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自由空间光通信与卫星领域一起腾飞

来源:国际工业激光商情 发布时间:2023-03-10 193
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自由空间光网络在地对空和空间应用方面有一个可以期待的未来。但从长远来看,市场认为地面市场也有相当大的未开发潜力。

荷兰应用科学研究组织(TNO)最近与荷兰空中客车防务与航天公司合作,在荷兰演示了一个超过10公里的地面激光通信链路。该公司说,这是第一个使用常规基础设施在现实世界条件下运行的此类光学数据连。


自由空间光学(FSO)和系统在实现快速和安全的连接方面具有独特价值,在地面和非地面网络中都是如此。在过去20年间,随着空间光学技术的重大进步,超高带宽信号现在可以在很远的距离内来回传送,提供了一个延伸到整个地球的通信天幕。


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在地球大气层的干扰之上,卫星间光学链路在整个地球上来回发送信号


从发射器到接收器以及其间的所有相关光学器件,每一次的技术飞跃都有助于使自由空间通信更便宜、更快、更容易部署,并最终具有商业价值。此前,研究机构Global Market Estimates预测,FSO(又称光无线)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,复杂的光学机械控制系统例如能够精确成形和操纵激光器的精细转向镜,高灵敏度探测器,用于补偿大气像差的自适应和相干光学,用于编码和解码信号的高速数字处理设备,以及帮助光学信号处理组件小型化的光子集成芯片(PIC)。


除了技术进步外,对越来越多的数据带宽的需求也推动了行业对自由空间网络的兴趣,无论是高于地球表面的空间还是在地表上。

巨型通信网络


世界各地对更多带宽的推动促使一些公司部署超大型通信网络,有时由数千颗卫星组成,其中大部分由自由空间光学系统连接,能够与地面终端交换光学数据信号。


通常情况下,这些卫星中的一颗携带四个光学通信终端,瞄准同一网络中的四个周边卫星,形成一个网状的网络矩阵。这些网络不仅可以提供高速数据传输而且还具有内置冗余功能,通过它信号可以很容易地绕过发生故障的卫星。光信号在网状网络中互相传输,并且可以通过激光与地面系统进行通信。


“在卫星系统中,来自地球终端的激光信号必须在卫星越过地平线时锁定在卫星上,然后等待视线降低到可接受的水平,然后才能以最大速度传输数据,”位于荷兰埃因霍温的Aircision的科学总监兼联合创始人John Reid说。“减少视线可以减少大气湍流对光学信号的失真。”


欧洲数据中继系统(EDRS)是第一个报告千兆速度激光卫星通信的研究小组,这是空客和欧洲航天局(ESA)之间的商业合作协议。该网络的部分目的是支持由欧空局和欧盟委员会共同管理的“哥白尼计划”。据估计,该项目将需要星载通信基础设施每天从太空向地面传输数TB的地球观测数据。实时向地面站提供这些数据对于对陆地、海洋和冰的时间关键性监测以及政府和安全服务非常有用。


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欧洲数据中继系统利用低地球轨道(LEO)与地球静止卫星间的链接,向地面传输大型数据集。通过与地面站保持恒定视线的地球静止卫星传输数据,因此不再需要长时间等待合适的链接。


总部设在德国光学终端专家TESAT的激光通信产品经理Herwig Zech说:“这个方案使我们能够大大增加可以下载的数据量。此外,还可以实现向地面的实时数据传输。”这种静止轨道也是每天能够下行超过一兆字节的地球观测数据的部分原因。


随着对更多低地球轨道通信网络的需求增长,对更多卫星的需求也将增长。今天,发射几个低地球轨道通信网络的计划正在进行中,这将使在轨的FSO终端的数量成倍增加。推动这一趋势的组织和举措包括Telesat Lightspeed LEO网络(188颗卫星)、Rivada空间网络(600颗卫星)和Project Kuiper(3236颗卫星)。


SpaceX的Starlink拥有12000颗卫星,也许是最引人注目的星链计划,也是最大的低地球轨道卫星星链。它的卫星占据了海拔约550公里的轨道(相对接近地球),以将延迟降低到约20毫秒并支持高数据速率运行如游戏和流媒体,速度为50至500兆比特/秒。


与固定的地下通信光纤不同,这些星链可以被人为操纵到任何需要的地点。例如,这种需求可能包括在自然或人为灾害期间的保持通信。去年年初,一卡车的插入式终端被运送到乌克兰,以弥补俄罗斯轰炸对该国境内通信设施造成的联系中断。


地面天线也为乌克兰军队提供了一条重要的生命线,通过它,用户可以连接到最近的卫星,然后与位于邻国波兰的地面站进行通信。Zech说:“能够承受严格的机械、热和辐射条件的高性能但价格低廉的光学系统,对于星链计划的成功至关重要。”这些系统将包括具有足够光输出功率的光放大器、具有高数据速率能力的电子器件和经过空间验证的指向、采集和跟踪算法,以在卫星之间建立长距离的联系。


荷兰应用科学研究组织TNO的卫星通信业务开发人员Ewa Kadziolka说,未来几年,需要更多的标准化来进一步调整和实施FSO。供应商将寻找快速和可扩展的小型终端,并具有高度的互操作性,而用户将需要具有高可用性的快速连接。

数据需求推动FSO发展


今后的卫星将更多地使用光学系统实现相连,而今天的地面到卫星通信是通过传统的射频(RF)或微波链路传输。问题是,这一空间正在迅速变得拥挤。与光学频谱不同,保留射频和微波传输频段需要许可证,这促使人们对在卫星到地面通信中采用FSO的兴趣越来越大。除了规避对许可证的竞争外,这也可以将数据传输率推向100Gbit/s及以上的范围。


“实施的最大障碍是对空间资质的投资,”RAL Space的创新技术主管Andy Vick说,“RAL Space是英国研究和创新的空间中心,是科学和技术设施委员会的一部分。供应商可以关注的最好东西可能是密封包装,因为这有助于解决大多数环境挑战,并将加速技术的空间鉴定。”


TESAT的Zech表示,地面光纤网络经常达到100Gbit/s或更高的数据速率。然而,在空间无线光网络中利用这项技术,需要对其进行非常不同的工作环境鉴定。他说:“我们的目标是确定100Gbit/s模块中可能在空间恶劣条件下受到影响的潜在元素或部件,并找到应对这种情况的措施。”


这项工作已经在TESAT进行了,该公司将100Gbit/s的生物定向ConLCT80无线光调制解调器进行了测试,以确保按照美国太空发展局的标准进行可靠的编码和成帧。该公司进一步测试了该终端的数据速率、波长兼容性、跟踪音调、波形捕捉和连续数据传输,因为它将在SDA的0号传输层星座上进行太空操作,将于今年3月发射。


另一个高数据率、符合空间条件的激光终端,是TNO的TOmCAT(Terabit Optical Communication Adaptive Terminal)项目的一部分,该项目始于两年前,是TNO和荷兰空客防务与Airbus Defence之间的一项协议,旨在将TOmCAT终端商业化。2022年9月,该财团在荷兰演示了一个超过10公里的地面激光通信链路,声称这是第一个使用常规基础设施在现实世界条件下运行的光学数据连接。不过,这次演习也为地对空平台提供了一个概念证明。


Kadziolka说:“这是一个地对空光链路的例子,可以提供1 Tbits/s及以上的数据传输速度。机载光终端甚至可以将飞机连接到卫星网络,为空中的人们提供连接。”

确保传输的安全性


FSO非常适合于安全的基于量子的光学技术,其中单光子源和探测器用于加密数据,并在长距离上安全地传输数据。实际上,FSO链路不会造成与光纤网络上的量子密钥分发(QKD)技术相同的传输损耗和有限距离。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。


Reid说:“QKD的企业市场是一个有趣的领域,许多企业都与我们公司接洽,希望部署一个专用的安全现场网络。目前,QKD由于缺乏合适的光放大器来克服光纤传输的限制而止步不前,但FSO可能会提供一种解决方案。”


他说,寻求Aircision的企业是高科技和金融业。但国防部门也可以从传统方法无法检测、窃听或黑客攻击的通信渠道中获益。Reid表示,FSO上的量子加密已经发展到一定程度,一些北约成员国的海军测试船正在测试该技术用于舰对舰通信,但挑战依然存在。

地面收发器


地对空网络的大气限制,同样也阻碍了地面FSO通信的发展。但随着关键光学组件成本的降低,地面FSO系统正看到取代光纤通信的希望。


Joost Verberk表示:“自由空间微波和射频技术无法跟上FSO系统的速度和范围。EFFEC Photonics BV的产品管理总监。“对于10G以上的任何传输,微波技术都将不再有效。此外,投资有线光纤部署在只有少数客户的偏远社区,也没有太大的意义。”


用于相干光传输的收发器技术近年来取得了显著进步。最初开发用于光纤传输的100Gbit/s相干收发器现在相对便宜且易于获得。更高速的收发器也有望提供400和800Gbit/s的更高比特率。


Aircision的Reid表示:“这将在未来的FSO系统中发挥作用,我们可以利用这项工作为运营商提供带宽可扩展的系统。这是运营商在购买技术解决方案时的一个重要考虑因素:它必须有足够的证明,因为它将为未来通信系统升级提供可靠的路径。”


如果一项面向未来的技术不能在短期内提供投资回报,那么没有意义。然而,随着一些FSO系统的规划,由于该技术被认为具有很高的可靠性,这将有助于推动行业企业追加投资。Reid说:如果新技术能以较低的总成本产生市场份额,那么更多的下游运营商就会倾向于采用新技术。


例如Aircision和EFFECT Photonics之间的合作,旨在通过结合集成和自由空间光子学的优势,推动地对地FSO技术的发展。2021年底,Aircision公司成功地展示了首个10Gbit/s FSO系统,此时,EFFECT Photonics公司联手帮助将该技术封装在一个更紧凑、更低功耗的可插拔光收发器中,这可能成为未来更高效和有效的FSO系统的模型。


除了允许更高带宽的自由空间传输外,该可插拔收发器还可以传输5公里以上,这意味着需要更少的设备,消耗更少的电力。该系统还可以在6小时内部署完毕,这意味着系统升级会很方便。

FSO技术的未来


对更快、高容量通信和数据速率的追求,保证了FSO的强劲市场前景。未来的趋势是越来越普及的物联网,它将数据连接到数十亿台设备并与之进行通信,例如从汽车、集装箱到照明和监控摄像头。FSO将数据交换扩展到有线基础设施之外的能力,将确保该技术发挥关键作用。


目前,光无线通信技术已经取得了巨大进步,特别是在大气层之上;但在地面,安全、高带宽的信息传输仍有很长的路要走。未来,6G移动系统将推出,标准化委员会正在制定规范。但有一点已经很清楚:提议的6G要求将需要更多的带宽。这将是所有目前使用的技术都必须应对的挑战。FSO可以在这方面发挥重要作用,为运营商提供能够满足回程网络所需带宽的额外技术。


作者:Marie Freebody(PHOTONICS Media特约编辑)


来源:荣格-《国际工业激光商情》

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