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从“烽火狼烟”到星地高速激光通信_牛牛百人版

2020-05-30 新闻来源:双子塔首页 围观:21
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编者按:半个世纪光电情,栉风沐雨星斗明。中科院之声与中国科学院光电手艺研讨所团结开设“流光E彩”科普专栏,报告生活中的光电科普趣事,流传最生动的光电学问,展现最前沿的光电希望。

什么是空间光通讯?

提到光通讯你会想到什么?是光波、光纤、光缆这些嵬峨上的物理名词吗?实在,光通讯有着几千年的悠长汗青。早在周朝,我们就有了用于军事的光通讯体系――狼烟台。据《周礼》纪录,西周时期,为了预防仇人入侵,采纳“烽隧”作为边防求助的联系信号。经由过程从边陲到要地的通道上,每隔一段间隔筑起一座狼烟台,接连不停。在仇人入侵时,狼烟台一个接一个地燃放炊火通报警报。这类体式格局在天下其他地方也存在,约公元前800年,古希腊和罗马人也采纳狼烟通报信号。18世纪90年代,旗语入手下手运用于法国帆海。不论是狼烟、旗语,均采纳人的眼睛来吸取信息,这些可理解为目视空间光通讯。

图1 古代的狼烟通讯

第一个真正意义上的空间光通讯是1880年亚历山大 格拉汉姆 贝尔的光电话实验。贝尔用弧光灯或太阳光作为光源,并经由过程透镜将光聚焦在麦克风的振动片上。当人对着麦克风发言时,振动片在音波的鼓励下振动,进而使反射光的强弱跟着话音的强弱发作响应变化,从而将声响信息调制到光波上。载有声响信息的光波经氛围传送到吸取端,在吸取端,运用抛物面镜将光波聚焦到光敏电池上,光敏电池将光能转换成电流并送到听筒,就可以够听到从发送端传送过来的声响了。就如许,贝尔用光波“背着”声响信息并传送了约213m的间隔。

图2 贝尔光通讯实验

贝尔的实验是空间光通讯手艺的雏形。什么是空间光通讯?信息是如何经由过程光波来传输的呢?一样平常生活中用到的无线通讯(对讲机)和挪动通讯,实际上是“波通讯”,不管无线电波和照样光波,实在都是电磁波。空间光通讯是以光波为信号载体,不需要运用光纤等波导介质,在大气、真空或水劣等自在信道举行信息传输的一种无线通讯手艺。空间光通讯体系一般包含光学天线、发射光端机、信道(真空、大气或水等)和吸取光端机。

图3 空间光通讯的构成及道理

光学天线(光学千里镜)是用于通讯激光的发射和吸取的光学体系,若要完成对飞机、卫星等动平台间的光通讯,还请求光学天线具有对动平台上的通讯激光的捕捉、对准和跟踪的功用,就如天文爱好者运用光学千里镜对天空中的星光举行捕捉和跟踪。

发射光端机用于将电信号转换为光信号,其基础器件包含信号源、光源和调制器。我们在电脑中处置惩罚的信息是用0和1表示的比特流,发射光端机是如何把电信号转换成光信号的呢?一种最简朴的发作光比特流的体式格局叫直接调制。直接调制是用信号直接调制光源的输出光强,光源的输出光功率与驱动电流成正比。调制1的时刻,输入到光源的电流大,光源的输出振幅大,能量大,代表信息“1”;调制0的时刻,输入到光源的电流小,光源的输出振幅小,能量小,代表信息“0”。在吸取端,吸取光端机将光信号转换为电信号,吸取到大的能量,讯断为信息“1”;吸取到小的能量,讯断为信息“0”,如许,就完成了信息从发送方至吸取方的通报。

图4 信号的直接调制(图片来自收集)

空间光通讯比拟无线电波通讯有什么特性?

(1)通讯容量大。空间激光通讯以光为载波,经常使用的频次局限为190THz~560THz,约为微波通讯频次的数千倍以致数万倍,可完成更高的数据传输速率。每束波束光波的数据率可达20Gb/s,而且可采纳波分复用手艺使通讯容量提拔几十倍。因而,光通讯具有传输频带宽、通讯容量大的长处。

图5 电磁频谱(图片来自收集)

(2)抗电磁滋扰才能强、平安保密性高。空间激光通讯采纳激光作为载波,激光光束极窄,一般星地通讯信号激光的发散角为几十个微弧度,信息通报不轻易被其他装备捕捉,可有效地进步抗滋扰、防窃听的才能。

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(3)不必受权许可证。空间激光通讯事情频次在百THz以上,不挤占珍贵的无线电频次资本,无需像无线电通讯那样请求频次运用的许可证。

(4)疾速链路布置。关于几千米至数十千米的短间隔光通讯,只须在通讯点上举行装备装置,比拟光纤通讯,不需要埋设光纤,工程建立以小时或天为计量单位,从新撤换布置也很轻易轻易。

空间光通讯的运用――给卫星装上光宽带

成熟的卫星通讯频段资本日趋干涸,就现在在国际电联登记的状况看,Ku频段上的资本已饱和,静止轨道上的通例频段卫星也已异常拥堵,险些不能再发新的卫星。给卫星装上激光通讯通讯终端具有明显的长处,空间激光通讯链路无需审批,可直接运用,不存在频谱受限困难;其通讯速率高、信息容量大,能抵达10-40Gbps的速率;同时,因为光源功耗小、收发天线就会做的很小,激光通讯终端的体积小、重量轻、功耗小,可减轻卫星通讯载荷累赘。

欧洲、美国、日本等均在空间激光通讯手艺领域投入巨资举行相关手艺研讨和在轨实验,对空间激光通讯体系所触及的各项关键手艺展开了周全深切地研讨,不停推进空间激光通讯手艺迈向工程实用化。

2014年NASA举行了国际空间站至地面的下行50Mbps单向激光通讯,其通讯体式格局为IM/DD,误码率为10-4。面向激光通讯空间组网的需求,美国正在展开激光通讯中继考证设计,旨在完成45000km的GEO至地的2.88Gbps/DPSK双向激光链路。依据NASA下一代(2024年)光通讯中继卫星至地链路计划,其目的是完成下行速率卫100Gbps,可费用为97%。欧洲的光通讯组网考证项目正在展开中,2015年9月德国胜利举行了同步轨道Alphasat卫星LCT终端与地面站的1.8Gbps/BPSK双向相关通讯实验。以欧洲空间局(ESA)主导的“全球网”EDRS项目估计2020年完成,其星地目标是完成GEO至地的1.8Gbps/DPSK双向激光链路。

图6 美国中继卫星至地通讯表示图(图片来自收集)

空间光通讯离我们的生活远吗?

空间光通讯除了可以满足卫星信息高速传输的需求,一项被称为LiFi(Light Fidelity)的可见光无线通讯手艺大概走进我们的一样平常生活。该手艺是一种运用LED举行数据传输的全新无线传输手艺。家中的LED灯除了照明外,同时用来举行看电视、上网。LiFi经由过程在LED上植入一个细小的芯片,运用电信号掌握发光二极管(LED)发出肉眼看不到的高速闪灼信号来传输信息,比方LED开表示1,关表示0,经由过程疾速开关就可以传输信息。因为LED的发光强度,人眼不会注意到光的疾速变化。这类手艺做成的体系可以掩盖室内灯光抵达的局限,电脑不需要电线衔接只需在室内开启电灯,无需WIFI也可接入互联网。

图7 LiFi的运用场景表示(图片来自收集)

LiFi传输速率可比WiFi的传输速率快一百倍,具有高带宽,高速率长处。2014年1月,法国一家公司演示了一款LiFi智能手机,它经由过程前置摄像头改装而成的光感应器,吸取载有信号的LED灯光,均匀上网速率为10Mbps。2014年10月,美国研讨出了一种超快LED灯,发光速率进步了1000倍,能更大水平地提拔LiFi的通讯速率。未来运用中通讯速率可抵达1Gbps,云云快的上网速率,你还忧郁上网卡吗?

自顺应光学手艺,让我们享用高速、通顺的空间光通讯

空间光通讯体系的机能对天气异常敏感,雨、雪、云、雾对激光传输影响较大,大气中的气体份子、水雾、雪、霾、气溶胶等粒子,也会引起光的吸取、散射,可致使激光链路中断。纵然在明朗的天气下,大气湍流也会严峻滋扰光信号的传输。大气湍流效应可形成信号光束波前畸变、光斑弥散、发抖,使通讯吸取端的光功率下降以至没法收到信号。为完成高速率、高牢靠的星地激光通讯,大气湍流滋扰问题必需处理。

自顺应光学手艺是战胜星地激光通讯大气湍流效应的核心手艺之一。该手艺经由过程运用可变形镜面校订因大气发抖形成光波波前发作畸变,从而革新光学体系机能。自顺应光学体系由波前探测器、波前掌握器、波前校订器(变形镜和倾斜镜)构成。运用自顺应光学手艺可抑制大气湍流对通讯信号光的影响,取得近衍射极限的校订光斑,从而进步通讯端机对信号光的吸取效力。2020年3月,光电所自顺应光学手艺团队介入实践二十卫星对地的激光通讯实验,助力实在现实验目的。

图8 自顺应校订下的星地通讯表示图

自顺应光学手艺处理了星地通讯的牢靠性问题,使得其顺应大气湍流的才能明显加强,让星地光通讯更通顺,置信不久未来,空间光通讯将更普遍的走进我们的生活,给我们带来高速、平安、自在的通讯新天下。

泉源:中国科学院光电手艺研讨所

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