本文帶大家了解無線光通信隨著衛星領域的發展而蓬勃發展。

無線光通信(FSO)和係統實現快速和安全的連接，無論是在地麵和非地麵網絡中。隨著過去20年空間光學技術的重大進步，超高帶寬信號現在經常在很遠的距離上來回傳(chuan) 輸，提供了一個(ge) 延伸到全球的通信樹冠。

一個(ge) 典型的無線通信概念在近地軌道衛星星座中的應用。每顆衛星攜帶4個(ge) 光通信終端，與(yu) 各個(ge) 方向的相鄰衛星相連，形成網狀網絡。

從(cong) 發射機到接收器，再到中間所有相關(guan) 的光學設備，過去20年裏的每一次技術飛躍都幫助無線通信變得更便宜、更快、更容易部署，並最終在商業(ye) 上更具可行性。研究公司Global Market Estimates預測，FSO行業(ye) 的價(jia) 值將從(cong) 2022年的44億(yi) 美元增長到2027年的475億(yi) 美元，年複合增長率為(wei) 34.1%。

多種先進技術正在發揮作用。其中包括高功率小線寬激光器;複雜的光機械控製係統，如精細轉向鏡，能夠精確地塑造和引導激光;高靈敏度探測器;用於(yu) 補償(chang) 大氣像差的自適應和相幹光學;用於(yu) 信號編碼和解碼的高速數字處理裝置;以及有助於(yu) 縮小光信號處理組件的光子集成芯片(PICs)。

隨著技術的進步，對越來越多的數據帶寬的需求也推動了人們(men) 對無線網絡的興(xing) 趣，無論是在地球上空還是在地球表麵。

世界各地對更大帶寬的需求促使幾家公司部署了大型“星座”，這些“星座”有時由數千顆衛星組成，其中大多數衛星由無線光學係統連接，能夠與(yu) 地麵終端交換光學數據信號。

與(yu) 傳(chuan) 統的點對點微波鏈路相比，無線光網絡提供了可以快速部署的無線接入解決(jue) 方案，具有更高的帶寬和安全性，以及更低的功耗。

位於(yu) 荷蘭(lan) 埃因霍溫的Aircision公司的科學總監兼聯合創始人John Reid說:“在衛星係統中，來自地球終端的激光信號必須在衛星飛過地平線時鎖定衛星，然後等待視線降低到可接受的水平，然後以最大速度傳(chuan) 輸數據。”“減少視線可以減少通過大氣湍流對光學信號的扭曲。”

第一個(ge) 報告千兆速度激光衛星通信的研究小組是歐洲數據中繼係統(EDRS)，這是空中客車公司和歐洲航天局(ESA)之間的商業(ye) 合作協議。該網絡的部分目的是支持哥白尼計劃，該計劃由歐空局和歐盟委員會(hui) 聯合管理。據估計，哥白尼計劃將需要星載電信基礎設施每天從(cong) 太空向地麵傳(chuan) 輸TB級的地球觀測數據。實時向地麵站提供這些數據，對於(yu) 陸地、海洋和冰層監測，以及政府和安全服務非常有用。

SpaceX的“星鏈”擁有1.2萬(wan) 顆衛星，可能是最引人注目的巨型星座，也是最大的近地軌道衛星星座。它的衛星在海拔550公裏左右的軌道上運行——相對接近地球——以將延遲降低到20毫秒左右，並支持速度為(wei) 50至500 Mbit/s的遊戲和流媒體(ti) 等高數據速率活動。

光通信鏈路網絡，顯示低地球軌道(LEO)和地球同步赤道軌道(GEO)層的衛星間鏈路，以及與(yu) 飛機、氣球和地麵站的無線鏈路。

根據TESAT的說法，它的CubeL是用於(yu) 無線通信的立方體(ti) 衛星的最小光通信終端。

與(yu) 固定的地下電信光纖不同，這些星座可以移動到任何需要的地方。例如，這些需求可能包括自然災害或人為(wei) 災害期間的通信。去年年初，幾輛卡車的插電式終端被運到烏(wu) 克蘭(lan) ，以補償(chang) 俄羅斯轟炸造成的通信鏈路損壞。

地麵天線還為(wei) 烏(wu) 克蘭(lan) 軍(jun) 隊提供了重要的生命線，用戶可以通過它連接到最近的星鏈衛星，然後與(yu) 位於(yu) 鄰國波蘭(lan) 的最近的地麵站通信。

能夠承受嚴(yan) 格的機械、熱和輻射條件的高性能但價(jia) 格合理的光學係統將是此類大型星座成功的關(guan) 鍵。“這些係統將包括符合太空條件的光學放大器，具有足夠的光輸出功率，具有高數據速率能力的電子設備，以及經過太空驗證的指向、采集和跟蹤算法，以便在遠距離衛星之間建立連接。”

在地球大氣層的幹擾之外，衛星間的光學鏈路在整個(ge) 地球上來回發送信號(上圖)。

位於(yu) 荷蘭(lan) 海牙的TNO光學地麵站。該公司表示，與(yu) 空中客車防務和荷蘭(lan) 空間公司合作，TNO最近在荷蘭(lan) 演示了一條超過10公裏的地麵激光通信鏈路，這是第一個(ge) 在現實條件下使用傳(chuan) 統基礎設施運行的光學數據連接。

在量子光學技術中，使用單光子源和探測器來加密數據並安全地遠距離傳(chuan) 輸數據。實際上，FSO鏈路不會(hui) 像光纖網絡上的量子密鑰分配(QKD)技術那樣造成相同的傳(chuan) 輸損耗和有限的距離。FSO可以進一步利用傳(chuan) 統的波分複用技術以更高的速率發送加密數據。

目前，由於(yu) 缺乏合適的光放大器來克服光纖傳(chuan) 輸的限製，QKD受到了限製，但FSO可能會(hui) 提供一個(ge) 解決(jue) 方案。

適用於(yu) 地對空網絡的大氣約束也阻礙了地麵FSO通信。但隨著關(guan) 鍵光學元件成本的下降，地麵FSO係統有更多機會(hui) 取代基於(yu) 光纖的網絡。

對更快、大容量通信和數據速率的需求保證了FSO的強勁的發展前景。未來的趨勢是越來越普遍的物聯網，從(cong) 汽車和集裝箱到照明和監控攝像頭，數十億(yi) 個(ge) 設備之間連接和通信數據。FSO將數據交換擴展到電纜基礎設施之外的能力將確保該技術發揮關(guan) 鍵作用。

光無線通信技術已經取得了巨大的進步，特別是在大氣層以上，但在地麵上，安全的高帶寬信息傳(chuan) 輸仍有一段路要走。

未來，6G移動係統將陸續推出，標準化委員會(hui) 正在製定規範。但有一件事已經很明確:擬議中的6G要求將需要更多帶寬。

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https://www.photonics.com/Articles/Free-Space_Optical_Communications_Soar_with_the/p5/vo221/i1428/a68666