用時3.5秒、175兆比特、時長37秒的高清視頻，成功從國際空間站傳送回地面。美國航空航天局（NASA）近日宣布，此次利用激光通信技術，將高清視頻從國際空間站傳回。這便是NASA的“激光通信科學光學載荷”實驗。此前美國曾從月球探測器上向地面進行過激光通信，地面也完成過一次。NASA與國際空間站的激光通信表明激光傳輸是可行的，此項技術的發展和成熟或將開啟人類的太空寬帶時代。
競逐激光通信領域
利用激光束作為載體，將數據信號調制到光載波上進行傳輸，這就是空間光通信，也稱激光無線通信或無線光通信。它包括了深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛星間的光通信，也包括地面站的光通信。
美國此次就是用極為細小的激光束來傳輸數據。相較于傳統的以電波為載波的電波通訊，因為光波的頻率是常規電波的數千倍，所以即使此次國際空間站到地面距離達到了400公里，卻只耗時3.5秒，相當于傳輸速率達到每秒50兆，倘若采用傳統技術下載，則需要耗費10多分鐘時間。
太空空間光通信被喻為太空寬帶，是一種可能從根本上改變太空通信的技術。有關專家指出，激光通信最大優勢，第一，在于通信容量大、速率高。激光的頻率比微波射頻高3-4個數量級，作為通信的載波，具有更大的可用頻帶。第二，在于它的功耗小。第三，激光通信的設備體積小、重量輕，尤其適用于衛星通信。第四是保密性好，可有效防止竊聽并提高抗干擾能力。
正是由于激光通信的眾多優勢，不少航天航空大國紛紛開展相關研究。美國早在上世紀60年代中期就開始實施空間光通信方面的研究計劃，著名的噴氣推進實驗室、林肯實驗室、貝爾實驗室等都加入其中。日本和歐洲空間局在80年代也開始了空間光通信研究。 我國衛星光通信研究起步較晚，但取得了迅速的進展，與國外先進水平差距并不大。目前我國開展相關研究的機構主要有哈爾濱工業大學、電子科技大學、清華大學、北京大學等。在2012年3月，我國“海洋二號”衛星第一次搭載進行了中國首次星地激光通信實驗并取得圓滿成功，將衛星和地面用激光鏈接起來，形成空間的信息高速公路。
突破“太空寬帶”瓶頸
這項看似能引爆通信界革命的激光通信技術其實也面臨著自身的發展瓶頸。
首先，大氣對激光通信信號有吸收和散射的作用，大氣湍流則嚴重地影響到信號的接收。雖然激光通信不受電磁干擾，但大氣中的氣體分子、水霧、霾等與激光波長相近的粒子會引起光的吸收和散射，極大地妨礙、吸收光波的傳輸，就更不用說遇到強大氣湍流了。
其次，接收機和發射機之間的瞄準非常困難。空間光通信系統要完成遠距離衛星間光信號的發射與接收，就必須進行遠距離衛星間或者空間站間目標的捕獲與跟蹤，前者依賴于激光通信系統，后者取決于光學跟瞄系統。激光目前只能通過機械裝置進行定向，這對發射和接收設備的穩定性和精度提出了很高的要求。據NASA稱，由于此次空地距離400公里，加上運行時速高，這一任務“好似在9米開外，于行走中始終用激光指針瞄準某根頭發的末梢”。不過從NASA空間站傳回的高清視頻結果來看，這個難度大的關鍵技術已經得到較好的解決。
第三，發射天線和接收天線的效率都會對空間光通信系統的接收光功率產生重要影響。出于獲取最小光斑的需求，發射天線可以設計成接近衍射極限，但同時給精確對準帶來了困難。為了接收更多的能量信號，接收天線直徑越大越好，但這會增加系統的體積、重量和成本。提高接收靈敏度十分重要。
第四，遠距離傳輸問題也有待解決，遠距離傳輸容易出現信號衰弱和延時等問題。此次激光通訊實驗空間站與地面距離只有約400公里，而通信衛星一般在3.6萬公里的軌道上。因此，激光通信的實用化，仍面臨挑戰。
變革人類通信系統
“太空寬帶”不僅僅在太空。從世界航空航天大國對空間光通信技術的研究與成果來看，此次空間站和地面成功傳輸高清視頻說明了“太空寬帶”在不斷接近實用化。雖然最開始的空間光通信基本都是用于軍事目的，但從發展趨勢來看，它具有巨大的民用市場。有專家預測，未來很有可能形成立體交叉光網，在外太空衛星和大氣層內外形成高容量通信網，與地面的光纖網絡相鏈接，足以顛覆目前人類的通信系統。
或許正如成都信息工程學院王天寶教授介紹的那樣，美國航空航天局的目標是利用光無線通信技術，開發建立激光太空通信系統，以實現“太空—地球”的遠距、大數據通信。一旦建立激光太空互聯網，人類或將開啟至月球的快速可靠的數據連接網絡，甚至還可以連接至火星和更遙遠的星球。假如將來有在太空生活的人們，就可以利用激光太空通信系統與地球人進行高清晰視頻聊天。
光纖通信網絡已經給我們的生活帶來了極大的不同。試想一下無線光通信會給人們帶來何種互聯網體驗。2002年哈爾濱工業大學和美國OA公司建立了全面戰略合作伙伴關系，將大氣中的自由空間激光通信（Free Space Optical，簡稱FSO）產品投入生產。早在1999年美國NASA就已經將星對地激光通信技術民用化，開發出5000米以內的商業化FSO激光通信鏈產品。無線光通信將改變目前光纖通信材料和工程費用高的狀況，并能克服河流、湖泊、立交橋等阻礙光纖鋪設的問題，或者根本就不用耗時耗資鋪設光纖。它將改變平面型通訊網絡的局面，實現“三網合一”目標（電信網、廣播電視網和互聯網），組建三維通信網絡。
我們有理由對激光通信的未來保持充分信心。
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