科普一分钟：激光通信技术

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抬头看浩瀚宇宙时，你是否曾好奇，太空中执行任务的航天员和飞行器如何与地面联系？遥远的距离会不会造成数据传输困难？

现在我们使用的是无线射频发射系统，这种通信方式数据接收速度慢，并且需要很大口径的天线，在这种情况下，激光通信技术应运而生。

简单来说，激光通信技术就是将探测器送入地球同步轨道，使用空对地激光连接地面站，利用国际空间站上的光学终端接收和传输数据。与无线射频发射系统相比，激光通信系统更小、更轻，且功耗更低，我国的北斗卫星和地面站之间也使用激光信号传输，相关的高速通信实验已经完成，速度比5G网络还要快。

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。

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