王建宇院士作主題演講《雷射通信一一空間大數據的高速公路》

10月22日上午，在2020上海靜安國際大數據論壇上，中科院院士、中科院上海分院院長王建宇作主題演講，圍繞空間雷射通信和深空探測中的雷射通信、海洋探測中的雷射通信等方向帶來前沿分享。以下為演講內容精彩節選。

中科院院士、中科院上海分院院長王建宇

空間雷射通信

空間技術傳統分類有對地觀測、導航定位、衛星通信、科學實驗。近年來，空間技術對人類的挑戰非常大，國際上提出，把網際網路建到太空中去，這樣一來，地球上任何地方，都能隨時隨地用到網絡。

美國SpaceX提出天上放一萬多顆衛星，就能形成空間網際網路。中國對於空間網際網路也非常重視和支持。空間技術發展之後，通導遙一體化，一顆衛星兼有通信、導航、遙感的性能，綜合性衛星提升了在天上辦事的效率。

目前的空間通信一般採用微波。例如我們以前有調幅和調頻的收音機，調頻收音機頻率較高，含的信息量比較大，音質就比較好。後來有了電視，電視信息量增多，需要更高的頻率去調製。到衛星之後不斷發展，從微波到地面的雷射通信，載波的頻率越來越高，能傳輸的信息量也越來越大。

空間信息怎麼傳送是個大問題，雷射t通信有可能解決這個問題，在傳輸上把頻率和數據量提高上去。

光通信特點是高帶寬容量，重量輕、體積小，而且雷射通信不受電磁頻譜限制，佔用的資源非常少。光通信載波頻率可以比一般的微波高三個數量級，重量輕，體積小，另外光打到的地方才能收到，保密性強。

國際上光通信的網絡非常多，專門的光通信網絡包括偵查衛星、多媒體衛星、小衛星、偵查衛星、導航定位衛星。由於光通信怕雲怕下雨，所以往往對地還是採用微波。在空間裡面，可以全部採用雷射的連接。從1995年開始，國際上就有人研究光通信。中國在這個領域也緊跟腳步。

歐洲和日本最早在光通信領域取得了成功。據說美國發射的第一顆衛星，沒有捕獲，被歐洲、日本搶了先。美國這個項目壞掉了，就馬上去做別的事，到2013年，美國在月球上，利用雷射通信，把一段視頻從月球傳到了地球，這段視頻的雷射發射終埠徑只有10釐米，傳輸速率達到了622M。

中國也非常重視雷射通信。2011年，海洋二號搭載演示， 2016年，量子衛星墨子號載人航天裡面搭載了雷射通信，特別是第二代相干雷射通信，速率已經能提高到每秒鐘5個G。第二代相干雷射通信，把雷射裡面的相位信息利用起來，通過雷射相互幹涉來傳遞信息，靈敏度能夠提高很多。

最近我們國家對於空間近地組網的計劃非常多。科技創新2030用了雷射通信的手段，計劃2022年示範驗證，中國的航天科工、科技，都在做雷射通信。值得關注的是，雷射通信的商業價值已經被看到，有專門的企業研究在天上能不能進行商業化的數據傳送。中科深鏈準備用商業化的方法，做幾顆高軌的衛星，作為基站，然後把月球作為一個基點，連接數據，再通過一些小衛星，作為低軌的空間中轉，建立起一個以中繼載荷為中心，配備深空、高軌和低軌小衛星構建天地中繼雷射的通信網絡，結合自有的地面運管和商業化運行，為空間數據傳輸提供服務。這套系統具備全天候、全天時，雙向高速數據通信、無需頻譜資源審批、抗幹擾能力強，商業化的開放服務，按需使用的特點。

深空探測中的雷射通信

月地距地大概40萬公裡，如果用傳統的強度調製，要500瓦的雷射，這是衛星的能源系統支撐不起的，所以不具備可行性，即使用相干探測第二代也是由困難的。所以最新的技術是基於光子探測的雷射通信，能把原來的靈敏度提高兩到三個數量級。

研究當中，有一定的難點。比如怎麼把信號調到單光子裡面去，還有探測在深空當中怎麼對準，這些技術還在探索當中。我們要有新的容錯技術，能夠達到日常通信所需要的容錯率，就是讓它誤碼率減少到10的-8到-9次方左右。像這種情況下，如果在光子上不加特別的編碼，它的誤碼率是非常非常高的，加了以後，它馬上可靠度就提高上去了。

還有它要探測一個個光子，而且有些光子同時到來，要把它們區分開。有一種探測器，叫超導納米線探測器，我們先把探測器溫度放在沒有電阻的地方，這個時候一個光子上去，足夠把探測器的溫度，從超導點以下變到超導點以上，這樣電阻變得很大，就會出來一個脈衝。

對比一下，例如月球通信，通信距離是40萬公裡，如果用光子的方法大概能達到兩個G，發射口徑只要20毫米兩瓦。哪怕是到火星通信，兩億公裡，大概還能達到4Mbps的速率，發射功率也就20、10瓦。

如果用最快的微波X波段對比，大概能傳250K，要求衛星上的口徑是1米，地面口徑要30米才能做到。

海洋探測中的雷射通信

水下雷射通信包括水下與水面通信、水下與空中通信，水下與太空通信。

水下通信常用辦法是用聲納，但是聲納通信速率低，保密性差。所以也想用雷射通信，但是水下用光通信存在困難。通過研究，發現在藍綠光這個波段有可能實現。理論上來說，水下通信容量可達到十個G，但是水對光的吸收較大，藍綠光波段穿過的海洋，在大洋深處約200米，近岸約50米，水越乾淨，大概能通的距離越遠。

英國做了一個系統，傳輸速率約12.5兆，通信距離約150米。但是要注意， 12.5兆，一定不是在150米距離完成的，可能10米的時候能達到，但是150米的時候大概只有幾兆。

我們研究跨介質的藍綠雷射通信，並且在深度1120米下做了實驗，已經能夠達到3.2K，這個數據看起來低，但是綜合性能已經優於國際上公開報導的系統。

目前還在做是把量子的辦法用到海裡去，這個也進展良好，國際上報導最遠的是200米、10M，而我們能夠做到500米，通信速率不低於1Mbps。

今天就給大家帶來這些雷射通信的新內容分享，謝謝大家。