流光E彩50年 | 從烽火傳遞到星地高速激光通信

  作者:芮道滿 

  什么是空間光通信? 

  提到光通信你會想到什么?是光波、光纖、光纜這些高大上的物理名詞嗎?其實,光通信有著幾千年的悠久歷史。早在周代,我們就有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。通過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。這種方式在世界其他地方也存在,約公元前800年,古希臘和羅馬人也采用烽火傳遞信號。18世紀90年代,旗語開始應用于法國航海。不論是烽火、旗語,均采用人的眼睛來接收信息,這些可理解為目視空間光通信。 

  1 古代的烽火通信(圖片自行制作) 

    

  第一個真正意義上的空間光通信是1880年亞歷山大格拉漢姆貝爾的光電話實驗。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,振動片在音波的激勵下振動,進而使反射光的強弱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,就可以聽到從發送端傳送過來的聲音了。就這樣,貝爾用光波“背著”聲音信息并傳送了約213m的距離。 

 2 貝爾光通信試驗(圖片自行制作) 

    

  貝爾的實驗是空間光通信技術的雛形。什么是空間光通信?信息是如何通過光波來傳輸的呢?日常生活中用到的無線通信(對講機)和移動通信,其實是“波通信”,無論無線電波和還是光波,其實都是電磁波。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進行信息傳輸的一種無線通信技術。空間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。 

  

 3 空間光通信的組成及原理(圖片自行制作) 

    

  光學天線(光學望遠鏡)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01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,能量大,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,能量小,代表信息“0”。在接收端,接收光端機將光信號轉換為電信號,接收到大的能量,判決為信息“1”;接收到小的能量,判決為信息“0”,這樣,就完成了信息從發送方至接收方的傳遞。 

  

 4 信號的直接調制(圖片來源于網絡) 

    

  空間光通信相比無線電波通信有什么特點? 

  1)通信容量大。空間激光通信以光為載波,常用的頻率范圍為190THz560THz,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率可達20Gb/s,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。  

 5 電磁頻譜(圖片來源于網絡) 

    

  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個微弧度,信息傳遞不易被其他設備捕獲,可有效地提高抗干擾、防竊聽的能力。    

  3)無須授權許可證。空間激光通信工作頻率在百THz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。對于幾公里至數十公里的短距離光通信,只須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,重新撤換部署也很方便容易。 

    

  空間光通信的應用——給衛星裝上光寬帶     

  成熟的衛星通信頻段資源日益枯竭,就目前在國際電聯登記的情況看,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通信終端具有明顯的優點,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;其通信速率高、信息容量大,能達到10-40Gbps的速率;同時,由于光源功耗小、收發天線就會做的很小,激光通信終端的體積小、重量輕、功耗小,可減輕衛星通信載荷負擔。 

  歐洲、美國、日本等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地研究,不斷推動空間激光通信技術邁向工程實用化。     

  2014NASA進行了國際空間站至地面的下行50Mbps單向激光通信,其通信方式為IM/DD,誤碼率為10-4。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45000kmGEO至地的2.88Gbps/DPSK雙向激光鏈路。根據NASA下一代(2024年)光通信中繼衛星至地鏈路規劃,其目標是實現下行速率衛100Gbps,可用度為97%。歐洲的光通信組網驗證項目正在開展中,20159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/BPSK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至地的1.8Gbps/DPSK雙向激光鏈路。 

 6 美國中繼衛星至地通信示意圖(圖片來源于網絡) 

    

  空間光通信離我們的生活遠嗎?   

  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LiFiLight Fidelity)的可見光無線通信技術可能走進我們的日常生活。該技術是一種利用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,同時用來進行看電視、上網。LiFi通過在LED上植入一個微小的芯片,利用電信號控制發光二極管(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的發光強度,人眼不會注意到光的快速變化。這種技術做成的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。  

   7  LiFi的應用場景示意(圖片自行制作) 

    

  LiFi傳輸速度可比WiFi的傳輸速率快一百倍,具有高帶寬,高速率優點。20141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10Mbps201410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。未來應用中通信速率可到達1Gbps,如此快的上網速度,你還擔心上網卡嗎? 

    

  自適應光學技術,讓我們享受高速、暢通的空間光通信     

  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、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。20203月,光電所成功將自適應光學技術應用于實踐二十衛星對地的激光通信試驗,助力我國實現了10Gbps的星地激光通信。    

  

 8 自適應校正下的星地通信示意圖(圖片自行制作) 

    

  自適應光學技術解決了星地通信的可靠性問題,使得其適應大氣湍流的能力顯著增強,讓星地光通信更暢通,相信不久將來,空間光通信將更廣泛的走進我們的生活,給我們帶來高速、安全、自由的通信新世界。 

    

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