空间光通讯凭借其带宽上风【SSR-020】某地方局の美人アナウンサーは忙し過ぎて溜まりまくった性欲を新人男子社員で解消する！！，成为将来高速空间通讯不成或缺的有用技能，是连年来国际上的磋商热门。基于无为的潜在应用规模，发挥国度一直极为爱重空间光通讯时间的研发，推行了一系列磋商磋商。好意思国参众两院军事委员会公布的《2022财年国防授权法》批准天际发展局新增1200万好意思元预算，用于激光通讯结尾和时间投资。不错看出，空间光通讯渐渐成为将来列国在军事规模的时间竞争点。

什么是空间光通讯？

光通讯包括光纤通讯和空间通讯两种样式。光纤通讯所以光纤当作传输信谈进行通讯，现时举座时间发展情况较为熟悉。空间激光通讯所以光为载波，目田空间或大气当作传输信谈的通讯样式，不错设立空空、旷地、地地、星地、星间等齐全的组网通讯系统。

空间光通讯的基答应趣：包含信息的电信号通过调制加载到光上，收发两头拿获-瞄准-追踪时间(APT)设立起通讯链路，以光为载波在目田空间信谈中传输信息。

空间光通讯诱骗了无线电通讯和光纤通讯的优点，具有安全性好、通讯速率高、传输速率快、波段遴选便捷且信息容量大的优点，其结尾系统具有体积小、分量轻、功耗低、施工浅近、可灵活纯简直特质，在军事和民用规模均具有紧要的计谋需求与应用价值[1，2]。

空间光通讯系统发展近况

空间光通讯依然在多种链路生效开展了西宾，如卫星/大地、卫星/卫星、卫星/飞机、飞机/飞机、空/地(飞艇/大地或飞机/大地)及大地站间[3]。

好意思国、欧洲、日本、中国和俄罗斯等国度在空间光通讯规模进行了多项西宾考证（如图1），取得了环节时间冲破，推动空间光通讯走向实用化。

图1（上图）空间激光通讯西宾效果 （下图）空间激光通讯高速化程度

1

海外发展近况

好意思国在国度航空航天局(NASA)和空军解救下成为最早开展空间光通讯磋商的国度。

NASA依托喷气鼓励实验室，2000年就完成了光通讯演示系统(OCD)西宾，2013年月球光通讯演示考证磋商(LLCD)收尾了月球轨谈与多个大地基站40万公里距离的激光双向通讯[4，5]。2017年NASA革命型1.5U立方体卫星的“激光通讯与传感器演示”(OCSD)技俩针对将来微型卫星的高速率激光数据传输时间进行考证[6]，星地链路下行速率最高2.5Gb/s。2021【SSR-020】某地方局の美人アナウンサーは忙し過ぎて溜まりまくった性欲を新人男子社員で解消する！！年进行了NASA第一个端到端激光中继系统的激光通讯中继演示实验(LCRD)，实验使用东谈主眼不成见的红外激光，以1.2Gb/s的速率在地球与相距22000英里的地球同步轨谈之间传输数据[7]，图2为红外激光通讯暴露图。

图2 红外激光通讯暴露图

2023年，NASA磋商辐照一颗探索性金属卫星Psyche，搭载激光通讯结尾DSOC进行深空激光通讯西宾，通讯距离为5500万公里[8]，西宾架构如图3所示。

图3 深空光通讯(DSOC)演示架构暴露图

欧空局(ESA)于2001年推行的半导体激光星间链路西宾(SILEX)技俩，初次考证了低轨卫星(LEO)至地球同步轨谈卫星(GEO)间通讯。2020年10月，欧空局磋商辐照一颗卫星探索Didymos双星，搭载深空光通讯结尾OPTEL-D进行7500万公里超远距离光通讯[9]，如图4所示。

图4 OPTEL-D结尾旨趣框图

日本依然开展了一系列星地光通讯演示考证，工程西宾卫星(ETS-VI，1995-1996)磋商和光学在轨测试通讯卫星(OICETS， 2003/2006)磋商皆完成了光通讯测试，收尾了宇宙初次低轨卫星与转移光学大地站间的光传输[10，11]。日本的磋商依然启动向空间光通讯结尾微型化、轻量化、低功耗标的发展。2018年日本国度信息通讯时间磋商所(NICT)辐照的超微型空间光通讯结尾VSOTA质地不到1kg[12]，且功耗较低，贯通性较好。2020年11月，日本辐照数据中继卫星JDRS，进行高轨卫星对低轨卫星的光通讯及中继考证，领受差分相移键控(DPSK)通讯制式，通讯速率为1.8 Gb/s。2021年，日本磋商开展HICALI技俩，促进下一代激光通讯时间磋商，并在LEO轨谈上考证10Gb/s级光通讯[13]，如图5所示。

图5 HICALI演示系统暴露图

2

国内发展近况

国内开展空间光通讯时间的磋商起步晚，然而连年来效果权贵，哈尔滨工业大学和长春理工大学在通讯系统时间和端机研制方面当先取得了紧要冲破，中科院上海光机所也开展了在轨西宾，中国空间时间磋商院、武汉大学、电子科技大学、西安光机所等单元在激光通讯单元时间规模取得了不少磋商效果。

2007年，长春理工大学完成了我国初次空间光通讯动中通西宾，冲破了双动态光束瞄准追踪时间，传输速率可达300 Mb/s，并渐渐将速率训诫到1.5 Gb/s、2.5 Gb/s、10 Gb/s，不绝开展了旷地、空空等链路的演示考证[14]；2013年又完成了两架固定翼飞机间远距离光通讯西宾，传输速率2.5 Gb/s，距离冲破144 km，特出了西洋同类演示考证的最远距离[15]。

2011年，哈尔滨工业大学利用海洋二号卫星开展了我国初次星地激光通讯链路的数据传输在轨测试[16]，最上下行速率504 Mb/s。

2017年，中科院上海光机所利用墨子号量子科学实验卫星开展了我国初次星地高速关系激光通讯时间在轨西宾[17]，领受差分相移键控(DPSK)最上下行速率达到5.12 Gb/s。同庚，搭载执行十三号高通量卫星的星地激光通讯结尾开展的我国初次高轨卫星对地高速激光双向通讯西宾取得生效[18]，40000 km星地距离最高速率5 Gb/s。

2019年12月27日，中国空间时间磋商院研制的执行20号卫星生效辐照，卫星上搭载了由中国空间时间磋商院西老实院研制的激光结尾，结尾主体如图6所示；2020年3月30日，该结尾与丽江光学大地站设立了国际上首个正交相移键控(QPSK)关系星地激光通讯链路。该系统的速率达到10 Gb/s，是截止到现时我国星载光通讯的最高速率，链路其他环节方针也达到了国际先进水平。这些西宾在系统规划、拿获追踪时间和光波的大气传输脾气等方面提供了可贵的教训[19]。

图6 执行20号(SJ-20)卫星激光结尾

空间光通讯环节时间

跟着激光、光学和光电子元器件时间的朝上，空间光通讯时间不断取得冲破。按照系统功能分袂，主要包括拿获追踪、通讯收发、大气抵偿、光机电规划四类时间。

1

拿获追踪

空间光通讯借助光源的小发散角波束提供高功率增益，因此空间光通讯对光束的拿获追踪建议了比微波通讯更高的要求。收尾快速简略率大鸿沟的光束拿获和贯通高带宽、高精度的光束追踪是空间光通讯磋商的中枢主见。

光束拿获领受激光瞄准时间和粗精追踪相孤苦的体制，即粗追踪由大视场相机和伺服转台构成闭环，提供大鸿沟低频带伺服适度。2020年，中国空间时间磋商院西老实院搭建了V频段天线捕跟系统（如图7），通过外场拿获追踪西宾，天线增益大于56 dB，低噪放噪声总计小于4.2 dB，自动追踪精度优于0.05%uB0[20]。

图7 V频段天线拿获追踪系统构成框图

跟着激光时间的朝上，激光器体积更小、精度更高、服从更高，使激光光束智能变换、激光相控阵等新时间渐渐发展熟悉。将这些时间欺诈于空间光通讯拿获、瞄准、追踪系统中，将更正传统的跟瞄花式，使空间光通讯系统的跟瞄精度、速率和可靠性大大训诫。而微型高服从激光器的出现，使跟瞄系统向微型化、轻型化和集成化发展。可领受粗精复合高精度追踪，通过激光光束智能变换，在保证追踪性能的前提下，简化了空间光通讯跟瞄系统。

2

通讯收发

空间光通讯要求激光用具有大调制带宽、高辐照功率和窄线宽等特质。激光调制时间主要有奏凯调制和迤逦调制，由于奏凯调制样式使带宽和辐照功率受限，大多领受小功率种子激光源迤逦调制后通过高功率光纤放大器取得高辐照功率的要津。凭证作用光束的强度、频率、相位等参数不同，分为调幅、调频和调特殊调制样式，由于不同波长系统相应器件的各异，调制样式也有区别。

现时空间光通讯领受激光波长主要有800 nm、1000 nm和1550 nm等3个波段，自拍偷拍800 nm的半导体激光器一般利用强度调制/奏凯检测(IM/DD)，1000 nm的Nd:YAG固体激光器不错领受各式调制样式，而1550 nm波段半导体激光器与光纤通讯系统兼容，领受多种高速调制样式并利用掺铒光纤放大器收尾高速高功率辐照。

另外，激光通讯接受机的高速探伤器均由光纤耦合，相宜高速探伤器的小探伤截面，故意于系统集成化。因此，空间光到光纤的耦合是激光通讯接受部分的环节时间之一，而由于光纤静态角偏差、立时角升沉罪状、大气湍流像差等成分使耦合变得十分贫困。对光纤高服从耦合主要受花式匹配、瞄准偏差、菲涅尔反射、接管损耗、平台振动等影响。现时的磋商主方法受光学自相宜、锥形光纤、光纤章动等要津，但并未出现本色性的冲破，可见，光纤高效耦合时间是空间光通讯系统的主要难题之一。

3

大气抵偿

当空间光通讯应用在星地、空空和旷地等链路时，在穿越大气层的流程中，由于大气湍流影响，激光在传输时会出现接受功率抖动，导致系统出现严重误码，而高速光通讯更显明[21]。

领受高精度及时波前畸变矫正时间是扼制大气湍流对传输光束波前影响的要津，通过哈特曼传感器进行多孔径波面探伤，在一定程度能够矫正波前畸变。主要时间难点在于激光到达角升沉抵偿、波面变形抵偿和空中飞行时附面层影响抵偿，通过探伤系统引入波前畸变抵偿镜时间进行聚拢矫正。

4

光机电规划

减小目田空间的功率损耗，需要训诫辐照光学系统增益，这就要求通讯光束以近衍射极限角辐照。在保证辐照光学口径的基础上，训诫光束辐照增益关于光纤耦合时间、光束整形时间、千里镜面型规划建议了严格要求。为冲破近衍射极限角辐照的环节时间、辐照激光源的整形准直时间和高服从光纤耦合时间，需要磋商光纤不同芯径、束散角与光学系统匹配的优化登科要津，均依赖激光时间的发展。

关于光学基台时间，要求模块化、轻量化规划，且能得志将来空间光通讯网罗少许对多点动中串通期传输[22]。激光时间应用的无为性促成了跨功能行业的圭臬化，激光整形传输促成了元件的模块化和圭臬化，故意于镌汰整机体积与资本。在光机规划规模，激光加工大大训诫了传统光机规划的精度，使空间光通讯举座性能得到了快速发展。

空间光通讯四大发展趋势

空间光通讯时间连年来速即发展，许多时间难题迟缓被攻克。举例，快速高精度指向、拿获、追踪(PAT)时间，大气湍流效应扼制及抵偿时间，窄线宽大功率激光辐照时间、低噪声光放大时间和高机灵度DPSK/BPSK/QPSK光接受时间等。这些时间难题的攻克，为收尾星际激光通讯奠定了基础。纵不雅空间光通讯时间规模的发展，呈现以下趋势：

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1）高速率

连年来，空间光通讯的迅速发展主要发挥时速率方面。跟着空间光通讯高速调制解统一传输时间的快速发展，将来星地速率有望达到100 Gb/s量级。高速光通讯领受高阶调制样式(QPSK、QAM)和复用样式(WDM、TDM、OAM)，短距离(&lt1 km)速率可达Tb/s量级。

2）网罗化

跟着巨匠化和信息时间的发展，亟需冲破不错不依托大地网罗、无缝遮掩巨匠、高带宽和抗毁性能的空间网罗，并要求其有相宜各样性业务的智商。因此，依赖空间光通讯时间收尾的天基宽带传送网罗是势必发展趋势，如图8。空间光通讯时间渐渐从“点对点”花式向中继转发和构建激光网罗的标的发展。长春理工大学建议领受旋转抛物面结构规划“少许对多点”光学收发天线，收尾多颗卫星间激光通讯组网[23]，是探索处罚“一双多”激光通讯时间难题的紧要进展。

图8天基宽带传送网罗暴露图

3）多用途

跟着空间光通讯时间的渐渐熟悉，空间光通讯调制速率高、传输距离远和能耗低的优点渐渐突显，已无为用于星间、星空、空空、旷地等链路的宽带数据传输，并渐渐向深空、水下和大地接入通讯膨大。如深空探伤、探月工程、水下无线光通讯等拓展了东谈主类生计空间，是宇宙大国争相发展的时间。

4）一体化

由于激光在高速通讯和精密测距具有一定的上风，连年来激光测距与通讯一体化时间越来越受到爱重。一体化规划以高速通讯为主，兼顾精密测距，使用消逝束激光和硬件平台收尾测距和信息传输，进而收尾消逝套开采完成测距和通讯双重功能。2021年，长春理工大学建议了一种对空间碎屑进行探伤与信息传输的新决策[24]，将激光测距、光谱偏振成像、激光通讯三种功能胶漆相投，如图9。

图9 探伤与成像一体化旨趣样机

另外，为兼顾通讯系统的可靠性与大带宽，光波通讯与微波通讯将弥远共存、互为备份。光波和微波通讯时间的理解，亦然现时学术磋商的热门，主要包括光波与微波收发理解、数据处理理解、微波信号的光学调制和产生等。渐渐发展熟悉的微波光子时间，依然启动应用于雷达信号的激光传输和处理，将来在光波与微波融理解信系统中也将取得垂死应用。

5）多谱段

跟着多种光谱段激光时间的朝上，从紫外到红外，以至太赫兹波段，均已出现能够实用的激光时间。由于各谱段在抗电磁干预、潸潸穿透智商、自组网等方面均有一定的上风，因此，利用不同谱段通讯系统的上风，将来空间光通讯将任性发展紫外、可见、中红外、太赫兹等多谱段诱骗的通讯花式。

紫外无线光通讯方面，2021年长春理工大学规划了一种基于数字信号处理的高机灵度水下光通讯发收机[25]，机灵度可达-38 dBm，在码速率5 Mb/s要求下，在I类水质中传输距离20 m、II类水质中传输10 m、III类水质中传输距离4.5 m。

THz无线光通讯方面，2021年中国工程物理磋商院微系统与太赫兹磋商中心(简称中物院微太中心)初次开展了220 GHz频段机载高速通讯动态时间考证[26]，冲破了高功率源、低噪声接受、高精度动态跟瞄、高速信号调制解调等环节时间，取得了220GHz频段不同高度、公里级距离下的大气传输脾气西宾数据，完成了高清视频业务连结可靠传输。同期通过动态等效考证，具备了单路单载波20 Gb/s高速通讯智商。

收尾语

空间光通讯时间发展沿用了好多光纤通讯及光学规划的时间，凭证新的应用特质势必酿成颠覆性的时间主见。而连络光电子、光学中枢元器件的工艺水平制约了我国空间光通讯时间发展，现时不论是科研如故产业均需要依赖海外时间。因此，为了推动空间激光通讯时间的发展，还需作念到：

1）加强基础磋商，冲破要点中枢时间；

2）积极组织元器件环节时间攻关和效果升沉，勤奋收尾中枢元器件自主常识产权；

3）积极参与国际圭臬制定，促进我国空间光通讯时间和产业化的发展；

4）带领和促进连络产业健康发展。

作家先容

王天枢，博士，长春理工大学解释，光学工程学科博士生导师。主要磋商标的为光通讯及应用时间；主握完成国度当然科学基金等技俩15项；发表学术论文200多篇，第一发明东谈主获授权国度发明专利22项，出书专著2部，国际会议邀请证实8次；2018年获吉林省时间发明一等奖（排行第一）；享受国务院政府罕见津贴，吉林省第十五批有杰出孝敬专科时间东谈主才、第七批拔尖革命东谈主才。

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