從烽火傳遞到高速激光通信

芮道滿

提到光通信你會(huì)想到什么？是光波、光纖、光纜這些充滿科技感的專業(yè)名詞嗎？其實(shí)，光通信有著幾千年的悠久歷史，早在周代，我們的祖先就發(fā)明了用于軍事的光通信系統(tǒng)—烽火臺(tái)。據(jù)《周禮》記載，西周時(shí)期，為了防備敵人入侵，采用“烽隧”作為邊防告急的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。從邊疆到腹地的通道上，每隔一段距離，筑起一座烽火臺(tái)，接連不斷。在敵人入侵時(shí)，烽火臺(tái)一個(gè)接一個(gè)地燃放煙火傳遞警報(bào)。這種通信方式并非只在中國(guó)出現(xiàn)過(guò)，約公元前800年，古希臘人和古羅馬人也曾采用烽火傳遞信號(hào)。18世紀(jì)90年代，旗語(yǔ)開(kāi)始應(yīng)用于法國(guó)航海界，這也是一種光通信系統(tǒng)。烽火、旗語(yǔ)均采用人的眼睛來(lái)接收信息，因此可稱之為目視空間光通信。

貝爾開(kāi)啟現(xiàn)代光通信

1880年，亞歷山大·貝爾的光電話實(shí)驗(yàn)開(kāi)啟了光通信的全新方式。貝爾用弧光燈或太陽(yáng)光作為光源，并通過(guò)透鏡將光聚焦在話筒的振動(dòng)片上。當(dāng)人對(duì)著話筒講話時(shí)，振動(dòng)片因人體發(fā)出的聲波而發(fā)生振動(dòng)，進(jìn)而使反射光隨著話音的強(qiáng)弱產(chǎn)生相應(yīng)變化，從而將聲音信息調(diào)制到光波上。載有聲音信息的光波經(jīng)空氣傳送到接收端。在接收端，利用拋物面鏡將光波聚焦到光敏電池上，光敏電池將光能轉(zhuǎn)換成電流并送到聽(tīng)筒，手持聽(tīng)筒者就可以聽(tīng)到從發(fā)送端傳送過(guò)來(lái)的聲音了。在這次實(shí)驗(yàn)中，貝爾利用光波將聲音信息傳送了約213米。貝爾的實(shí)驗(yàn)是空間光通信技術(shù)的雛形，是第一次實(shí)現(xiàn)真正意義上的空間光通信。

什么是空間光通信？信息如何通過(guò)光波傳輸呢？

日常生活中用到的無(wú)線通信（對(duì)講機(jī)）和移動(dòng)通信（手機(jī)），其實(shí)是“波通信”，無(wú)論無(wú)線電波還是光波，其本質(zhì)都是電磁波?？臻g光通信是以光波為信號(hào)載體，不需要使用光纖等波導(dǎo)介質(zhì)，在大氣、真空或水下等自由信道中進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N無(wú)線通信技術(shù)?？臻g光通信系統(tǒng)通常包括光學(xué)天線、發(fā)射光端機(jī)、信道（真空、大氣或水等）和接收光端機(jī)。

光學(xué)天線是用于通信激光的發(fā)射和接收的光學(xué)系統(tǒng)。若要實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)、衛(wèi)星等動(dòng)平臺(tái)間的光通信，還要求光學(xué)天線具備對(duì)動(dòng)平臺(tái)上的通信激光的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤的功能，就如天文愛(ài)好者利用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡對(duì)天空中的星光進(jìn)行捕獲和跟蹤。

發(fā)射光端機(jī)用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，其基本器件包括信號(hào)源、光源和調(diào)制器。我們?cè)陔娔X中處理的信息是用0和1表示的比特流，發(fā)射光端機(jī)是怎樣把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的呢？一種最簡(jiǎn)單的產(chǎn)生光比特流的方式叫直接調(diào)制。直接調(diào)制是用信號(hào)直接調(diào)制光源的輸出光強(qiáng)，光源的輸出光功率與驅(qū)動(dòng)電流成正比。調(diào)制1的時(shí)候，輸入到光源的電流大，光源的輸出振幅大，能量強(qiáng)，代表信息“1”；調(diào)制0的時(shí)候，輸入到光源的電流小，光源的輸出振幅小，能量弱，代表信息“0”。在接收端，接收光端機(jī)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接收到“強(qiáng)”能量，判斷為信息“1”；接收到“弱”能量，判斷為信息“0”，這樣就完成了信息從發(fā)送方至接收方的傳遞。

光通信與無(wú)線電波

空間光通信與無(wú)線電波通信有什么不同呢？

1.通信容量大。空間光通信一般以激光為載波，常用的頻率為190～560THz（1THz=1012Hz），約為微波通信頻率的數(shù)千倍乃至數(shù)萬(wàn)倍，可實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。每束波束光波的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20Gbps，并且可采用波分復(fù)用技術(shù)使通信容量提升幾十倍。因此，光通信具有傳輸頻帶寬、通信容量大的優(yōu)點(diǎn)。

2.抗電磁干擾能力強(qiáng)、安全保密性高。空間激光通信采用激光作為載波，激光光束極窄。通常星地通信信號(hào)激光的發(fā)散角為幾十微弧度，信息傳遞不易被其他設(shè)備捕獲，可有效提高抗干擾、防竊聽(tīng)的能力。

3.無(wú)需授權(quán)許可證。空間激光通信工作頻率在100THz以上，不擠占寶貴的無(wú)線電頻率資源，無(wú)需像無(wú)線電通信那樣申請(qǐng)頻率使用的許可證。

4.快速鏈路部署。對(duì)于幾千米至數(shù)十千米的短距離光通信，只需在通信點(diǎn)上進(jìn)行設(shè)備安裝，相比光纖通信，不需要埋設(shè)光纖，工程建設(shè)以小時(shí)或天為計(jì)量單位，重新撤換部署也很容易。

給衛(wèi)星裝上光寬帶

成熟的衛(wèi)星通信頻段資源日益枯竭，就目前在國(guó)際電信聯(lián)盟登記的情況看，Ku頻段上的資源已經(jīng)飽和，靜止軌道上的常規(guī)頻段衛(wèi)星也已經(jīng)十分擁擠，幾乎不能再發(fā)新的衛(wèi)星。給衛(wèi)星裝上激光通信終端具有明顯的優(yōu)勢(shì)：空間激光通信鏈路無(wú)需審批，可直接使用，不存在頻譜受限難題；通信速率高、信息容量大，速率能達(dá)到10～40Gbps；同時(shí)，由于光源功耗小，收發(fā)天線就會(huì)做得很小，因此激光通信終端體積小、重量輕，可減輕衛(wèi)星通信載荷負(fù)擔(dān)。

美國(guó)、日本以及一些歐洲國(guó)家均在空間激光通信技術(shù)領(lǐng)域投入巨資，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研究和在軌試驗(yàn)，對(duì)空間激光通信系統(tǒng)所涉及的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了全面深入的研究，不斷推動(dòng)空間激光通信技術(shù)邁向工程實(shí)用化。

2014年，美國(guó)進(jìn)行了國(guó)際空間站至地面的下行50Mbps（1Gbps=1000Mbps）單向激光通信。面向激光通信空間組網(wǎng)的需求，美國(guó)正在開(kāi)展激光通信中繼驗(yàn)證計(jì)劃，旨在實(shí)現(xiàn)4.5萬(wàn)千米的GEO光學(xué)衛(wèi)星至地面的雙向激光鏈路。根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）下一代（2024年）光通信中繼衛(wèi)星至地鏈路規(guī)劃，其目標(biāo)是下行速率達(dá)到100Gbps，可用度為97%。歐洲的光通信組網(wǎng)驗(yàn)證項(xiàng)目正在開(kāi)展中，2015年9月德國(guó)成功進(jìn)行了同步軌道Alphasat衛(wèi)星LCT終端與地面站的1.8Gbps雙向相干通信試驗(yàn)。以歐洲空間局（ESA）主導(dǎo)的“全球網(wǎng)”EDRS項(xiàng)目預(yù)計(jì)2020年完成，其星地指標(biāo)是實(shí)現(xiàn)GEO光學(xué)衛(wèi)星至地的1.8Gbps雙向激光鏈路。

生活中的空間光通信

空間光通信除了可以滿足衛(wèi)星信息高速傳輸?shù)男枨?，一?xiàng)被稱為L(zhǎng)iFi（Light Fidelity）的可見(jiàn)光無(wú)線通信技術(shù)可能讓空間光通信走進(jìn)日常生活。該技術(shù)是一種利用發(fā)光二極管（LED）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜聼o(wú)線傳輸技術(shù)。家中的LED燈除了照明外，還可用來(lái)看電視、上網(wǎng)。LiFi通過(guò)在LED光源上植入一個(gè)微小的芯片，利用電信號(hào)控制LED發(fā)出肉眼看不到的高速閃爍信號(hào)來(lái)傳輸信息，例如LED開(kāi)表示1，關(guān)表示0，通過(guò)快速開(kāi)關(guān)就能傳輸信息。由于LED光源的發(fā)光強(qiáng)度大，人眼不會(huì)注意到光的快速變化。利用這種技術(shù)研制的通信系統(tǒng)能夠覆蓋室內(nèi)燈光達(dá)到的范圍，電腦不需要電線連接，只要在室內(nèi)開(kāi)啟電燈，無(wú)需WiFi也可接入互聯(lián)網(wǎng)。

LiFi傳輸速率比WiFi的傳輸速率快100倍，具有高帶寬、高速率的優(yōu)點(diǎn)。2014年1月，法國(guó)一家公司演示了一款LiFi智能手機(jī)，它通過(guò)前置攝像頭改裝而成的光感應(yīng)器接收載有信號(hào)的LED燈光，平均上網(wǎng)速率為10Mbps。2014年10月，美國(guó)研究出了一種超快LED燈，發(fā)光速度提高了1000倍，能更大程度地提升LiFi的通信速率。預(yù)計(jì)在未來(lái)的實(shí)際應(yīng)用中，通信速率可達(dá)到1Gbps，如此快的網(wǎng)速，你還擔(dān)心上網(wǎng)“卡”嗎？

高速、暢通的自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)

空間光通信系統(tǒng)的性能對(duì)天氣非常敏感，雨、雪、云、霧對(duì)激光傳輸影響較大，大氣中的氣體分子、水霧、雪、霾、氣溶膠等粒子，也會(huì)引起光的吸收、散射，可導(dǎo)致激光鏈路中斷。即使在晴朗的天氣下，大氣湍流也會(huì)嚴(yán)重干擾光信號(hào)的傳輸。大氣湍流效應(yīng)可造成信號(hào)光束波前畸變以及光斑彌散、抖動(dòng)，使通信接收端的光功率降低甚至無(wú)法收到信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)高速率、高可靠性的星地激光通信，大氣湍流干擾問(wèn)題必須解決。

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是克服星地激光通信大氣湍流效應(yīng)的核心技術(shù)之一。該技術(shù)通過(guò)使用可變形鏡面校正因大氣抖動(dòng)造成的光波波前發(fā)生畸變，從而改進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)性能。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)由波前探測(cè)器、波前控制器、波前校正器（變形鏡和傾斜鏡）組成。利用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可抑制大氣湍流對(duì)通信信號(hào)光的影響，獲得近衍射極限的校正光斑，從而提高通信端機(jī)對(duì)信號(hào)光的接收效率。2020年3月，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)已成功應(yīng)用于實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星對(duì)地的激光通信試驗(yàn)，助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)國(guó)際上最高速率10Gbps的星地激光通信。

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)解決了星地通信的可靠性問(wèn)題，使得其適應(yīng)大氣湍流的能力顯著增強(qiáng)，讓星地光通信更暢通。相信不久的將來(lái)，空間光通信將更廣泛地走進(jìn)我們的生活，帶來(lái)高速、安全、自由的通信新世界。