激光通信取得突破 传输速度提高4800倍

过去一年，全球科技取得了不少突破及进展。激光通信按其应用范围可以划分为光纤通信和无线激光通信两类。激光通信技术由于其单色性好、方向性强、光功率集中、难以窃听、成本低、安装快等特点，引起各国的高度重视。在激光通信领域，去年较为耀眼的主要有两大事件。

双向激光通信传输速度提高4800倍

去年5月麻省理工学院科学家表示，他们研发出一种快速传送大量数据、使其轻松穿越辽阔太空的方法。这可能为月球上的宇航员提供一个“宽带网络”。这是卫星光学组件的一个电脑辅助设计蓝图。

美国宇航局的月球激光通信演示包括月球大气与尘埃环境探测器和地球间的双向激光通信。它展示了这样一个方法可能传输大量数据。这意味着高清视频可从地球传送到外太空，也可能从外太空发送到地球。

通过专业激光通信设备，这个科研组已进行把数据从地球传送到月球的测试。这个记录比以前的传输速度高出4800倍。麻省理工学院林肯实验室的马克·史蒂文斯表示：“这是我们首次公布研究成果的概述以及它是如何运作的。在轨性能非常优越，很接近我们预计的结果，这使我们相信对基础物理学有了很好的理解。”

2013年，这个科研组的月球激光通信演示（LLCD）以每秒622兆位的下载速度在月球和地球间传输数据超过23.9万英里（约合38.5万公里）。这个传输速度超过任何无线电频率（RF）系统。另外，他们还以每秒19.44兆位的传输速度在地球和月球间传送数据。这个速度比迄今所用最好的无线电频率上行链路高出4800倍。

史蒂文斯说：“通过激光束以高数据速率把数据从地球传送到月球目前是个挑战，因为传播光束所需距离高达40万公里。光束穿越大气时，难度加倍，因为湍流可能使接收器的信号快速衰落或中途丧失。我们演示了中等大小云衰减的耐受性以及大气湍流诱发的较大的信号功率的变化。结果证明，即使有很少的信号余量，也会提供没有误差的性能。”尽管月球激光通信演示和近地任务直接相关，但这个科研组预测它还可能适用于深空任务以及火星和外行星任务。

激光脉冲实现超长距离通信

去年7月29日，美国马里兰大学物理学教授霍华德·米尔克伯格和自己的团队创新开发出一种可以让空气具备玻璃导波管一样作用的方法。据其刊发在《光学》月刊上的论文介绍，空气导波管的结构为：一个由低密度空气组成的“外壁”，包裹着充满高密度空气的内芯。而与普通光纤一样，外壁的折射率要低于内芯。这种结构的“空气”导波管能够长距离、无损耗地传送光信号。

目前的光纤产品，其结构一般由透明的玻璃管芯和低折射材料制成的包裹外皮组成。外皮的作用是当光试图逃逸出管芯时，将其反射回来。不过，固体材料有着明显的短板。一是能够控制和驾驭的能量有限，二是离不开铺设管道、安装支架等外部支持，使其无法在诸如大气层甚至太空这样的特殊环境中发挥作用。

霍华德团队制造空气导波管的方法是使用超强激光脉冲。激光脉冲能够在空气中电离出很细的“光丝”，而这些光丝会提高周围空气的温度，令空气扩散，并在其经过之后留下一条低密度的、内部空气折射率低于外部气体的空洞。

光丝存在的时间短得惊人，只有约一万亿分之一秒，而空洞则可以存活几毫秒，几乎是激光脉冲的100万倍。霍华德团队认为，正因为空气导波管能够较长时间存在，因而单个的它就可以传导激光并收集信号。

目前，霍华德的团队正在致力于使空气导波管的长度达到至少50米。凭借该技术，我们不仅可以对大气上层或核反应堆这样的极端环境进行化学分析，改进激光雷达的性能以绘制高分辨率的三维地形图，最终还能在太空中的任意地方随时交流——让人类未来的通信方式发生质的改变。