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軍工航天新聞
激光通信的商業價值在哪里?
星之球科技 來源:激光內參2017-08-30
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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。
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。
什么是激光通信
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。
空間光通信是目前解決數據傳輸瓶頸最有效可行的技術途徑之一。值得注意的是,雖然光通信在地面光纖通信系統中取得了巨大成功,但空間光通信的發展不能照搬地面光纖通信的發展思路。這是因為空間激光通信技術和光纖通信技術既有相同、也有不同。具體表現在:
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。非相干通信采用強度調制,直接探測方式進行通信,通過接收端直接判斷光信號的強度,由于受到背景光噪聲和接收機的電子學噪聲影響,接收靈敏度較低。相干激光通信技術采用相位調制/相干探測方式進行通信,可以實現僅對接收窄帶微弱光信號的放大,避免了采用電子學放大引入的信噪比下降;
3
在傳輸介質上是不同的。空間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
通信收發端機安裝的平臺不同。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;
5
通信鏈路不同。空間激光通信鏈路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更加困難。
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,即相干激光通信技術。2017年初,中科院上海光機所已成功完成了星地高速相干激光通信實驗的在軌測試,在星地鏈路距離1000 km以上,通信速率20 Mbps,傳輸的圖片清晰。
激光通信優勢明顯 應用潛力巨大
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。其中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。
由于空間激光通信端機的光束發散角非常小,因此,具有高度的定向性。同時,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是非常適用的。
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——波長為450~570 nm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。
激光通信更為重要的優勢還在于,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。
因此,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,激光通信在民用領域也大有可為,包括地面間的短距離通信、應急通信等。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。
國外商業化運作先行一步
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的研究和嘗試。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。
不僅如此,早在2014年,美國已經開始激光通信的商業化運作了。
美國通信技術公司Anova于2014年2月開始布局激光通信網絡,以取代光纖和微波無線網絡。他們在紐交所和納斯達克的數據中心之間建立激光通信網絡,直線距離大約是55 km,中途修建6-7個激光基站。
Anova的技術人員采用紅外激光,在雨天和大霧中也能正常傳輸數據,解決了激光通信易受天氣等環境因素影響的問題。此外,他們在基站里還安裝了穩定系統,并通過計算機實時糾正激光的偏差,也解決了激光跟瞄難的問題。
中國科學院上海光機所研究員孫建鋒曾作過一個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Anova公司提供的信息,Anova的激光通信網絡能夠提供2 Gbps的帶寬,大約是之前該公司提供的微波通信網絡的數百倍。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決定在網絡建成后成為該技術的第一批用戶。
而我國空間激光通信的研究方面,哈爾濱工業大學、長春理工大學、航天五院西安分院、北京大學、電子科技大學、武漢大學、華中科技大學、中科院上海光機所等都有所研究。其中,最引人關注的是,2012年中國“海洋二號”衛星采用直接探測通信方式,實現了約500 Mbps的衛星與地面高速激光通信;2017年初,中科院上海光機所已成功完成了星地高速相干激光通信實驗的在軌測試;而民用領域例如海島之間、樓宇之間的激光通信應用尚未見到有關報道。
參考文獻:
1.中國科學報
2.方興未艾的新型空間信息傳輸技術——空間激光通信技術及其鏈路分類[J]光電產品與資訊,2014,9:24-26
3.衛星激光通信的發展現狀與趨勢[J]光電產品與資訊,2014,9:27-30
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