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新世纪，科技发展日新月异，采用高频激光进行空间卫星通信已经成为现代通信技术发展的新热点。卫星光通信是人们经过多年探索并于近几年取得突破性进展的新技术。它是一种崭新的空间通信手段，利用人造地球卫星作为中继站转发激光信号，从而实现在多个卫星之间以及卫星与地面设备之间的通信。由于卫星光通信具有诸多优点，所以吸引着各国专家锲而不舍的探索。近几年，美国、欧空局各成员国、日本等国都对卫星光通信技术极其重视，对卫星光通信系统所涉及的各项关键技术展开了全面深入的研究。
随着遥感器分辨率不断提高，对传输速率的要求也越来越高，因此用传统的微波数据传输方式难度很大。在这种情况下，倘若改用激光通信传输，那么便可比较容易的满足要求，就其通道终端设备自身而言实现难度相对较小。当然，事物都有两面性，由于激光通信的波束很窄（一般为几十微弧度），对两个都处于运动的通信系统来说，激光束的捕获、跟踪和瞄准都具有较大的挑战性，是急待攻关解决的难题。空间激光通信作为高性能卫星通信技术中的关键性课题，国际上开展了大量的研究工作，美、欧、日等国投入大量的人力物力进行相关技术的研究和空间光通信实验装置的开发。
国外卫星激光通信星间
链路系统概况
未来的空间通信网络既包括轨道间链路(IOL)，同时又包括星间链路(ISL)。通常所说的星间链路是IOL和ISL的总称。目前国际上所开展的有关星间链路的研究主要是指IOL。IOL是指由地球低轨(LEO)到地球同步轨道(GEO)间的链路；而ISL是指占据相同轨道的既可以是LEO也可以是GEO的卫星间的链路。
星间链路一般被认为是多波束卫星的一种特殊波束，该波束并不指向地球而是指向其它卫星。卫星网络互联本身就含有卫星之间的互联以及卫星与地面站之间的互联两层含义。今天，在卫星光通信领域已取得突破性进展———成功的实现了卫星———地面、卫星———卫星之间的光通信试验。
欧洲的空间激光通信的发展基于欧洲各国的合作，欧空局（ESA）在卫星激光通信的研究方面也投入了大量资金，先后研制了以不同星间链路为背景的一系列卫星激光通信终端，如SILEX和SOUT。SILEX系统的一个终端装于欧空局的中继卫星ARTEMIS，另一个终端装于法国地球观测卫星SPOT-4。2001年11月21日顺利建立了激光通信链路，实现了50Mbps速率的激光通信试验。这是世界上进行的首次星间激光链路试验，是卫星激光通信领域一项里程碑式的进展。
日本开展卫星激光通信的研究尽管较晚，但是进展却很快。日本已于1995年利用装于ETS-VI卫星上的激光通信终端成功地与地面站进行了激光通信实验，尽管此次实验的数率仅为1.04Mbps，但这是世界上首次成功进行的星地激光通信试验。日本NASDA研制的LCE激光通信实验系统1996年与美国的JPL的地面站进行了双向激光通信试验，日本的宇宙开发事业团（NASDA）还研制了专门的激光通信实验卫星OICETS，计划与ESA的ARTEMIS之间进行激光通信实验。
美国是世界上开展空间光通信研究最早的国家之一，研究工作经过了地面演示验证、关键技术研究以及星间和星地空间激光通信试验过程，已经实施了多个有关卫星激光通信的研究计划，投入了大量的资金研制了多个卫星激光通信实验终端，如NASA支持的LCDS、MIT林肯实验室的LITE系统，NASA的喷气推进实验室（JPL）已研制成的2×600Mbps卫星激光通信终端，美国军方BMDO建立了低轨卫星－地面站激光链路终端，数据率为1Gbps，并在积极进行小卫星星座中激光星间链路终端的研制。
俄罗斯在星间激光通信方面也取得了较好的成果，俄罗斯的星间激光数据传输系统（ILDTS）已用于载人空间站、飞行器等。
目前，国际上已完成了空间激光通信链路的概念研究，关键技术和核心部件已解决，已实现了低轨卫星对同步卫星的低、中码速率激光通信实验和进行了低轨卫星对地面站的激光通信实验。这些通信实验系统达到了高捕获概率，短捕获时间，抗多种干扰的高灵敏度动态跟瞄和较高传输数据率，同时研制了激光链路系统评估测试平台及分析、仿真软件。下面的表1是国外激光通信系统研究情况的一个大致概括：
国外已完成和正在进行研究的几个激光通信系统的性能参数概况如表2所示。
取得空间实验成功的SILEX系统是欧洲宇航局研制的，包括两个飞行器的空间光通信终端，其中高轨道（GEO）空间光通信终端载于欧洲航天局的ARTEMIS同步卫星上，低轨道（LEO）空间光通信终端载于法国的地球观测卫星Spot-4上。该系统于2001年11月21日顺利建立了光通信链路，完成50Mbps的光通信试验。
取得空间实验成功的另一个系统是日本邮政省通信实验室(CRL)研制的LCE系统，于1995年取得了星地激光链接的成功。
随着空间激光通信涉及的关键技术的解决，空间激光通信技术与系统的日趋完善，系统实验已经全面进入星载实验阶段，空间激光通信应用范围越来越大，卫星工程技术研究也进一步深化。目前，空间激光通信的主要发展趋势是：
1、原理性实验系统向建立工程实用的系统转化；
2、展更高传输速率系统；
3、向小型化及轻量化发展；
4、实现星间组网。
国外卫星激光通信系统
具体关键技术最新进展
激光通信系统构成大致可分为以下几个部分,激光器、探测器、高速调制和解调、高速电系统单元、高精度的APT组成、高质量的光系统和天线、高稳定的机械结构等。下面对激光器技术、APT技术、调制与接收技术、振动抑制技术目前发展情况予以简单的介绍。
1、激光器技术
用于建立激光链路的光源，一直是激光通信的关键技术之一，由于受到光传输介质及探测器的影响，对激光波长的研究主要集中在800nm、1000nm及1550nm三个波段，除去激光通信第一代气体激光器，其后用于星上的激光器研究主要集中在与以上三种波长对应的半导体激光器、固体激光器和光纤激光器。
（1）半导体激光器 半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的激光器。它的优点在于超小的外形体积、极高的转换效率、结构简单等。在已进行的星间、星-地试验中几乎都采用半导体激光器。但半导体激光器相比较与别的激光器，缺点是发射光功率较小、波长稳定性差、线宽较宽、调制速度较低。相对于别的缺点，发射功率是它最大的缺点，SILEX系统中，信标光使用了19只半导体激光器，STRV-2系统不管是信标还是信号都使用了多只激光器。多只激光器复合会带来别的问题。针对于发射功率限制，一种被称为主控振荡功率放大(MOPA)的半导体器件被采用。根据所公布资料中MOPA的参数可以看出，半导体激光器功率小的问题已获得初步解决，只要MOPA的功率环境能满足空间环境的要求，半导体激光器会被更广泛的应用于星间和星地激光链接。
（2）固体激光器 固体激光器因其体积大、转换效率低并未被星上应用看好，但随着探测灵敏度对调制方式选择，固体激光器波长稳定性好、发射功率可以做得很大的优点受到重视。特别是Nd:YAG固体激光器，比较适合空间应用。
Nd:YAG激光器优异的性能使其可采用各种调制方式，虽然1064nm的波长落在APD的高增益区外，但基于PSK调制、直接采用光零差解调的检测方式，可使探测器灵敏度大幅提高，几乎等于量子极限∽9光子/比特。据资料报道，Nd:YAG激光器的在保证性能的情况下，已通过各种空间环境试验，满足空间飞行条件。
长期以来，Nd:YAG激光器的电光转换效率是它的一个突出缺点，现在这一情况已经部分得到改善，通过采用性能比较好的半导体激光二极管作为泵浦光源，可以提高Nd:YAG激光器的电光转换效率，使其达到较高的程度。
（3）光纤激光器 光纤通信技术到目前为止，已经是一项非常成熟的技术，不管是体积、转换效率、光束质量、发射功率、谱线宽度、波长稳定性还是调制速率，都可以通过对陆上已有的器件经过比较简单的技术加工而使其满足星上应用。在接收端已经存在的低噪前置光纤放大器，也可以满足接收端对灵敏度的要求。
目前光纤激光器用于星上最大的问题是空间光到光纤的耦合问题。耦合问题包括耦合效率问题和耦合头的污染问题。目前已有1550nm的星间激光通信系统正在研究，如果耦合效率问题和耦合头的污染问题能很好的得到解决，光纤激光器及光纤前置放大器能满足空间环境要求，采用1550nm的光纤无线高速星间、星地通信系统的链路建立应该没有多大问题。
2、捕获、瞄准、跟踪技术
所有的星间、星地激光通信系统，都将APT技术列为关键技术之一，在茫茫太空，以μrad量级的发散角度，在两个相对高速运动的终端之间建立通信链路，能正确的捕获、瞄准、跟踪变成了能进行通信的前提。APT技术在理论上没有多大问题，但由于APT系统所采用的传感器的不同造成了APT系统之间的差异。
早期的及已有飞行记录的激光通信系统，基本上都采用800nm的光波段建立链路，其捕获、跟踪都采用对该波段比较敏感的CCD或四象限作为传感器。
随着1064nm和1550nm波段的广泛研究应用，与该波段相匹配的APT技术和元器件研究受到重视。捕获阶段由于对视场角的要求，只能采用大视场的CCD或四象限作为传感器，跟踪由于和通信联系更为紧密而出现了与通信波段、调制方式及放大策略密切相关的方法。
3、调制、接收技术
激光链路的调制与接收技术集中反映了通信系统的情况。调制方式大致分为调幅、调频、调相，与之对应的接收方式直接强度探测和相干（外差）探测。调频调制方式在激光通信中在组成系统的复杂性和灵敏度方面都没有优势，目前不被采用。直接强度探测（DD），即非相干探测，这种方法具有结构简单、成本低、易实现等优点。相干（外差）探测，这种方法具有接收灵敏度高、抗干扰能力强等优点，但系统较为复杂，对元器件性能要求较高，特别是对波长的稳定性和谱线宽度。
在800nm的通信波段，结合半导体激光器的特点，一般采用直接光强度调制(IM)/直接强度探测（DD）的方式，现在这一波段的调制速率单信道不超过1Gbps。除系统简单外，这一波段的另一个优点是，能够采用对光有内置放大作用的APD探测器。
在1550nm波段，更多的继承了陆地上光纤通信系统的特点，一般也采用的是幅度调制和解调的方式，但它的幅度调制是基于相位的幅度调制外加功率放大的方法，而接收端一般采用光纤前置放大加强度探测的接收技术，对于该波段单信道调制速率40Gbps已经是几年前的报道。
相干探测技术在激光通信中发展较晚也比较缓慢，主要原因是实际应用中光纤通信更适合需要。光纤通信中采用比较简单的幅度调制即可获得极高的传输速率，而传输距离和功率的问题通过简单的中继光纤放大器可以解决，这些优点抑制了相干技术的发展。
相干检测技术的发展，本来也是一个渐进的过程，先是外差和差分检测，最后的目标是零差检测。相干检测通常可比非相干直接探测在灵敏度上高约10～20dB。但受限于激光器发射功率、频率稳定度及线宽，对激光相干技术1064nm和1550nm两个波段是可选的工作频段。
相干系统最大的优点是检测灵敏度高，由于对系统元器件的要求比较高，在向零差系统PSK发展的过程中，形成了多种相干检测系统。表3给出一个对不同的相干检测系统，码速率1.25Gbps、误码率10-7、在1064nm波段各系统探测灵敏度（以光子数/比特表示）及相对于零差PSK，各检测系统灵敏度下降（dB）情况。
从以上的表格可以看出零差PSK系统、同步外差PSK系统、差分检测DPSK能够满足-53dBm要求，其中零差PSK的灵敏度是最高，同步外差PSK次之，差分检测DPSK的灵敏度最低。
4、振动抑制技术
振动抑制是困扰卫星光通信的一个重要问题，从开环捕获、闭环跟踪到光通信各个环节，该问题都成为影响系统性能的重要因素。
最早提出的抑制措施主要集中在结构方面，采用对结构的被动控制和主动控制来抑制振动。被动控制是通过优化结构设计，依靠结构本身的阻尼消耗振动能量；主动控制是将外部的能量输入受控系统，与系统本身能量相互抵消来实现振动抑制。
随着激光通信的深入，在注重结构抑制的同时，就通信系统设计本身也引入了对付振动的方法，大致可归结为以下几种方法：
（1）调整带宽 通过调整带宽或是改变接收机的参数来改变接收功率，从而补偿发射机振动对通信系统性能的影响，适用于低频抑制。
（2）调整探测阵列 用N×M个象素组成的探测矩阵，基于在每个象素中对信号噪声振幅的认识，通过调整探测阵列中的每个象素各自的增益，可以使误码率降到最低适用于低频抑制。
（3）调整波束宽度 使用相位阵列技术，使用一个振动振幅测量单元和一个可调增益的天线。如果振动振幅测量单元探测到振动振幅在发生变化时，它将调整天线增益使之达到一个合适的值，达到新的振动水平，最终使通信系统性能达到优化。
（4）功率控制 依振动改变发射功率，这种方法总体上可节省发射功率，又可以对付振动达到有的放矢的目的。
（5）采用多样性的星间链路 该方法基于星间组网，通过使用一系列不相关的传播链路来传输相同的信息，而达到避免使用性能非常差的信道，来增加通信链路的有效连接的几率。
结束语
资料显示，目前在研的激光通信链路系统及在研机构相比较于上世纪八、九十年代有所减少，这并不代表激光通信相比较与微波通信没有优势，也不代表激光通信没有市场，仅是激光链路从理论研究和试验阶段向实用化、商业化的发展过程中出现的一种必然趋势，符合优胜劣汰的规律。以在激光通信链路系统这一领域的三个集团为例，下面作一简要分析评述：
ESA是星间、星地激光链路系统设计中处于优势的竞争者，在SILEX之后紧接着研制了小光学用户终端SOUT，甚小光学用户终端VSOUT，高级激光通信终端ALCT和短距离星间链路终端SROIL。以他们目前的实力，完全可以打通所有星间的连接，但他们研究的范围领域仍在扩大，有迹象表明ESA在1064nm领域的研究也已明显处于优势。
日本是最早在星-地激光链接试验中获得成功的国家，在搭载激光系统LCE的卫星出现故障后，日本并没有停止原有的OICETS的发射计划，而是对LUCE系统实施了更周密、更可靠的测试计划。
美国STRV-2计划星-地激光链接试验的失败，对其是一个打击，但早在1995年，利用日本的LCE系统，美国已取得部分直接试验数据，我们更应该相信STRV-2是一个有继承性的激光链接计划，回顾STRV-2上的激光终端配置，多信标、多接收信道、多发射信道、多种码速率(最低155Mbps)，总体上采用模块化设计，一旦星-地双向激光链接成功，其能验证的星-地、星间链接项目之多令人吃惊。2001年5月18日，美国的GEO-LITE卫星进入轨道，其上装有一个由MITLL研制的激光通信终端。
空间光通信的优点以及其巨大的发展潜力，无疑将是今后高码速率通信的一个方向，可以看出在这一领域中，欧、日、美的领先地位已相当明显，并且今后的竞争将更加日趋激烈。
我国在空间激光通信系统技术开展比较系统的协作性研究比较晚，一方面，应当承认在这一领域与处于世界领先地位的其他国家之间存在有相当大的差距，并且给予高度重视，加快研究的进程，提高研究的效率，以便能够及时跟上他们前进的步伐。另外一方面，由于有国外的经验可以借鉴，如果抓住机遇，一定会在较短时间内实现赶上世界发达国家研究水平的目标。未来适时研制有光通信系统的卫星星座或通过国际合作租用国际上现成的卫星光通信信道，并建设卫星光通信地球站，以便日后利用卫星光通信系统进行载人航天器对地通信。结合我国目前的情况，对今后未来的发展给出如下建议：
1、星间、星地激光通信领域，应有一个明确的、长远的发展目标和计划；
2、激光通信领域，在突出重点研究的同时，应兼顾到相对更有发展前途的别的波段、频段的关键技术研究，以便在其“瓶颈”技术得到突破后，能立即将其应用到实际中去；
3、借鉴欧、日、美等国在这一领域成功的经验和失败的教训，对其成功的经验应充分利用，对其失败之处应坚决避免。
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