从“烽火狼烟”到星地高速激光通信丨流光E彩

编者按：半个世纪光电情，披星戴月星辰明。中科院之声与中国科学院光电技术研究所联合开设“流光E彩”科普专栏，讲述生活中的光电科普趣事，传播最生动的光电知识，展示最前沿的光电进展。

什么是空间光通信？

提到光通信你会想到什么？是光波、光纤、光缆这些高大上的物理名词吗？其实，光通信有着几千年的悠久历史。早在周代，我们就有了用于军事的光通信系统——烽火台。据《周礼》记载，西周时期，为了防备敌人入侵，采用“烽隧”作为边防告急的联络信号。通过从边疆到腹地的通道上，每隔一段距离筑起一座烽火台，接连不断。在敌人入侵时，烽火台一个接一个地燃放烟火传递警报。这种方式在世界其他地方也存在，约公元前800年，古希腊和罗马人也采用烽火传递信号。18世纪90年代，旗语开始应用于法国航海。不论是烽火、旗语，均采用人的眼睛来接收信息，这些可理解为目视空间光通信。

图1 古代的烽火通信

第一个真正意义上的空间光通信是1880年亚历山大▪格拉汉姆▪贝尔的光电话实验。贝尔用弧光灯或太阳光作为光源，并通过透镜将光聚焦在话筒的振动片上。当人对着话筒讲话时，振动片在音波的激励下振动，进而使反射光的强弱随着话音的强弱产生相应变化，从而将声音信息调制到光波上。载有声音信息的光波经空气传送到接收端，在接收端，利用抛物面镜将光波聚焦到光敏电池上，光敏电池将光能转换成电流并送到听筒，就可以听到从发送端传送过来的声音了。就这样，贝尔用光波“背着”声音信息并传送了约213m的距离。

图2 贝尔光通信试验

贝尔的实验是空间光通信技术的雏形。什么是空间光通信？信息是如何通过光波来传输的呢？日常生活中用到的无线通信（对讲机）和移动通信，其实是“波通信”，无论无线电波和还是光波，其实都是电磁波。空间光通信是以光波为信号载体，不需要使用光纤等波导介质，在大气、真空或水下等自由信道进行信息传输的一种无线通信技术。空间光通信系统通常包括光学天线、发射光端机、信道（真空、大气或水等）和接收光端机。

图3 空间光通信的组成及原理

光学天线（光学望远镜）是用于通信激光的发射和接收的光学系统，若要实现对飞机、卫星等动平台间的光通信，还要求光学天线具备对动平台上的通信激光的捕获、瞄准和跟踪的功能，就如天文爱好者利用光学望远镜对天空中的星光进行捕获和跟踪。

发射光端机用于将电信号转换为光信号，其基本器件包括信号源、光源和调制器。我们在电脑中处理的信息是用0和1表示的比特流，发射光端机是怎样把电信号转换成光信号的呢？一种最简单的产生光比特流的方式叫直接调制。直接调制是用信号直接调制光源的输出光强，光源的输出光功率与驱动电流成正比。调制1的时候，输入到光源的电流大，光源的输出振幅大，能量大，代表信息“1”；调制0的时候，输入到光源的电流小，光源的输出振幅小，能量小，代表信息“0”。在接收端，接收光端机将光信号转换为电信号，接收到大的能量，判决为信息“1”；接收到小的能量，判决为信息“0”，这样，就完成了信息从发送方至接收方的传递。

图4 信号的直接调制（图片来自网络）

空间光通信相比无线电波通信有什么特点？

（1）通信容量大。空间激光通信以光为载波，常用的频率范围为190THz～560THz，约为微波通信频率的数千倍乃至数万倍，可实现更高的数据传输速率。每束波束光波的数据率可达20Gb/s，并且可采用波分复用技术使通信容量提升几十倍。因此，光通信具有传输频带宽、通信容量大的优点。

图5 电磁频谱（图片来自网络）

（2）抗电磁干扰能力强、安全保密性高。空间激光通信采用激光作为载波，激光光束极窄，通常星地通信信号激光的发散角为几十个微弧度，信息传递不易被其他设备捕获，可有效地提高抗干扰、防窃听的能力。

（3）无须授权许可证。空间激光通信工作频率在百THz以上，不挤占宝贵的无线电频率资源，无需像无线电通信那样申请频率使用的许可证。

（4）快速链路部署。对于几公里至数十公里的短距离光通信，只须在通信点上进行设备安装，相比光纤通信，不需要埋设光纤，工程建设以小时或天为计量单位，重新撤换部署也很方便容易。

空间光通信的应用——给卫星装上光宽带

成熟的卫星通信频段资源日益枯竭，就目前在国际电联登记的情况看，Ku频段上的资源已经饱和，静止轨道上的常规频段卫星也已经十分拥挤，几乎不能再发新的卫星。给卫星装上激光通信通信终端具有明显的优点，空间激光通信链路无需审批，可直接使用，不存在频谱受限难题；其通信速率高、信息容量大，能达到10-40Gbps的速率；同时，由于光源功耗小、收发天线就会做的很小，激光通信终端的体积小、重量轻、功耗小，可减轻卫星通信载荷负担。

欧洲、美国、日本等均在空间激光通信技术领域投入巨资进行相关技术研究和在轨试验，对空间激光通信系统所涉及的各项关键技术展开了全面深入地研究，不断推动空间激光通信技术迈向工程实用化。

2014年NASA进行了国际空间站至地面的下行50Mbps单向激光通信，其通信方式为IM/DD，误码率为10-4。面向激光通信空间组网的需求，美国正在开展激光通信中继验证计划，旨在实现45000km的GEO至地的2.88Gbps/DPSK双向激光链路。根据NASA下一代（2024年）光通信中继卫星至地链路规划，其目标是实现下行速率卫100Gbps，可用度为97%。欧洲的光通信组网验证项目正在开展中，2015年9月德国成功进行了同步轨道Alphasat卫星LCT终端与地面站的1.8Gbps/BPSK双向相干通信试验。以欧洲空间局（ESA）主导的“全球网”EDRS项目预计2020年完成，其星地指标是实现GEO至地的1.8Gbps/DPSK双向激光链路。

图6 美国中继卫星至地通信示意图（图片来自网络）

空间光通信离我们的生活远吗？

空间光通信除了可以满足卫星信息高速传输的需求，一项被称为LiFi（Light Fidelity）的可见光无线通信技术可能走进我们的日常生活。该技术是一种利用LED进行数据传输的全新无线传输技术。家中的LED灯除了照明外，同时用来进行看电视、上网。LiFi通过在LED上植入一个微小的芯片，利用电信号控制发光二极管（LED）发出肉眼看不到的高速闪烁信号来传输信息，例如LED开表示1，关表示0，通过快速开关就能传输信息。由于LED的发光强度，人眼不会注意到光的快速变化。这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接只要在室内开启电灯，无需WIFI也可接入互联网。

图7 LiFi的应用场景示意（图片来自网络）

LiFi传输速度可比WiFi的传输速率快一百倍，具有高带宽，高速率优点。2014年1月，法国一家公司演示了一款LiFi智能手机，它通过前置摄像头改装而成的光感应器，接收载有信号的LED灯光，平均上网速率为10Mbps。2014年10月，美国研究出了一种超快LED灯，发光速度提高了1000倍，能更大程度地提升LiFi的通信速率。未来应用中通信速率可到达1Gbps，如此快的上网速度，你还担心上网卡吗？

自适应光学技术，让我们享受高速、畅通的空间光通信

空间光通信系统的性能对天气非常敏感，雨、雪、云、雾对激光传输影响较大，大气中的气体分子、水雾、雪、霾、气溶胶等粒子，也会引起光的吸收、散射，可导致激光链路中断。即使在晴朗的天气下，大气湍流也会严重干扰光信号的传输。大气湍流效应可造成信号光束波前畸变、光斑弥散、抖动，使通信接收端的光功率降低甚至无法收到信号。为实现高速率、高可靠的星地激光通信，大气湍流干扰问题必须解决。

自适应光学技术是克服星地激光通信大气湍流效应的核心技术之一。该技术通过使用可变形镜面校正因大气抖动造成光波波前发生畸变，从而改进光学系统性能。自适应光学系统由波前探测器、波前控制器、波前校正器（变形镜和倾斜镜）组成。利用自适应光学技术可抑制大气湍流对通信信号光的影响，获得近衍射极限的校正光斑，从而提高通信端机对信号光的接收效率。2020年3月，光电所自适应光学技术团队参与实践二十卫星对地的激光通信试验，助力其实现试验目标。

图8 自适应校正下的星地通信示意图

自适应光学技术解决了星地通信的可靠性问题，使得其适应大气湍流的能力显著增强，让星地光通信更畅通，相信不久将来，空间光通信将更广泛的走进我们的生活，给我们带来高速、安全、自由的通信新世界。

来源：中国科学院光电技术研究所

军事中的LiFi应用

苏格兰高科技公司PureLiFi宣布获得了一项价值数百万美元的交易，向美国军队提供光无线通信系统。

Kitefin li-fi系统利用光谱而不是无线电来安全地传输数据。

据该公司称，与美国陆军在欧洲和非洲的交易是世界上第一次大规模部署的LiFi技术。PureLifi公司说，该公司已经在LiFi技术研发中投资了420万美元（300万英镑）。

LiFi是"光保真 "的简称--是一项最早在爱丁堡开发的新兴技术。这个术语是由爱丁堡大学的哈拉尔德-哈斯教授创造的，他在2011年展示了装有信号处理技术的LED灯泡如何将高清视频传输到电脑上。

Li-Fi会是新的Wi-Fi技术吗？

根据PureLifi的说法，虽然无线电频率可以被 "检测和锁定"，但其LiFi技术在其定义的 "锥形 "覆盖范围之外是无法被检测到的。PureLifi表示，其Kitefin系统将由美国军方在 "真正的战术和战略环境 "中部署，此前的初步试点将于2019年上演。

美国陆军在欧洲和非洲的首席技术官Andrew Foreman说。"将光学无线技术纳入指挥官的工具箱，对于通信、指挥和控制系统的生存，以及更重要的是士兵的生存，是势在必行的。"

PureLifi公司将这笔交易描述为 "LiFi技术应用的一个拐点"。

首席执行官Alistair Banham说。"如果世界上最重要和最先进的国防组织之一可以依靠LiFi来进行最关键的通信，那么LiFi可以为消费者提供前所未有的好处。"Li-fi，就像之前的许多技术一样，正处在一个典型的旅程中，从国防领域的采用到消费市场的广泛接受，最终Li-fi进入每个人的家庭。

"与美国陆军在欧洲和非洲的首次重大部署只是一个开始"。

据pureLifi称，与蜂窝射频技术、wi-fi和蓝牙等传统技术相比，LiFi技术可以 "释放出更可靠的无线通信，具有无可比拟的安全性"。

几年前，爱丁堡大学的衍生产品获得了1800万美元（1290万英镑）的投资，以帮助该公司将其产品推向大众市场。投资者包括一家来自新加坡的投资公司和苏格兰投资银行，这是苏格兰企业的一个分支。2019年，PureLiFi推出了为整合到移动电话和消费电子产品而设计的千兆位组件。

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