从烽火传递到高速激光通信

芮道满

提到光通信你会想到什么？是光波、光纤、光缆这些充满科技感的专业名词吗？其实，光通信有着几千年的悠久历史，早在周代，我们的祖先就发明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。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。这种通信方式并非只在中国出现过，约公元前800年，古希腊人和古罗马人也曾采用烽火传递信号。18世纪90年代，旗语开始应用于法国航海界，这也是一种光通信系统。烽火、旗语均采用人的眼睛来接收信息，因此可称之为目视空间光通信。

贝尔开启现代光通信

1880年，亚历山大·贝尔的光电话实验开启了光通信的全新方式。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，振动片因人体发出的声波而发生振动，进而使反射光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經空气传送到接收端。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，手持听筒者就可以听到从发送端传送过来的声音了。在这次实验中，贝尔利用光波将声音信息传送了约213米。贝尔的实验是空间光通信技术的雏形，是第一次实现真正意义上的空间光通信。

什么是空间光通信？信息如何通过光波传输呢？

日常生活中用到的无线通信（对讲机）和移动通信（手机），其实是“波通信”，无论无线电波还是光波，其本质都是电磁波。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中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。

光学天线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，能量强，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，能量弱，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“强”能量，判断为信息“1”；接收到“弱”能量，判断为信息“0”，这样就完成了信息从发送方至接收方的传递。

光通信与无线电波

空间光通信与无线电波通信有什么不同呢？

1.通信容量大。空间光通信一般以激光为载波，常用的频率为190～560THz（1THz=1012Hz），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传输速率可达20Gbps，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。

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微弧度，信息传递不易被其他设备捕获，可有效提高抗干扰、防窃听的能力。

3.无需授权许可证。空间激光通信工作频率在100THz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。对于几千米至数十千米的短距离光通信，只需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，重新撤换部署也很容易。

给卫星装上光宽带

成熟的卫星通信频段资源日益枯竭，就目前在国际电信联盟登记的情况看，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终端具有明显的优势：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；通信速率高、信息容量大，速率能达到10～40Gbps；同时，由于光源功耗小，收发天线就会做得很小，因此激光通信终端体积小、重量轻，可减轻卫星通信载荷负担。

美国、日本以及一些欧洲国家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的研究，不断推动空间激光通信技术迈向工程实用化。

2014年，美国进行了国际空间站至地面的下行50Mbps（1Gbps=1000Mbps）单向激光通信。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4.5万千米的GEO光学卫星至地面的双向激光链路。根据美国国家航空航天局（NASA）下一代（2024年）光通信中继卫星至地链路规划，其目标是下行速率达到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光学卫星至地的1.8Gbps双向激光链路。

生活中的空间光通信

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让空间光通信走进日常生活。该技术是一种利用发光二极管（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，还可用来看电视、上网。LiFi通过在LED光源上植入一个微小的芯片，利用电信号控制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光源的发光强度大，人眼不會注意到光的快速变化。利用这种技术研制的通信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。

LiFi传输速率比WiFi的传输速率快100倍，具有高带宽、高速率的优点。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。预计在未来的实际应用中，通信速率可达到1Gbps，如此快的网速，你还担心上网“卡”吗？

高速、畅通的自适应光学技术

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以及光斑弥散、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、高可靠性的星地激光通信，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的光波波前发生畸变，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，自适应光学技术已成功应用于实践二十号卫星对地的激光通信试验，助力我国实现了当时国际上最高速率10Gbps的星地激光通信。

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。相信不久的将来，空间光通信将更广泛地走进我们的生活，带来高速、安全、自由的通信新世界。