激光通信，為什么值得關(guān)注？

光通信這幾年特別火，股價蹭蹭往上漲。今天這篇文章，小棗君要和大家聊另一種形式的光通信，也很有搞頭，商業(yè)價值在不斷提升。

沒錯，我要聊的，就是——激光通信。

█ 激光通信，有什么特別？

激光通信，顧名思義，是一種利用“激光束”進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。

激光（laser，港澳臺喜歡叫鐳射），大家都見過吧？電影里威力巨大、毀滅一切的那種——

我們平時生活中，一些激光筆、超市掃碼槍、舞臺燈光等場景，也會用到激光。這玩意，看上去挺危險的，為啥也能通信？

大家都知道，無線通信都是基于電磁波進(jìn)行工作。電磁波根據(jù)工作頻率，又分為電波和光波。

傳統(tǒng)的無線通信，基本上采用電波，不用光波。

因為電波的頻率更低，波長更長，繞射能力更好，覆蓋距離更遠(yuǎn)。

而光波的頻率更高，波長更短，繞射能力更差，在傳輸過程中更容易受到大氣衰減、散射等因素的影響，導(dǎo)致信號損失較大，傳輸距離受限。

我們?nèi)粘Ｉ钪械囊苿油ㄐ?、Wi-Fi通信、微波通信、對講機通信，都是用的電波。

光波的優(yōu)勢是頻率帶寬大，可以實現(xiàn)更高的傳輸速率。所以，專家們一直惦記將光波用于通信。

既然光波容易受外界環(huán)境的干擾，那么，就把光波“約束”在一個封閉的環(huán)境里唄？

于是，就有了光纖通信——將光波“包”在光纖的玻璃纖維介質(zhì)中，實現(xiàn)低損耗的、遠(yuǎn)距離的、高速率的通信。這樣可以有效降低衰減和干擾，充分發(fā)揮光波的帶寬優(yōu)勢。

光纖通信，畢竟還是依賴于光纖這個有線介質(zhì)，無法擺脫物理連接的束縛，不利于部署，也缺乏移動性與靈活性。

于是，專家們繼續(xù)研究：能否在自由空間中，直接使用光束進(jìn)行通信？

這就有了激光通信。

激光通信，為了區(qū)別傳統(tǒng)光纖通信，還有一種稱謂，叫做自由空間光通信（Free Space Optical Communication，F(xiàn)SO）。

激光通信使用的光源和光纖一樣，都是激光（頻率范圍190~360THz，介于太赫茲與近紅外光之間，比微波高3-5個數(shù)量級）。這是一種方向性極好的單色相干光。

激光的優(yōu)點，包括這么幾個方面：

首先，如前面所說，激光的頻率帶寬極大，可以實現(xiàn)極高的傳輸速率（Gbps甚至Tbps），遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電波無線通信技術(shù)。

其次，激光束的發(fā)散角極小、束寬極窄，能量高度集中，所以，它具備一定的抗干擾能力，可以適當(dāng)應(yīng)對大氣中的衰減和散射等不利因素。

第三，激光束具有極強的指向性，在傳輸過程中很難受到其他電磁信號的干擾，也不易被捕獲或截取，具有非常不錯的安全性和保密性。

第四，激光通信無需頻譜許可，不占用寶貴的無線電頻段資源，部署靈活，降低了使用門檻和運營成本。

第五，激光通信系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗低，便于部署到資源受限的移動嵌入式平臺和空間載荷上（如無人機、衛(wèi)星、車載終端等）。

█ 激光通信，有哪些應(yīng)用場景？

綜合上述特點，我們會發(fā)現(xiàn)，激光通信非常適合點對點的、無遮擋物場景下的無線空間傳輸場景，例如衛(wèi)星通信以及傳統(tǒng)地面微波通信等。

衛(wèi)星通信，具體又包括衛(wèi)星與衛(wèi)星（星間）、衛(wèi)星與地面（地面接收站、便攜終端）、衛(wèi)星與飛機（機載終端）、衛(wèi)星與輪船（艦載終端）等。

傳統(tǒng)地面微波通信，主要針對偏遠(yuǎn)地區(qū)的基站信號回傳或?qū)＞W(wǎng)信號傳輸?shù)?。激光通信可以作為加強版的微波通信，解決山區(qū)、江河湖海等光纜不易部署或部署成本過高的問題。

在自然災(zāi)害等場景下，激光通信也可以用于應(yīng)急通信，快速恢復(fù)災(zāi)區(qū)網(wǎng)絡(luò)。

這幾年，也有將激光通信應(yīng)用于無人機通信的趨勢。搭載輕量化激光通信終端的無人機，能夠建立起“機-地”或“機-機”高速鏈路，實現(xiàn)高效飛行控制以及高清視頻回傳。

不管怎么說，衛(wèi)星通信對激光通信的刺激作用，是最為突出的。

最近這幾年衛(wèi)星通信特別火爆，尤其是低軌衛(wèi)星星座（以星鏈為代表）加速密集組網(wǎng)與部署，掀起了全球衛(wèi)星熱。

這股衛(wèi)星熱，帶動了激光通信熱。很多高校、研究機構(gòu)和企業(yè)，都看到了激光通信的潛在商業(yè)價值，所以投入到產(chǎn)業(yè)鏈之中。

● 美國的研究進(jìn)展

美國研究激光通信是最早的。

上世紀(jì)70年代，美國就開始探索激光通信技術(shù)，并研制出世界首臺激光通信終端。1975年，NASA（美國航空航天局）成功實現(xiàn)了阿波羅15號指令艙與地面站之間的月地激光通信實驗。

進(jìn)入21世紀(jì)，美國依舊引領(lǐng)激光通信技術(shù)的發(fā)展前沿。

2014年，NASA進(jìn)行了國際空間站至地面的下行50Mbps單向激光通信試驗。

2022年5月，NASA與麻省理工合作，利用一顆搭載了BIRD（太字節(jié)紅外傳輸器）的小型立方體衛(wèi)星，實現(xiàn)了星地激光通信鏈路，速率高達(dá)100Gbps，較傳統(tǒng)射頻鏈路高1000多倍。

BIRD小型立方體衛(wèi)星

2023年，NASA的深空光通信（DSOC）項目成功實施，在飛船距地球3100萬km處，以267 Mbps的速率傳回超高清視頻。同年6月，NASA的首個雙向激光中繼系統(tǒng)演示項目（LCRD）完成了第一年在軌實驗。

值得一提的是，2020年，SpaceX進(jìn)行了一次試驗，兩顆Starlink衛(wèi)星利用搭載的激光通信載荷，傳輸了數(shù)百GB的數(shù)據(jù)，為搭建自家天基網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了重要的技術(shù)驗證。

2025年9月，一架加拿大飛機搭載了美國通用原子電磁系統(tǒng)公司（GA-EMS）的光學(xué)通信終端，與5470km外的低軌衛(wèi)星（屬于加拿大開普勒通信公司）建立連接，成功實現(xiàn)了雙向高速激光通信，速率高達(dá)2.5Gbps，轟動了整個行業(yè)。

● 歐洲的研究進(jìn)展

歐洲那邊，研究起步也比較早（上世紀(jì)80年代）。

21世紀(jì)初，相干激光通信在軌實驗成功后，ESA（歐洲航天局）正式啟動了歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)計劃（EDRS）。2019年，EDRS-A和EDRS-C衛(wèi)星在45000km的鏈路上實現(xiàn)了1.8Gbps的通信速率。

2024年，ESA開展深空激光通信實驗，在1AU（天文長度單位，表示地球到太陽的平均距離）的距離，實現(xiàn)了10Mbps的傳輸速率。

這幾年，德國、法國、意大利等國相繼啟動了多項國家級激光通信項目，布局意圖非常明顯。

● 中國的研究進(jìn)展

再來看看我們國家。

我國對激光通信的研究起步非常晚。2011年，在海洋二號衛(wèi)星上，我們才實現(xiàn)國內(nèi)首次星地激光通信試驗。

雖然起步晚，但這些年來，我們的發(fā)展勢頭非常迅猛。

2017年，實踐十三號衛(wèi)星完成了高軌星地雙向激光通信，速率達(dá)到5Gbps。

2018年，墨子號量子衛(wèi)星完成星地激光通信+量子密鑰分發(fā)，當(dāng)時引起了全球廣泛關(guān)注。

2020年，我國首次開展低軌星間激光通信技術(shù)實驗，由LaserFleet（深圳航星光網(wǎng)）公司研制激光通信載荷，能夠?qū)崿F(xiàn)3000km以上的通信距離，速率可達(dá)100Mbps。

2024年5月，由上海光機所研制的激光通信載荷隨智慧天網(wǎng)一號01星升空，實現(xiàn)了中軌星間萬公里級的高速互聯(lián)。

今年1月，中科院空天院利用自主研制的500毫米口徑星地激光通信系統(tǒng)，與中科衛(wèi)星AIRSAT-02衛(wèi)星進(jìn)行星地激光通信實驗，實現(xiàn)了120Gbps的穩(wěn)定高速傳輸（秒級快速捕獲建立，建鏈成功率超過93%，最長連續(xù)穩(wěn)定通信時間達(dá)108秒），創(chuàng)下了國內(nèi)紀(jì)錄。

星地激光通信系統(tǒng)（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

有消息稱，今年我國將利用嫦娥7號開展月地激光通信技術(shù)驗證。這也將是一個重大突破。

目前，國內(nèi)在激光通信領(lǐng)域的代表性民營企業(yè)包括藍(lán)星光域、極光星通等。

藍(lán)星光域，是第一家完成星載激光通信終端交付并在軌驗證的中國商業(yè)航天公司。他們在江蘇常熟有一個生產(chǎn)孵化基地，具備年產(chǎn)千臺終端產(chǎn)品的能力。

2025年2月，藍(lán)星光域攜手中國聯(lián)通，成功完成了跨域短距離空間激光通信設(shè)備研發(fā)成果的現(xiàn)場驗收，開通了中國聯(lián)通首條自由空間光（FSO）承載業(yè)務(wù)。

藍(lán)星光域（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

極光星通，也是國內(nèi)星間高速激光通信技術(shù)第一梯隊。2025年3月，極光星通通過“光傳01/02試驗星”，成功開展了國內(nèi)首次在軌星間400Gbps超高速激光通信數(shù)據(jù)傳輸試驗。

總而言之，激光通信技術(shù)正在加速從實驗室走向在軌驗證與商業(yè)運營。在這個新興賽道，我們還是很有競爭力的，也逐步形成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)，未來可期。

█ 激光通信（星載），是如何工作的？

星載激光通信終端是集成多種尖端技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，分為通用部分（FPGA、光纖放大器、光學(xué)收發(fā)模塊、調(diào)制解調(diào)器）與星載特有部分（星敏感器、捕獲傳感器、可見光相機、光學(xué)收發(fā)天線）。

終端的核心是APT系統(tǒng)（捕獲、指向和跟蹤系統(tǒng)），主要功能是在衛(wèi)星進(jìn)行通信前捕獲傳遞信息的光束，實現(xiàn)微弧度級指向精度，并在通信過程中保持光束對準(zhǔn)，確保通信鏈路暢通。

APT系統(tǒng)架構(gòu)（來自《星間激光通信關(guān)鍵技術(shù)與展望》，王浩楠等）

我們簡單看看激光通信的工作過程：

在發(fā)射端，激光發(fā)射器產(chǎn)生激光，通信模塊進(jìn)行調(diào)制。控制模塊驅(qū)動快速轉(zhuǎn)向鏡（FSM）和變焦透鏡（VFL），根據(jù)通信鏈路情況，對光束方向和束腰大小進(jìn)行精密調(diào)節(jié)。

然后，通過進(jìn)一步增寬透鏡，將光束發(fā)射到太空中。

在接收端，衛(wèi)星激光終端利用粗指向組件（CPA），結(jié)合星歷計算，對可能區(qū)域進(jìn)行大范圍掃描。捕獲到信標(biāo)光束后，對雜光進(jìn)行濾除。

然后，根據(jù)接收端攝像頭采集到的光斑指向誤差，計算和控制模塊驅(qū)動快速轉(zhuǎn)向鏡，實現(xiàn)高精度、快響應(yīng)的光束跟蹤，建立鏈路。

接收到信號光束后，由通信傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后完成解調(diào)等步驟，即可實現(xiàn)通信過程。

機載寬帶激光通信終端（圖片來自：藍(lán)星光域）

所以，可以看出，一方面是發(fā)射，另一方面是捕獲。捕獲的難度明顯更大，APT系統(tǒng)的作用非常重要。

目前常見的APT技術(shù)方案有萬向架式、擺鏡式、潛望式和L型轉(zhuǎn)臺式。隨著時間推移，APT技術(shù)高速發(fā)展，精度不斷提升，響應(yīng)速度不斷加快，功耗與體積也在不斷優(yōu)化，為激光通信的規(guī)?；渴鹛峁┝藞詫嵒A(chǔ)。

█ 激光通信，仍然存在技術(shù)挑戰(zhàn)

激光通信有巨大的商業(yè)價值，應(yīng)用前景也很廣闊。但是，在實際應(yīng)用中，激光通信仍然面對很大的挑戰(zhàn)。

空天地海背景下的視距范圍內(nèi)通信，雖然無實際遮擋物，但仍需傳輸很長的距離，需要面對大氣吸收及散射、大氣湍流、背景光等因素的影響。云、雨、霧、雪、塵埃等天氣條件，也會造成光的散射與吸收，導(dǎo)致信號衰減或中斷。

剛才我們提到的很多激光通信試驗，距離都在幾千公里甚至幾萬公里。這些超遠(yuǎn)距離的通信試驗，對激光發(fā)射功率、接收靈敏度、精密跟瞄精度以及抗干擾能力，都提出了近乎極限的要求。

為了克服這些挑戰(zhàn)，業(yè)界也推出了一些應(yīng)對方案：包括自適應(yīng)光學(xué)補償、多光束協(xié)同傳輸、智能跟瞄算法優(yōu)化、以及可調(diào)發(fā)散角的變焦光學(xué)系統(tǒng)等。

以可調(diào)發(fā)散角的變焦光學(xué)系統(tǒng)為例。采用這項技術(shù)，系統(tǒng)在掃描捕獲時，可以擁有更大的發(fā)散角，從而更快地覆蓋不確定區(qū)域。這使得系統(tǒng)能夠更快完成掃描捕獲動作，從而減少建鏈時間。

此外，如果通信距離太近，傳統(tǒng)定焦系統(tǒng)無法調(diào)整，會導(dǎo)致接收端信號過于飽和，損壞接收端相機和通信系統(tǒng)。采用可調(diào)發(fā)散角技術(shù)，在近距離通信的情況下，可以將發(fā)散角調(diào)大，減少信號飽和，保護(hù)接收端相機和通信系統(tǒng)。

激光通信的技術(shù)細(xì)節(jié)還是蠻多的。限于篇幅，以后小棗君再做詳細(xì)解讀。

█ 最后的話

據(jù)貝哲斯咨詢發(fā)布的《空間激光通信市場調(diào)研報告》，全球與中國空間激光通信市場規(guī)模2025年分別達(dá)到90.75億元（人民幣）與12.26億元。預(yù)計到2032年，全球市場規(guī)模將會達(dá)到727.03億元，復(fù)合年增長率34.62%。

在構(gòu)建空天地海一體化通信網(wǎng)絡(luò)的宏偉藍(lán)圖中，激光通信將扮演越來越重要的角色。這個領(lǐng)域的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)，值得我們密切關(guān)注！

參考文獻(xiàn)：

1、《星間激光通信關(guān)鍵技術(shù)與展望》，王浩楠，劉峻峰，南卓江，陶衛(wèi)；

2、《空間激光通信技術(shù)與系統(tǒng)》，姜會林等，國防工業(yè)出版社；

3、《衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星間激光通信的分析及建議》，陳山枝等，電信科學(xué)；

4、《衛(wèi)星激光通信日漸火熱！一文帶你讀懂技術(shù)、機遇與挑戰(zhàn)！》，梁張華，物聯(lián)網(wǎng)智庫；

5、《全球及中國太空激光通信設(shè)備產(chǎn)業(yè)全景報告》，恒州誠思；

6、《星地激光通信研究現(xiàn)狀與前沿技術(shù)》，趙云等，空間科學(xué)學(xué)報；

7、《星間激光通信：速率與帶寬雙優(yōu)，低軌星座核心組網(wǎng)關(guān)鍵》，興業(yè)證券；

8、百度百科，維基百科，各企業(yè)官網(wǎng)等。

文章轉(zhuǎn)載自“鮮棗課堂”公眾號