空间光通讯凭借其带宽上风，成为异日高速空间通讯不成或缺的有用技巧，是频年来国际上的商议热门。基于浩繁的潜在应用范畴，认识国度一直极为可爱空间光通讯技能的研发，执行了一系列商议筹商。好意思国参众两院军事委员会公布的《2022财年国防授权法》批准天外发展局新增1200万好意思元预算，用于激光通讯末端和技能投资。不错看出【ADVR-480】発情マゾ愛奴，空间光通讯缓缓成为异日列国在军事范畴的技能竞争点。
什么是空间光通讯？
光通讯包括光纤通讯和空间通讯两种相貌。光纤通讯所以光纤看成传输信谈进行通讯，目下合座技能发展情况较为闇练。空间激光通讯所以光为载波，开脱空间或大气看成传输信谈的通讯相貌，不错开发空空、旷地、地地、星地、星间等完满的组网通讯系统。
空间光通讯的基容或趣：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-追踪技能(APT)开发起通讯链路，以光为载波在开脱空间信谈中传输信息。
空间光通讯结合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、波段聘用浮浅且信息容量大的优点，其末端系统具有体积小、分量轻、功耗低、施工粗陋、可灵活纯果真特色，在军事和民用范畴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
空间光通讯仍是在多种链路告成开展了历练，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范畴进行了多项历练考证（如图1），取得了重要技能禁绝，推动空间光通讯走向实用化。
图1（上图）空间激光通讯历练恶果 （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)和空军复古下成为最早开展空间光通讯商议的国度。
NASA依托喷气鼓吹实验室，2000年就完成了光通讯演示系统(OCD)历练，2013年月球光通讯演示考证筹商(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立异型1.5U立方体卫星的“激光通讯与传感器演示”(OCSD)样式针对异日微型卫星的高速率激光数据传输技能进行考证[6]，星地链路下行速率最高2.5Gb/s。2021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为红外激光通讯泄露图。
图2 红外激光通讯泄露图
2023年，NASA筹商辐射一颗探索性金属卫星Psyche，搭载激光通讯末端DSOC进行深空激光通讯历练，通讯距离为5500万公里[8]，历练架构如图3所示。
图3 深空光通讯(DSOC)演示架构泄露图
欧空局(ESA)于2001年执行的半导体激光星间链路历练(SILEX)样式，初度考证了低轨卫星(LEO)至地球同步轨谈卫星(GEO)间通讯。2020年10月，欧空局筹商辐射一颗卫星探索Didymos双星，搭载深空光通讯末端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末端旨趣框图
日本仍是开展了一系列星地光通讯演示考证，工程历练卫星(ETS-VI，1995-1996)筹商和光学在轨测试通讯卫星(OICETS， 2003/2006)筹商齐完成了光通讯测试，收尾了全国初度低轨卫星与迁移光学大地站间的光传输[10，11]。日本的商议仍是开动向空间光通讯末端微型化、轻量化、低功耗标的发展。2018年日本国度信息通讯技能商议所(NICT)辐射的超微型空间光通讯末端VSOTA质地不到1kg[12]，且功耗较低，结识性较好。2020年11月，日本辐射数据中继卫星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，日本筹商开展HICALI样式，促进下一代激光通讯技能商议，并在LEO轨谈上考证10Gb/s级光通讯[13]，如图5所示。
图5 HICALI演示系统泄露图
2
国内发展近况
国内开展空间光通讯技能的商议起步晚，可是频年来恶果显赫，哈尔滨工业大学和长春理工大学在通讯系统技能和端机研制方面领先取得了紧要禁绝，中科院上海光机所也开展了在轨历练，中国空间技能商议院、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技能范畴取得了不少商议恶果。
2007年，长春理工大学完成了我国初度空间光通讯动中通历练，禁绝了双动态光束瞄准追踪技能，传输速率可达300 Mb/s，并缓缓将速率进步到1.5 Gb/s、2.5 Gb/s、10 Gb/s，不时开展了旷地、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历练，传输速率2.5 Gb/s，距离禁绝144 km，出奇了泰西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度星地激光通讯链路的数据传输在轨测试[16]，最险峻行速率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度星地高速计划激光通讯技能在轨历练[17]，领受差分相移键控(DPSK)最险峻行速率达到5.12 Gb/s。同庚，搭载履行十三号高通量卫星的星地激光通讯末端开展的我国初度高轨卫星对地高速激光双向通讯历练取获告成[18]，40000 km星地距离最高速率5 Gb/s。
2019年12月27日，中国空间技能商议院研制的履行20号卫星告成辐射，卫星上搭载了由中国空间技能商议院西本分院研制的激光末端，末端主体如图6所示；2020年3月30日，该末端与丽江光学大地站开发了国际上首个正交相移键控(QPSK)计划星地激光通讯链路。该系统的速率达到10 Gb/s，是截止到目下我国星载光通讯的最高速率，链路其他重要想法也达到了国际先进水平。这些历练在系统绸缪、拿获追踪技能和光波的大气传输秉性等方面提供了贵重的教授[19]。
图6 履行20号(SJ-20)卫星激光末端
空间光通讯重要技能
跟着激光、光学和光电子元器件技能的越过，空间光通讯技能不断取得禁绝。按照系统功能别离，主要包括拿获追踪、通讯收发、大气赔偿、光机电绸缪四类技能。
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【ADVR-480】発情マゾ愛奴，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。收尾快速唐突率大规模的光束拿获和结识高带宽、高精度的光束追踪是空间光通讯商议的中枢想法。
光束拿获领受激光瞄准技能和粗精追踪相独处的体制，即粗追踪由大视场相机和伺服转台构成闭环，提供大规模低频带伺服遗弃。2020年，中国空间技能商议院西本分院搭建了V频段天线捕跟系统（如图7），通过外场拿获追踪历练，天线增益大于56 dB，低噪放噪声系数小于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
跟着激光技能的越过，激光器体积更小、精度更高、着力更高，使激光光束智能变换、激光相控阵等新技能缓缓发展闇练。将这些技能诈欺于空间光通讯拿获、瞄准、追踪系统中，将蜕变传统的跟瞄模式，使空间光通讯系统的跟瞄精度、速率和可靠性大大进步。而微型高着力激光器的出现，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器用有大调制带宽、高辐射功率和窄线宽等特色。激光调制技能主要有径直调制和障碍调制，由于径直调制相貌使带宽和辐射功率受限，大多领受小功率种子激光源障碍调制后通过高功率光纤放大器赢得高辐射功率的要领。凭证作用光束的强度、频率、相位等参数不同，分为调幅、调频和调至极调制相貌，由于不同波长系统相应器件的各异，调制相貌也有区别。
目下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，现代激情800 nm的半导体激光器一般利用强度调制/径直检测(IM/DD)，1000 nm的Nd:YAG固体激光器不错领受各式调制相貌，而1550 nm波段半导体激光器与光纤通讯系统兼容，领受多种高速调制相貌并利用掺铒光纤放大器收尾高速高功率辐射。
另外，激光通讯秉承机的高速探伤器均由光纤耦合，符合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秉承部分的重要技能之一，而由于光纤静态角偏差、当场角升沉误差、大气湍流像差等身分使耦合变得十分贫瘠。对光纤高着力耦合主要受模式匹配、瞄准偏差、菲涅尔反射、接收损耗、平台振动等影响。目下的商议主要领受光学自符合、锥形光纤、光纤章动等要领，但并未出现本体性的禁绝，可见，光纤高效耦合技能是空间光通讯系统的主要难题之一。
3
大气赔偿
当空间光通讯应用在星地、空空和旷地等链路时，在穿越大气层的进程中，由于大气湍流影响，激光在传输时会出现秉承功率抖动，导致系统出现严重误码，而高速光通讯更显著[21]。
领受高精度及时波前畸变修订技能是遏制大气湍流对传输光束波前影响的要领，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。主要技能难点在于激光到达角升沉赔偿、波面变形赔偿和空中飘零时附面层影响赔偿，通过探伤系统引入波前畸变赔偿镜技能进行合伙修订。
4
光机电绸缪
减小开脱空间的功率损耗，需要进步辐射光学系统增益，这就要求通讯光束以近衍射极限角辐射。在保证辐射光学口径的基础上，进步光束辐射增益关于光纤耦合技能、光束整形技能、千里镜面型绸缪建议了严格要求。为禁绝近衍射极限角辐射的重要技能、辐射激光源的整形准直技能和高着力光纤耦合技能，需要商议光纤不同芯径、束散角与光学系统匹配的优化登第要领，均依赖激光技能的发展。
关于光学基台技能，要求模块化、轻量化绸缪，且能自负异日空间光通讯网罗少量对多点动中勾搭期传输[22]。激光技能应用的浩繁性促成了跨功能行业的活动化，激光整形传输促成了元件的模块化和活动化，故意于裁减整机体积与老本。在光机绸缪范畴，激光加工大大进步了传统光机绸缪的精度，使空间光通讯合座性能得到了快速发展。
空间光通讯四大发展趋势
空间光通讯技能频年来赶快发展，许多技能难题冉冉被攻克。举例，快速高精度指向、拿获、追踪(PAT)技能，大气湍流效应遏制及赔偿技能，窄线宽大功率激光辐射技能、低噪声光放大技能和高智谋度DPSK/BPSK/QPSK光秉承技能等。这些技能难题的攻克，为收尾星际激光通讯奠定了基础。纵不雅空间光通讯技能范畴的发展，呈现以下趋势：
1）高速率
频年来，空间光通讯的迅速发展主要表目下速率方面。跟着空间光通讯高速调制解调处传输技能的快速发展，异日星地速率有望达到100 Gb/s量级。高速光通讯领受高阶调制相貌(QPSK、QAM)和复用相貌(WDM、TDM、OAM)，短距离(<1 km)速率可达Tb/s量级。
2）网罗化
跟着各人化和信息技能的发展，亟需禁毫不错不依托大地网罗、无缝逃避各人、高带宽和抗毁性能的空间网罗，并要求其有符合各类性业务的智商。因此，依赖空间光通讯技能收尾的天基宽带传送网罗是势必发展趋势，如图8。空间光通讯技能缓缓从“点对点”模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绸缪“少量对多点”光学收发天线，收尾多颗卫星间激光通讯组网[23]，是探索处理“一双多”激光通讯技能难题的紧要进展。
图8天基宽带传送网罗泄露图
3）多用途
跟着空间光通讯技能的缓缓闇练，空间光通讯调制速率高、传输距离远和能耗低的优点缓缓突显，已浩繁用于星间、星空、空空、旷地等链路的宽带数据传输，并缓缓向深空、水下和大地接入通讯彭胀。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，是全国大国争相发展的技能。
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，频年来激光测距与通讯一体化技能越来越受到可爱。一体化绸缪以高速通讯为主，兼顾精密测距，使用吞并束激光和硬件平台收尾测距和信息传输，进而收尾吞并套征战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、激光通讯三种功能如胶似漆，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始终共存、互为备份。光波和微波通讯技能的领略，亦然目放学术商议的热门，主要包括光波与微波收发领略、数据处理领略、微波信号的光学调制和产生等。缓缓发展闇练的微波光子技能，仍是开动应用于雷达信号的激光传输和处理，异日在光波与微波融和会信系统中也将赢得紧迫应用。
5）多谱段
跟着多种光谱段激光技能的越过，从紫外到红外，以致太赫兹波段，均已出现能够实用的激光技能。由于各谱段在抗电磁骚扰、霏霏穿透智商、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，异日空间光通讯将夸耀发展紫外、可见、中红外、太赫兹等多谱段结合的通讯模式。
紫外无线光通讯方面，2021年长春理工大学绸缪了一种基于数字信号处理的高智谋度水下光通讯发收机[25]，智谋度可达-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年中国工程物理商议院微系统与太赫兹商议中心(简称中物院微太中心)初度开展了220 GHz频段机载高速通讯动态技能考证[26]，禁绝了高功率源、低噪声秉承、高精度动态跟瞄、高速信号调制解调等重要技能，赢得了220GHz频段不同高度、公里级距离下的大气传输秉性历练数据，完成了高清视频业务辘集可靠传输。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
空间光通讯技能发展沿用了好多光纤通讯及光学绸缪的技能，凭证新的应用特色势必变成颠覆性的技能见解。而计划光电子、光学中枢元器件的工艺水平制约了我国空间光通讯技能发展，目下不论是科研如故产业均需要依赖海外技能。因此，为了推动空间激光通讯技能的发展，还需作念到：
1）加强基础商议，禁绝重心中枢技能；
2）积极组织元器件重要技能攻关和恶果转念，竭力收尾中枢元器件自主常识产权；
3）积极参与国际活动制定，促进我国空间光通讯技能和产业化的发展；
4）指导和促进计划产业健康发展。
作家先容
王天枢，博士，长春理工大学陶冶，光学工程学科博士生导师。主要商议标的为光通讯及应用技能；主合手完成国度当然科学基金等样式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，国际会议邀请陈述8次；2018年获吉林省技能发明一等奖（名秩序一）；享受国务院政府很是津贴，吉林省第十五批有杰出孝顺专科技能东谈主才、第七批拔尖立异东谈主才。
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