利用激光技术改善空间通信

    甚至在美国宇航局（NASA）存在之前，科幻小说作家阿瑟·C·克拉克就在1945年构思了一艘可以利用光束往地球发送信息的太空飞船。如今，经历了几十年的挫折和碰壁之后，利用光束发送信息的技术终于成熟了。

    以下两艘太空飞船跟太空激光信息传输有关：一艘是美国宇航局的“月球大气和尘埃环境探测器（LADEE）”，于当地时间9月6日发射，任务目标是从月球发回视频和科学数据；另外一艘是欧洲航天局的“阿尔法卫星（Alphasat）”，已于7月25日发射，负责从其他卫星收集科学数据。

    新的地球观测卫星可望每年发送大量数据，但由于太空飞船跟地球的距离变化不定，会造成数据下载速度不稳定，使航天任务发回的数据量受到限制。光学领域最新的研究进展开始扭转这种局势。“该技术已经成熟”，德国特萨特空间通信公司（Tesat-Spacecom）首席科学家弗兰克·海涅说。

    20世纪80年代，欧洲利用改良激光器和光学探测器开始研制首个激光通信系统——半导体卫星间激光连接实验（SILEX）。欧洲航天局的“月亮女神”号（Artemis）卫星装上这个系统后，在2001年从一颗法国人造卫星上每秒钟接收50兆比特的信息，此后在2005年跟日本的一颗人造卫星交换过信息。该项目使工程师学会了如何在太空中固定和调节激光器的方向。

    此后，为了人造卫星之间的通信，海涅的研究小组在特萨特空间通信公司研制了一台激光终端设备，花费了德国航空航天中心9500万欧元。这种激光终端设备通过现代光导纤维技术加强后，获得了数瓦的电能。相比之下，SILEX仅仅能够达到几十毫瓦的电能。2008年，两颗人造卫星上安装的终端设备可以在几千公里的距离上使信息传输速度达到每秒钟数十亿比特。

    欧洲航天局的阿尔法卫星处于对地同步的位置上，可以将激光终端设备的信息输送距离延长到数万公里。然而，欧洲的太空激光器有一个严重的缺陷：尽管它们能够在太空飞船间传递信息，但是跟地面之间的通信仍有问题，必须通过无线电波来完成。

    LADEE航天任务中的激光器可以直接与地球通信。美国宇航局希望LADEE卫星能够使激光通信延伸至月球和其他行星。目前，深太空的航天任务仍然靠无线电传播。

    尽管LADEE卫星的调幅光学系统善于穿越地球上充满湍流的大气，但是在多云的日子里激光被阻时，仍然需要备用无线电连接。为了尽量减少这样的问题，LADEE主要地面接收站位于大部分时间无云的墨西哥沙漠中。（本文编译自英国《自然》杂志网站 原著：Devin Powell 胡德良译）