迎接“光时代”之自由空间光通信

发布时间:    2019-05-08 14:36
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刘波,九三学社社员,南开大学电子信息与光学工程学院副院长、教授,博导

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“光时代”的奥秘

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光通信是一种以光波作为传输媒质的通信方式, 按传输介质不同可分为光纤通信和自由空间激光通信。光纤通信是以光波作为信息载体,以光纤作为传输介质的一种通信。光纤通信已成为广域网、城域网的主要传输方式之一。


自由空间光通信(FSO,Free Space Optical communication)又称无线光通信。其作为一种光通信技术,具有三十多年的研究历史。最初,由于光学器件制造成本较高,自由空间光通信的研究仅限于星际通信和国防通信领域。近年来,由于光通信器件制造技术的飞速发展,导致自由空间光通信设备的制造成本大幅下降,尤其是解决了从光纤骨干网到用户之间的"最后一英里"的问题,人们才又逐渐开始了自由空间光通信的民用研究。


对比传统的射频通信,其优点集中在以下几个方面。

1、频带宽,速率高

从理论上讲,FSO的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同,只是光纤通信中的光信号在光纤介质中传输,而FSO的光信号在空气介质中传输。

2、频谱资源丰富

与微波技术相比,FSO设备多采用红外光传输,有相当丰富的频谱资源,不需要申请频率执照,也不需要交纳频率占用费,这是一般微波通信和无线通信无法比拟的。

3、适用任何通信协议

适用于任何环境,不依赖某种协议。现在通信网络常用的SDH、ATM、以太网、快速以太网等都能通过,并可支持高达10Gbit/s的传输速率,用于传输数据、声音和影像等各种信息。

4、架设灵活便捷

FSO可以直接架设在屋顶,以及在江河湖海上进行通信,可以完成地对空、空对空等多种光纤通信无法完成的通信任务,而且无需埋设光纤,可以在几小时内建立起通信链路,方便快捷,大大缩短了施工周期。

5、安全可靠

自由无线光通信的安全性是非常显著的,由于光通信具有非常好的方向性和非常窄的波束,因此窃听和人为干扰几乎是不可能的。

6、经济实惠

光纤网络的成本通常很高,铺设过程耗时,而且投资不可撤回,而自由空间无线光通信技术可以在城域光网之外提供高带宽连接,而成本只有在地下埋设光缆的五分之一。

 

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为何自由空间光通信如此重要?

自由空间光通信是空间信息传输最具竞争力的技术途径。在民用方面,它是解决海量数据传输的瓶颈;军事方面,未来战争的主战场是五维立体空间,迫切需要将海量的原始数据以无损压缩方式从侦察平台直接传输或中继传输至控制终端。

自由空间光通信是安全、保密、高效的技术手段。军用通信的重要手段激光通信与射频通信复合工作。在特殊时段、区域、天气条件下辅助通信,构成高速、无缝、保密军用激光链路。

自由空间光通信将全面促进信息产业发展。无需频谱许可证、协议透明、成本低廉、链路部署快捷、便携性好,它是解决光纤通信“最后1km”的有效途径。

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面向未来,FSO技术将何去何从?

在未来,商业化激光通信必将成为主流。国内外多家公司正在注入大量资金,有力推动激光通信的商业化进程。在面向工程化、商业化应用时,搭载平台对激光通信载荷的重量、功耗和体积提出了更高的要求。自由空间光通信将朝着载荷轻小型化发展。随着天基激光通信系统的建设并投入运行,将各轨道卫星、空间站、临近空间探测器以及地基、海基、空基移动/固定接入终端连接在一起,将逐步构建空天地一体化通信网络。同时,自由空间光通信作为一种新兴的技术,在社会的各个领域都具有着很大的开发和发展潜力,伴随着FSO技术的不断完善及基础设备的不断革新,其必将正在成为一种热门技术,引起通信领域的重大变革!

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FSO,给太空装上了宽带

2014年后,来自地球卫星的一段时长37秒、名为“你好,世界!”的高清视频,仅用时3.5秒传到就传回了美国国家航空航天局(NASA)。在4G时代,地基平台间信息高速传输已经并不罕见,而这段视频跨越了太空和大气层,如果不是使用了激光通信技术,而是用传统的无线电波方式进行传输则至少需要10分钟。空间光通信技术无疑加速了我们探究世界的脚步。

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 美国NASA


欧盟欧空局(ESA)早期的SILEX计划、TerraSAR-X项目、Alphasat卫星激光通信项目等均取得了极大成功,2008年首次实现了低轨卫星之间的相干激光通信,通信速率5.625Gbps,通信距离5100km。2016年1月27日发射了首颗EDRS-A卫星(GEO)。EDRS-A与LEO卫星之间通信速率是光1.8Gbps/Ka波段300Mbps,通信距离45000km到75000km。

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欧盟欧空局(ESA)

早期日本开展了LCE、OICETS等项目,实现了世界首次低轨卫星与地面站及移动光学地面站之间的激光通信试验,取得了巨大的成功。2014年5月,日本SOTA搭载SOCRATES低轨小卫星发射入轨,并在8月至11月间成功开展了低轨卫星对地激光通信试验,最远通信距离1000km,下行通信速率10Mbps。

  

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日本ETS-VI卫星激光通信终端LCE 


中国“墨子号”,领跑量子光通信

2016年8月16日,我国成功发射了全球第一颗空间量子科学实验卫星——“墨子号”,意味着在世界上率先实践量子通信。“墨子号”一举突破了光量子的传输距离难以突破百公里级这一瓶颈,开创了利用卫星千公里传送量子信息的先河,也将量子通信推到了实用的当口。

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"墨子号"的成功发射,将使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。量子卫星的成功发射和在轨运行,将有助于我国在量子通信技术实用化整体水平上保持和扩大国际领先地位,实现国家信息安全和信息技术水平跨越式提升,有望推动我国科学家在量子科学前沿领域取得重大突破,对于推动我国空间科学卫星系列可持续发展具有重大意义。

 

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我国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟说:“如果说地面量子通信构建了一张连接每个城市、每个信息传输点的‘网’,那么‘墨子号’就像一杆将这张网射向太空的‘标枪’。‘天地网’织就后,海量信息将实现‘无条件’安全。”

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