在國家航空航天局（NASA）和空軍支持下是最早開展空間激光通信技術研究的國家。具體來看，2000年，NASA依托噴氣推進實驗室完成了激光通信演示系統(tǒng)（OCD）試驗；2013年10月的月球激光通信演示驗證計劃（LLCD）實現(xiàn)了月球軌道與多個地面基站4×105 km的激光雙向通信，月地最大下行和上行速率分別達到622 Mb/s和20 Mb/s；2017年11月，NASA創(chuàng)新型1.5 U立方體衛(wèi)星的“激光通信與傳感器演示”（OCSD）項目對未來小型衛(wèi)星的高速率激光數(shù)據(jù)傳輸技術進行了驗證，星地鏈路下行速率最高達到2.5 Gb/s。

（2）歐洲的主要國家和地區(qū)也較早地開展了空間激光通信技術的研究。具體有：歐洲航天局（ESA）在2001年實施半導體激光星間鏈路試驗（SILEX）項目，首次驗證了低軌道（LEO）衛(wèi)星至地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星間的通信；2008年，德國航空航天中心（DLR）利用Tesat開展了GEO-LEO遠距離空間激光通信在軌原理試驗驗證，傳輸距離為45 000km，天線口徑為135 mm，采用的是1.06 μm載波的二進制相移鍵控（BPSK）相干技術，最高速率達5.625 Gb/s，誤碼率小于10–8；2015年，德國建立了車載自適應光學通信地面站，實現(xiàn)了車載自適應激光通信終端與LEO的高速率傳輸，傳輸速率為5.625 Gb/s，同時實現(xiàn)了與地球同步衛(wèi)星Alphasat激光通信終端之間帶寬為2.8125 Gb/s、有效速率為1.8 Gb/s的雙向激光通信。

（3）日本已經開展了一系列星地激光通信演示驗證，如工程試驗衛(wèi)星（ETS-VI，1995—1996年）計劃和光學在軌測試通信衛(wèi)星（OICETS，2003/2006年）計劃都完成了激光通信測試，實現(xiàn)了世界首次LEO衛(wèi)星與移動光學地面站間的激光傳輸。另外，日本的相關研究已逐步向激光通信終端小型化、輕量化、低功耗方向發(fā)展，如通過空間光通信研究先進技術衛(wèi)星計劃（SOCRATES），并在2014年完成了小型光學通信終端（SOTA）對地激光通信在軌測試，SOTA總質量僅為5.8 kg，最遠通信距離達1000 km，下行通信速率為10 Mb/s。

（二）國內發(fā)展現(xiàn)狀

我國在空間激光通信技術領域的研究起步較晚，但近年來成果顯著，如在通信系統(tǒng)技術和端機研制方面取得重大突破，在激光通信單元技術領域取得不少研究成果。

我國空間激光通信技術的研究進展如下。2007年，我國首次完成了動中通空間激光通信試驗，突破了雙動態(tài)光束瞄準跟蹤技術，傳輸速率達300 Mb/s，并逐漸將速率提高到1.5Gb/s、2.5 Gb/s、10 Gb/s，陸續(xù)開展了空地、空空等鏈路的演示驗證；2013年完成了兩架固定翼飛機間遠距離激光通信試驗，傳輸速率為2.5 Gb/s，距離突破144 km，超過了歐洲、美國等國家和地區(qū)同類型演示驗證的最遠距離。2011年，通過“海洋二號”衛(wèi)星開展了我國首次星地激光通信鏈路的數(shù)據(jù)傳輸在軌測試，最高下行速率為504 Mb/s。2017年，利用“墨子號”量子科學實驗衛(wèi)星開展了我國首次星地高速相干激光通信技術在軌試驗，最高下行速率達到5.12 Gb/s。2017年，搭載“實踐十三號”高通量衛(wèi)星的星地激光通信終端開展的我國首次高軌衛(wèi)星對地高速激光雙向通信試驗取得成功，40 000km星地距離最高速率為5 Gb/s。這些空間通信試驗在系統(tǒng)設計、捕獲跟蹤技術和光波的大氣傳輸特性等方面為我國空間激光通信技術的研究提供了寶貴的經驗。

隨著激光、光學和光電子元器件技術的發(fā)展進步，空間激光通信技術不斷取得突破。按照系統(tǒng)功能劃分，空間激光通信技術主要分為捕獲跟蹤、通信收發(fā)、大氣補償和光機電設計4類技術，具體介紹如下。

（一）捕獲跟蹤技術

空間激光通信技術借助光源的小發(fā)散角波束提供高功率增益，這對光束的捕獲跟蹤提出了比微波通信更高的要求。實現(xiàn)快速、大概率、大范圍的光束捕獲和穩(wěn)定的高帶寬、高精度光束跟蹤是空間激光通信瞄準、捕獲、跟蹤技術研究的核心目標。其中，光束捕獲采用激光瞄準技術和粗/精跟蹤相獨立的體制，即粗跟蹤由大視場相機和伺服轉臺組成閉環(huán)，提供大范圍低頻帶伺服控制；精跟蹤由高幀頻相機和快速振鏡組成閉環(huán)，提供小范圍高頻帶伺服控制，從而有效抑制因光束大范圍運動和高頻率抖動引起的光束擾動。

隨著激光技術的進步，受益于激光光束智能變換、激光相控陣等新技術的逐漸發(fā)展成熟，將其應用于空間激光通信技術的捕獲、瞄準、跟蹤系統(tǒng)中，使傳統(tǒng)跟瞄模式發(fā)生改變，可提高空間光通信系統(tǒng)的跟瞄精度、速度和可靠性。同時，小型高效率激光器的出現(xiàn)也使跟瞄系統(tǒng)向小型化、輕型化和集成化發(fā)展。另外，可采用粗精復合高精度跟蹤，通過激光光束智能變換，在保證跟蹤性能的前提下，簡化激光通信跟瞄系統(tǒng)。

（二）通信收發(fā)技術

空間激光通信技術需要激光器具有大調制帶寬、高發(fā)射功率和窄線寬等特點。具體來看，激光調制技術的調制方式可以分為直接調制和間接調制，由于直接調制方式使帶寬和發(fā)射功率受限，目前主要采用小功率種子激光源間接調制后通過高功率光纖放大器獲得高發(fā)射功率的方法進行調制；根據(jù)作用光束的參數(shù)不同（如強度、頻率、相位等），可分為調幅、調頻和調相等不同調制方式，由于不同波長系統(tǒng)相應器件的差異，調制方式也有所差別。目前空間激光通信技術采用的激光波長主要有800 nm、1000 nm和1550 nm 3個波段，其中800 nm波段的半導體激光器一般利用強度調制/直接檢測（IM/DD），1000 nm波段的Nd:YAG固體激光器可采用各種調制方式，而1550 nm波段的半導體激光器與光纖通信系統(tǒng)兼容，可采用多種高速調制方式并利用摻鉺光纖放大器實現(xiàn)高速、高功率發(fā)射。

激光通信接收機的高速探測器均由光纖耦合以適應高速探測器的小探測截面，并有利于系統(tǒng)集成化。因此，空間激光到光纖的耦合是激光通信接收部分的關鍵技術之一，其中對光纖高效率耦合主要受模式匹配、對準偏差、菲涅爾反射、吸收損耗、平臺振動等影響。現(xiàn)有的光纖耦合方法主要采用的是光學自適應、錐形光纖、光纖章動等，尚未出現(xiàn)實質性突破，光纖高效耦合技術仍是當前空間激光通信系統(tǒng)的主要難題之一。

（三）大氣補償技術

當空間激光通信技術應用在星地、空空和空地等鏈路時，激光在穿越大氣層的過程中受大氣湍流影響，在傳輸時會出現(xiàn)接收功率抖動，導致系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼，這在高速激光通信中更加明顯。為解決這一問題，采用高精度實時波前畸變校正技術是抑制大氣湍流對傳輸光束波前影響的有效方法，即通過哈特曼傳感器進行多孔徑波面探測，在一定程度上能夠矯正波前畸變。但該技術的主要難點在于激光到達角起伏補償、波面變形補償和空中飛行時附面層影響補償，可通過探測系統(tǒng)引入波前畸變補償鏡技術進行聯(lián)合校正。

近年來有關大氣信道的研究成果頗豐。例如，2018年開展的基于部分相干載波的大氣高速傳輸研究，由有源鎖模光纖激光器泵浦色散位移光纖而產生的超連續(xù)譜光源作為部分相干高速載波，在1 km大氣湍流信道中，相比于相干光源，采用部分相干光載波源能有效抑制大氣湍流造成的光強閃爍。而后，證明了可將全光時分復用（OTDM）技術應用在部分相干光通信系統(tǒng)中以提升傳輸速率，最高速率達到了16 Gb/s。

（四）光機電設計技術

為減小自由空間的功率損耗，提高發(fā)射光學系統(tǒng)增益，需要通信光束以近衍射極限角發(fā)射。在保證發(fā)射光學口徑的基礎上，提高光束發(fā)射增益對光纖耦合技術、光束整形技術、望遠鏡面型設計提出了更嚴格的要求。為突破近衍射極限角發(fā)射的關鍵技術、發(fā)射激光源的整形準直技術和高效率光纖耦合技術，亟需通過激光技術的發(fā)展，研究光纖不同芯徑、束散角與光學系統(tǒng)匹配的優(yōu)化選取方法。

對于光學基臺技術，要求對光學系統(tǒng)進行模塊化、輕量化設計，且能滿足未來空間激光通信網絡一點對多點動中通同時傳輸。與此同時，激光技術的廣泛應用促成了多行業(yè)的標準化，如基于激光技術的激光整形傳輸促成了元件的模塊化和標準化，降低了整機體積與成本。

（一）高速率

隨著空間激光通信高速調制解調和傳輸技術的快速發(fā)展，未來星地激光通信鏈路速率有望達到100 Gb/s量級。高速激光通信采用高階調制方式如正交相移鍵控（QPSK）、正交振幅調制（QAM）和復用方式如波分復用（WDM）、時分復用（TDM）、軌道角動量復用（OAM），短距離（<1 km）速率可達 Tb/s 量級。近年來，國內外高速無線激光通信技術的主要發(fā)展現(xiàn)狀如圖2所示。

圖2 國內外高速無線激光通信技術的主要發(fā)展現(xiàn)狀

 注：1E+0n表示 1×10n ；QPSK代表正交相移鍵控；QAM-OAM-WDM代表正交振幅調制–軌道角動量復用–波分復用；QPSK-OAM代表正交相移鍵控–軌道角動量復用；OAM-PM-WDM代表軌道角動量復用–偏振復用–波分復用；QAM-WDM代表正交振幅調制–波分復用；QAM代表正交振幅調制；QPSK-OAM-WDM代表正交相移鍵控–軌道角動量復用–波分復用；OAM-WDM代表軌道角動量復用–波分復用；OFDM-OAM-WDM代表正交頻分復用–軌道角動量復用–波分復用；QAM-OAM-WDM代表正交振幅調制–軌道角動量復用–波分復用；DWDM代表密集波分復用；VMDM-OFDM代表矢量模分復用–正交頻分復用；QPSK-WDM代表正交相移鍵控–波分復用；QPSK-PM代表正交相移鍵控；QDWDM代表密集波分復用。

國外在空間激光通信技術高速率方面的主要研究進展有：2009年，日本電氣株式會社（NEC）實驗室利用QPSK和多路輸入/輸出（MI/MO）相干檢測方法實現(xiàn)了112 Gb/s試驗；南加州大學采用12路QAM-2路偏振-42路波分技術在室內1m的距離上實現(xiàn)了100 Tb/s自由空間光通信。2016年，沙特國王大學采用12路WDM和16-QAM調制技術在室外11.5m的距離上進行了2.2 Tb/s自由空間光高速通信實驗，并在2017年采用3.6 b/s/Hz的頻譜效率32-QAM調制在室外干燥的沙漠地區(qū)100m的距離上突破了1.08 Tb/s自由空間光通信。

通過國際合作交流，我國在空間激光通信技術高速率方面的研究取得了重要進展（見圖2）。具體有：華中科技大學開展了一系列OAM超高速無線光傳輸試驗，實驗室內最高傳輸速率可達1.086 Pb/s。該研究是在較短距離上的超高速無線光傳輸，但傳輸速率方面已達到了國際領先水平。另外，在長距離高速空間激光傳輸研究方面也取得了一定進展，如2018年長春理工大學與浙江大學合作，采用3路密集波分復用（DWDM）的QPSK 調試單路載波40 Gb/s，在1 km距離開展了速率120 Gb/s 的自由空間光通信實驗，而后又突破了單路載波128 Gb/s和3路DWDM總速率384 Gb/s大氣傳輸。

（二）網絡化

隨著全球化和信息技術的發(fā)展，亟需建設具有不依托地面網絡、無縫覆蓋全球、高帶寬和抗毀性能的空間網絡。因此，依托空間激光通信技術實現(xiàn)的天基寬帶傳送網絡是今后發(fā)展的重要趨勢。

空間激光通信技術逐漸從點對點模式向中繼轉發(fā)和構建激光網絡的方向發(fā)展。由于激光網絡建設的主要難點在于激光發(fā)散角小、光信號動態(tài)接入以及受空間環(huán)境影響大等，因此構建激光通信網絡時，需突破“一對多”的激光通信技術難題、研究動態(tài)路由解決接入方案、尋求激光通信和微波聯(lián)合通信體制。長春理工大學提出的采用旋轉拋物面結構設計一點對多點光學收發(fā)天線，實現(xiàn)多顆衛(wèi)星間激光通信組網，光學原理簡單，是探索解決這一難點的重大突破。

（三）多用途

隨著空間激光通信技術的逐漸成熟，空間激光通信的高調制速率、遠傳輸距離和低能耗的優(yōu)點逐漸凸顯。目前，空間激光通信技術已廣泛應用于星間、星空、空空、空地等鏈路的寬帶數(shù)據(jù)傳輸，并逐漸向深空探測、水下和地面接入通信擴展，用途越來越廣。

深空探測是人類對月球、遠距離天體或空間開展的探測活動，是了解太陽系及宇宙，揭示宇宙起源與演變，拓展人類生存空間的必然選擇。月球探測工程的實施拉開了我國深空探測的序幕，隨后又實施了火星探測工程。水下無線光通信作為一種新興通信技術，具有容量大、帶寬高、保密性好、抗干擾能力強等優(yōu)勢，已成為世界大國競相發(fā)展的一項重要通信技術。利用可見光進行數(shù)據(jù)通信的無線光傳輸技術兼具照明、通信和控制定位等功能，易與現(xiàn)有基礎照明設施相融合，且符合國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略思想，逐漸成為未來智能時代超高速泛在光聯(lián)網的主要寬帶傳輸方法。另外，在一些無法鋪設光纜的特殊應用場合，如海島之間、城市樓宇間、野外復雜環(huán)境等，空間激光通信技術可起到光纖通信技術所無法替代的作用。

（四）一體化

由于激光在高速通信和精密測距方面具有優(yōu)勢，近年來激光測距與通信一體化技術越來越受到重視。激光測距與通信一體化設計是以高速通信為主，兼顧精密測距，使用同一束激光和硬件平臺實現(xiàn)測距和信息傳輸，進而實現(xiàn)同一套設備完成測距和通信的雙重功能。2013年NASA的LLCD系統(tǒng)已經成功實施月地高速激光通信與高精度測距的在軌演示驗證，測距精度達到3 cm；2014年，北京遙測技術研究所完成了基于相干通信的測距和高速通信一體化的設計；2015年，長春理工大學提出了空間目標測距、成像、通信一體化方案，其中激光通信信標光發(fā)射/接收和激光測距光發(fā)射/接收共用一個光學天線。

此外，激光和微波通信技術的融合，也是目前學術研究的熱點，主要包括激光與微波收發(fā)融合、數(shù)據(jù)處理融合、微波信號的激光調制和產生等。目前，微波光子技術逐漸發(fā)展成熟，并已應用于雷達信號的激光傳輸和處理，未來該技術也將在激光與微波融合通信系統(tǒng)中應用。

（五）多譜段

隨著多種光譜段激光技術的進步，從紫外到紅外，甚至是太赫茲波段，均已出現(xiàn)了可應用的激光技術。由于各譜段在抗電磁干擾、云霧穿透能力、自組網等方面的優(yōu)勢各有不同，因此，未來空間激光通信利用不同譜段通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，將大力發(fā)展紫外、可見、中紅外、太赫茲等多譜段結合的通信模式。同時，加強多譜段通信的深入研究，以期通過多譜段聯(lián)合應用來實現(xiàn)不同環(huán)境條件下的不間斷無障礙通信。

與空間激光通信技術相比，紫外無線光通信技術無需嚴格的捕獲、瞄準、跟蹤就可實現(xiàn)非直視通信，在自組網、復雜電磁環(huán)境及特殊地形等應用中優(yōu)勢明顯。加州理工大學于2009年理論研究了紫外光散射模型及探測器、調制方式的影響并進行了試驗驗證。太赫茲無線光通信方面，近年來也取得了突破性成果，中國工程物理研究院的太赫茲科研團隊于2017年利用頻率0.14 THz載波，成功開展了單路實時速率5 Gb/s的21 km遠距離高速無線傳輸試驗。

目前，國內外在空間激光通信技術領域的發(fā)展均未形成規(guī)模，鑒于該技術的巨大發(fā)展?jié)摿?，世界各國積極投入人力、物力開展相關研究，并引導相關產業(yè)發(fā)展。近年來，歐洲、美國等國家或地區(qū)已在空間激光通信技術方面對星地、星間、空空等鏈路進行了部分商用化測試，我國也完成了相關的演示驗證工作。因此，在這一領域我國與歐美等發(fā)達國家和地區(qū)的差距較小，在某些方面還具有一定的后發(fā)優(yōu)勢，但核心元器件依賴進口的問題尚未解決。為此，通過國家政策傾斜，加強頂層設計，重點突破卡脖子技術難題，推進空間激光通信技術產業(yè)化，使我國在該領域能夠追趕甚至是達到領先水平。為推動空間激光通信技術的發(fā)展，提出如下政策建議。

（一）實施基礎研究計劃

空間激光通信技術的發(fā)展沿用了很多光纖通信及光學設計的技術，但根據(jù)新的應用特點會形成新的顛覆性技術，需要加強基礎研究以取得突破。因此，建議盡快實施以高等院?；A科研為主的無線激光寬帶傳輸與組網基礎科學問題研究計劃，在重點核心技術上取得突破，使我國盡快在該領域的基礎研究和關鍵技術達到世界領先水平。

（二）重視核心元器件的研發(fā)

光電子、光學核心元器件的工藝水平制約了我國空間激光通信技術的發(fā)展，且進口依賴度高。因此，建議組織元器件研究單位、高等院校及企業(yè)開展關鍵技術攻關，并大力扶持技術成果轉化。利用我國在光纖通信技術和產業(yè)領域引領世界技術與產品創(chuàng)新優(yōu)勢，面向未來空間信息網絡應用，努力實現(xiàn)核心元器件的自主知識產權。

（三）積極參與空間激光通信技術標準的制定

隨著空間激光通信技術的成熟并逐漸商用化，其技術標準的制定尤為重要。因此，建議從國家層面積極引導實施空間激光通信技術標準計劃。通過組織高等院校、科研機構及相關企業(yè)開展技術標準研究，積極參與國際標準的制定，促進我國空間激光通信技術和產業(yè)化的發(fā)展。

（四）引導相關產業(yè)的形成和發(fā)展

隨著空間激光通信技術的不斷進步和應用領域的不斷擴展，相關產業(yè)已逐漸形成，需正確地引導并促進產業(yè)健康發(fā)展。因此，建議對我國空間激光通信技術領域的產業(yè)發(fā)展進行合理規(guī)劃，引導高等院校、科研機構和企業(yè)開展產業(yè)合作，利用基礎研究和關鍵技術優(yōu)勢形成有效的成果轉化，并促進產業(yè)快速發(fā)展壯大。