中科院院士、中科院上海分院院長王建宇

空間激光通信

空間技術傳(chuan) 統分類有對地觀測、導航定位、衛星通信、科學實驗。近年來，空間技術對人類的挑戰非常大，國際上提出，把互聯網建到太空中去，這樣一來，地球上任何地方，都能隨時隨地用到網絡。

美國SpaceX提出天上放一萬(wan) 多顆衛星，就能形成空間互聯網。中國對於(yu) 空間互聯網也非常重視和支持。空間技術發展之後，通導遙一體(ti) 化，一顆衛星兼有通信、導航、遙感的性能，綜合性衛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(men) 以前有調幅和調頻的收音機，調頻收音機頻率較高，含的信息量比較大，音質就比較好。後來有了電視，電視信息量增多，需要更高的頻率去調製。到衛星之後不斷發展，從(cong) 微波到地麵的激光通信，載波的頻率越來越高，能傳(chuan) 輸的信息量也越來越大。

空間信息怎麽(me) 傳(chuan) 送是個(ge) 大問題，激光t通信有可能解決(jue) 這個(ge) 問題，在傳(chuan) 輸上把頻率和數據量提高上去。

光通信特點是高帶寬容量，重量輕、體(ti) 積小，而且激光通信不受電磁頻譜限製，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(ge) 數量級，重量輕，體(ti) 積小，另外光打到的地方才能收到，保密性強。

國際上光通信的網絡非常多，專(zhuan) 門的光通信網絡包括偵(zhen) 查衛星、多媒體(ti) 衛星、小衛星、偵(zhen) 查衛星、導航定位衛星。由於(yu) 光通信怕雲(yun) 怕下雨，所以往往對地還是采用微波。在空間裏麵，可以全部采用激光的連接。從(cong) 1995年開始，國際上就有人研究光通信。中國在這個(ge) 領域也緊跟腳步。

歐洲和日本最早在光通信領域取得了成功。據說美國發射的第一顆衛星，沒有捕獲，被歐洲、日本搶了先。美國這個(ge) 項目壞掉了，就馬上去做別的事，到2013年，美國在月球上，利用激光通信，把一段視頻從(cong) 月球傳(chuan) 到了地球，這段視頻的激光發射終端口徑隻有10厘米，傳(chuan) 輸速率達到了622M。

中國也非常重視激光通信。2011年，海洋二號搭載演示， 2016年，量子衛星墨子號載人航天裏麵搭載了激光通信，特別是第二代相幹激光通信，速率已經能提高到每秒鍾5個(ge) G。第二代相幹激光通信，把激光裏麵的相位信息利用起來，通過激光相互幹涉來傳(chuan) 遞信息，靈敏度能夠提高很多。

最近我們(men) 國家對於(yu) 空間近地組網的計劃非常多。科技創新2030用了激光通信的手段，計劃2022年示範驗證，中國的航天科工、科技，都在做激光通信。值得關(guan) 注的是，激光通信的商業(ye) 價(jia) 值已經被看到，有專(zhuan) 門的企業(ye) 研究在天上能不能進行商業(ye) 化的數據傳(chuan) 送。中科深鏈準備用商業(ye) 化的方法，做幾顆高軌的衛星，作為(wei) 基站，然後把月球作為(wei) 一個(ge) 基點，連接數據，再通過一些小衛星，作為(wei) 低軌的空間中轉，建立起一個(ge) 以中繼載荷為(wei) 中心，配備深空、高軌和低軌小衛星構建天地中繼激光的通信網絡，結合自有的地麵運管和商業(ye) 化運行，為(wei) 空間數據傳(chuan) 輸提供服務。這套係統具備全天候、全天時，雙向高速數據通信、無需頻譜資源審批、抗幹擾能力強，商業(ye) 化的開放服務，按需使用的特點。

深空探測中的激光通信

月地距地大概40萬(wan) 公裏，如果用傳(chuan) 統的強度調製，要500瓦的激光，這是衛星的能源係統支撐不起的，所以不具備可行性，即使用相幹探測第二代也是由困難的。所以最新的技術是基於(yu) 光子探測的激光通信，能把原來的靈敏度提高兩(liang) 到三個(ge) 數量級。

研究當中，有一定的難點。比如怎麽(me) 把信號調到單光子裏麵去，還有探測在深空當中怎麽(me) 對準，這些技術還在探索當中。我們(men) 要有新的容錯技術，能夠達到日常通信所需要的容錯率，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，加了以後，它馬上可靠度就提高上去了。

還有它要探測一個(ge) 個(ge) 光子，而且有些光子同時到來，要把它們(men) 區分開。有一種探測器，叫超導納米線探測器，我們(men) 先把探測器溫度放在沒有電阻的地方，這個(ge) 時候一個(ge) 光子上去，足夠把探測器的溫度，從(cong) 超導點以下變到超導點以上，這樣電阻變得很大，就會(hui) 出來一個(ge) 脈衝(chong) 。

對比一下，例如月球通信，通信距離是40萬(wan) 公裏，如果用光子的方法大概能達到兩(liang) 個(ge) G，發射口徑隻要20毫米兩(liang) 瓦。哪怕是到火星通信，兩(liang) 億(yi) 公裏，大概還能達到4Mbps的速率，發射功率也就20、10瓦。

如果用最快的微波X波段對比，大概能傳(chuan) 250K，要求衛星上的口徑是1米，地麵口徑要30米才能做到。

海洋探測中的激光通信

水下激光通信包括水下與(yu) 水麵通信、水下與(yu) 空中通信，水下與(yu) 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。通過研究，發現在藍綠光這個(ge) 波段有可能實現。理論上來說，水下通信容量可達到十個(ge) G，但是水對光的吸收較大，藍綠光波段穿過的海洋，在大洋深處約200米，近岸約50米，水越幹淨，大概能通的距離越遠。

英國做了一個(ge) 係統，傳(chuan) 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米的時候能達到，但是150米的時候大概隻有幾兆。

我們(men) 研究跨介質的藍綠激光通信，並且在深度1120米下做了實驗，已經能夠達到3.2K，這個(ge) 數據看起來低，但是綜合性能已經優(you) 於(yu) 國際上公開報道的係統。

目前還在做是把量子的辦法用到海裏去，這個(ge) 也進展良好，國際上報道最遠的是200米、10M，而我們(men) 能夠做到500米，通信速率不低於(yu) 1Mbps。

今天就給大家帶來這些激光通信的新內(nei) 容分享，謝謝大家。