激光通信:将“宽带”搬上太空

作者: 胡珉琦

来源: 中国科学报

发布日期: 2014-06-21 20:20:32

美国国家航空航天局(NASA)利用激光通信技术成功实现高速数据传输,标志着激光通信技术日臻成熟,星地激光通信逐步具备业务化运行能力。激光通信技术采用光频电磁波作为信息载波,具有高通信速率、高保密性和低功耗等优势,未来将在航天、军事及民用领域大有可为。

本月初,美国国家航空航天局(NASA)发布消息,一段时长37秒、名为“你好,世界!”的高清视频,用时3.5秒传到接收端,传输速率达到50Mbps。在这个已被称为“4G时代”的通信世界,这样的速率本不值得一提。不过,实际上这段视频跨越了太空和大气层,如果不是使用了激光通信技术,而是用传统的无线电波方式进行传输则至少需要10分钟。

对此,国内专家在接受《中国科学报》记者采访时表示,NASA此次试验的目的是以国际空间站为平台,验证利用激光拓宽空间通信带宽的技术,从而解决今后来自火星等深空高清图像下载速度过慢的问题。同时也表明,激光通信相关技术已经日臻成熟,星地激光通信已经逐步具备业务化运行能力。据美国国家航空航天局介绍,这一通信试验名为“激光通信科学光学载荷”(OPALS)。

OPALS是利用极窄的激光束传输数据,速率可比现射频通信方式提高10~1000倍。而此次试验的一大挑战就是“极度精确地”锁定位于美国加州小镇赖特伍德的地面站。事实上,这并非美国国家航空航天局的第一次空间激光通信技术试验。就在今年年初,NASA开展了“月球激光通信演示验证”(LLCD)项目。在试验验证中,LLCD与月球之间通信的数据下行和上行速率分别达到了622Mbps和20Mbps。

中国科学院上海光机所研究员蔡海文向《中国科学报》记者介绍,光纤通信是将光信号限制在细微的光纤中进行长距离传输,自由空间无线光通信则涵盖星地和星间等多种信道,包括宇宙空间传播、大气传播甚至水下传播。

激光通信实际上指的是自由空间无线光通信,它利用激光作为载体,将信息加载到激光上发送出去,携带了信息的光信号在自由空间进行传输,到了接收端再利用望远镜将畸变了的光信号收集到光电探测器上进行光电转换,进一步根据信息的加载方式就可以还原出发送信息,实现双方的通信。

相较于传统的无线电通信方式,空间激光通信技术采用光频电磁波作为信息载波,其波长比微波短4个数量级左右,频率高4个数量级左右,拥有更大的利用频带。因此,激光通信技术的优势是显而易见的。孙建锋指出,卫星微波通信的极限通信速率在2Gbps左右,近年来通信速率提升困难。而激光通信技术可以轻松实现10Gbps以上的通信速率,采用复用的手段甚至能获得Tbps以上的通信速率。

如此高的通信速率,使得太空通信如同从拨号上网时代升级到了宽带上网时代。激光通信是未来通信世界的重要组成部分,为此,世界各国很早就开展了相应的研究和尝试。

据蔡海文介绍,早在1995年,日本工程测试卫星(ETS-VI)就在美国NASA的协助下首次实现了星地通信;2001年,欧洲首次开展了星间激光通信试验;2004年,日本也开展了星间激光通信试验;同年,俄罗斯宇航员首次实现了空间站与北高加索地面站的高速激光通信。他告诉《中国科学报》记者,2012年中国“海洋二号”卫星采用直接探测通信方式,实现了约500Mbps的卫星与地面高速激光通信。

目前,中国也正在研制星地高速相干激光通信系统,可以实现更高的通信速率。

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