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江苏激光产业创新联盟|空间激光通信技术发展现状及展望( 四 )


江苏激光产业创新联盟|空间激光通信技术发展现状及展望
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四、空间激光通信技术的发展趋势
（一）高速率
随着空间激光通信高速调制解调和传输技术的快速发展 ， 未来星地激光通信链路速率有望达到100Gb/s量级 。 高速激光通信采用高阶调制方式如正交相移键控（QPSK）、正交振幅调制（QAM）和复用方式如波分复用（WDM）、时分复用（TDM）、轨道角动量复用（OAM） ， 短距离（<1km）速率可达Tb/s量级 。 近年来 ， 国内外高速无线激光通信技术的主要发展现状如图2所示 。
江苏激光产业创新联盟|空间激光通信技术发展现状及展望
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图2国内外高速无线激光通信技术的主要发展现状
注：1E+0n表示1×10n；QPSK代表正交相移键控；QAM-OAM-WDM代表正交振幅调制–轨道角动量复用–波分复用；QPSK-OAM代表正交相移键控–轨道角动量复用；OAM-PM-WDM代表轨道角动量复用–偏振复用–波分复用；QAM-WDM代表正交振幅调制–波分复用；QAM代表正交振幅调制；QPSK-OAM-WDM代表正交相移键控–轨道角动量复用–波分复用；OAM-WDM代表轨道角动量复用–波分复用；OFDM-OAM-WDM代表正交频分复用–轨道角动量复用–波分复用；QAM-OAM-WDM代表正交振幅调制–轨道角动量复用–波分复用；DWDM代表密集波分复用；VMDM-OFDM代表矢量模分复用–正交频分复用；QPSK-WDM代表正交相移键控–波分复用；QPSK-PM代表正交相移键控；QDWDM代表密集波分复用 。
国外在空间激光通信技术高速率方面的主要研究进展有：2009年 ， 日本电气株式会社（NEC）实验室利用QPSK和多路输入/输出（MI/MO）相干检测方法实现了112Gb/s试验[24]；南加州大学采用12路QAM-2路偏振-42路波分技术在室内1m的距离上实现了100Tb/s自由空间光通信[25] 。 2016年 ， 沙特国王大学采用12路WDM和16-QAM调制技术在室外11.5m的距离上进行了2.2Tb/s自由空间光高速通信实验[26] ， 并在2017年采用3.6b/s/Hz的频谱效率32-QAM调制在室外干燥的沙漠地区100m的距离上突破了1.08Tb/s自由空间光通信[27] 。
通过国际合作交流 ， 我国在空间激光通信技术高速率方面的研究取得了重要进展（见图2） 。 具体有：华中科技大学开展了一系列OAM超高速无线光传输试验 ， 实验室内最高传输速率可达1.086Pb/s[28~30] 。 该研究是在较短距离上的超高速无线光传输 ， 但传输速率方面已达到了国际领先水平 。 另外 ， 在长距离高速空间激光传输研究方面也取得了一定进展 ， 如2018年长春理工大学与浙江大学合作 ， 采用3路密集波分复用（DWDM）的QPSK调试单路载波40Gb/s ， 在1km距离开展了速率120Gb/s的自由空间光通信实验[31] ， 而后又突破了单路载波128Gb/s和3路DWDM总速率384Gb/s大气传输[32,33] 。
（二）网络化
随着全球化和信息技术的发展 ， 亟需建设具有不依托地面网络、无缝覆盖全球、高带宽和抗毁性能的空间网络 。 因此 ， 依托空间激光通信技术实现的天基宽带传送网络是今后发展的重要趋势 。
空间激光通信技术逐渐从点对点模式向中继转发和构建激光网络的方向发展 。 由于激光网络建设的主要难点在于激光发散角小、光信号动态接入以及受空间环境影响大等 ， 因此构建激光通信网络时 ， 需突破“一对多”的激光通信技术难题、研究动态路由解决接入方案、寻求激光通信和微波联合通信体制 。 长春理工大学提出的采用旋转抛物面结构设计一点对多点光学收发天线 ， 实现多颗卫星间激光通信组网 ， 光学原理简单 ， 是探索解决这一难点的重大突破[34] 。
（三）多用途
随着空间激光通信技术的逐渐成熟 ， 空间激光通信的高调制速率、远传输距离和低能耗的优点逐渐凸显 。 目前 ， 空间激光通信技术已广泛应用于星间、星空、空空、空地等链路的宽带数据传输 ， 并逐渐向深空探测、水下和地面接入通信扩展 ， 用途越来越广 。


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