無線光通信隨著衛(wèi)星領(lǐng)域的發(fā)展而蓬勃發(fā)展

  無線光通信(FSO)和系統(tǒng)實現(xiàn)快速和安全的連接，無論是在地面和非地面網(wǎng)絡(luò)中。隨著過去20年空間光學(xué)技術(shù)的重大進(jìn)步，超高帶寬信號現(xiàn)在經(jīng)常在很遠(yuǎn)的距離上來回傳輸，提供了一個延伸到全球的通信樹冠。

  一個典型的無線通信概念在近地軌道衛(wèi)星星座中的應(yīng)用。每顆衛(wèi)星攜帶4個光通信終端，與各個方向的相鄰衛(wèi)星相連，形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

  從發(fā)射機(jī)到接收器，再到中間所有相關(guān)的光學(xué)設(shè)備，過去20年里的每一次技術(shù)飛躍都幫助無線通信變得更便宜、更快、更容易部署，并最終在商業(yè)上更具可行性。研究公司Global Market Estimates預(yù)測，F(xiàn)SO行業(yè)的價值將從2022年的44億美元增長到2027年的475億美元，年復(fù)合增長率為34.1%。

  多種先進(jìn)技術(shù)正在發(fā)揮作用。其中包括高功率小線寬激光器;復(fù)雜的光機(jī)械控制系統(tǒng)，如精細(xì)轉(zhuǎn)向鏡，能夠精確地塑造和引導(dǎo)激光;高靈敏度探測器;用于補(bǔ)償大氣像差的自適應(yīng)和相干光學(xué);用于信號編碼和解碼的高速數(shù)字處理裝置;以及有助于縮小光信號處理組件的光子集成芯片(PICs)。

  隨著技術(shù)的進(jìn)步，對越來越多的數(shù)據(jù)帶寬的需求也推動了人們對無線網(wǎng)絡(luò)的興趣，無論是在地球上空還是在地球表面。

  世界各地對更大帶寬的需求促使幾家公司部署了大型“星座”，這些“星座”有時由數(shù)千顆衛(wèi)星組成，其中大多數(shù)衛(wèi)星由無線光學(xué)系統(tǒng)連接，能夠與地面終端交換光學(xué)數(shù)據(jù)信號。

  與傳統(tǒng)的點對點微波鏈路相比，無線光網(wǎng)絡(luò)提供了可以快速部署的無線接入解決方案，具有更高的帶寬和安全性，以及更低的功耗。

  位于荷蘭埃因霍溫的Aircision公司的科學(xué)總監(jiān)兼聯(lián)合創(chuàng)始人John Reid說:“在衛(wèi)星系統(tǒng)中，來自地球終端的激光信號必須在衛(wèi)星飛過地平線時鎖定衛(wèi)星，然后等待視線降低到可接受的水平，然后以最大速度傳輸數(shù)據(jù)?！薄皽p少視線可以減少通過大氣湍流對光學(xué)信號的扭曲?！?

  第一個報告千兆速度激光衛(wèi)星通信的研究小組是歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)(EDRS)，這是空中客車公司和歐洲航天局(ESA)之間的商業(yè)合作協(xié)議。該網(wǎng)絡(luò)的部分目的是支持哥白尼計劃，該計劃由歐空局和歐盟委員會聯(lián)合管理。據(jù)估計，哥白尼計劃將需要星載電信基礎(chǔ)設(shè)施每天從太空向地面?zhèn)鬏擳B級的地球觀測數(shù)據(jù)。實時向地面站提供這些數(shù)據(jù)，對于陸地、海洋和冰層監(jiān)測，以及政府和安全服務(wù)非常有用。

  SpaceX的“星鏈”擁有1.2萬顆衛(wèi)星，可能是最引人注目的巨型星座，也是最大的近地軌道衛(wèi)星星座。它的衛(wèi)星在海拔550公里左右的軌道上運行——相對接近地球——以將延遲降低到20毫秒左右，并支持速度為50至500 Mbit/s的游戲和流媒體等高數(shù)據(jù)速率活動。

  光通信鏈路網(wǎng)絡(luò)，顯示低地球軌道(LEO)和地球同步赤道軌道(GEO)層的衛(wèi)星間鏈路，以及與飛機(jī)、氣球和地面站的無線鏈路。

  根據(jù)TESAT的說法，它的CubeL是用于無線通信的立方體衛(wèi)星的最小光通信終端。

  與固定的地下電信光纖不同，這些星座可以移動到任何需要的地方。例如，這些需求可能包括自然災(zāi)害或人為災(zāi)害期間的通信。去年年初，幾輛卡車的插電式終端被運到烏克蘭，以補(bǔ)償俄羅斯轟炸造成的通信鏈路損壞。

  地面天線還為烏克蘭軍隊提供了重要的生命線，用戶可以通過它連接到最近的星鏈衛(wèi)星，然后與位于鄰國波蘭的最近的地面站通信。

  能夠承受嚴(yán)格的機(jī)械、熱和輻射條件的高性能但價格合理的光學(xué)系統(tǒng)將是此類大型星座成功的關(guān)鍵。“這些系統(tǒng)將包括符合太空條件的光學(xué)放大器，具有足夠的光輸出功率，具有高數(shù)據(jù)速率能力的電子設(shè)備，以及經(jīng)過太空驗證的指向、采集和跟蹤算法，以便在遠(yuǎn)距離衛(wèi)星之間建立連接?！?

在地球大氣層的干擾之外，衛(wèi)星間的光學(xué)鏈路在整個地球上來回發(fā)送信號(上圖)。

位于荷蘭海牙的TNO光學(xué)地面站。該公司表示，與空中客車防務(wù)和荷蘭空間公司合作，TNO最近在荷蘭演示了一條超過10公里的地面激光通信鏈路，這是第一個在現(xiàn)實條件下使用傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施運行的光學(xué)數(shù)據(jù)連接。

  在量子光學(xué)技術(shù)中，使用單光子源和探測器來加密數(shù)據(jù)并安全地遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)。實際上，F(xiàn)SO鏈路不會像光纖網(wǎng)絡(luò)上的量子密鑰分配(QKD)技術(shù)那樣造成相同的傳輸損耗和有限的距離。FSO可以進(jìn)一步利用傳統(tǒng)的波分復(fù)用技術(shù)以更高的速率發(fā)送加密數(shù)據(jù)。

  目前，由于缺乏合適的光放大器來克服光纖傳輸?shù)南拗疲琎KD受到了限制，但FSO可能會提供一個解決方案。

  適用于地對空網(wǎng)絡(luò)的大氣約束也阻礙了地面FSO通信。但隨著關(guān)鍵光學(xué)元件成本的下降，地面FSO系統(tǒng)有更多機(jī)會取代基于光纖的網(wǎng)絡(luò)。

  對更快、大容量通信和數(shù)據(jù)速率的需求保證了FSO的強(qiáng)勁的發(fā)展前景。未來的趨勢是越來越普遍的物聯(lián)網(wǎng)，從汽車和集裝箱到照明和監(jiān)控攝像頭，數(shù)十億個設(shè)備之間連接和通信數(shù)據(jù)。FSO將數(shù)據(jù)交換擴(kuò)展到電纜基礎(chǔ)設(shè)施之外的能力將確保該技術(shù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。

  光無線通信技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，特別是在大氣層以上，但在地面上，安全的高帶寬信息傳輸仍有一段路要走。

  未來，6G移動系統(tǒng)將陸續(xù)推出，標(biāo)準(zhǔn)化委員會正在制定規(guī)范。但有一件事已經(jīng)很明確:擬議中的6G要求將需要更多帶寬。

  文章來源：https://www.photonics.com/Articles/Free-Space_Optical_Communications_Soar_with_the/p5/vo221/i1428/a68666