□ 科普时报记者 史 诗
一束跨越3100万公里的“光”给我们送来了这样一段有趣的视频：一只叫“土豆”的橘色虎斑猫追逐着一个移动的激光点玩耍。
12月11日，美国国家航空航天局（NASA）“灵神星”号探测器首次利用激光将这段时长15秒的超高清视频从深空传输到地球，打开了新的激光通信大门。
激光通信对环境要求高
“灵神星”号探测器利用一种名为飞行激光收发器的先进设备将上述视频发送回地球。这一距离是地球与月亮之间距离的大约80倍。
“通常条件下，激光通信是使用激光光波作为传输媒介，选取近红外波段激光传输数字信号，再采用近红外探测器接收光子信号，实现高速信号传输。”中国科学院国家空间科学中心研究员孙志斌告诉科普时报记者，根据激光传输环境的不同，可分为真空环境中的星间激光通信和大气环境下的星地激光通信。
据了解，这台飞行激光收发器正是通过发射近红外激光束，将视频传至地面用时101秒，最大传输速率为每秒267兆比特。
“通视是满足激光通信的首要条件。”国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光进一步解释说，发射方和接收方之间应没有遮挡。
此外，由于太阳辐射能量分布在从伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线到无线电波的整个电磁波谱区内，因此激光通信还需避免光束与太阳在一条直线上。与太空中的通信不同，星地激光通信的主要挑战是地球的大气层和云。“若接收方位于地球上，还需考虑气象因素的影响。”杨宇光说，云层、雨雾等都可能导致通信质量下降甚至无法通信。
传输需译成“光语言”
在激光通信过程中，各种信息首先会被转换成串行二进制信号，随后会被编码成一系列的“光语言”。
“由于激光方向性强，需要通过高精度对准平台实现天地收发端精确对准，才能传输信号。”孙志斌说。
NASA此次将激光束瞄准数千万公里之外，需要极其精确的“指向”。随后再将“光语言”转换成原来的数据格式，实现数据传输，建立起一条太空信息传输的高速通道。
“光波属于电磁波，不管波束控制得多好也会发散，不可能是一个理想的平行波束。随着传输距离越来越远，信号会逐渐衰减，类似我们平时打开手电筒的光。”杨宇光说。因此，“灵神星”号探测器配备了大功率激光发射器，并增强信号接收能力。
早前，“灵神星”号探测器启程，探索位于火星和木星之间的金属小行星灵神星。NASA希望在深空展示的这一技术，能够满足未来人类登上火星后传输复杂信息，以及高清图像和视频的需要。
激光通信未来可期
探测器穿越遥远的星际空间，获取和传输数据，离不开通信技术。
“激光通信技术在远距离通信上具有重要优势。”孙志斌说。激光的数据传输速率是传统无线电的10倍至100倍。通过激光通信下载一部高清电影只需几秒钟，而传统无线电通信可能需要几小时。
无线电和近红外激光通信都通过电磁波传输数据，但近红外光以更紧密的波束打包数据，激光光束不仅集中且携带信息量大，其落在接收终端上的功率密度较高，地面站也可接收到更多信息。
“这样一来，在飞行器端就可以采用体积小、功率小、重量轻的近红外半导体激光器、近红外单光子探测器、光学对准平台以及小口径光学望远镜。”孙志斌说。
此外，由于激光波束非常窄，激光通信系统之间相互干扰的可能性大大降低，被拦截的可能性小，用来传输保密数据是个不错的选择。
当然，激光通信技术规模化应用仍面临诸多挑战。“实现卫星对卫星，卫星对地激光通信，还需要发展新型的高效半导体激光器技术、低噪声高灵敏度单光子探测技术、高精度光学对准技术等。”孙志斌说，有的放矢，激光通信还有更多想象空间。