空间激光通信技术的最新进展与趋势分析

郑芝耀



空间激光通信技术的最新进展与趋势分析

郑芝耀

公诚管理咨询有限公司，广东 江门 529000

随着我国经济发展水平的不断提高，通信技术得到了快速发展，在各领域中应用日渐广泛。空间激光通信技术是通信技术发展下的产物，已成为现代超宽带卫星通信技术的热门领域。主要对空间激光通信技术相关研究进展与未来发展趋势进行了分析，为我国空间激光通信技术的发展提供新的思路与借鉴。

空间激光通信；进展；趋势

人们将卫星到地面及卫星到卫星的信息传输方式称为微波通信。随着人类航天探测活动日渐频繁，为微波通信使用创造了更大空间，但是当前微波通信宽带资源日益减少，不能满足实时高速通信需求。由此，急需寻找一种高频卫星通信技术。激光通信载波频率更高，带宽资源更加丰富，满足航天活动的通信需求。美国及ESA各成员国对卫星激光通信技术有了深入研究，获得很多关键技术，并由此开发卫星激光通信终端，技术也在走向成熟，下面将对国际空间激光通信技术最新研究进展进行总结。

1 空间激光通信技术最新研究进展

1.1 美国

美国正式实施的深空光通信项目，即LLCD（月球激光通信验证）在绕月飞行过程中能够与接收终端间产生一种双向光通信链路，以对月地距离情况下是否可以通过小型星载进行高速激光通信可行性进行验证。这一项目于2008年正式启动，有研究报道显示，月球激光通信星载终端在2013年正式发射。LLCD系统有2个地面通信终端及LLOT，还有1个LLOC，下行速率为652 Mbit/s，上行速率为25 Mbit/s，实现了双向激光通信[1]。LLST的终端采用模块化设计方式，将光学模块与调制模块及控制模量结合起来，同时，光学模块中有望远镜与轴万向节，望远镜与后端光学部件均使用到了MIRU，可以对航天器引入高频振动进行有效抑制。发射机与接收机调制模块中采用MOPA结构（详见图1），有振激光器，为DFB外部调制器，将外部调制器的13阶PPM调制在光载波上，可以放大，形成功率为0.6 W的链路光信号。光接收机是一种低噪声的EDFA探测接收机，结构见图2。

图1 LLST激光通信发射机构图

图2 LLST激光通信接收机结构框图

控制模块除了可以控制调制模块与光学模块以外，还具备提供LADEE与LLST间遥控及遥测接口功能。

1.2 欧洲

2005年，德国与美国合作开发出一种轨道运行的高速星间激光通信系统，2007年，德国开发出LCT并成功搭载美国的LEO发射升空。同年，德国开发的LCT激光通信终端LCTSX搭载LEO卫星升空。2008年，实现了卫星间首次子码速率为4.850 Gbit/s的激光通信实验。到了2009年，开展了卫星到地面站与地面站到卫星的通信试验，码速率为5.203 Gbit/s[2]。此项试验也证实了星间高速相干光通信是可行的，但是容易受到大气效应干扰，出现突发性错误，仍需要进一步研究与完善。

1.3 日本

2011年，日本NICT研制成功卫星光通信双波段数字零差相干接收机，可以利用数字信号对BPSK信号进行调制，还能处理载波相位恢复技术与零差相干接收技术，同时对6 Gbit/sBPSK信号进行解调[3]。当前，日本NICT启动SOCRATES计划，目的是成功开发出搭载50 kg小卫星超小型的LEO激光终端，即SOTA；子码速率为1～15 Mbit/s，用于遥测图像传输数据。

2 空间激光通信技术发展趋势

2.1 探测体制从直接探测变为相干探测及复合探测

在相同的码速率与误码率下，相干探测的灵敏度较直接探测高出20 dB，可以将整个系统的体积与质量降低，进而节约成本。此外，相干探测波长选择性更大，可以有效抵抗背景光干扰，成为高码率通信的一种首选。此外，复合探测也是未来发展趋势，可以提高光通信系统环境适应性，使系统间互通更加高效、紧密。比如，2011年日本的NICT成功开发出了双波段数字的零差相干接收机，使用了相干探测与复合探测技术，可以对0.06 um及1.55 um波段信号进行解调，同时解调BPSK信号[4]。

2.2 通信波长向1.55 um波段过度

通信系统波长通常为0.80 um、1.06 um、1.55 um几个波段。受探测技术与激光器的限制，造成波长为0.80 um，通信为每秒几比特[5]。而当前，空间激光通信系统普遍应用1.06 um、1.55 um波段，通信速率大大提高，探测灵敏度更高。

2.3 纳米技术促使纳米通信技术的发展

纳米光电子器件是纳米激光通信技术的核心组成，当前已经有多种纳米光电子器件问世，包括纳米激光器、纳米开关及量子保密通信使用的纳米单光子发射器等。应用纳米光电子器件以后，可以产生高速光电双稳态逻辑系统单元，速率将达到80 Gbit/s，且纳米光电子器件的性能更加优越，响应速度更快、体积更小，稳定性更强等。美国的LLCD与LRCD等项目中均应用到了纳米电子器件，SNSPD探测速率更高，阵列探测下行622 Mbit/s，16阶PPM调制光信号，响应时间不超过15 ns。但是SNSPD依然需要冷却后使用，适应星载单光子探测器的能力较弱。

3 结束语

空间激光通信因为具备带宽优势，成为未来空间宽带通信的主要形式，美国、德国及日本等国家已经对空间激光通信有了深入研究，开展了大量的技术研究与试验，这些宝贵的研究成果对我国是一种借鉴，同时也是激励，可以更好地推进我国空间激光通信技术的发展。

[1]陈刚，蔡燕民，陈高庭，等.空间激光通信技术若干问题的讨论[J].红外与激光工程，2010，29（3）：44-48.

[2]高薇.空间激光通信技术在我国深空探测中的应用初探[C]//中国宇航学会深空探测技术专业委员会第二届学术会议论文集，2010：95-97.

[3]高天元，胡源，姜会林，等.机载空间激光通信大气附面层影响及补偿技术研究[J].兵工学报，2015，36（12）：2278-2283.

[4]朱殷，陈浩，徐融，等.优化的一维激光清理空间碎片流体力学模型[J].红外与激光工程，2016，45（z1）：177-182.

[5]刘宏展，孙建锋，刘立人，等.空间激光通信技术发展趋势分析[J].光通信技术，2010，34（8）：39-42.

The Latest Development and Trend Analysis of Spatial Laser Communication Technology

Zheng Zhiyao

Gongcheng Management Consulting Co., Ltd., Guangdong Jiangmen 529000

With the continuous improvement of China’s economic development level, communication technology has been developed rapidly, and it has been widely used in various fields.Spatial laser communication technology is the product of communication technology development.It has become the development of modern ultra-wideband satellite communication technology. The This paper mainly analyzes the research progress and future development trend of space laser communication technology, and provides new ideas and reference for the development of space laser communication technology in China.

space laser communication; progress; trend

TN929.1

A

1009-6434（2017）02-0054-02