激光搭建太空“互联网”

    国际空间站站长克里斯·哈德菲尔德也许会让你对形象刻板的宇航员刮目相看——他经常在互联网上发布一些有趣的太空生活视频和照片。尽管他已于今年五月份返回地球，但他返回前，以地球和太空为背景，在空间站零重力的奇妙环境下，演绎的太空站版MV《太空怪人》却吸引粉丝无数。随着人类未来太空活动的更加频繁，在不久的将来，现有的微波通讯方式将不能满足需求。那时，大量的数据将依靠什么技术从空间站、月球甚至火星传回到地球呢？

激光将使卫星通讯赶上高速光纤

    事实上，国际空间站的航天员非常喜欢与地面建立实时连接，因为这是他们枯燥的太空生活中的一大调剂。而由于工作需要，空间站的航天员也需要经常和地面建立联系，例如，召开视频会议、浏览网页和传输任务数据。

    目前，国际空间站的互联网带宽为300MB，是多数家庭网络带宽的10倍以上，虽然能适用于当前的需要，但随着未来人类太空活动的增加，当前的网络带宽将不适应需求。

    美国宇航局正在开发新型激光太空通信系统，以此来实现“太空—地球”远距、大数据通信。这种技术能将卫星通信的速率提高到相当于地球上高速光纤网络的水平。这一套系统的主要部件包括激光器、望远镜、光学系统、探测器组合以及信号处理线路。一旦开始工作，在一个万向架的支承下，望远镜或平面反射镜、中继光学组件、光学跟踪系统以及信号探测组件与激光器和二色分光镜结合起来构成接收和发射系统，可同时发射和接收激光，随之实现信号跟踪和信号输出。

    美国宇航局计划在未来十年对用来实现太空通讯的数据中继卫星系统（TDRSS）进行更新升级。作为多颗中继卫星发送数据至地球的集线中心，第一代TDRSS建立于20世纪80年代末至90年代初，2013年初已发射第三代TDRSS的第一部分。未来，太空旅游和太空旅馆将带来更多的太空游客，在太空登陆互联网将是他们太空生活的重要一部分，激光通讯和TDRSS系统将是理想的太空——地球互联网实现方法。通过这些技术在太空生活的人们，将可以与地球上的家人、朋友进行高清晰视频聊天，互发微博等。

激光通讯设备可减轻空间站负载

    使用激光太空通信系统的优势在于它拥有更高的数据传输速率，而这种速率是之前使用的微波通信系统所达不到的。同时，由于通信光束严格聚焦，激光太空通信系统的抗干扰和防窃听能力非常强，而这种高度准直的光束完全可以实现远距离通信。另外，激光波长比微波短，因而可以借助较小的发射望远镜产生严格聚焦的光束，与相同性能的射频系统所需的微波天线相比，这种发射望远镜要小整整一个量级。对于在空间站上控制通信系统的人来说，这意味着工作大大简化，同时，空间站的重量和负载空间都因激光太空通信系统拥有更小的信号传送器而大大节省。

    但是，太空的环境对于实现激光通讯所需的光学系统来说非常严酷。首先光学系统必须足够牢固，才能经受航天器发射时的冲击和振动。一旦进入轨道，起飞加速器产生的气体、航天器的润滑剂和密封垫的排气，都有可能污染光学系统，从而影响激光通讯。不过，采用密封光学系统和万向架支承的望远镜可以解决这个问题，这种望远镜有抗污染的屏障窗口，因此污染物只会沉淀在外窗上，不会对内部结构有影响。

    使用激光通讯系统还要对付长期的宇宙辐射，这可以采用掺铈玻璃或石英制成的透镜屏蔽关键元件，以及采用辐射强化的电子元件来防御这种威胁。

    激光太空通信系统高保密性、高存活力与抗干扰的优势，既能让太空通讯的“网速”加快，又能减轻重量负担和能量需求。这种技术将来还有可能应用于卫星对海底的通信，以及两架飞机之间的沟通，例如，用在空中加油机和需要加油的战斗机上。也许不久的将来，每个人都将会有机会像国际空间站站长克里斯·哈德菲尔德一样，传回自拍的太空站版MV了！

以激光为基础的太空通信系统

    去年10月，国际空间站的俄罗斯区段首次通过激光将宽带信息传输到地面站。传输数据量为2.8GB，传输速度达到每秒125MB。该激光通信系统从太空发射激光信号，再由地面接收站将激光解调成电信号，从而实现信息传输。

    而美国的工程师正在研究另一项技术——延迟容忍网络，这个网络将使太空网络更好地处理传输和接收之间的时间间隔。美国麻省理工大学的工程师设计的系统还能够消除航天器微小的摆动，这是远距离瞄准和跟踪所要应对的挑战之一。他们相信，未来太空任务将利用激光通信技术的轻质和低功率特点，为实时通信和3D高清晰度视频提供更好的数据质量。

    激光太空通信系统的运用为快捷、可靠的太空通信手段开辟了道路。美国宇航局也于今年开始研讨新一代太空通信系统。他们的计划是用激光代替微波进行通信，以便更快、更有效地发送数据。他们希望能建立激光太空互联网，为未来太空旅客提供便捷网络通信。未来，利用激光通信技术，人类或将开启至月球的快速可靠的数据连接网络，甚至还可以连接至火星和更遥远的星球。  (作者为成都信息工程学院通信工程学院院长)

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激光或可解决大数据储存难题

    澳大利亚斯威本科技大学的研究团队开发出了一种全新的数据存储方式，他们利用激光技术解决了大数据难以储存的问题，可将1PB（1024TB）的数据存储到一张仅DVD大小的聚合物碟片上。

    利用现有的存储方式，如果我们要将1ZB的数据存在蓝光光盘上，需要1000张，堆叠起来约有1米高，而使用目前常用的普通光盘，那么光盘的高度能达到24千米。

    这个研究团队开发出一种新型的有机聚合催化剂，可对光产生2种不同的反映，从而回避了光的固有波长的限制。他们使用的800nm的激光可令这种催化剂分裂为聚合活性物，而当375nm的激光用于这种催化剂时，就会释放阻聚剂，阻止单体聚合。交替使用这两种强度的激光就能够让聚合物的凝聚点最终缩减至9nm，从而增加了数据存储容量。很显然这种新型的存储技术离正式商用还有一段距离，目前仍有许多问题需要解决，但未来我们也许能看到大容量存储光盘出现。