激光通信，取代光纤？

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几十年来，卫星一直通过无线电波将数据从地球传输到太空并返回地球。但随着在轨航天器数量的不断增长以及传回地球的数据量日益增加，无线电频谱正接近其物理极限。近十年来，各公司和研究机构一直在致力于开发更高带宽的光学技术，以消除当前的数据传输瓶颈。其中最具雄心的公司或许是总部位于新加坡的尖端科技初创公司Transcelestial，该公司在过去几周一直在太空进行其商用级地空激光通信终端的试验。

这家公司已售出数百台地对地互联网激光终端，并于去年11月将其演示有效载荷搭载在英国Open Cosmos公司开发的6GStarLab卫星上送入太空。该公司还计划在今年晚些时候进行更多卫星发射。Transcelestial公司表示，这些卫星将构成未来星座的主干，到本十年末，该星座将为全球尚未接入互联网的地区提供从轨道到地面的光纤级连接。

其他公司也一直在使用激光终端在卫星间传输数据。SpaceX的 星链自 2021 年以来一直依赖空间激光终端，构建了一个轨道网状网络，无需地面站即可实时传输海量数据。然而，该星座仍然需要传统的无线电波才能与地球用户连接，这意味着在任何给定时刻，整个网络能够传输的数据量都是有限的。

但是，利用激光向地球传输数据面临着诸多挑战，这些挑战迄今为止一直难以解决。然而，Transcelestial 和其他公司认为他们最终已经攻克了这个问题。

高速激光互联网技术

激光的传输频率比无线电波高，因此可以承载多几个数量级的数据。SpaceX 的星链星座提供的峰值用户带宽为每秒 200 兆比特，但随着区域内用户数量的增加，带宽会逐渐降低。相比之下，Transcelestial 的测试卫星可以以高达每秒 1 吉比特的速率向地球传输数据。该公司即将发射的卫星将提供高达每秒 10 吉比特的更高带宽。Transcelestial 的首席执行官兼联合创始人Rohit Jha估计，未来每颗卫星都可以向地球传输 100 吉比特甚至更高的数据。

“光系统的扩展其实非常容易，”贾哈说。“最终，我们只需在卫星上增加更多终端，就能实现每秒100Gbps的传输速度。这就像从太空铺设海底光缆一样。”

Transcelestial公司联合创始人兼首席技术官穆罕默德·达内什表示，此前也进行过其他地空激光数据传输实验，但这些实验需要定制的科学级设备，成本高达数百万美元。2023年，美国国家航空航天局（NASA）测试了地面站与近地轨道上的探路者技术演示验证机3号（Pathfinder Technology Demonstrator 3）卫星之间创纪录的200 Gbps激光链路。同年，中国科学院也进行了一项规模较小的演示，在近地轨道和地面之间建立了10 Gbps的激光连接。

Transcelestial 认为，通过结合供应链管理和制造经验，可以降低成本，从而使这项技术成为主流。这些经验是该公司多年来在开发用于地球上难以到达地区的互联网分发的点对点激光通信系统时积累的。

“最大的挑战在于构建一个可靠且可扩展的光学地面站网络，”丹尼什说道，他指的是与在轨卫星通信的地面站。“目前人们建造的光学地面站耗资数百万美元，这无法大规模应用。我们需要能够以商业化的价格大规模生产这些设备，这样才能在全球各地部署数十个这样的地面站。而这正是我们一直在努力的方向。”

Danesh补充说，多个地面站将有助于克服激光穿过云层的困难，为世界各地提供备用的下行链路和上行链路位置。

“如果A地点阴天、下雨或由于其他原因无法正常工作，那么你就可以开始中继信息，并找到另一个可以下载数据的地点，”丹尼什说。“这将彻底改变太空领域的格局，因为即使有了射频技术，这种能力也尚未完全实现，有时访问数据可能需要几天时间。”

太空安全激光通信

Transcelestial公司只是众多致力于开发太空激光通信技术的公司之一。与无线电波相比，激光除了带宽更高之外，其波长更窄、聚焦性更强。这意味着激光更能抵抗干扰和拦截。乌克兰战争暴露了射频通信易受干扰和欺骗的脆弱性，使得激光固有的安全性更加凸显。

Astrolight公司首席执行官劳里纳斯·马丘利斯表示： “对于激光通信，你必须真正处于通信光束的视线范围内才能干扰它。这实际上非常困难。”

总部位于立陶宛的Astrolight公司也开发了一种天地激光通信终端，计划于本月晚些时候将其搭载在两颗小型卫星上发射升空。这两颗卫星分别由希腊雅典国立卡波季斯特里亚大学和塞萨洛尼基亚里士多德大学联合研制。与Transcelestial公司相比，Astrolight的目标更为务实，希望能够帮助地球观测卫星运营商更快地获取数据，并为需要额外安全保障的用户提供备用通信方案。

该公司此前曾测试过用于海上两艘舰艇之间以及两个地面站之间数据传输的安全激光通信链路，作为北约“REPMUS”和“DiBax”演习的一部分。在这两项测试中，终端均表现出色，即使在雨雾天气下，也能全天候24小时提供可靠的高带宽通信，持续两周。

据媒体报道，SpaceX 首席执行官埃隆·马斯克暗示，他的公司也在研究地空激光通信技术，以克服目前困扰人口密集地区 Starlink 用户的带宽瓶颈问题。

贾哈认为激光通信是未来发展的方向，因为尽管初期价格较高，但与射频系统相比，其每比特传输成本可以降低几个数量级。他相信Transcelestial甚至有可能超越Starlink，仅需40颗卫星（而Starlink则需要超过1万颗）即可在赤道频段（全球数十亿网络连接最差的人口居住于此）提供光纤级连接。

Transcelestial公司设想，与星链（Starlink）直接向地球上的个人用户传输互联网服务不同，它将向本地电信公司提供数十至数百吉比特的带宽，再由这些公司通过本地地面基础设施将网络连接分发给用户。未来，Jha设想轨道激光器甚至能够取代海底电缆，提供更便宜、更可靠的服务，而且不易受到敌对势力或自然灾害的干扰。

德国激光通信开发商Mynaric的首席技术官Joachim Horwath警告说，大气干扰带来的挑战可能比一些人想象的更难克服。

“激光通信在天地链路方面具有明显的优势，尤其是在极高的数据吞吐量、固有的安全性以及无需依赖稀缺的射频频谱即可部署该技术方面，”霍瓦特说道。“然而，大气条件仍然是一项关键的技术挑战。云层、湍流和天气变化都会影响光链路的性能，这意味着这些系统需要采用诸如站点分集或混合架构之类的策略来确保可靠性。正因如此，我们并不认为激光通信会完全取代射频通信。”

（来源：编译自IEEE）

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