随着各国对深空的探索和对宇宙空间的争夺，空间激光通信的竞争日益激烈。空间激光通信同光纤通信一样，都为人们建立了通信的信息高速公路，空间激光通信网络与光纤通信网络存在着许多相似点和不同点。本文简要介绍空间激光通信相关内容，从传统光通信角度，分析空间激光通信中遇到的一些问题，并从构建高速、大容量、低时延空间通信全光网络的角度，分析光纤通信网络中一些技术，在空间激光通信组网中的应用。
Claude E. Shannon 和Warren Weaver提出的现代意义上的通信模型由信源、信道、信宿组成，该模型适用于有线通信与无线通信。
通信的过程是把信息从一端传向另一端的过程，对任意一个通信系统，都可以从以上三个通信系统的基本要素进行考察。对于光纤通信系统，是一个将信息加载到光波上，并以光纤作为传输信道，再通过光接收机解调信号的通信传输过程。光纤通信常见的三个通信窗口的波长范围为：850nm、1310nm和1550nm，为了进一步提高通带带宽，现在往往发展的是C+L波段。光纤通信作为常用的有线通信的一种方式，具有大带宽、高速率、抗电磁干扰等优点，适合组建陆地上的骨干传输网和本地接入网；然而建立光纤通信系统也面临着工程浩大、施工周期长、运维管理困难、设备不能灵活转移等诸多不便。因此无线通信的方式进入人们的研究视野，无线通信是利用大气或自由空间作为传输信道，不需要像铺设光纤那样拥有浩大的信道建设工程，能够克服复杂地形、恶劣自然环境对光纤铺设的带来的阻碍，抗毁能力强。人们在日常生活中能感受到的无线通信包括手机通讯、广播无线电通信、微波通信等。以微波通信为例，由于微波频段在300MHz-300GHz，频率较高，波长较短，因此微波的绕射能力较弱，遇到障碍物时，功率容易出现大的衰减，因此微波通信常采用视距通信的方式，即要在视线所及的范围内不断假设微波中继站，才能实现远距离通信传输。
随着人们对宇宙空间的探索，深空通信迎来新的发展机遇。《“十三五”国家科技创新规划》中，提出了我国要建设天地一体化信息网络的目标。对天地一体化信息网络的主流定义为：由天基骨干网、天基接入网、地基节点网组成，并与地面互联网和移动通信网互联互通，建成“全球覆盖、随遇接入、按需服务、安全可信”的天地一体化信息网络体系。随着航天技术的快速发展和各类航天器对数据通信传输要求的提高，人们在探索深空、建立天基节点时，需要发展高速率、大容量、抗干扰性能好的卫星通信系统，利用微波和传统的有线通信方式显然已无法满足要求，这时空间激光通信应运而生。
空间激光通信主要是利用激光作为载波，将信息调制到激光上，并利用光学发射天线将信号发射出去，利用大气或者宇宙空间作为传输信道，用光学天线接收激光信号，再用高灵敏度的光接收机对信号进行解调，实现通信传输的目标。相对光纤通信系统，空间激光通信的信道变成了大气通道或者宇宙空间；相比微波通信系统，空间激光通信选用的通信波段大多在840nm、1064nm和1550nm窗口。可以看出空间激光通信系统的信源主要包括高速激光信号的产生和光学发射天线、信道主要是大气或宇宙空间、接收系统主要是光学接收天线和光信号的接收，围绕这三个方面也衍生出许多空间激光通信中要解决的科学问题。
空间激光通信的信道包括大气信道、宇宙空间、水下信道以及室内信道等。例如由于大气信道的随机性、复杂性和多变性，光波在大气中传播时会受到大气的散射、反射、折射、吸收等影响，导致光功率严重衰减，比如大气中的雨、雾、霾、强太阳背景噪声等；同时，大气湍流又会引起空间激光通信系统的不稳定性，抑制大气湍流是空间激光通信关键技术之一。这些因素都会导致激光信号在经过大气信道传输后，功率严重衰减，信噪比严重恶化，因此利用光学接收天线对具有大背景噪声的微弱光信号进行接收后，高速激光信号由天线送入光接收机的过程需要利用低损耗光纤，同时再利用高灵敏度光接收机解调光信号时，需要对天线接收下来的大背景噪声的弱光信号进行预处理才能有效解调，比如低噪放大、匹配滤波和再生等。因此，在空间激光通信系统中，对弱光信号进行高速全光低噪的信息处理，仍然是十分重要和必要的。在光纤通信系统中，信息量大、信号调制格式复杂等因素，使得依赖于非线性光学发展的全光信息处理手段实用化比较困难，但在空间激光通信中，由于信号调制格式简答、空间激光通信网络相对简单、空间节点信息处理较为简单等特点，使得基于非线性光学效应发展的全光再生、光参量放大等全光处理手段具有独特优势，对简单的空间激光通信网络更为适用。所以在空间激光通信系统的网络节点处完成对信号调制格式的转换、高速ADC采样、全光3R再生、光时分解复用等操作也是全光信息领域的一个热门研究领域。
从通信的角度来看，大功率的激光源技术是实现超远距离深空通信的关键技术之一。空间激光通信要求光源发射功率大、调制速率高，因为光信号在超远距离的传播中，面对复杂的传输信道环境，衰减会非常严重；这就需要发展另一项关键的高灵敏度高抗干扰的光接收机技术，经过超远距离传输的光信号，功率微弱噪声大。一方面要对光信号进行低噪放大等的预处理，另一方面就是要提高接收机灵敏度。解决了信源产生和信宿接收的问题，就要注意到空间激光通信需要一对收发天线将激光信号发射到自由空间中、并从空间中对光信号进行接收。因此精密、可靠、高增益的收发天线，也是空间激光通信系统中不可或缺的关键技术之一。另外，激光的方向性较好，要想实现发端和收端的有效信息传输，需要收发端进行对准，即需要发展精确的瞄准、捕获、跟踪技术（PAT）。同光纤通信系统一样，空间激光通信系统同样需要先进的算法对接收到的光信号进行电域处理，比如多径信道的信道均衡问题。
当前，空间激光通信也正在经历激烈的国际竞争，主要国家和组织都在开展相关理论研究和实验验证。其中美国、欧洲、日本等纷纷制定了各自有关深空通信的发展计划，并通过发射深空探测器来验证空间激光通信。美国于2005年就进行了月球激光通信演示的验证（LLCD），验证了地月距离38万公里的激光通信技术，成功利用激光传回了月球探测器的高清图像数据。其他还有欧洲航天局（ESA）的数据中继卫星系统计划（EDRS）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的光数据中继卫星计划（JDRS），以及我国的海洋二号卫星对地激光通信和墨子号量子通讯卫星实验等系统。2020年4月20号，中国航天科技集团有限公司报道了我国实践二十号卫星激光通信通过在轨验证的消息，这是我国首套高速高阶相干激光通信终端在轨圆满完成第一阶段实验任务，也是首次在轨验证了QPSK调制格式的相干光通信，速率高达10Gbps。中科院西安光学精密器械研究所以及上海光学精密器械研究所、哈尔滨工业大学等多个科研院所都在研究和参与空间激光通信方面的理论研究和实验验证。随着人类对宇宙空间探索活跃度的上升，越来越多的探测器将被用来组建空间信息网络，一个高速、大容量、低时延、抗干扰的空间激光通信网络将会逐渐组建而成。
驭光而行，惟光独尊！地面上的光通信系统，与空间中的光通信系统，共同为人们搭建信息传输的高速公路！回到光通信上面，围绕空间激光通信系统在信源发射、信道传输、信宿接收方面存在的问题，广大光通信从业者、学习者，能够做些什么或者怎样将现有知识技术应用到空间激光通信系统中，对大家都是一个挑战，但同样也是机遇！
（内容简略，难免出错，欢迎提出宝贵建议！）
参考文献：
1. Claude E. Shannon, Warren Weaver. The Mathematical Theory of Communication. The University of Illinois Press, Urbana. 1964.
2. 高铎瑞, 李天伦, 孙悦. 空间激光通信最新进展与发展趋势[J]. 中国光学, 2018, 11(6):901-913.
3. http://slc.optics.org.cn/home.html.
4. http://www.sasac.gov.cn/n2588025/n2588124/c14387315/content.html.
5. 黄新宁, 非线性光学参量效应在空间激光通信网络中的应用, 中国科学院大学, 2019.
6. 空间激光通信与应用, 王天枢, 长春理工大学,2020.
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