一、為什么宇宙通信需要 "換跑道"？

—— 從射頻時(shí)代到激光革命

在人類探索太空的前 60 年里，無(wú)線電波（射頻）是聯(lián)系地球與航天器的 "唯一紐帶"。從月球探測(cè)器到火星車，X 波段（8-12GHz）和 Ka 波段（26.5-40GHz）的射頻信號(hào)像 "太空郵差" 一樣，日復(fù)一日地傳遞著數(shù)據(jù)。但隨著深空探測(cè)進(jìn)入 "高清時(shí)代"，這個(gè) "老郵差" 越來(lái)越力不從心。

以歐洲航天局的 "木星冰衛(wèi)星探測(cè)器"（JUICE）為例，它每天僅有 8 小時(shí)的通信窗口，最多只能傳回 1.4 GB 數(shù)據(jù) —— 相當(dāng)于一部高清電影的容量。而 NASA 的火星勘測(cè)軌道器（MRO），最高數(shù)據(jù)速率僅 5.2 Mbps，連流暢播放短視頻都做不到。若未來(lái)執(zhí)行載人火星任務(wù)，宇航員想與地球進(jìn)行視頻通話，現(xiàn)有射頻技術(shù)根本無(wú)法滿足需求。

問(wèn)題出在射頻頻譜的 "先天不足"。就像高速公路的車道有限，射頻波段早已擁擠不堪，而其信息容量（帶寬）受物理定律限制，難以突破。更麻煩的是，信號(hào)在深空傳輸中會(huì)隨距離平方衰減：當(dāng)探測(cè)器飛到 10 天文單位（約 15 億公里）外，射頻信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)衰減到原來(lái)的萬(wàn)分之一，就像在嘈雜的體育館里聽遠(yuǎn)處一根針掉在地上的聲音。

這時(shí)，激光通信站了出來(lái)。作為 "光的信使"，1550 nm波長(zhǎng)激光的頻率高達(dá)193 THz，意味著它能攜帶的信息容量是射頻的10-100倍——相當(dāng)于把鄉(xiāng)村小路拓寬成了多車道高速公路。

三、飛向小行星的 "激光先鋒"

——DSOC 項(xiàng)目如何挑戰(zhàn) 2.7 天文單位？

2023年10月，NASA的"Psyche"探測(cè)器發(fā)射升空，目標(biāo)是前往位于火星和木星之間的"16 Psyche"小行星。它攜帶的"深空光通信"（DSOC）載荷，正在執(zhí)行人類史上最具野心的光通信試驗(yàn) —— 在最遠(yuǎn) 2.7 天文單位（約 4 億公里）的距離上，建立端到端的高效光子通信鏈路。

ESA為這場(chǎng)試驗(yàn)"搭起了地面舞臺(tái)"：在希臘伯羅奔尼撒半島，兩個(gè)天文臺(tái)被改造成激光通信的 "前哨站"—— 赫爾莫斯天文臺(tái)（Helmos）部署 "地面激光接收器"（GLR），克里奧內(nèi)里天文臺(tái)（Kryoneri）部署 "地面激光發(fā)射器"（GLT），兩地相距 37 公里，形成"非共址雙基地" 架構(gòu)。

GLR的"接收秘籍"：它搭載在赫爾莫斯天文臺(tái)的"阿里斯塔克斯望遠(yuǎn)鏡"上，這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡口徑2.28米，能收集極其微弱的激光信號(hào)。信號(hào)進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡后，先經(jīng)過(guò)1/4波片（QWP）和偏振分束器（PBS），把光信號(hào)分成兩束：一束進(jìn)入InGaAs相機(jī)用于瞄準(zhǔn)跟蹤，另一束則送往SNSPD陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。

SNSPD陣列的核心是回形超導(dǎo)納米線，只有當(dāng)入射光的偏振方向與納米線平行時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)最高效率的探測(cè)。為此，科學(xué)家們加裝了半波片（HWP）來(lái)調(diào)整偏振方向，就像給信號(hào)"調(diào)整姿勢(shì)"，確保能被納米線"抓住"。

為了應(yīng)對(duì)大氣湍流導(dǎo)致的光束抖動(dòng)，GLR沒有采用復(fù)雜的自適應(yīng)光學(xué)（AO）系統(tǒng)（會(huì)浪費(fèi)寶貴的光子），而是用"快速轉(zhuǎn)向鏡"（FSM）和四象限SNSPD進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。FSM能以微秒級(jí)的速度調(diào)整角度，把光斑穩(wěn)定在60 微米x 60微米的SNSPD陣列上。

GLT的"發(fā)射王牌"：它由7個(gè)1 kW激光器組成"陣列"，總功率達(dá)7 kW。這些激光在1064.1 nm波長(zhǎng)上發(fā)射，采用3.8147 kHz的方波脈沖調(diào)制，既能作為 "信標(biāo)" 幫助航天器定位，又能攜帶指令數(shù)據(jù)。

7 束激光被設(shè)計(jì)成 "非相干合成"，每束光的發(fā)散角為 20 微弧度，這樣在 2.7 天文單位的最遠(yuǎn)距離上，光斑直徑仍能控制在合理范圍，確保航天器能接收到至少4 pW/m2的功率。

四、激光 VS 射頻：

誰(shuí)是深空通信的 "終極贏家"？

在深空通信的 "賽道" 上，激光和射頻的競(jìng)爭(zhēng)從未停止。通過(guò)對(duì)比兩者的關(guān)鍵參數(shù)和性能，我們能更清晰地看到激光的優(yōu)勢(shì)與局限。

核心參數(shù)大比拼

從硬件指標(biāo)來(lái)看，激光系統(tǒng)的 "身材" 更小巧："Psyche" 探測(cè)器的激光發(fā)射孔徑僅 0.22 米，而 Ka 波段射頻發(fā)射天線直徑達(dá) 3 米；激光的平均發(fā)射功率 4 W，遠(yuǎn)低于 Ka 波段的 35 W，更節(jié)省航天器能源。

激光系統(tǒng)的地面設(shè)備呈現(xiàn)出 "以精代大" 的特點(diǎn)：其接收望遠(yuǎn)鏡孔徑僅 2.28 米，遠(yuǎn)小于 Ka 波段 34 米的巨型天線，但必須配備超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（SNSPD）這一關(guān)鍵設(shè)備。經(jīng)過(guò)十余年商業(yè)化發(fā)展，SNSPD 已在量子通信、激光雷達(dá)等領(lǐng)域驗(yàn)證了穩(wěn)定可靠性，成為支撐深空光通信的成熟技術(shù)基石。相較之下，射頻接收依賴的傳統(tǒng)微波天線雖技術(shù)成熟、部署簡(jiǎn)便，卻受限于帶寬與功率效率的物理瓶頸，與激光系統(tǒng)的傳輸能力差距已形成代際鴻溝。

傳輸性能的 "分水嶺"

在信息容量（即能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量）上，激光的優(yōu)勢(shì)隨距離變化呈現(xiàn) "先揚(yáng)后抑" 的特點(diǎn)。當(dāng)距離較近（如小于 10 天文單位）時(shí)，激光的容量遠(yuǎn)超Ka波段：在2.5天文單位處，激光鏈路的理論容量是 Ka 波段的 100 倍以上。因?yàn)榧す獾膸捊鯚o(wú)限（近紅外波段可提供數(shù) GHz 帶寬），而 Ka 波段的帶寬被限制在500 MHz。

但當(dāng)距離超過(guò)某個(gè)臨界點(diǎn)（R*），激光的容量會(huì)從與距離平方成反比（1/R2）突然轉(zhuǎn)為與距離四次方成反比（1/R?），衰減速度遠(yuǎn)超 Ka 波段（始終1/R2）。這是因?yàn)樵跇O遠(yuǎn)距離上，激光光子太少，信噪比急劇下降，就像 "信使" 太少，無(wú)法把信息完整傳遞出去。科學(xué)家們通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，這個(gè)臨界點(diǎn) R約在 100 天文單位左右。

現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)：不止于距離

除了衰減，激光還面臨 "瞄準(zhǔn)難題"。在 2.7 天文單位的距離上，哪怕發(fā)射端的瞄準(zhǔn)誤差只有 0.1 角秒（相當(dāng)于從地球看月球上的一塊硬幣），光束也會(huì)偏離接收端數(shù)萬(wàn)公里。因此，"Psyche" 的 DSOC 載荷需要用 "超前瞄準(zhǔn)角"（PAA）技術(shù)，根據(jù)航天器和地球的運(yùn)動(dòng)提前計(jì)算瞄準(zhǔn)方向。

大氣影響也不容忽視。當(dāng)激光穿過(guò)大氣層時(shí)，湍流會(huì)讓光束 "跳舞"，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)（即 "大氣閃爍"）；云霧更是會(huì)直接 "吞噬" 激光 —— 這也是 GLT 和 GLR 選址在希臘山區(qū)（晴天多、大氣穩(wěn)定）的原因。相比之下，Ka 波段的射頻信號(hào)受天氣影響小得多，堪稱 "全天候通信員"。