無(wú)線(xiàn)光通信隨著(zhù)衛星領(lǐng)域的發(fā)展而蓬勃發(fā)展

  無(wú)線(xiàn)光通信(FSO)和系統實(shí)現快速和安全的連接，無(wú)論是在地面和非地面網(wǎng)絡(luò )中。隨著(zhù)過(guò)去20年空間光學(xué)技術(shù)的重大進(jìn)步，超高帶寬信號現在經(jīng)常在很遠的距離上來(lái)回傳輸，提供了一個(gè)延伸到全球的通信樹(shù)冠。

  一個(gè)典型的無(wú)線(xiàn)通信概念在近地軌道衛星星座中的應用。每顆衛星攜帶4個(gè)光通信終端，與各個(gè)方向的相鄰衛星相連，形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。

  從發(fā)射機到接收器，再到中間所有相關(guān)的光學(xué)設備，過(guò)去20年里的每一次技術(shù)飛躍都幫助無(wú)線(xiàn)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預測，FSO行業(yè)的價(jià)值將從2022年的44億美元增長(cháng)到2027年的475億美元，年復合增長(cháng)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(xiàn)寬激光器;復雜的光機械控制系統，如精細轉向鏡，能夠精確地塑造和引導激光;高靈敏度探測器;用于補償大氣像差的自適應和相干光學(xué);用于信號編碼和解碼的高速數字處理裝置;以及有助于縮小光信號處理組件的光子集成芯片(PICs)。

  隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，對越來(lái)越多的數據帶寬的需求也推動(dòng)了人們對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的興趣，無(wú)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(shí)由數千顆衛星組成，其中大多數衛星由無(wú)線(xiàn)光學(xué)系統連接，能夠與地面終端交換光學(xué)數據信號。

  與傳統的點(diǎn)對點(diǎn)微波鏈路相比，無(wú)線(xiàn)光網(wǎng)絡(luò )提供了可以快速部署的無(wú)線(xiàn)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)總監兼聯(lián)合創(chuàng )始人John Reid說(shuō):“在衛星系統中，來(lái)自地球終端的激光信號必須在衛星飛過(guò)地平線(xiàn)時(shí)鎖定衛星，然后等待視線(xiàn)降低到可接受的水平，然后以最大速度傳輸數據?！薄皽p少視線(xiàn)可以減少通過(guò)大氣湍流對光學(xué)信號的扭曲?！?

  第一個(gè)報告千兆速度激光衛星通信的研究小組是歐洲數據中繼系統(EDRS)，這是空中客車(chē)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(huì )聯(lián)合管理。據估計，哥白尼計劃將需要星載電信基礎設施每天從太空向地面傳輸TB級的地球觀(guān)測數據。實(shí)時(shí)向地面站提供這些數據，對于陸地、海洋和冰層監測，以及政府和安全服務(wù)非常有用。

  SpaceX的“星鏈”擁有1.2萬(wàn)顆衛星，可能是最引人注目的巨型星座，也是最大的近地軌道衛星星座。它的衛星在海拔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據速率活動(dòng)。

  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)層的衛星間鏈路，以及與飛機、氣球和地面站的無(wú)線(xiàn)鏈路。

  根據TESAT的說(shuō)法，它的CubeL是用于無(wú)線(xiàn)通信的立方體衛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(dòng)到任何需要的地方。例如，這些需求可能包括自然災害或人為災害期間的通信。去年年初，幾輛卡車(chē)的插電式終端被運到烏克蘭，以補償俄羅斯轟炸造成的通信鏈路損壞。

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

  能夠承受?chē)栏竦臋C械、熱和輻射條件的高性能但價(jià)格合理的光學(xué)系統將是此類(lèi)大型星座成功的關(guān)鍵?！斑@些系統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，具有高數據速率能力的電子設備，以及經(jīng)過(guò)太空驗證的指向、采集和跟蹤算法，以便在遠距離衛星之間建立連接?！?

在地球大氣層的干擾之外，衛星間的光學(xué)鏈路在整個(gè)地球上來(lái)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(chē)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(guò)10公里的地面激光通信鏈路，這是第一個(gè)在現實(shí)條件下使用傳統基礎設施運行的光學(xué)數據連接。

  在量子光學(xué)技術(shù)中，使用單光子源和探測器來(lái)加密數據并安全地遠距離傳輸數據。實(shí)際上，FSO鏈路不會(huì )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)一步利用傳統的波分復用技術(shù)以更高的速率發(fā)送加密數據。

  目前，由于缺乏合適的光放大器來(lái)克服光纖傳輸的限制，QKD受到了限制，但FSO可能會(huì )提供一個(gè)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(zhù)關(guān)鍵光學(xué)元件成本的下降，地面FSO系統有更多機會(huì )取代基于光纖的網(wǎng)絡(luò )。

  對更快、大容量通信和數據速率的需求保證了FSO的強勁的發(fā)展前景。未來(lái)的趨勢是越來(lái)越普遍的物聯(lián)網(wǎng)，從汽車(chē)和集裝箱到照明和監控攝像頭，數十億個(gè)設備之間連接和通信數據。FSO將數據交換擴展到電纜基礎設施之外的能力將確保該技術(shù)發(fā)揮關(guān)鍵作用。

  光無(wú)線(xiàn)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(lái)，6G移動(dòng)系統將陸續推出，標準化委員會(huì )正在制定規范。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(lái)源：https://www.photonics.com/Articles/Free-Space_Optical_Communications_Soar_with_the/p5/vo221/i1428/a68666