从“烽火狼烟”到星地高速激光通信丨流光E彩
编者按：半个世纪光电情，披星戴月星辰明。中科院之声与中国科学院光电技术研究所联合开设“流光E彩”科普专栏，讲述生活中的光电科普趣事，传播最生动的光电知识，展示最前沿的光电进展。
什么是空间光通信？
提到光通信你会想到什么？是光波、光纤、光缆这些高大上的物理名词吗？其实，光通信有着几千年的悠久历史。早在周代，我们就有了用于军事的光通信系统——烽火台。据《周礼》记载，西周时期，为了防备敌人入侵，采用“烽隧”作为边防告急的联络信号。通过从边疆到腹地的通道上，每隔一段距离筑起一座烽火台，接连不断。在敌人入侵时，烽火台一个接一个地燃放烟火传递警报。这种方式在世界其他地方也存在，约公元前800年，古希腊和罗马人也采用烽火传递信号。18世纪90年代，旗语开始应用于法国航海。不论是烽火、旗语，均采用人的眼睛来接收信息，这些可理解为目视空间光通信。
图1 古代的烽火通信
第一个真正意义上的空间光通信是1880年亚历山大▪格拉汉姆▪贝尔的光电话实验。贝尔用弧光灯或太阳光作为光源，并通过透镜将光聚焦在话筒的振动片上。当人对着话筒讲话时，振动片在音波的激励下振动，进而使反射光的强弱随着话音的强弱产生相应变化，从而将声音信息调制到光波上。载有声音信息的光波经空气传送到接收端，在接收端，利用抛物面镜将光波聚焦到光敏电池上，光敏电池将光能转换成电流并送到听筒，就可以听到从发送端传送过来的声音了。就这样，贝尔用光波“背着”声音信息并传送了约213m的距离。
图2 贝尔光通信试验
贝尔的实验是空间光通信技术的雏形。什么是空间光通信？信息是如何通过光波来传输的呢？日常生活中用到的无线通信（对讲机）和移动通信，其实是“波通信”，无论无线电波和还是光波，其实都是电磁波。空间光通信是以光波为信号载体，不需要使用光纤等波导介质，在大气、真空或水下等自由信道进行信息传输的一种无线通信技术。空间光通信系统通常包括光学天线、发射光端机、信道（真空、大气或水等）和接收光端机。
图3 空间光通信的组成及原理
光学天线（光学望远镜）是用于通信激光的发射和接收的光学系统，若要实现对飞机、卫星等动平台间的光通信，还要求光学天线具备对动平台上的通信激光的捕获、瞄准和跟踪的功能，就如天文爱好者利用光学望远镜对天空中的星光进行捕获和跟踪。
发射光端机用于将电信号转换为光信号，其基本器件包括信号源、光源和调制器。我们在电脑中处理的信息是用0和1表示的比特流，发射光端机是怎样把电信号转换成光信号的呢？一种最简单的产生光比特流的方式叫直接调制。直接调制是用信号直接调制光源的输出光强，光源的输出光功率与驱动电流成正比。调制1的时候，输入到光源的电流大，光源的输出振幅大，能量大，代表信息“1”；调制0的时候，输入到光源的电流小，光源的输出振幅小，能量小，代表信息“0”。在接收端，接收光端机将光信号转换为电信号，接收到大的能量，判决为信息“1”；接收到小的能量，判决为信息“0”，这样，就完成了信息从发送方至接收方的传递。
