无线光通信随着卫星领域的发展而蓬勃发展

  无线光通信(FSO)和系统实现快速和安全的连接，无论是在地面和非地面网络中。随着过去20年空间光学技术的重大进步，超高带宽信号现在经常在很远的距离上来回传输，提供了一个延伸到全球的通信树冠。

  一个典型的无线通信概念在近地轨道卫星星座中的应用。每颗卫星携带4个光通信终端，与各个方向的相邻卫星相连，形成网状网络。

  从发射机到接收器，再到中间所有相关的光学设备，过去20年里的每一次技术飞跃都帮助无线通信变得更便宜、更快、更容易部署，并最终在商业上更具可行性。研究公司Global Market Estimates预测，FSO行业的价值将从2022年的44亿美元增长到2027年的475亿美元，年复合增长率为34.1%。

  多种先进技术正在发挥作用。其中包括高功率小线宽激光器;复杂的光机械控制系统，如精细转向镜，能够精确地塑造和引导激光;高灵敏度探测器;用于补偿大气像差的自适应和相干光学;用于信号编码和解码的高速数字处理装置;以及有助于缩小光信号处理组件的光子集成芯片(PICs)。

  随着技术的进步，对越来越多的数据带宽的需求也推动了人们对无线网络的兴趣，无论是在地球上空还是在地球表面。

  世界各地对更大带宽的需求促使几家公司部署了大型“星座”，这些“星座”有时由数千颗卫星组成，其中大多数卫星由无线光学系统连接，能够与地面终端交换光学数据信号。

  与传统的点对点微波链路相比，无线光网络提供了可以快速部署的无线接入解决方案，具有更高的带宽和安全性，以及更低的功耗。

  位于荷兰埃因霍温的Aircision公司的科学总监兼联合创始人John Reid说:“在卫星系统中，来自地球终端的激光信号必须在卫星飞过地平线时锁定卫星，然后等待视线降低到可接受的水平，然后以最大速度传输数据。”“减少视线可以减少通过大气湍流对光学信号的扭曲。”

  第一个报告千兆速度激光卫星通信的研究小组是欧洲数据中继系统(EDRS)，这是空中客车公司和欧洲航天局(ESA)之间的商业合作协议。该网络的部分目的是支持哥白尼计划，该计划由欧空局和欧盟委员会联合管理。据估计，哥白尼计划将需要星载电信基础设施每天从太空向地面传输TB级的地球观测数据。实时向地面站提供这些数据，对于陆地、海洋和冰层监测，以及政府和安全服务非常有用。

  SpaceX的“星链”拥有1.2万颗卫星，可能是最引人注目的巨型星座，也是最大的近地轨道卫星星座。它的卫星在海拔550公里左右的轨道上运行——相对接近地球——以将延迟降低到20毫秒左右，并支持速度为50至500 Mbit/s的游戏和流媒体等高数据速率活动。

  光通信链路网络，显示低地球轨道(LEO)和地球同步赤道轨道(GEO)层的卫星间链路，以及与飞机、气球和地面站的无线链路。

  根据TESAT的说法，它的CubeL是用于无线通信的立方体卫星的最小光通信终端。

  与固定的地下电信光纤不同，这些星座可以移动到任何需要的地方。例如，这些需求可能包括自然灾害或人为灾害期间的通信。去年年初，几辆卡车的插电式终端被运到乌克兰，以补偿俄罗斯轰炸造成的通信链路损坏。

  地面天线还为乌克兰军队提供了重要的生命线，用户可以通过它连接到最近的星链卫星，然后与位于邻国波兰的最近的地面站通信。

  能够承受严格的机械、热和辐射条件的高性能但价格合理的光学系统将是此类大型星座成功的关键。“这些系统将包括符合太空条件的光学放大器，具有足够的光输出功率，具有高数据速率能力的电子设备，以及经过太空验证的指向、采集和跟踪算法，以便在远距离卫星之间建立连接。”

在地球大气层的干扰之外，卫星间的光学链路在整个地球上来回发送信号(上图)。

位于荷兰海牙的TNO光学地面站。该公司表示，与空中客车防务和荷兰空间公司合作，TNO最近在荷兰演示了一条超过10公里的地面激光通信链路，这是第一个在现实条件下使用传统基础设施运行的光学数据连接。

  在量子光学技术中，使用单光子源和探测器来加密数据并安全地远距离传输数据。实际上，FSO链路不会像光纤网络上的量子密钥分配(QKD)技术那样造成相同的传输损耗和有限的距离。FSO可以进一步利用传统的波分复用技术以更高的速率发送加密数据。

  目前，由于缺乏合适的光放大器来克服光纤传输的限制，QKD受到了限制，但FSO可能会提供一个解决方案。

  适用于地对空网络的大气约束也阻碍了地面FSO通信。但随着关键光学元件成本的下降，地面FSO系统有更多机会取代基于光纤的网络。

  对更快、大容量通信和数据速率的需求保证了FSO的强劲的发展前景。未来的趋势是越来越普遍的物联网，从汽车和集装箱到照明和监控摄像头，数十亿个设备之间连接和通信数据。FSO将数据交换扩展到电缆基础设施之外的能力将确保该技术发挥关键作用。

  光无线通信技术已经取得了巨大的进步，特别是在大气层以上，但在地面上，安全的高带宽信息传输仍有一段路要走。

  未来，6G移动系统将陆续推出，标准化委员会正在制定规范。但有一件事已经很明确:拟议中的6G要求将需要更多带宽。

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