中科院院士、中科院上海分院院長(zhǎng)王建宇

空間激光通信

空間技術(shù)傳統(tǒng)分類(lèi)有對(duì)地觀測(cè)、導(dǎo)航定位、衛(wèi)星通信、科學(xué)實(shí)驗(yàn)。近年來(lái)，空間技術(shù)對(duì)人類(lèi)的挑戰(zhàn)非常大，國(guó)際上提出，把互聯(lián)網(wǎng)建到太空中去，這樣一來(lái)，地球上任何地方，都能隨時(shí)隨地用到網(wǎng)絡(luò)。

美國(guó)SpaceX提出天上放一萬(wàn)多顆衛(wèi)星，就能形成空間互聯(lián)網(wǎng)。中國(guó)對(duì)于空間互聯(lián)網(wǎng)也非常重視和支持?？臻g技術(shù)發(fā)展之后，通導(dǎo)遙一體化，一顆衛(wèi)星兼有通信、導(dǎo)航、遙感的性能，綜合性衛(wèi)星提升了在天上辦事的效率。

目前的空間通信一般采用微波。例如我們以前有調(diào)幅和調(diào)頻的收音機(jī)，調(diào)頻收音機(jī)頻率較高，含的信息量比較大，音質(zhì)就比較好。后來(lái)有了電視，電視信息量增多，需要更高的頻率去調(diào)制。到衛(wèi)星之后不斷發(fā)展，從微波到地面的激光通信，載波的頻率越來(lái)越高，能傳輸?shù)男畔⒘恳苍絹?lái)越大。

空間信息怎么傳送是個(gè)大問(wèn)題，激光t通信有可能解決這個(gè)問(wèn)題，在傳輸上把頻率和數(shù)據(jù)量提高上去。

光通信特點(diǎn)是高帶寬容量，重量輕、體積小，而且激光通信不受電磁頻譜限制，占用的資源非常少。光通信載波頻率可以比一般的微波高三個(gè)數(shù)量級(jí)，重量輕，體積小，另外光打到的地方才能收到，保密性強(qiáng)。

國(guó)際上光通信的網(wǎng)絡(luò)非常多，專(zhuān)門(mén)的光通信網(wǎng)絡(luò)包括偵查衛(wèi)星、多媒體衛(wèi)星、小衛(wèi)星、偵查衛(wèi)星、導(dǎo)航定位衛(wèi)星。由于光通信怕云怕下雨，所以往往對(duì)地還是采用微波。在空間里面，可以全部采用激光的連接。從1995年開(kāi)始，國(guó)際上就有人研究光通信。中國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域也緊跟腳步。

歐洲和日本最早在光通信領(lǐng)域取得了成功。據(jù)說(shuō)美國(guó)發(fā)射的第一顆衛(wèi)星，沒(méi)有捕獲，被歐洲、日本搶了先。美國(guó)這個(gè)項(xiàng)目壞掉了，就馬上去做別的事，到2013年，美國(guó)在月球上，利用激光通信，把一段視頻從月球傳到了地球，這段視頻的激光發(fā)射終端口徑只有10厘米，傳輸速率達(dá)到了622M。

中國(guó)也非常重視激光通信。2011年，海洋二號(hào)搭載演示， 2016年，量子衛(wèi)星墨子號(hào)載人航天里面搭載了激光通信，特別是第二代相干激光通信，速率已經(jīng)能提高到每秒鐘5個(gè)G。第二代相干激光通信，把激光里面的相位信息利用起來(lái)，通過(guò)激光相互干涉來(lái)傳遞信息，靈敏度能夠提高很多。

最近我們國(guó)家對(duì)于空間近地組網(wǎng)的計(jì)劃非常多?？萍紕?chuàng)新2030用了激光通信的手段，計(jì)劃2022年示范驗(yàn)證，中國(guó)的航天科工、科技，都在做激光通信。值得關(guān)注的是，激光通信的商業(yè)價(jià)值已經(jīng)被看到，有專(zhuān)門(mén)的企業(yè)研究在天上能不能進(jìn)行商業(yè)化的數(shù)據(jù)傳送。中科深鏈準(zhǔn)備用商業(yè)化的方法，做幾顆高軌的衛(wèi)星，作為基站，然后把月球作為一個(gè)基點(diǎn)，連接數(shù)據(jù)，再通過(guò)一些小衛(wèi)星，作為低軌的空間中轉(zhuǎn)，建立起一個(gè)以中繼載荷為中心，配備深空、高軌和低軌小衛(wèi)星構(gòu)建天地中繼激光的通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合自有的地面運(yùn)管和商業(yè)化運(yùn)行，為空間數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)。這套系統(tǒng)具備全天候、全天時(shí)，雙向高速數(shù)據(jù)通信、無(wú)需頻譜資源審批、抗干擾能力強(qiáng)，商業(yè)化的開(kāi)放服務(wù)，按需使用的特點(diǎn)。

深空探測(cè)中的激光通信

月地距地大概40萬(wàn)公里，如果用傳統(tǒng)的強(qiáng)度調(diào)制，要500瓦的激光，這是衛(wèi)星的能源系統(tǒng)支撐不起的，所以不具備可行性，即使用相干探測(cè)第二代也是由困難的。所以最新的技術(shù)是基于光子探測(cè)的激光通信，能把原來(lái)的靈敏度提高兩到三個(gè)數(shù)量級(jí)。

研究當(dāng)中，有一定的難點(diǎn)。比如怎么把信號(hào)調(diào)到單光子里面去，還有探測(cè)在深空當(dāng)中怎么對(duì)準(zhǔn)，這些技術(shù)還在探索當(dāng)中。我們要有新的容錯(cuò)技術(shù)，能夠達(dá)到日常通信所需要的容錯(cuò)率，就是讓它誤碼率減少到10的-8到-9次方左右。像這種情況下，如果在光子上不加特別的編碼，它的誤碼率是非常非常高的，加了以后，它馬上可靠度就提高上去了。

還有它要探測(cè)一個(gè)個(gè)光子，而且有些光子同時(shí)到來(lái)，要把它們區(qū)分開(kāi)。有一種探測(cè)器，叫超導(dǎo)納米線探測(cè)器，我們先把探測(cè)器溫度放在沒(méi)有電阻的地方，這個(gè)時(shí)候一個(gè)光子上去，足夠把探測(cè)器的溫度，從超導(dǎo)點(diǎn)以下變到超導(dǎo)點(diǎn)以上，這樣電阻變得很大，就會(huì)出來(lái)一個(gè)脈沖。

對(duì)比一下，例如月球通信，通信距離是40萬(wàn)公里，如果用光子的方法大概能達(dá)到兩個(gè)G，發(fā)射口徑只要20毫米兩瓦。哪怕是到火星通信，兩億公里，大概還能達(dá)到4Mbps的速率，發(fā)射功率也就20、10瓦。

如果用最快的微波X波段對(duì)比，大概能傳250K，要求衛(wèi)星上的口徑是1米，地面口徑要30米才能做到。

海洋探測(cè)中的激光通信

水下激光通信包括水下與水面通信、水下與空中通信，水下與太空通信。

水下通信常用辦法是用聲納，但是聲納通信速率低，保密性差。所以也想用激光通信，但是水下用光通信存在困難。通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)在藍(lán)綠光這個(gè)波段有可能實(shí)現(xiàn)。理論上來(lái)說(shuō)，水下通信容量可達(dá)到十個(gè)G，但是水對(duì)光的吸收較大，藍(lán)綠光波段穿過(guò)的海洋，在大洋深處約200米，近岸約50米，水越干凈，大概能通的距離越遠(yuǎn)。

英國(guó)做了一個(gè)系統(tǒng)，傳輸速率約12.5兆，通信距離約150米。但是要注意， 12.5兆，一定不是在150米距離完成的，可能10米的時(shí)候能達(dá)到，但是150米的時(shí)候大概只有幾兆。

我們研究跨介質(zhì)的藍(lán)綠激光通信，并且在深度1120米下做了實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)能夠達(dá)到3.2K，這個(gè)數(shù)據(jù)看起來(lái)低，但是綜合性能已經(jīng)優(yōu)于國(guó)際上公開(kāi)報(bào)道的系統(tǒng)。

目前還在做是把量子的辦法用到海里去，這個(gè)也進(jìn)展良好，國(guó)際上報(bào)道最遠(yuǎn)的是200米、10M，而我們能夠做到500米，通信速率不低于1Mbps。

今天就給大家?guī)?lái)這些激光通信的新內(nèi)容分享，謝謝大家。