激光通信的技术趋势及应用前景分析

据测算，到2027年中国“GW”激光载荷市场规模将达约800亿。

激光通信的技术发展趋势

激光通信的通信容量大，也即是传输速率更快。激光的频率比微波要高许多，作为通信的载波有更宽的利用频带。目前无线激光通信工作频段主要在365～326THz（对应波长范围光波长范围多在820nm～920nm），设备间无射频信号干扰。

从现有技术来说，光波作为信息载体可传输达10Gbit/s的数据码率，采用名为波分复用技术的方法还能进一步提高（将两种或多种不同波长的光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，传输后在接收端经分波器将各种波长的光载波进行分离并恢复信号）。

激光通信的可靠性高，且保密性好。激光作为光源的发散角很小，能量集中在很窄的光束中。这意味着和邻近卫星间的通信干扰将会减小，避免了相互影响冲突，稳定性增强，也就是所谓的可靠性高。而且这样的光束具有高度的定向性，纤细而集中的发射波束指向接收机，可有效的提高抗干扰、防窃听的能力，除非其通信链路被截断，否则数据不易外泄，保密性好。

激光通信技术结合了无线电通信和光纤通信的优点，以激光为载波进行通信。激光通信技术具有抗干扰能力强、安全性高、通信速率高、传输速度快、波段选择方便及信息容量大的优势，其特点是系统体积小、重量轻、功耗低、施工简单、灵活机动，在军事和民用领域均有重大的战略需求与应用价值。

激光通信相关的设备体积小、质量轻、功耗低。激光的光束集中且携带信息量大，激光通信的能量利用率高，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的功耗低，发射功率也可大大降低，所以发射设备及其供电系统可以做的体积更小、重量更轻，更加便于卫星等空间探测器携带。

另一方面，激光的波长短、穿透力强，方向性好且能量集中，这些优点也使得接收望远镜口径可以减小，摆脱了无线电波通信系统巨大的碟形天线，接收系统也可以做的体积更小、重量更轻。这些也使得激光通信相关系统、设备的建造和维护费用相对低廉。

表一：各种通信方式特点对比

（资料来源：公开资料）

激光通信的技术趋势就是向高速率、网络化、多用途以及一体化发展。

1、高速率

随着空间激光通信高速调制解调和传输技术的快速发展，未来星地激光通信链路速率有望达到100Gb/s量级。高速激光通信采用高阶调制方式如正交相移键控（QPSK）、正交振幅调制（QAM）和复用方式如波分复用（WDM）、时分复用（TDM）、轨道角动量复用（OAM），短距离（<1km）速率可达Tb/s量级。

2、网络化

随着全球化和信息技术的发展，亟需建设具有不依托地面网络、无缝覆盖全球、高带宽和抗毁性能的空间网络。因此，依托空间激光通信技术实现的天基宽带传送网络是今后发展的重要趋势。

空间激光通信技术逐渐从点对点模式向中继转发和构建激光网络的方向发展。由于激光网络建设的主要难点在于激光发散角小、光信号动态接入以及受空间环境影响大等，因此构建激光通信网络时，需突破“一对多”的激光通信技术难题、研究动态路由解决接入方案、寻求激光通信和微波联合通信体制。长春理工大学提出的采用旋转抛物面结构设计一点对多点光学收发天线，实现多颗卫星间激光通信组网，光学原理简单，是探索解决这一难点的重大突破。

3、多用途

随着空间激光通信技术的逐渐成熟，空间激光通信的高调制速率、远传输距离和低能耗的优点逐渐凸显。目前，空间激光通信技术已广泛应用于星间、星空、空空、空地等链路的宽带数据传输，并逐渐向深空探测、水下和地面接入通信扩展，用途越来越广。

深空探测是人类对月球、远距离天体或空间开展的探测活动，是了解太阳系及宇宙，揭示宇宙起源与演变，拓展人类生存空间的必然选择。月球探测工程的实施拉开了我国深空探测的序幕，随后又实施了火星探测工程。水下无线光通信作为一种新兴通信技术，具有容量大、带宽高、保密性好、抗干扰能力强等优势，已成为世界大国竞相发展的一项重要通信技术。利用可见光进行数据通信的无线光传输技术兼具照明、通信和控制定位等功能，易与现有基础照明设施相融合，且符合国家节能减排的战略思想，逐渐成为未来智能时代超高速泛在光联网的主要宽带传输方法。另外，在一些无法铺设光缆的特殊应用场合，如海岛之间、城市楼宇间、野外复杂环境等，空间激光通信技术可起到光纤通信技术所无法替代的作用。

4、一体化

由于激光在高速通信和精密测距方面具有优势，近年来激光测距与通信一体化技术越来越受到重视。激光测距与通信一体化设计是以高速通信为主，兼顾精密测距，使用同一束激光和硬件平台实现测距和信息传输，进而实现同一套设备完成测距和通信的双重功能。2013年NASA的LLCD系统已经成功实施月地高速激光通信与高精度测距的在轨演示验证，测距精度达到3cm；2014年，北京遥测技术研究所完成了基于相干通信的测距和高速通信一体化的设计；2015年，长春理工大学提出了空间目标测距、成像、通信一体化方案，其中激光通信信标光发射/接收和激光测距光发射/接收共用一个光学天线。

此外，激光和微波通信技术的融合，也是目前学术研究的热点，主要包括激光与微波收发融合、数据处理融合、微波信号的激光调制和产生等。目前，微波光子技术逐渐发展成熟，并已应用于雷达信号的激光传输和处理，未来该技术也将在激光与微波融合通信系统中应用。激光/微波混合传输的主要思想是通过在激光链路连接的两个节点间建立额外的微波链路，在天气恶劣的条件下使用微波链路进行辅助传输来保障节点间通信不间断。2006年，美国宾夕法尼亚州立大学的科学家进行了空载激光/微波混合传输的评估研究。研究发现激光链路受云层影响较大，主要是由于云颗粒带来的衰减及散射，但当微波链路引入后可以大幅提升整体链路的可用度。

通常的激光/微波混合传输方式为激光链路可以通时采用激光传输，无法通时改为微波链路进行数据传输。该种方法不仅不能有效利用整体信道带宽，在激光和微波链路进行切换的过程中也容易带来不必要的传输中断。2009年弗吉尼亚大学的科学家提出了一种符号率自适应联合编码方案，使得微波链路和激光链路同时高效工作。2010年马萨诸塞大学的科学家提出了混合信道码，通过利用非均匀码及速率兼容LDPC码，在提升通信容量的同时达到了电信级的可靠性（99.999%）。

中国卫星激光通信零的突破：覆盖全球

据中国航天科工集团消息，近日，“行云二号”01星、02星之间实现了建链流程完整、遥测状态稳定的双向通信，标志着卫星搭载的激光通信载荷技术得到成功验证，我国卫星物联网星座实现星间激光通信零的突破。

“行云二号”01星、02星的激光通信载荷质量为6.5千克，在轨功耗80瓦，是天基物联网“行云工程”的首发星，于2020年5月12日成功发射入轨，随即开展在轨技术测试，目前所有核心技术均得到充分验证。

据悉，星间激光通信是一种利用激光束作为载波在空间进行图像、语音、信号等信息传递的通信方式，具有传输速率高、抗干扰能力强、系统终端体积小、质量轻、功耗低等优势，可以大幅降低卫星星座系统对地面网络的依赖，从而减少地面信关站的建设数量和建设成本，扩大覆盖区域、实现全球测控。目前，星间激光链路技术已成为全球卫星通信系统发展的关键技术。

公开资料显示，全球中低轨道星座项目中，只有美国的Starlink星座、LeoSat星座提出了采用星间激光链路实现空间组网的计划。

在国内，行云公司研制了国内最小的星间激光通信载荷，实现了国内卫星物联网星座激光通信零的突破，打通了卫星物联网星座间信息传输的瓶颈制约。

什么是空间激光通信技术？

大多数人对空间激光通信技术了解并不多。空间激光通信技术的核心在“激光”二字，即用激光作为信息载体进行空间(包括大气空间、低轨道、中轨道、同步轨道、星际间、太空间)通信。

与微波空间通信相比，激光空间通信的长处不言而喻，如波长比微波波长明显短，具有高度的相干性和空间定向性，这也就决定了空间激光通信具有一系列优点。如通信容量大，激光的频率比微波高3至4个数量级，因此作为通信的载波有更大的利用频带。光纤通信技术可以移植到空间通信中来，目前光纤通信每束波束光波的数据率可达20Gb/s以上，并且可采用波分复用技术使通信容量上升几十倍。因此在通信容量上，光通信比微波通信有巨大的优势。同时，空间激光通信技术还有着重量轻、功耗和体积小、建造和维护经费低等特点。

由于激光的发散角很小，所以能量高度集中，这样一来落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功耗相对较低；空间激光通信的能量利用率的提高又使得发射机及其供电系统的重量减轻;激光的波长短，在同样的发散角和接收视场角要求下，发射和接收望运镜的口径都可以减小。如此一来，空间激光通信就摆脱了微波系统巨大的碟形天线，拥有了既小又巧还功能强大的特点。最难能可贵的是，激光具有高度的定向性，发射波束纤细，激光的发散角通常在毫弧度，有效地提高抗干扰、防窃听的能力。

拥有着以上这些强大功能，空间激光通信技术的前景可谓十分广阔。伴随着信息时代对于高速率信息传输的需求日益迫切，以及支撑空间激光通信的光学、光电子学、微电子学、计算机、控制科学、材料科学与技术水平的提高，空间激光通信将呈现出以下几个发展趋势。一是通信速率越来越高，伴随着高精度动态跟踪这一核心技术取得突破后，提高激光通信系统的速率和带宽是必然举措。二是通信模式越来越丰富，从最初的单向信息传输、发展到双向对称信息传输、中继转发通信模式，乃至将来的信息组网。三是立体空间覆盖，空间激光通信从星际链路逐渐向星地、星空、空空、空地和地面间链路拓展，实现立体空间覆盖，构建天空、地一体化的无缝通信系统。

本文由中国科学院物理研究所副研究员罗会仟进行科学性把关。

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来源： 新华网

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