本月初，美國國家航空航天局（NASA）發布消息，一段時長37秒、名為“你好，世界！”的高清視頻，用時3.5秒傳到接收端，傳輸速率達到50Mbps。在這個已被稱為“4G時代”的通信世界，這樣的速率本不值得一提。不過，實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，而是用傳統的無線電波方式進行傳輸則至少需要10分鐘。

　　對此，國內專家在接受《中國科學報》記者采訪時表示，NASA此次試驗的目的是以國際空間站為平臺，驗證利用激光拓寬空間通信帶寬的技術，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。同時也表明，激光通信相關技術已經日臻成熟，星地激光通信已經逐步具備業務化運行能力。

　　自由空間的無線光通信

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

　　事實上，這并非美國國家航空航天局的第一次空間激光通信技術試驗。就在今年年初，NASA開展了“月球激光通信演示驗證”（LLCD）項目。在試驗驗證中，LLCD與月球之間通信的數據下行和上行速率分別達到了622Mbps和20Mbps。

　　說到激光通信，多數人會感到有些陌生，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，只是傳輸的介質不同而已。

　　中國科學院上海光機所研究員蔡海文向《中國科學報》記者介紹，光纖通信是將光信號限制在細微的光纖中進行長距離傳輸，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送出去，攜帶了信息的光信號在自由空間進行傳輸，到了接收端再利用望遠鏡將畸變了的光信號收集到光電探測器上進行光電轉換，進一步根據信息的加載方式就可以還原出發送信息，實現雙方的通信。

　　據了解，一套完整的激光通信系統主要包括光學瞄準、捕獲、跟蹤分系統和光通信發射接收分系統。光學瞄準、捕獲、跟蹤分系統主要負責空間激光通信鏈路的建立和保持。由于空間激光通信端機的光束發散角非常小，為微弧度量級，因此，具有高度的定向性。中國科學院上海光機所研究員孫建鋒給《中國科學報》記者打了一個比方，一束激光從上海打到北京的光斑大小僅為10米左右，這就對光跟瞄系統提出了非常高的要求，跟瞄精度達到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。光跟瞄系統也是空間激光通信系統所特有，在光纖通信中是不存在的。

　　激光通信發射接收部分則包括了發射和接收兩部分。發射部分負責信息的存儲、編碼、調制、轉發；接收部分負責信息的解調、解碼、存儲、轉發等功能。“這部分與光纖通信的發射接收原理上基本相同，但在具體實現上還是存在很大差別的。”孫建鋒表示。

　　“太空寬帶”衰減嚴重

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

　　孫建鋒指出，衛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。而激光通信技術可以輕松實現10Gbps以上的通信速率，采用復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上網時代升級到了寬帶上網時代。

　　由于激光通信的光束發散角很小，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,使得落在接收機望遠鏡天線上的功率密度高，發射機的發射功率可大大降低，功耗相對較低。這對應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用空間。據西安理工大學自動化與信息工程學院教授、光電技術實驗室主任柯熙政介紹，水是一種特殊的介質，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，傳輸時間長。然而，研究發現，激光中存在一個頻段——光波波長為450～570nm的藍綠光，海水對其吸收損耗較小，它通過海水時，不僅穿透能力強，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、測深等領域。

　　不過，在柯熙政看來，激光通信更為重要的優勢在于，目前，全世界范圍內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行管制，可以自由使用。

　　然而，激光通信遲遲未能實現真正的業務化運行，表明其技術施展始終存在某種制約因素。#p#分頁標題#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，最大的限制就是經過大氣層時受到湍流，及其他天氣、環境因素的影響。

　　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現起來難度大得多。柯熙政提到，比如火星與地球之間的鏈路，由于距離太過遙遠，激光的幾何損耗極大，點對點的瞄準也更為困難。

　　除距離因素以外，孫建鋒認為，由于空間激光通信端機一般安裝在衛星或者其他空間飛行器平臺上，參與通信的兩個端機之間的空間位置是時刻變化的，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衰減問題，科學家已經找到了比較可靠的解決方案，也就是相干激光通信技術。簡單說，通過相干探測方式可以提升接收端的探測靈敏度，實現僅對接收窄帶微弱光信號的放大。柯熙政表示，這項技術在光纖通信中已經比較成熟，在激光中的應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的研究和嘗試。據蔡海文介紹，早在1995年，日本工程測試衛星（ETS-VI）就在美國NASA的協助下首次實現了星地通信；2001年，歐洲首次開展了星間激光通信試驗；2004年，日本也開展了星間激光通信試驗；同年，俄羅斯宇航員首次實現了空間站與北高加索地面站的高速激光通信。

　　他告訴《中國科學報》記者，2012年中國“海洋二號”衛星采用直接探測通信方式，實現了約500Mbps的衛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，可以實現更高的通信速率。

　　柯熙政也透露，國際上已經試驗成功的空間激光通信速率要遠遠高于此次NASA的OPALS項目試驗。

　　目前，激光通信被廣泛關注的領域主要是航天、軍事領域，但事實上，受訪專家均認為，激光通信在民用領域將大有可為，包括地面間的短距離通信、應急通信等。柯熙政舉例道，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、奧運會用的大型體育場館，它們多是臨時使用，專門鋪設光纖成本高、利用率低。因此，將來可以考慮在比賽期間，臨時布置激光通信線路。