新的可见光深空实验通讯技术可能推动星际通信的发展

如果人类想在太阳系内旅行，就需要能够进行星际间通信。当我们期待着载人登月和火星的任务时，通信技术将带来自20世纪70年代以来从未有过的挑战。

深空飞行任务的空间通信、卫星间数据传输和地球监测需要高速数据连接，目前我们通过无线电信号与机器人任务进行通信。这需要一个大型无线电天线网络来实现。航天器的接收器相对较弱，所以需要向它们发射强烈的无线电信号。它们也会传送相对较弱的信号回来。需要一个大型敏感的无线电天线来捕捉回复。对于地球轨道以外的航天器，这是通过深空网络完成的，它是为这项工作而专门设计的射电望远镜的集合。

人类目前唯一的重大载人飞行任务是国际空间站。由于国际空间站的轨道距离地球只有400公里左右，所以来回发送无线电信号相对容易。但随着人类向太空深处旅行，我们需要一个远比目前强大的深空网络。考虑到大量活跃的太空任务，深空网络已经被推到了它的数据极限。人类任务将需要更多数量级的带宽。

阿波罗登月任务使用了“统一S波段”通讯技术

在阿波罗登月任务中，美国宇航局开发了一种新的无线电通信系统，称为“统一S波段”。早期的低轨道任务使用单独的无线电信道进行语音、遥测和跟踪数据。当时的射电望远镜还不够灵敏，无法从月球远处捕捉到这些独立的数据，所以“统一S波段”将它们合并成一个数据流。但即使这样也不足以捕捉到来自月球的视频信号。“帕克斯”射电望远镜是当时最大、最灵敏的射电天线之一，才捕捉到第一次登月的模糊、低分辨率视频。

当人类重返月球，并准备登陆火星时，不仅需要科学数据传输，还需要实时视频传输、高分辨率图像，甚至是宇航员的推文传输。想象一下，试图在地球和火星之间传输千兆字节的数据。即使是最复杂的无线电网络也无法达到这种级别的带宽。虽然美国宇航局正在研究现代无线电设计，但无线电通信可能无法满足我们的所有需求。覆盖范围从根本上说是由可用的传输功率、孔径大小和接收器的灵敏度决定的。

带有PSA预放大相干接收器的深空通信链路概念图

一项新的研究可能是一种替代方案。它使用的是可见光而不是无线电。虽然可见光由于波长较短，可以携带更多的数据，但它也更容易散射，并且在较短的距离内失去保真度。为了克服这个问题，瑞典查尔姆斯理工大学的科学家提出将信号与第二个参考信号相结合。然后，整个通讯过程会通过一根非线性光纤，产生第三个信号，即所谓的闲置波。然后，这三个信号都会被放大并送上路。在另一端，信号被捕获和处理。

灵敏度(PPB)与光谱效率(比特/秒/赫兹)的对比

由于闲置波依赖于其他两个信号，因此它可以用来重建原始信号，而不会有太多的数据损失。在实验室实验中，该团队达到了10Gb/s以上的数据速率，是现有技术的10倍。

这项研究工作仍然是高度实验性的，所以现在判断它是否能解决人类太空探索的挑战还为时过早。不过，它可能推动星际通信的发展。

《自然》杂志刊登了这项研究报告。