從烽火傳遞到高速激光通信

2020-12-23 04:37:18芮道滿

百科知識 2020年23期

芮道滿

提到光通信你會想到什么？是光波、光纖、光纜這些充滿科技感的專業名詞嗎？其實，光通信有著幾千年的悠久歷史，早在周代，我們的祖先就發明了用于軍事的光通信系統—烽火臺。據《周禮》記載，西周時期，為了防備敵人入侵，采用“烽隧”作為邊防告急的聯絡信號。從邊疆到腹地的通道上，每隔一段距離，筑起一座烽火臺，接連不斷。在敵人入侵時，烽火臺一個接一個地燃放煙火傳遞警報。這種通信方式并非只在中國出現過，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。18世紀90年代，旗語開始應用于法國航海界，這也是一種光通信系統。烽火、旗語均采用人的眼睛來接收信息，因此可稱之為目視空間光通信。

貝爾開啟現代光通信

1880年，亞歷山大·貝爾的光電話實驗開啟了光通信的全新方式。貝爾用弧光燈或太陽光作為光源，并通過透鏡將光聚焦在話筒的振動片上。當人對著話筒講話時，振動片因人體發出的聲波而發生振動，進而使反射光隨著話音的強弱產生相應變化，從而將聲音信息調制到光波上。載有聲音信息的光波經空氣傳送到接收端。在接收端，利用拋物面鏡將光波聚焦到光敏電池上，光敏電池將光能轉換成電流并送到聽筒，手持聽筒者就可以聽到從發送端傳送過來的聲音了。在這次實驗中，貝爾利用光波將聲音信息傳送了約213米。貝爾的實驗是空間光通信技術的雛形，是第一次實現真正意義上的空間光通信。

什么是空間光通信？信息如何通過光波傳輸呢？

日常生活中用到的無線通信（對講機）和移動通信（手機），其實是“波通信”，無論無線電波還是光波，其本質都是電磁波。空間光通信是以光波為信號載體，不需要使用光纖等波導介質，在大氣、真空或水下等自由信道中進行信息傳輸的一種無線通信技術?？臻g光通信系統通常包括光學天線、發射光端機、信道（真空、大氣或水等）和接收光端機。

光學天線是用于通信激光的發射和接收的光學系統。若要實現對飛機、衛星等動平臺間的光通信，還要求光學天線具備對動平臺上的通信激光的捕獲、瞄準和跟蹤的功能，就如天文愛好者利用光學望遠鏡對天空中的星光進行捕獲和跟蹤。

發射光端機用于將電信號轉換為光信號，其基本器件包括信號源、光源和調制器。我們在電腦中處理的信息是用0和1表示的比特流，發射光端機是怎樣把電信號轉換成光信號的呢？一種最簡單的產生光比特流的方式叫直接調制。直接調制是用信號直接調制光源的輸出光強，光源的輸出光功率與驅動電流成正比。調制1的時候，輸入到光源的電流大，光源的輸出振幅大，能量強，代表信息“1”；調制0的時候，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，接收光端機將光信號轉換為電信號，接收到“強”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送方至接收方的傳遞。

光通信與無線電波

空間光通信與無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千倍乃至數萬倍，可實現更高的數據傳輸速率。每束波束光波的數據傳輸速率可達20Gbps，并且可采用波分復用技術使通信容量提升幾十倍。因此，光通信具有傳輸頻帶寬、通信容量大的優點。

2.抗電磁干擾能力強、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。通常星地通信信號激光的發散角為幾十微弧度，信息傳遞不易被其他設備捕獲，可有效提高抗干擾、防竊聽的能力。

3.無需授權許可證?？臻g激光通信工作頻率在100THz以上，不擠占寶貴的無線電頻率資源，無需像無線電通信那樣申請頻率使用的許可證。

4.快速鏈路部署。對于幾千米至數十千米的短距離光通信，只需在通信點上進行設備安裝，相比光纖通信，不需要埋設光纖，工程建設以小時或天為計量單位，重新撤換部署也很容易。

給衛星裝上光寬帶

成熟的衛星通信頻段資源日益枯竭，就目前在國際電信聯盟登記的情況看，Ku頻段上的資源已經飽和，靜止軌道上的常規頻段衛星也已經十分擁擠，幾乎不能再發新的衛星。給衛星裝上激光通信終端具有明顯的優勢：空間激光通信鏈路無需審批，可直接使用，不存在頻譜受限難題；通信速率高、信息容量大，速率能達到10～40Gbps；同時，由于光源功耗小，收發天線就會做得很小，因此激光通信終端體積小、重量輕，可減輕衛星通信載荷負擔。

美國、日本以及一些歐洲國家均在空間激光通信技術領域投入巨資，進行相關技術研究和在軌試驗，對空間激光通信系統所涉及的各項關鍵技術展開了全面深入的研究，不斷推動空間激光通信技術邁向工程實用化。

2014年，美國進行了國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的需求，美國正在開展激光通信中繼驗證計劃，旨在實現4.5萬千米的GEO光學衛星至地面的雙向激光鏈路。根據美國國家航空航天局（NASA）下一代（2024年）光通信中繼衛星至地鏈路規劃，其目標是下行速率達到100Gbps，可用度為97%。歐洲的光通信組網驗證項目正在開展中，2015年9月德國成功進行了同步軌道Alphasat衛星LCT終端與地面站的1.8Gbps雙向相干通信試驗。以歐洲空間局（ESA）主導的“全球網”EDRS項目預計2020年完成，其星地指標是實現GEO光學衛星至地的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星信息高速傳輸的需求，一項被稱為LiFi（Light Fidelity）的可見光無線通信技術可能讓空間光通信走進日常生活。該技術是一種利用發光二極管（LED）進行數據傳輸的全新無線傳輸技術。家中的LED燈除了照明外，還可用來看電視、上網。LiFi通過在LED光源上植入一個微小的芯片，利用電信號控制LED發出肉眼看不到的高速閃爍信號來傳輸信息，例如LED開表示1，關表示0，通過快速開關就能傳輸信息。由于LED光源的發光強度大，人眼不會注意到光的快速變化。利用這種技術研制的通信系統能夠覆蓋室內燈光達到的范圍，電腦不需要電線連接，只要在室內開啟電燈，無需WiFi也可接入互聯網。

LiFi傳輸速率比WiFi的傳輸速率快100倍，具有高帶寬、高速率的優點。2014年1月，法國一家公司演示了一款LiFi智能手機，它通過前置攝像頭改裝而成的光感應器接收載有信號的LED燈光，平均上網速率為10Mbps。2014年10月，美國研究出了一種超快LED燈，發光速度提高了1000倍，能更大程度地提升LiFi的通信速率。預計在未來的實際應用中，通信速率可達到1Gbps，如此快的網速，你還擔心上網“卡”嗎？

高速、暢通的自適應光學技術

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

自適應光學技術是克服星地激光通信大氣湍流效應的核心技術之一。該技術通過使用可變形鏡面校正因大氣抖動造成的光波波前發生畸變，從而改進光學系統性能。自適應光學系統由波前探測器、波前控制器、波前校正器（變形鏡和傾斜鏡）組成。利用自適應光學技術可抑制大氣湍流對通信信號光的影響，獲得近衍射極限的校正光斑，從而提高通信端機對信號光的接收效率。2020年3月，自適應光學技術已成功應用于實踐二十號衛星對地的激光通信試驗，助力我國實現了當時國際上最高速率10Gbps的星地激光通信。