一、為什么宇宙通信需要 "換跑道"？

—— 從射頻時代到激光革命

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

以歐洲航天局的 "木星冰衛(wèi)星探測器"（JUICE）為例，它每天僅有 8 小時的通信窗口，最多只能傳回 1.4 GB 數(shù)據(jù) —— 相當于一部高清電影的容量。而 NASA 的火星勘測軌道器（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。若未來執(zhí)行載人火星任務(wù)，宇航員想與地球進行視頻通話，現(xiàn)有射頻技術(shù)根本無法滿足需求。

問題出在射頻頻譜的 "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，信號在深空傳輸中會隨距離平方衰減：當探測器飛到 10 天文單位（約 15 億公里）外，射頻信號的強度會衰減到原來的萬分之一，就像在嘈雜的體育館里聽遠處一根針掉在地上的聲音。

這時，激光通信站了出來。作為 "光的信使"，1550 nm波長激光的頻率高達193 THz，意味著它能攜帶的信息容量是射頻的10-100倍——相當于把鄉(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 項目如何挑戰(zhàn) 2.7 天文單位？

2023年10月，NASA的"Psyche"探測器發(fā)射升空，目標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 —— 在最遠 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為這場試驗"搭起了地面舞臺"：在希臘伯羅奔尼撒半島，兩個天文臺被改造成激光通信的 "前哨站"—— 赫爾莫斯天文臺（Helmos）部署 "地面激光接收器"（GLR），克里奧內(nèi)里天文臺（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的"阿里斯塔克斯望遠鏡"上，這臺望遠鏡口徑2.28米，能收集極其微弱的激光信號。信號進入望遠鏡后，先經(jīng)過1/4波片（QWP）和偏振分束器（PBS），把光信號分成兩束：一束進入InGaAs相機用于瞄準跟蹤，另一束則送往SNSPD陣列進行數(shù)據(jù)接收。

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

為了應(yīng)對大氣湍流導(dǎo)致的光束抖動，GLR沒有采用復(fù)雜的自適應(yīng)光學（AO）系統(tǒng)（會浪費寶貴的光子），而是用"快速轉(zhuǎn)向鏡"（FSM）和四象限SNSPD進行實時校正。FSM能以微秒級的速度調(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1 kW激光器組成"陣列"，總功率達7 kW。這些激光在1064.1 nm波長上發(fā)射，采用3.8147 kHz的方波脈沖調(diào)制，既能作為 "信標" 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，激光和射頻的競爭從未停止。通過對比兩者的關(guān)鍵參數(shù)和性能，我們能更清晰地看到激光的優(yōu)勢與局限。

核心參數(shù)大比拼

從硬件指標來看，激光系統(tǒng)的 "身材" 更小巧："Psyche" 探測器的激光發(fā)射孔徑僅 0.22 米，而 Ka 波段射頻發(fā)射天線直徑達 3 米；激光的平均發(fā)射功率 4 W，遠低于 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：其接收望遠鏡孔徑僅 2.28 米，遠小于 Ka 波段 34 米的巨型天線，但必須配備超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）這一關(guān)鍵設(shè)備。經(jīng)過十余年商業(yè)化發(fā)展，SNSPD 已在量子通信、激光雷達等領(lǐng)域驗證了穩(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)勢隨距離變化呈現(xiàn) "先揚后抑" 的特點。當距離較近（如小于 10 天文單位）時，激光的容量遠超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。因為激光的帶寬近乎無限（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。

但當距離超過某個臨界點（R*），激光的容量會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?），衰減速度遠超 Ka 波段（始終1/R2）。這是因為在極遠距離上，激光光子太少，信噪比急劇下降，就像 "信使" 太少，無法把信息完整傳遞出去?？茖W家們通過模擬發(fā)現(xiàn)，這個臨界點 R約在 100 天文單位左右。

現(xiàn)實挑戰(zhàn)：不止于距離

除了衰減，激光還面臨 "瞄準難題"。在 2.7 天文單位的距離上，哪怕發(fā)射端的瞄準誤差只有 0.1 角秒（相當于從地球看月球上的一塊硬幣），光束也會偏離接收端數(shù)萬公里。因此，"Psyche" 的 DSOC 載荷需要用 "超前瞄準角"（PAA）技術(shù)，根據(jù)航天器和地球的運動提前計算瞄準方向。

大氣影響也不容忽視。當激光穿過大氣層時，湍流會讓光束 "跳舞"，導(dǎo)致信號強度波動（即 "大氣閃爍"）；云霧更是會直接 "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 波段的射頻信號受天氣影響小得多，堪稱 "全天候通信員"。