中科院院士、中科院上海分院院长王建宇

空间激光通信

空间技术传统分类有对地观测、导航定位、卫星通信、科学实验。近年来，空间技术对人类的挑战非常大，国际上提出，把互联网建到太空中去，这样一来，地球上任何地方，都能随时随地用到网络。

美国SpaceX提出天上放一万多颗卫星，就能形成空间互联网。中国对于空间互联网也非常重视和支持。空间技术发展之后，通导遥一体化，一颗卫星兼有通信、导航、遥感的性能，综合性卫星提升了在天上办事的效率。

目前的空间通信一般采用微波。例如我们以前有调幅和调频的收音机，调频收音机频率较高，含的信息量比较大，音质就比较好。后来有了电视，电视信息量增多，需要更高的频率去调制。到卫星之后不断发展，从微波到地面的激光通信，载波的频率越来越高，能传输的信息量也越来越大。

空间信息怎么传送是个大问题，激光t通信有可能解决这个问题，在传输上把频率和数据量提高上去。

光通信特点是高带宽容量，重量轻、体积小，而且激光通信不受电磁频谱限制，占用的资源非常少。光通信载波频率可以比一般的微波高三个数量级，重量轻，体积小，另外光打到的地方才能收到，保密性强。

国际上光通信的网络非常多，专门的光通信网络包括侦查卫星、多媒体卫星、小卫星、侦查卫星、导航定位卫星。由于光通信怕云怕下雨，所以往往对地还是采用微波。在空间里面，可以全部采用激光的连接。从1995年开始，国际上就有人研究光通信。中国在这个领域也紧跟脚步。

欧洲和日本最早在光通信领域取得了成功。据说美国发射的第一颗卫星，没有捕获，被欧洲、日本抢了先。美国这个项目坏掉了，就马上去做别的事，到2013年，美国在月球上，利用激光通信，把一段视频从月球传到了地球，这段视频的激光发射终端口径只有10厘米，传输速率达到了622M。

中国也非常重视激光通信。2011年，海洋二号搭载演示， 2016年，量子卫星墨子号载人航天里面搭载了激光通信，特别是第二代相干激光通信，速率已经能提高到每秒钟5个G。第二代相干激光通信，把激光里面的相位信息利用起来，通过激光相互干涉来传递信息，灵敏度能够提高很多。

最近我们国家对于空间近地组网的计划非常多。科技创新2030用了激光通信的手段，计划2022年示范验证，中国的航天科工、科技，都在做激光通信。值得关注的是，激光通信的商业价值已经被看到，有专门的企业研究在天上能不能进行商业化的数据传送。中科深链准备用商业化的方法，做几颗高轨的卫星，作为基站，然后把月球作为一个基点，连接数据，再通过一些小卫星，作为低轨的空间中转，建立起一个以中继载荷为中心，配备深空、高轨和低轨小卫星构建天地中继激光的通信网络，结合自有的地面运管和商业化运行，为空间数据传输提供服务。这套系统具备全天候、全天时，双向高速数据通信、无需频谱资源审批、抗干扰能力强，商业化的开放服务，按需使用的特点。

深空探测中的激光通信

月地距地大概40万公里，如果用传统的强度调制，要500瓦的激光，这是卫星的能源系统支撑不起的，所以不具备可行性，即使用相干探测第二代也是由困难的。所以最新的技术是基于光子探测的激光通信，能把原来的灵敏度提高两到三个数量级。

研究当中，有一定的难点。比如怎么把信号调到单光子里面去，还有探测在深空当中怎么对准，这些技术还在探索当中。我们要有新的容错技术，能够达到日常通信所需要的容错率，就是让它误码率减少到10的-8到-9次方左右。像这种情况下，如果在光子上不加特别的编码，它的误码率是非常非常高的，加了以后，它马上可靠度就提高上去了。

还有它要探测一个个光子，而且有些光子同时到来，要把它们区分开。有一种探测器，叫超导纳米线探测器，我们先把探测器温度放在没有电阻的地方，这个时候一个光子上去，足够把探测器的温度，从超导点以下变到超导点以上，这样电阻变得很大，就会出来一个脉冲。

对比一下，例如月球通信，通信距离是40万公里，如果用光子的方法大概能达到两个G，发射口径只要20毫米两瓦。哪怕是到火星通信，两亿公里，大概还能达到4Mbps的速率，发射功率也就20、10瓦。

如果用最快的微波X波段对比，大概能传250K，要求卫星上的口径是1米，地面口径要30米才能做到。

海洋探测中的激光通信

水下激光通信包括水下与水面通信、水下与空中通信，水下与太空通信。

水下通信常用办法是用声纳，但是声纳通信速率低，保密性差。所以也想用激光通信，但是水下用光通信存在困难。通过研究，发现在蓝绿光这个波段有可能实现。理论上来说，水下通信容量可达到十个G，但是水对光的吸收较大，蓝绿光波段穿过的海洋，在大洋深处约200米，近岸约50米，水越干净，大概能通的距离越远。

英国做了一个系统，传输速率约12.5兆，通信距离约150米。但是要注意， 12.5兆，一定不是在150米距离完成的，可能10米的时候能达到，但是150米的时候大概只有几兆。

我们研究跨介质的蓝绿激光通信，并且在深度1120米下做了实验，已经能够达到3.2K，这个数据看起来低，但是综合性能已经优于国际上公开报道的系统。

目前还在做是把量子的办法用到海里去，这个也进展良好，国际上报道最远的是200米、10M，而我们能够做到500米，通信速率不低于1Mbps。

今天就给大家带来这些激光通信的新内容分享，谢谢大家。