本月初，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布消息，一段時(shí)長37秒、名為“你好，世界！”的高清視頻，用時(shí)3.5秒傳到接收端，傳輸速率達(dá)到50Mbps。在這個(gè)已被稱為“4G時(shí)代”的通信世界，這樣的速率本不值得一提。不過，實(shí)際上這段視頻跨越了太空和大氣層，如果不是使用了激光通信技術(shù)，而是用傳統(tǒng)的無線電波方式進(jìn)行傳輸則至少需要10分鐘。

　　對此，國內(nèi)專家在接受《中國科學(xué)報(bào)》記者采訪時(shí)表示，NASA此次試驗(yàn)的目的是以國際空間站為平臺(tái)，驗(yàn)證利用激光拓寬空間通信帶寬的技術(shù)，從而解決今后來自火星等深空高清圖像下載速度過慢的問題。同時(shí)也表明，激光通信相關(guān)技術(shù)已經(jīng)日臻成熟，星地激光通信已經(jīng)逐步具備業(yè)務(wù)化運(yùn)行能力。

　　自由空間的無線光通信

　　據(jù)美國國家航空航天局介紹，這一通信試驗(yàn)名為“激光通信科學(xué)光學(xué)載荷”（OPALS）。OPALS是利用極窄的激光束傳輸數(shù)據(jù)，速率可比現(xiàn)射頻通信方式提高10～1000倍。而此次試驗(yàn)的一大挑戰(zhàn)就是“極度精確地”鎖定位于美國加州小鎮(zhèn)賴特伍德的地面站。

　　事實(shí)上，這并非美國國家航空航天局的第一次空間激光通信技術(shù)試驗(yàn)。就在今年年初，NASA開展了“月球激光通信演示驗(yàn)證”（LLCD）項(xiàng)目。在試驗(yàn)驗(yàn)證中，LLCD與月球之間通信的數(shù)據(jù)下行和上行速率分別達(dá)到了622Mbps和20Mbps。

　　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。

　　中國科學(xué)院上海光機(jī)所研究員蔡海文向《中國科學(xué)報(bào)》記者介紹，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。

　　據(jù)了解，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。由于空間激光通信端機(jī)的光束發(fā)散角非常小，為微弧度量級，因此，具有高度的定向性。中國科學(xué)院上海光機(jī)所研究員孫建鋒給《中國科學(xué)報(bào)》記者打了一個(gè)比方，一束激光從上海打到北京的光斑大小僅為10米左右，這就對光跟瞄系統(tǒng)提出了非常高的要求，跟瞄精度達(dá)到1微弧度左右。“它的難度就像在1公里外將激光穿過1毫米的針孔。”孫建鋒坦言。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。

　　激光通信發(fā)射接收部分則包括了發(fā)射和接收兩部分。發(fā)射部分負(fù)責(zé)信息的存儲(chǔ)、編碼、調(diào)制、轉(zhuǎn)發(fā)；接收部分負(fù)責(zé)信息的解調(diào)、解碼、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。“這部分與光纖通信的發(fā)射接收原理上基本相同，但在具體實(shí)現(xiàn)上還是存在很大差別的。”孫建鋒表示。

　　“太空寬帶”衰減嚴(yán)重

　　相較于傳統(tǒng)的無線電通信方式，空間激光通信技術(shù)采用光頻電磁波作為信息載波，其波長比微波短4個(gè)數(shù)量級左右，頻率高4個(gè)數(shù)量級左右，擁有更大的利用頻帶。因此，激光通信技術(shù)的優(yōu)勢是顯而易見的。

　　孫建鋒指出，衛(wèi)星微波通信的極限通信速率在2Gbps左右，近年來通信速率提升困難。而激光通信技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)10Gbps以上的通信速率，采用復(fù)用的手段甚至能獲得Tbps以上的通信速率。如此高的通信速率，使得太空通信如同從撥號(hào)上網(wǎng)時(shí)代升級到了寬帶上網(wǎng)時(shí)代。

　　由于激光通信的光束發(fā)散角很小，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，功耗相對較低。這對應(yīng)用于能源成本高昂的空間通信來說也是非常適用的。

　　此外，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——光波波長為450～570nm的藍(lán)綠光，海水對其吸收損耗較小，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，可以用于對潛通信、探潛探雷、測深等領(lǐng)域。

　　不過，在柯熙政看來，激光通信更為重要的優(yōu)勢在于，目前，全世界范圍內(nèi)無線電頻譜資源日趨匱乏，而國際上對激光通信頻譜并沒有實(shí)行管制，可以自由使用。

　　然而，激光通信遲遲未能實(shí)現(xiàn)真正的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，表明其技術(shù)施展始終存在某種制約因素。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　孫建鋒指出，光纖通信中的光在光纖中傳播，可以獲得很小的傳輸損耗，但空間激光通信中的激光是在自由空間中傳播，因此存在巨大的傳輸損耗。蔡海文和柯熙政均表示，空間激光通信，尤其是星地間的通信，最大的限制就是經(jīng)過大氣層時(shí)受到湍流，及其他天氣、環(huán)境因素的影響。

　　其次，空間激光通信鏈路的距離從千公里到數(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)起來難度大得多?？挛跽岬剑热缁鹦桥c地球之間的鏈路，由于距離太過遙遠(yuǎn)，激光的幾何損耗極大，點(diǎn)對點(diǎn)的瞄準(zhǔn)也更為困難。

　　除距離因素以外，孫建鋒認(rèn)為，由于空間激光通信端機(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。

　　不過，針對最主要的光信號(hào)衰減問題，科學(xué)家已經(jīng)找到了比較可靠的解決方案，也就是相干激光通信技術(shù)。簡單說，通過相干探測方式可以提升接收端的探測靈敏度，實(shí)現(xiàn)僅對接收窄帶微弱光信號(hào)的放大?？挛跽硎?，這項(xiàng)技術(shù)在光纖通信中已經(jīng)比較成熟，在激光中的應(yīng)用則還處在探索階段。

　　激光通信的民用拓展

　　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。據(jù)蔡海文介紹，早在1995年，日本工程測試衛(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。

　　他告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者，2012年中國“海洋二號(hào)”衛(wèi)星采用直接探測通信方式，實(shí)現(xiàn)了約500Mbps的衛(wèi)星與地面高速激光通信。目前，中國也正在研制星地高速相干激光通信系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)更高的通信速率。

　　柯熙政也透露，國際上已經(jīng)試驗(yàn)成功的空間激光通信速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此次NASA的OPALS項(xiàng)目試驗(yàn)。

　　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，受訪專家均認(rèn)為，激光通信在民用領(lǐng)域?qū)⒋笥锌蔀椋ǖ孛骈g的短距離通信、應(yīng)急通信等?？挛跽e例道，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。