隨著數以千計的衛星被送入軌道，衛星激光通信技術日益受到重視，被視為一項關鍵使能技術。業界認為其結合了無線電通信和光纖通信的優點，具有帶寬高、傳輸快速便捷以及成本低等優勢，是解決信息傳輸“最后一千米”的最佳選擇。
近年來，我國衛星激光通信迎來快速發展：一方面，衛星激光通信試驗取得重大突破。2020年，“實踐二十號”衛星與麗江地面站成功建立激光通信鏈路，實現從衛星到地面站最高10Gbps的下行傳輸速率，其他關鍵指標也已經對齊國際先進標準。
另一方面，資本市場對衛星激光通信的商業化前景看好。以衛星激光通信企業「氦星光聯」為例，2023年4月，公司完成由永徽資本領投，紫金港資本、創享投資、嘉興黑盒以及老股東東證創新、杭州岙華聯合投資的第五輪融資。公司已實現通信單元的在軌驗證。本輪融資距上一輪僅6個月，反映了一級市場對該項目和技術的認可。
什么是衛星激光通信？
衛星的通信方式主要可分為2種：使用電磁波進行通信，以及使用光進行通信。進一步細分，又可分為微波通信、太赫茲通信、激光通信和量子通信。
其中，太赫茲和量子通信或者相關技術仍不完善，或者器件的成熟度還未達到可工業使用的要求，目前距應用仍有較大距離。
目前最成熟的通信方式是微波通信。微波通信在器件、算法等各方面的發展都已經較為成熟。但同時，微波通信也存在一些不足之處。一是長距離傳輸需要較高的功耗，傳輸速率也會受到限制。二是由于星際環境復雜多變，微波通信需要申請特定的頻段，避免與相鄰衛星通信頻率重疊，以防止信號干擾。
相對而言，激光通信技術日益成熟，在星間通信中的使用逐步增多。激光通信受益于地面的光纖通信對產業鏈的催化，其優勢為傳輸速率高、無頻段限制，且對其他任何星間通信不會造成干擾。
衛星激光通信是利用激光作為信號載波，將語音和數據等信息調制到激光上進行傳輸的方式。區別于微波通信，激光光束在空間中充當信息的傳輸載體。按照激光傳輸環境的不同，衛星激光通信分為兩類：一是真空環境下的激光通信，即星間激光通信，主要應用于真空環境中的設備，如衛星與衛星、飛船、空間站等之間的通信；二是在大氣環境下進行的激光通信，即星地激光通信，這種通信技術應用比較廣泛，如用于衛星與地面、海上用戶及空中飛行器的連接等。
衛星激光通信的核心技術要素包括關鍵組件、通信體制和對準捕獲方式。
其關鍵組件包括激光發射器、發射光學鏡頭、接收光學鏡頭、激光接收器、控制硬件等。
空間激光通信共有兩種最常用的通信體制：相干通信和非相干通信。目前，相干通信和非相干通信都已在國際上完成在軌關鍵技術驗證，并開始了大規模的組網建設部署。相比之下，在工程應用場景中，相干體制適用于鏈路距離較遠且速率較高的情況，而非相干體制則適用于鏈路距離較近且速率較低的情況。
對準捕獲方式包括信標光和非信標光兩種。“信標光+信號光”捕獲方案是指激光通信終端使用單獨的信標光。通過使用較寬的信標光束按照一定的掃描方式對不確定區域進行掃描。終端使用大視場的捕獲探測器來監測接收信標光的質心位置，以實現對信標光的捕獲和跟蹤，進而將信號光引導至跟蹤探測器接收視場，進行精確跟蹤，最終實現激光建立通信鏈路。
“非信標光”捕獲方案則是指在工作過程中不使用信標光，直接使用信號光進行掃描，并通過對信號光進行分光，實現光通信終端之間的捕獲和跟蹤功能。
非信標光對準示意圖
來源：武鳳等《基于空間成像的衛星光通信雙向捕獲技術》
衛星激光通信的技術優勢和亟待突破的瓶頸
優勢方面，衛星激光通信采用高頻率激光作為載體，具有以下特點：
通信速率高：傳統微波通信載波頻率在幾GHz到幾十GHz范圍內，而激光載波頻率具有數百THz量級，比微波高 3~5個數量級，可攜帶更多信息，加上波分復用等手段，未來可以以Tbps速率傳輸信息。
抗干擾能力強：激光具有較窄的發散角，指向性好，沒有衛星電磁頻譜資源限制約束（因此無需申請空間頻率使用許可證），通信過程中不易受外界干擾，抗干擾能力強。
保密性好：衛星激光通信波譜使用0.8~1.55μm波段，屬于不可見光，通信時不易被發現。而激光發散角小，束寬極窄，在空間中不易被捕獲，保證了激光通信所需的安全性和可靠性。
輕量化：激光波長比微波波長小3~5個數量級，激光通信系統所需的收發光學天線、發射與接收部件等器件與微波所需器件相比，尺寸小，重量輕，可滿足空間衛星通信對星上有效載荷小型化、輕量化、低功耗的要求。
節省建設成本：通過激光通信建立星間激光鏈路，可以有效減少地面信關站的建設需求；同時有助于數據流匯聚，進而簡化衛星網絡結構，從而多方面節省建設成本。
瓶頸方面，激光通信技術也面臨著亟待突破之處：
接收機和發射機之間的瞄準系統復雜：衛星激光通信發散角小，需要光學系統以及高精度的跟瞄輔助機制完成建鏈。尤其是接收機和發射機之間的瞄準非常困難。空間光通信系統要完成遠距離衛星間光信號的發射與接收，必須進行遠距離衛星間或者空間站間目標的捕獲與跟蹤，前者依賴于激光通信系統，后者取決于光學跟瞄系統（PAT）。
發射天線和接收天線的效率、精度、體積、重量和成本的平衡難度較高：出于獲取最小光斑的需求，發射天線可以設計成接近衍射極限，但同時給精確對準帶來了困難。為了接收更多的能量信號，接收天線直徑越大越好，但這會增加系統的體積、重量和成本。提高接收靈敏度十分重要。
遠距離傳輸容易出現信號衰弱和延時等問題：衛星距離地面的高度介于600千米~3.6萬千米。激光通信的實用化，仍面臨較大挑戰。尤其是環境對激光通信信號會有較大干擾。雖然激光通信不受電磁干擾，但大氣中的氣體分子、水霧、霾等與激光波長相近的粒子會引起光的吸收和散射，極大地妨礙、吸收光波的傳輸；同時，大氣湍流也會嚴重地影響到信號的接收。
全球衛星激光通信發展概況
近年來，由于星座網絡的戰略重要性日益凸顯，衛星激光通信開始吸引大眾的視線，并且呈加速發展態勢，成為大國間博弈的熱點。
美國
2015年以來，美國已開展多項衛星激光通信驗證、演示計劃和產業應用，在該領域的技術發展走在全球前列。
SpaceX 2015年宣布開始布局 “星鏈”項目；2019年，正式將首批60顆衛星發送入軌道，在星間采用衛星光通信技術。大規模的衛星激光通信技術得到采用，使衛星激光通信正式向產業化方向發展。
美國Optical Communication and Sensor Demonstration（OCSD）衛星驗證了微小衛星可以通過激光星間鏈路實現高速率星地通信，打破了此前對激光星間通信在體積和質量上的限制。OCSD-A星于2015年10月發射，OCSD-B/C星于2017年11月發射，分別驗證了衛星對地面空間站可以通過激光星間鏈路實現較高的通信速率。
類似地，麻省理工學院、佛羅里達大學和美國航空航天局埃姆斯研究中心聯合研制的立方衛星激光紅外連接CLICK系統也用于驗證星間、星地激光通信。CLICK系統可以展示低SWaP激光終端，能夠進行全雙工高數據速率下行和星間連接，以提高精確測距和時間同步。
2022年5月，搭載太字節紅外傳輸器（TeraByte InfraRed Delivery，TBIRD）的小型立方體衛星通過光通信鏈路與加利福尼亞州的地面接收器以高達100Gbps的速率傳輸了TB級數據，較傳統上用于衛星通信的射頻鏈路高1000多倍，也是截至目前從空間到地面的激光鏈路所能達到的最高數據速率。
2023年6月，美國NASA宣布其首個雙向激光中繼系統演示項目（LCRD）完成第一年在軌實驗。LCRD將連續兩年在運行環境中進行高數據速率激光通信，演示激光通信如何滿足NASA對更高數據速率的不斷增長的需求。同時，LCRD的架構將允許它作為空間中的測試平臺，用于開發額外的符號編碼、鏈路和網絡層協議等。NASA相關負責人認為該技術可能將成為從太空發送和接收數據的未來技術手段。
此外，NASA 2022年還推進了另一個深空光通信DSOC飛行演示。空間和地面之間的通信將在近紅外區域使用先進的激光器，在尋求在不增加質量、體積或功率的情況下，將通信性能提高10~100倍。
歐洲
歐洲在衛星中繼領域已有成熟的激光通信應用。
歐洲數據中繼系統EDRS基于GEO衛星平臺建立的衛星中繼平臺，搭載了激光和Ka兩種模式的通信載荷，通過該終端載荷連接低軌到高軌和高軌到地面的通信，可以為低軌衛星用戶、航空用戶、無人機用戶和地面終端設備提供中繼服務，其通信距離為4.5萬千米。
2016年6月，EDRS-A采用了星間激光通信，信息速率為600Mbps，每天為40顆低高軌衛星提供中繼服務。2019年8月，EDRS-C成功發射到地球靜止軌道運行，其激光星間鏈路的實現終端架設于SmallGEO開發的平臺上。預計于2025年補充的第三顆衛星EDRS-D的有效載荷將由三個下一代激光通信終端組成，以允許EDRS-D與多顆衛星同時通信。它將包含三組激光終端，預計實現高達8萬千米的傳輸距離，可將亞太地區數據傳到歐洲以實現全球數據中繼服務。
德國TESAT公司推出了一系列激光終端可以適應多任務需求。對于近地軌道任務，TESAT推出了SmartLCT終端，它可以部署在更小、更輕的衛星上，從而節省大量的質量和空間。SmartLCT的數據傳輸距離長達4.5萬千米，同時可提供1.8Gbps的高速數據傳輸，僅重約30kg。
在小衛星領域，TESAT的激光產品系列提供小質量的TOSIRIS和CubeLCT。它們分別以10Gbps或100Mbps的速度傳輸對地數據，其中TOSIRIS僅重8kg。通過激光終端構建地球數據骨干網，TESAT可以實現近乎實時的全球數據傳輸。
德國Mynaric公司推出CONDOR Mk3激光終端，可提供在7500千米距離上達到10Gbps的通信速率。終端設計壽命7年，較上一代產品的通信能力有大幅提升。
中國
我國空間激光通信技術的研究工作開始于20世紀90年代，主要研究衛星激光通信整機研制，高精度光學天線和跟瞄系統優化，激光器、光放大器和探測器等核心器件服務質量提高和模塊化定制等技術難點。
作為國內第一次星地激光通信在軌技術試驗，“海洋二號”衛星于2011年成功入軌，通過非相干通信，可以實現2000千米距離星地通信，最高通信速率可達504Mbps。
在此之后，“墨子號”量子衛星于2016年成功發射，通過相干調制方式實現了5.12Gbps的激光通信速率，能夠支持具備高維圖像和視頻信息的加密傳輸。
2016年，“天宮二號”與新疆南山地面站成功實現了激光通信實驗， 其激光終端的數據下行速率為1.6Gbps。該載荷也首次實現了白晝激光通信，其載荷跟蹤能力在白晝時與夜晚情況接近。
2017年，“實踐十三號”衛星實現全球第一次同步軌道衛星與地面的雙向高速激光通信，通信速率最高可達5Gbps，通信距離最高可以支持4.5萬千米，刷新了當時國際高軌星地激光最高通信數據率。
2020年，“實踐二十號”衛星與麗江地面站成功建立激光通信鏈路，實現從衛星到地面站最高10Gbps的下行傳輸速率，其他關鍵指標也已經對齊國際先進標準。
2023年6月，中國科學院空天信息創新研究院利用自主研制的500毫米口徑激光通信地面系統，與長光衛星技術股份有限公司所屬吉林一號MF02A04星成功開展星地激光通信試驗，通信速率達到10Gbps，所獲衛星載荷數據質量良好，可滿足高標準業務化應用需求。
可以看出，中國在衛星激光通信領域的技術發展已與歐洲相當，但落后于美國。
衛星激光通信未來前景展望
衛星激光通信已顯示出應用場景廣泛、市場潛力巨大的樂觀前景。
應用場景方面，除了在軍事通信領域作用重大，可以建立軍事通信網絡，實現遠程通信和機密通信等以外。在如下民用領域衛星激光通信開始顯現出良好的應用潛力：
互聯網通信：可支持建立全球范圍的互聯網通信網絡，為各種應用提供高速的互聯網接入服務
海洋通信：可在海洋上建立通信網絡，為海上作業、船舶通信等提供穩定的通信服務
天文觀測：能用于天文觀測，通過在地球表面搭建多個觀測站，利用激光光束與衛星進行通信，實現空間天文學的觀測和研究
應急通信：可在抗震救災、突發事件等緊急情況下，彌補移動通信受損等不足
市場前景方面，根據太平洋證券預測，我國2027年衛星激光通信終端市場規模將達到130.38億元，2024-2027年間CAGR將達68.4%。
2024-2027年中國衛星激光通信終端市場規模預測（億元）
來源：太平洋證券
