無線光通信隨著衛星領域的發展而蓬勃發展

  無線光通信(FSO)和系統實現快速和安全的連接，無論是在地面和非地面網絡中。隨著過去20年空間光學技術的重大進步，超高帶寬信號現在經常在很遠的距離上來回傳輸，提供了一個延伸到全球的通信樹冠。

  一個典型的無線通信概念在近地軌道衛星星座中的應用。每顆衛星攜帶4個光通信終端，與各個方向的相鄰衛星相連，形成網狀網絡。

  從發射機到接收器，再到中間所有相關的光學設備，過去20年里的每一次技術飛躍都幫助無線通信變得更便宜、更快、更容易部署，并最終在商業上更具可行性。研究公司Global Market Estimates預測，FSO行業的價值將從2022年的44億美元增長到2027年的475億美元，年復合增長率為34.1%。

  多種先進技術正在發揮作用。其中包括高功率小線寬激光器;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;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)。

  隨著技術的進步，對越來越多的數據帶寬的需求也推動了人們對無線網絡的興趣，無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”有時由數千顆衛星組成，其中大多數衛星由無線光學系統連接，能夠與地面終端交換光學數據信號。

  與傳統的點對點微波鏈路相比，無線光網絡提供了可以快速部署的無線接入解決方案，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公司的科學總監兼聯合創始人John Reid說:“在衛星系統中，來自地球終端的激光信號必須在衛星飛過地平線時鎖定衛星，然后等待視線降低到可接受的水平，然后以最大速度傳輸數據?！薄皽p少視線可以減少通過大氣湍流對光學信號的扭曲?！?

  第一個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)，這是空中客車公司和歐洲航天局(ESA)之間的商業合作協議。該網絡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聯合管理。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級的地球觀測數據。實時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非常有用。

  SpaceX的“星鏈”擁有1.2萬顆衛星，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。

  光通信鏈路網絡，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、氣球和地面站的無線鏈路。

  根據TESAT的說法，它的CubeL是用于無線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。

  地面天線還為烏克蘭軍隊提供了重要的生命線，用戶可以通過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。

  能夠承受嚴格的機械、熱和輻射條件的高性能但價格合理的光學系統將是此類大型星座成功的關鍵?！斑@些系統將包括符合太空條件的光學放大器，具有足夠的光輸出功率，具有高數據速率能力的電子設備，以及經過太空驗證的指向、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，衛星間的光學鏈路在整個地球上來回發送信號(上圖)。

位于荷蘭海牙的TNO光學地面站。該公司表示，與空中客車防務和荷蘭空間公司合作，TNO最近在荷蘭演示了一條超過10公里的地面激光通信鏈路，這是第一個在現實條件下使用傳統基礎設施運行的光學數據連接。

  在量子光學技術中，使用單光子源和探測器來加密數據并安全地遠距離傳輸數據。實際上，FSO鏈路不會像光纖網絡上的量子密鑰分配(QKD)技術那樣造成相同的傳輸損耗和有限的距離。FSO可以進一步利用傳統的波分復用技術以更高的速率發送加密數據。

  目前，由于缺乏合適的光放大器來克服光纖傳輸的限制，QKD受到了限制，但FSO可能會提供一個解決方案。

  適用于地對空網絡的大氣約束也阻礙了地面FSO通信。但隨著關鍵光學元件成本的下降，地面FSO系統有更多機會取代基于光纖的網絡。

  對更快、大容量通信和數據速率的需求保證了FSO的強勁的發展前景。未來的趨勢是越來越普遍的物聯網，從汽車和集裝箱到照明和監控攝像頭，數十億個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發揮關鍵作用。

  光無線通信技術已經取得了巨大的進步，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，6G移動系統將陸續推出，標準化委員會正在制定規范。但有一件事已經很明確:擬議中的6G要求將需要更多帶寬。

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