什么是激光通信激光通信主要分为哪几类

激光，是利用单色光进行受激辐射后产生的光，特点是方向性强、亮度高、单色性好、相干性强。

激光和微波一样都属于电磁波，但频率比微波要高几个数量级。

激光通信，顾名思义就是利用激光来传递数据，基本原理是将信号调制到激光的频率、振幅或者相位上面，然后进行传输。

根据传输介质的不同，激光主要分为三类：光纤通信，激光大气通信，自由空间激光通信。 在激光通信的早期，激光大气通信技术吸引了发达国家投入大量人力物力进行研发。 但由于大气信道衰减补偿、大气信道折射率不均匀变化、器件和材料不过关、难以精确对接等技术难题，激光大气通信没有进入大规模商用。 目前应用最广泛的是光纤通信，另外两种通信方式也在近些年再度受到各技术强国的重视，取得了很大进展。

光纤通信

20世纪60年代，高锟和G.A.Hockham经过仔细论证，提出了基于光纤的远距离通信方案。几年后光纤的衰减达到了高锟的要求，光纤传输成为现实。1975年，美国在芝加哥开通了第一条光纤通信实验线路，光纤通信时代正式开启。

光纤通信

光纤的导光原理 利用光的全反射，将激光导入光纤进行传输，就是光纤通信的基本原理。 跟电缆传输比较，光纤通信有很多优势，比如超大的通信容量（单根光纤已经达到100Tbps），原料为石英（节省金属），绝缘抗干扰防窃听（在光纤内部传输）。

光纤通信

光纤入户 20世纪80年代以来，光纤通信产业一直保持着快速增长，已经成为支撑信息时代的数据传输技术。 运营商的长途干线传输，已经从电缆、微波、卫星改成了光纤传输，全球互联网干线也采用了光纤通信，我国光纤入户家庭的占比更是达到了90%以上。

激光大气通信

激光大气通信和自由空间激光通信，都是在没有传输线路（光纤）的条件下进行的点对点通信。 大气通信指的是利用空气作为传输介质，属于无线通信。

光纤通信

大气环境对光信号的影响 大气通信的优点是设备类别简单且通信容量大，单光束速率可达10Gb/s以上。缺点则是非常容易受到雨雪沙尘等天气影响。 云雨雾雪会造成信号衰减，烟尘微生物水滴造成散射，氮氧等气体分子则会吸收光信号，大气湍流带来的光斑闪烁和漂移…… 此外由于激光的指向性强，高稳定的瞄准捕获与跟踪（APT）系统就变得非常重要，这也是大气通信大规模商用的难点之一。 水下蓝绿激光通信 我国在激光大气通信的研究方面起步比较晚，不过近些年进展较快。例如2009年的时候，西安理工大学便研发出通信距离长达3km~5km的大气激光视频传输系统，实现了全天候不间断的视频数据传输。 随着材料技术、工艺技术、APT系统、大气补偿算法等关键技术的不断完善，大气激光通信应该会迎来一轮大发展，适用领域包括楼宇通信、跨河通信、岛屿入网、水下通信等等。

自由空间激光通信

与激光大气通信的最大不同在于，自由空间激光通信主要用在太空领域，因此信道环境充斥着各种复杂的电磁波，在系统组成、关键部件和传输容量上倒是跟大气通信相差不大。 自由空间激光通信既可用于卫星-卫星通信（星星传输），也可用于卫星-地面通信（星地传输）。 由于通讯距离长达几千甚至上万公里，因此激光发散小、能量集中的特性可以大大降低发射机的功率和重量，发射端和接收端的口径也相应大大缩小。 在星星传输和星地传输的场景下，体积小巧、功耗低、传输容量大，就成为激光通信相比于微波通信的巨大优势。 最近几年，国内外对自由空间激光通信的研发投入不断加快。 我国早在2017年，就成功进行了国际首次高轨卫星-地面的双向激光通信试验，实测距离地球近4万公里的卫星和地面之间（星地传输）的通信速率达到5Gbps。 国际上，SpaceX在2020年进行了一次试验，两颗Starlink互联网卫星利用搭载的激光通讯载荷，传输了数百GB的数据（星星传输），为布局SpaceX公司的天基网络提供了重要参考。 激光大气通信和自由空间激光通信成熟之后，将会和地面上的光纤通信网络交叉融合，构建出立体的天-空-地-海光通信网络，互联网将真正做到随时随地接入。

NASA空间站激光通信终端ILLUMA-T成功建立双向链路

美国国家航空航天局（NASA）在国际空间站上成功完成了激光通信中继演示（LCRD）与集成LCRD低地球轨道用户调制解调器和放大器终端（ILLUMA-T）之间的首次双向激光通信链路，标志着空间通信技术取得了重大进展。

戈达德洁净室中的 NASA ILLUMA-T 载荷。该有效载荷被安装在国际空间站上，与美国宇航局的激光通信中继演示一起演示更高的数据传输速率。资料来源：丹尼斯-亨利

2023 年 12 月 5 日，NASA 在国际空间站上的一项技术实验完成了与在轨激光中继系统的首次激光链接。它们共同完成了NASA首个双向、端到端的激光中继系统。

NASA的LCRD（激光通信中继演示）和新的空间站演示ILLUMA-T（集成LCRD低地球轨道用户调制解调器和放大器终端）首次成功交换了数据。LCRD 和 ILLUMA-T 演示了用户任务（本例中为空间站）如何从位于地球同步轨道的激光通信中继器中获益。

NASA 的 ILLUMA-T 载荷通过激光信号与 LCRD 通信。资料来源：NASA/Dave Ryan

激光通信使用红外线而不是传统的无线电波来发送和接收信号。红外光的波长较窄，因此航天器可以在每次传输中包含更多数据。使用激光通信可以大大提高数据传输的效率，加快科学发现的步伐。

激光通信的好处：更高效、更轻便的系统、更高的安全性和更灵活的地面系统。图片来源：NASA / Dave Ryan

11 月 9 日，NASA 的 SpaceX 第 29 次商业补给服务任务向空间站发射了货物和新的科学实验，其中包括 ILLUMA-T。到达后，有效载荷被安装到空间站的日本实验舱-暴露设施上。

2023 年 11 月 9 日，搭载"龙"飞船的 SpaceX 猎鹰 9 号火箭从位于佛罗里达州肯尼迪航天中心的 NASA 39A 发射场升空，这是该公司为 NASA 执行的第 29 次前往国际空间站的商业补给服务任务。龙"将向空间站运送科学研究、技术演示、乘员补给和硬件，以支持远征70号乘员，包括美国宇航局的集成激光通信中继演示低地球轨道用户调制解调器和放大器终端（ILLUMA-T）和大气波实验（AWE）。图片来源：NASA/Kim Shiflett

ILLUMA-T和LCRD是NASA空间通信与导航（SCaN）计划的一部分，该计划旨在展示激光通信技术如何为科学和探索任务带来巨大的益处。

ILLUMA-T与LCRD的首次连接（被称为"第一束光"）是证明激光通信是未来趋势的最新演示。"激光通信不仅能从科学任务中传回更多数据，还能作为NASA关键的双向链接，让宇航员在探索月球、火星及更远的地方时与地球保持联系。

美国国家航空航天局的 ILLUMA-T 有效载荷利用 LCRD 实现了"第一道曙光"。在这段视频中，马特-马格萨门（Matt Magsamen）解释了"第一道曙光"的里程碑。资料来源：美国国家航空航天局

空间站安装后不久，操作工程师就开始进行在轨测试，以确保ILLUMA-T载荷正常运行。现在，它正在与LCRD进行通信，LCRD是2021年发射的中继器，已经进行了300多次实验配置，帮助NASA完善激光通信技术。LCRD和ILLUMA-T正在以每秒1.2Gbps的速度交换数据。

"实验已经证明，我们能够克服利用激光通信成功实现空间通信所面临的技术挑战。我们现在正在进行操作演示和实验，这将使我们能够优化将成熟技术注入我们的任务中，从而最大限度地提高我们的探索和科学水平，"NASA 空间通信和导航架构师 David Israel 说。

NASA 激光通信路线图。图片来源：NASA / Dave Ryan

LCRD 实验是与工业界、学术界和其他政府机构合作进行的。ILLUMA-T 现在是 LCRD 的第一个太空用户实验。美国国家航空航天局仍在接受与 LCRD 合作的实验。

编译来源：ScitechDaily

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