这种自由空间光学系统可以促进太空通信

在核心信息网络中，光纤早已取代了铜线。但这不是事实自由空间光学通信利用光学激光在空气中传输数据。尽管与目前所依赖的传统无线电频率通信相比，FSO有潜力提供数量级以上的数据容量，但由于一些原因，这项技术一直停留在发射台上大气干扰可以吸收并分散信号，以及地面站与轨道卫星之间通信的严格采集和跟踪要求。

但是现在研究人员来自国际射电天文研究中心，在澳大利亚西部，已经开发了一种相干FSO链路在地面光学终端和安装在机载无人机上的反向反射器之间的湍流大气中，以1550纳米的高度运行。他们的研究结果于今年发表10月科学报告．

“我们已经能够保持稳定的单模光纤耦合，从而实现不间断的每秒100千兆字节的光数据链路，”该项目的团队负责人Shane Walsh说。“我们通过以每秒1.5度的角速率跟踪无人机来做到这一点，这相当于跟踪近地轨道(LEO)上的卫星。”

沃尔什说，由于相干通信的数据容量更大，并与标准光纤兼容，现在可以在低轨道卫星和适当装备的地面站之间开发每秒太比特的通信。他补充道:“你可以把它看作是把地对空通信从拨号上网速度提升到超高速宽带速度。”

“研究人员采用的这种多学科方法和测试结果令人印象深刻。艾伦·威尔纳是电气工程教授他在南加州大学专攻光通信。“他们似乎缓解了自由空间光通信的一些关键问题，比如在湍流中通信，以及以与低轨道卫星通信所需的速度指向和跟踪。”

本杰明·迪克斯-马修斯(Benjamin Dix-Matthews)正在为该项目研究光学器件，他描述了所使用的设置。一个PlaneWave Instruments L-350直接驱动支架用于实现对目标的跟踪。与它相连的是一个光学面包板，里面装有跟踪和采集系统。其中包括一个用于初始跟踪的GPS模块，一个提供中间采集和跟踪的闭环机器视觉(MV)系统，以及一个倾斜自适应光学(AO)系统，该系统由一个直径2英寸的镜面连接到一个商用压电倾斜/倾斜平台组成。

“在使用无线电频率进行通信方面，我们已经达到了我们所能做的极限，至少不是没有很多痛苦。所以我们可能会采用新的光学技术。我也没有看到任何明显的阻碍研究人员的方法进一步发展的因素。——艾伦·威尔纳

“尖端/倾斜AO系统的工作频率为200赫兹，”迪克斯-马修斯说。“它具有校正出射光束的光束漂移以保持指向精度的双重作用，它还可以校正返回光束的到达角以保持光纤耦合效率。”

考虑到“跟踪和处理湍流的挑战，将光耦合到单模光纤中并不是一件容易的事情，”威尔纳说。“研究人员能够做到这一点值得注意。”

沃尔什说，为了测试这项技术，他们在该研究所物理大楼的屋顶上设置了终端，这里海拔34米。为了模拟LEO卫星的角度运动，他们使用了一架无人机，该无人机配备了一个安装在万向节上的角锥反向反射器，可返回1550纳米信号，四个绿色信标led用于机器视觉跟踪，以及一个用于定位万向节的摄像机。还包括GPS和一个大气压高度计，以中继初始坐标到光学终端。

无人机在120米的高度飞行，在700米的视距内完成了1.4公里长的激光折叠链路。最初，万向节是由飞行员手动调整的，这样信标就朝向支架。下一阶段，GPS模块将无人机的位置传输到终端计算机，使软件能够将终端指向目标。目标定位后，MV环路关闭，并调整安装指向以跟踪无人机信标。然后关闭尖端/倾斜循环，以提供精细的跟踪。MV和尖端/倾斜回路同时运行，以保持跟踪，并校正光束漂移和风抖振。

沃尔什说:“我们进行了大约30次试飞，让无人机在空中飞行，模拟与近地轨道卫星的自由空间光学链路所需的跟踪速率。”“尽管有大气湍流和宏观运动，我们仍然能够维持每秒100gb的连接。”

“太空机构和大公司对自由空间光通信感兴趣是有充分理由的，”威尔纳说。“在使用无线电频率进行通信方面，我们已经达到了我们所能做的极限，至少不是没有很多痛苦。所以我们可能会采用新的光学技术。我也没有看到任何明显的阻碍研究人员方法进一步发展的因素。”

终端需要进一步优化，中频系统将需要为卫星使用进行更改。沃尔什说，下一步是在高空飞行的飞机上测试这项技术，之后将开始在卫星上进行测试。

此外，研究人员正在开发一个专门建造的光通信地面站，他们相信这将导致该技术的商业化。沃尔什说，为此，他们正在与澳大利亚三家与太空相关的公司合作。“因此，我们预计在2023年的某个时候接收到我们的第一条低轨道下行链路，并希望在未来几年提供商业高数据速率相干光通信。”