光極限探測(cè)技術(shù)在空間通信中的應(yīng)用

摘要光是人類最早的科學(xué)研究對(duì)象之一，光子是光的最小能量單元，具備量子的基本特征。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，人類已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單個(gè)光子的極限探測(cè)。光的常規(guī)探測(cè)已經(jīng)普遍應(yīng)用于地面光纖通信中，而光的極限探測(cè)則在空間量子通信及深空超遠(yuǎn)距離光通信中具備重要的應(yīng)用價(jià)值。文章介紹了光極限探測(cè)技術(shù)在空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間光子通信中的典型應(yīng)用及涉及的核心技術(shù)。

1引 言

光是人類生活中必不可少的物質(zhì)，人們對(duì)光的認(rèn)知也經(jīng)歷了很長(zhǎng)的過(guò)程。早在先秦時(shí)期，《墨經(jīng)》中就有關(guān)于光的直線傳播與小孔成像的記載[1]。西方經(jīng)過(guò)歐幾里得、笛卡爾、費(fèi)馬等科學(xué)家的研究，總結(jié)了光的反射、折射等定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)。17世紀(jì)，牛頓發(fā)現(xiàn)了光的色散現(xiàn)象，并提出了光的“微粒說(shuō)”。1690年惠更斯提出了光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)，1801年楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)證明了光的波動(dòng)性。此后，科學(xué)家們圍繞光的波動(dòng)性和粒子性一直爭(zhēng)論不止[2]。直到1905年，愛因斯坦在光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了光子假說(shuō)[3]，認(rèn)為光既是粒子又是波。光是由光子組成的光子流，光的能量和其頻率成正比，并且光子具有“整體性”，只能被整個(gè)地吸收或放出，只有當(dāng)單個(gè)光子的能量大于電子的逸出功時(shí)，才可以激發(fā)出金屬表面的自由電子，即產(chǎn)生光電效應(yīng)。

根據(jù)光電效應(yīng)原理可以進(jìn)行光電探測(cè)，隨著人們對(duì)各類研究的不斷深入，如在量子通信以及超遠(yuǎn)距離光通信研究中，由于發(fā)射端的信號(hào)源本身非常微弱或者傳輸鏈路的損耗非常大，需要在接收端對(duì)各種極微弱的光進(jìn)行探測(cè)，甚至對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行極限探測(cè)。單個(gè)光子所產(chǎn)生的光電流很難檢測(cè)到，因此在進(jìn)行單光子探測(cè)時(shí)，通常使用基于多級(jí)倍增原理的光電倍增管，或者基于半導(dǎo)體雪崩效應(yīng)的蓋革模式雪崩二極管，將光電流進(jìn)行放大以便檢測(cè)。此外，還有一種新型的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)技術(shù)，由于具有更高的探測(cè)效率，更短的死時(shí)間和更低的暗計(jì)數(shù)率，逐漸成為主流的單光子探測(cè)技術(shù)[4]。

本文將圍繞光的極限探測(cè)技術(shù)，介紹其在空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間光子通信中的應(yīng)用，并對(duì)我國(guó)第一顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”，以及國(guó)內(nèi)外的空間光子通信系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

2空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)

光子是光的最小能量單元，具備量子的基本特征，包括波粒二象性、不可分割、測(cè)不準(zhǔn)原理、不可克隆原理等。隨著光子操縱及探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了一門新的交叉學(xué)科——量子信息學(xué)。量子通信是量子信息學(xué)中發(fā)展最成熟的方向之一，其利用量子力學(xué)原理對(duì)量子態(tài)進(jìn)行操控，在兩個(gè)地點(diǎn)之間進(jìn)行信息交互，具備信息論安全的特性。量子通信最為直接的方式是通過(guò)光纖或者近地面自由空間信道傳輸。但是，這兩種信道的損耗都隨著距離的增加而指數(shù)增加。由于量子不可克隆原理，量子通信的信號(hào)不能像經(jīng)典通信那樣被放大，而且光纖傳輸會(huì)引起光子的偏振態(tài)退化效應(yīng)，這使得之前量子通信的世界紀(jì)錄僅為數(shù)百公里量級(jí)[5]。因此，如何實(shí)現(xiàn)安全、長(zhǎng)距離、可實(shí)用化的量子通信是該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)和國(guó)際學(xué)術(shù)界幾十年來(lái)奮斗的共同目標(biāo)。利用外太空幾乎真空因而光信號(hào)損耗非常小的特點(diǎn)，通過(guò)衛(wèi)星的輔助可以大大擴(kuò)展量子通信距離。同時(shí)，由于衛(wèi)星具有方便覆蓋整個(gè)地球的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是在全球尺度上實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離實(shí)用化量子密碼和量子隱形傳態(tài)最有希望的途徑。自本世紀(jì)初以來(lái)，該方向已成為了國(guó)際學(xué)術(shù)界激烈角逐的焦點(diǎn)。

2011年底，中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星”正式立項(xiàng)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所王建宇研究組、上海微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院、國(guó)家空間科學(xué)中心等多個(gè)單位成功研制了“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，于2016年8月16日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空?！澳犹?hào)”量子衛(wèi)星圓滿完成了星地量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)以及隱形傳態(tài)等科學(xué)目標(biāo)[6—8]。衛(wèi)星實(shí)物圖及天地量子實(shí)驗(yàn)照片如圖1所示，其中紅色光束代表地面站發(fā)射的信標(biāo)激光，用來(lái)給衛(wèi)星指示地面位置，綠色線為衛(wèi)星信標(biāo)光點(diǎn)滑過(guò)空間的軌跡。

量子密鑰分發(fā)，顧名思義就是通過(guò)量子態(tài)的傳輸，使遙遠(yuǎn)兩地的用戶共享密鑰，可利用該密鑰對(duì)信息進(jìn)行一次一密的嚴(yán)格加密，這是目前人類已知的不可竊聽、不可破譯的信息論安全的通信方式。量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星發(fā)射量子信號(hào)、地面接收的方式?！澳犹?hào)”量子衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，與地面光學(xué)站建立光鏈路，通信距離從500 km到1200 km。衛(wèi)星上量子密鑰光源平均每秒發(fā)送4000萬(wàn)個(gè)信號(hào)光子，平均成碼率1.1 kbps，一次過(guò)軌實(shí)驗(yàn)可生成300 kbit的安全密鑰[6]。這一重要成果為構(gòu)建覆蓋全球的量子保密通信網(wǎng)絡(luò)奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。以星地量子密鑰分發(fā)為基礎(chǔ)，將衛(wèi)星作為可信中繼，可以實(shí)現(xiàn)地球上任意兩點(diǎn)的密鑰共享，將量子密鑰分發(fā)范圍擴(kuò)展到覆蓋全球。

圖2 星地量子密鑰分發(fā)示意圖

圖2為星地量子密鑰分發(fā)的示意圖[6]，系統(tǒng)由衛(wèi)星與光學(xué)地面站兩部分組成。衛(wèi)星過(guò)境地面站時(shí)通過(guò)光學(xué)與跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng)建立衛(wèi)星與地面站之間的量子光鏈路。衛(wèi)星作為信號(hào)發(fā)射端，通過(guò)四個(gè)激光器(LD1、LD2、LD3、LD4)結(jié)合偏振棱鏡、分光棱鏡、半波片等產(chǎn)生四個(gè)偏振態(tài)(水平、豎直、45°、135°)的激光脈沖，四個(gè)激光器根據(jù)隨機(jī)數(shù)分時(shí)發(fā)光，激光脈沖再經(jīng)過(guò)衰減后使得平均脈沖光子數(shù)小于1個(gè)，也成為誘騙態(tài)量子光源(圖2(b))。地面站采用大口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收衛(wèi)星發(fā)射的微弱光信號(hào)，通過(guò)分光棱鏡、偏振棱鏡、半波片等對(duì)衛(wèi)星量子信號(hào)進(jìn)行偏振解調(diào)，將對(duì)應(yīng)偏振態(tài)的光子分別傳送給四個(gè)單光子探測(cè)器(SPD1—4)測(cè)量光子到達(dá)時(shí)間(圖2(c))?？紤]到衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的雙端偏振基矢方向變化，地面端采用可旋轉(zhuǎn)的半波片校正旋轉(zhuǎn)偏差。衛(wèi)星與地面站根據(jù)特定的量子密鑰分發(fā)協(xié)議(如BB84協(xié)議)開展后續(xù)的密鑰比對(duì)與糾錯(cuò)等步驟，最終生成收發(fā)兩端共享的密鑰。量子密鑰分發(fā)的安全性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是由于單光子不可分割，發(fā)射端發(fā)送的光子要么被接收端收到，要么被竊聽者獲取，而只有接收端實(shí)際接收到的光子才用來(lái)產(chǎn)生最終的密鑰，因此竊聽者獲取不到密鑰信息；二是假如竊聽者技術(shù)先進(jìn)到可以將發(fā)射端發(fā)送的所有光子全部截獲并復(fù)制后發(fā)送給接收端，由于單光子態(tài)不可克隆，發(fā)射端發(fā)送的單光子偏振態(tài)本來(lái)服從一定的概率分布，人為的測(cè)量將會(huì)影響該偏振態(tài)的分布，通過(guò)收發(fā)雙端的密鑰比對(duì)系統(tǒng)可以識(shí)別出竊聽者的存在。

由于單光子態(tài)不可克隆，無(wú)法通過(guò)人為測(cè)量的方法傳遞單光子態(tài)，量子隱形傳態(tài)技術(shù)利用量子糾纏特性可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精準(zhǔn)傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身。地星量子隱形傳態(tài)采用地面發(fā)射糾纏光子、天上接收的方式。“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星過(guò)境時(shí)，與海拔5100 m的西藏阿里地面站建立光鏈路。地面光源每秒產(chǎn)生8000個(gè)量子隱形傳態(tài)事例，地面向衛(wèi)星發(fā)射糾纏光子，實(shí)驗(yàn)通信距離從500 km到1400 km，所有60個(gè)待傳送態(tài)均以大于99.7%的置信度超越經(jīng)典極限[8]。這一重要成果為未來(lái)開展空間尺度量子通信網(wǎng)絡(luò)研究，以及空間量子物理學(xué)和量子引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等研究奠定了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖3 地星量子隱形傳態(tài)示意圖

圖3為地星量子隱形傳態(tài)的示意圖[8]，系統(tǒng)同樣由衛(wèi)星與光學(xué)地面站兩部分組成。衛(wèi)星過(guò)境地面站時(shí)通過(guò)激光捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)技術(shù)建立衛(wèi)星與地面站之間的量子光鏈路，衛(wèi)星端包括二維擺鏡、跟蹤相機(jī)及快反鏡等，地面端包括信標(biāo)、跟蹤相機(jī)、二維轉(zhuǎn)臺(tái)等。地面站作為信號(hào)的發(fā)射方，配備多光子量子糾纏源(圖3(b))產(chǎn)生糾纏光子對(duì)，將其中1路光子通過(guò)單模光纖連接跟瞄系統(tǒng)發(fā)送到衛(wèi)星上，其他地面測(cè)量。衛(wèi)星上的載荷設(shè)備采用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡收集地面發(fā)送的光子信號(hào)，將信號(hào)傳輸給兩路星載單光子探測(cè)器(圖3(d))。單光子探測(cè)器測(cè)量到的光子狀態(tài)用于量子隱形傳態(tài)的信息處理。衛(wèi)星載荷設(shè)備采用高隔離度的分光片、窄帶濾光片以及時(shí)間同步技術(shù)降低背景噪聲。

在空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)中突破了多項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)，本文主要介紹與單光子傳輸和探測(cè)有關(guān)的兩項(xiàng)技術(shù)：一是單光子探測(cè)器在空間環(huán)境中的應(yīng)用；二是高精度星地光路對(duì)準(zhǔn)。

單光子探測(cè)器在空間環(huán)境中的應(yīng)用一直是國(guó)際技術(shù)難題，其難點(diǎn)主要體現(xiàn)在外太空環(huán)境中存在大量高強(qiáng)度的輻射粒子，尤其是質(zhì)子輻射會(huì)造成單光子探測(cè)器的晶格缺陷，也就是位移總劑量效應(yīng)，從而引起單光子探測(cè)器暗計(jì)數(shù)的暴增。暗計(jì)數(shù)是單光子探測(cè)器的固有噪聲與核心指標(biāo)，由于量子通信中有效信號(hào)非常微弱，暗計(jì)數(shù)成為制約系統(tǒng)信噪比的核心因素。據(jù)輻照實(shí)驗(yàn)評(píng)估，不采取特殊措施時(shí)太空輻照帶來(lái)的單光子探測(cè)器暗計(jì)數(shù)每天的增量約為300 cps/天(cps是“個(gè)/秒”的縮寫)，已超過(guò)了空間量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)可容忍的上限。

“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星中采用硅基蓋革模式單光子探測(cè)器，根據(jù)機(jī)理分析，影響其暗計(jì)數(shù)的因素主要有兩個(gè)方面：一是空間輻照環(huán)境帶來(lái)的微分質(zhì)子能譜，能譜越高暗計(jì)數(shù)越高；二是探測(cè)器的工作溫度，工作溫度越高，損傷造成的材料漏電流越大，從而暗計(jì)數(shù)越高。為此，“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星中采取了兩種措施：一是在單光子探測(cè)器的外圍打造全周的金屬屏蔽體減少空間輻照通量，使用鉭和鋁材料構(gòu)建了等效22 mm的鋁屏蔽，結(jié)果表明可以降低50%以上的質(zhì)子注量；二是創(chuàng)造更低溫的工作環(huán)境，首先采用熱管及冷板將探測(cè)器的安裝座熱量傳遞到外太空冷背景空間，將探測(cè)器的環(huán)境溫度降低到零下40℃以下，然后再采用半導(dǎo)體制冷器將探測(cè)器內(nèi)核溫度進(jìn)一步降低到零下60℃。通過(guò)這些措施，實(shí)測(cè)單光子探測(cè)器在太空中的暗計(jì)數(shù)增量降低到了小于1 cps/天[9]，將探測(cè)器的可用壽命從幾天提高到了數(shù)年。圖4為“墨子號(hào)”量子衛(wèi)星載荷中單光子探測(cè)器安裝示意圖及實(shí)物圖，四個(gè)單光子探測(cè)器使用鋁防護(hù)體包圍起來(lái)，鋁防護(hù)體內(nèi)部還有一層鉭屏蔽層，熱管將鋁防護(hù)體連接到衛(wèi)星對(duì)外太空的冷板上以便于降溫。

圖4 “墨子號(hào)”量子衛(wèi)星中的星載單光子探測(cè)器

為了降低鏈路損耗，星地量子通信中量子信號(hào)的發(fā)散角非常窄，在2角秒左右。星地高精度光路對(duì)準(zhǔn)技術(shù)用于在衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星同時(shí)與兩個(gè)地面站的高精度激光鏈路建立，鏈路對(duì)準(zhǔn)精度達(dá)到0.2角秒。由于衛(wèi)星平臺(tái)相對(duì)地面站的高速運(yùn)動(dòng)以及平臺(tái)中的微振動(dòng)干擾，如何將微弱的量子信號(hào)精確地瞄準(zhǔn)地面站是其中的關(guān)鍵問題?！澳犹?hào)”衛(wèi)星為低軌道衛(wèi)星，在一軌實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)地面站的可視時(shí)間小于10分鐘。以雙站量子實(shí)驗(yàn)任務(wù)為例說(shuō)明衛(wèi)星同時(shí)對(duì)兩個(gè)地面站的量子鏈路建立過(guò)程，如圖5所示。當(dāng)衛(wèi)星位于地面站1水平線以下時(shí)開始調(diào)整姿態(tài)，在飛行到地面站1的5°仰角時(shí)(B點(diǎn))完成衛(wèi)星對(duì)站指向；在地面站1的15°仰角(C點(diǎn))前，要求衛(wèi)星與地面站1完成量子光鏈路的建立并保持。相對(duì)于地面站2，當(dāng)衛(wèi)星到達(dá)地面站2的5°仰角(D點(diǎn))以上時(shí)開始鏈路建立，在地面站2的15°仰角(E點(diǎn))前完成與地面站2的量子光鏈路建立并保持。當(dāng)衛(wèi)星位于兩個(gè)地面站±75°天頂角的交叉區(qū)域(E—F)時(shí)進(jìn)行量子通信，當(dāng)衛(wèi)星飛行出實(shí)驗(yàn)區(qū)域時(shí)中斷鏈路。由于低軌衛(wèi)星過(guò)站時(shí)間短，要求衛(wèi)星載荷對(duì)地面站的捕獲時(shí)間小于3 s，并滿足實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的跟蹤范圍要求。

圖5 星地光鏈路建立過(guò)程

為了實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星同時(shí)對(duì)兩個(gè)地面站的鏈路建立，采用衛(wèi)星對(duì)站指向和載荷粗、精跟蹤相結(jié)合多級(jí)跟蹤架構(gòu)，如圖6所示。衛(wèi)星平臺(tái)具備對(duì)地面站姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，指向角度根據(jù)衛(wèi)星軌道位置與地面站位置計(jì)算得出，指向精度優(yōu)于0.5°。衛(wèi)星配置兩個(gè)光機(jī)載荷，分別基于二維指向鏡形式與二維轉(zhuǎn)臺(tái)形式?；诙S指向鏡的載荷在衛(wèi)星姿態(tài)指向地面站1基礎(chǔ)上，對(duì)地面站1進(jìn)行粗跟蹤與精跟蹤?；诙S轉(zhuǎn)臺(tái)的載荷具備獨(dú)立大范圍對(duì)站指向能力，將載荷望遠(yuǎn)鏡指向地面站2，再利用快速反射鏡實(shí)現(xiàn)精跟蹤。粗跟蹤精度達(dá)到0.005°，精跟蹤精度達(dá)到0.00005°。

圖6 星地高精度光路對(duì)準(zhǔn)示意圖

3空間光子通信

2021年6月11日，國(guó)家航天局公布了“天問一號(hào)”祝融號(hào)火星車拍攝的著陸點(diǎn)全景、火星地形地貌等影像圖[10]，如圖7所示。隨著我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)的開展，航天器指令發(fā)送及收集到的各類觀測(cè)數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)回傳對(duì)更可靠、性能更優(yōu)越的測(cè)控通信技術(shù)提出了要求。但是，微波通信的性能在面向更遠(yuǎn)、更快的通信需求時(shí)顯得日益窘迫(例如“天問”上搭載的高光譜、超光譜載荷所提供的高分辨率影像實(shí)時(shí)回傳)，這為空間通信技術(shù)的發(fā)展指明了新的方向。

空間激光通信技術(shù)是利用激光束作為信息載體，實(shí)現(xiàn)兩應(yīng)用目標(biāo)間通信的技術(shù)，由于其具有信道容量大、功耗低、體積小、抗擾能力強(qiáng)及無(wú)頻譜使用限制等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于同步軌道、中低軌道及深空衛(wèi)星等通信任務(wù)中，是解決高速數(shù)傳的有效途徑[11]。

自20世紀(jì)90年代起，空間激光通信技術(shù)進(jìn)入了飛速發(fā)展的三十年。在歐洲航天局的SILEX系列激光通信實(shí)驗(yàn)中[12]，簡(jiǎn)單、低成本的強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)(IM/DD)方式得到了廣泛應(yīng)用，即按照一定關(guān)系把信息比特映射到特定時(shí)間長(zhǎng)度的光脈沖中，再利用光電探測(cè)器響應(yīng)光輻射強(qiáng)度變化并直接輸出相應(yīng)的電壓和電流來(lái)完成信息獲取，這個(gè)過(guò)程只利用了激光的強(qiáng)度信息。在更遠(yuǎn)、信噪比更低的通信場(chǎng)景下，利用激光的相位信息實(shí)現(xiàn)通信的相干探測(cè)體制則更具優(yōu)勢(shì)。在發(fā)射端，信息被加載到光波的幅值、偏振或相位上，從而具有更高的接收靈敏度；接收端則利用本地振蕩器產(chǎn)生的同頻激光和接收信號(hào)光進(jìn)行相干混頻，再通過(guò)數(shù)字濾波恢復(fù)基帶信號(hào)。2008年，在德國(guó)航空航天中心研制的5.625 Gbps相干激光通信終端LCT上，這一技術(shù)首次得到空間應(yīng)用[13]。

作為常規(guī)空間激光通信體制的兩大代表，IM/DD與相干探測(cè)各有優(yōu)勢(shì)，但是在激光通信面向深空探測(cè)的應(yīng)用中，它們?nèi)源嬖诓蝗莺鲆暤亩贪?。以月—地通信鏈路為例，?0萬(wàn)公里的距離下，按照典型星地終端參數(shù)計(jì)算得到的全鏈路通信光損耗達(dá)到-90 dB以上。而直探體制一般接收靈敏度在-33 dBm左右，意味著月地通信發(fā)射功率需要達(dá)到57 dBm(500 W)，不具備可行性；相干體制的接收靈敏度雖然可以達(dá)到-46 dBm，對(duì)月發(fā)射功率44 dBm(25 W)的可實(shí)現(xiàn)性仍然不高，此外接收系統(tǒng)易受大氣湍流和多普勒頻移效應(yīng)等影響，存在鎖頻不穩(wěn)定的因素。對(duì)比上述的兩種方案，單光子通信體制將探測(cè)靈敏度提升了2—3個(gè)數(shù)量級(jí)，只需瓦級(jí)功率的激光器即可實(shí)現(xiàn)Gbps以上的通信速率，為面向深空的激光通信提供了一條可行之道。

單光子通信技術(shù)在深空通信中目前應(yīng)用最成功的驗(yàn)證是2013年由美國(guó)NASA和MIT Lincoln實(shí)驗(yàn)室合作的月地激光通信演示實(shí)驗(yàn)(LLCD)[14]，該實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性地應(yīng)用了包括高峰值功率光纖發(fā)射機(jī)[15]、高效的脈位調(diào)制(PPM)、級(jí)聯(lián)Turbo糾錯(cuò)編碼[16]、超導(dǎo)納米線陣列探測(cè)器[17]及地面望遠(yuǎn)鏡分集接收等一系列新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了月地鏈路上最大速率622 Mbps的下行數(shù)據(jù)傳輸，如圖8所示。此外，將于幾年后實(shí)施的美國(guó)DSOC計(jì)劃[18]和歐洲D(zhuǎn)OCS計(jì)劃[19]也將采用類似的方案，在小行星以及日地拉格朗日點(diǎn)等更遠(yuǎn)的深空鏈路下(0.25—2 A.U.，1A.U. =1.496×108km)實(shí)現(xiàn)較高速(Mbps量級(jí))的激光通信。

圖9為空間光子通信系統(tǒng)的組成示意圖。和一般的激光通信系統(tǒng)類似，空間單光子通信系統(tǒng)包括發(fā)射終端與接收終端兩部分，或者終端將發(fā)射與接收合為一體。發(fā)射端包含信源、編碼、調(diào)制、激光光源、光學(xué)天線以及跟蹤捕獲裝置，接收端包括接收光學(xué)天線、探測(cè)器、解調(diào)、解碼、信宿以及跟蹤捕獲裝置。最大區(qū)別在于接收端采用單光子探測(cè)器，能夠響應(yīng)相當(dāng)弱的信號(hào)光脈沖(幾個(gè)光子/脈沖)，因?yàn)橹饕嫦蛏羁盏人p巨大的鏈路，因此傳輸信道、調(diào)制編碼方法等與前者也存在一些差別。

圖9 空間光子通信系統(tǒng)示意圖

光子通信中的主要技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是背景光干擾，采用光子探測(cè)的激光通信極大地提高了探測(cè)靈敏度，但同時(shí)背景光的影響相比其他通信體制更嚴(yán)重；二是探測(cè)速率受限，受常規(guī)單光子探測(cè)器死時(shí)間限制，最大計(jì)數(shù)速率一般小于50 M/s，為實(shí)現(xiàn)Gbps量級(jí)的通信速率，需研究提高通信速率的對(duì)策；三是超遠(yuǎn)距離光鏈路的捕獲、跟蹤與瞄準(zhǔn)，近地衛(wèi)星的捕獲跟蹤與瞄準(zhǔn)策略將不再適合深空情景，需研究適合深空環(huán)境的跟瞄方案。

高效單光子調(diào)制技術(shù)：由于接收端的光子數(shù)量極為匱乏，很難恢復(fù)出光載波的相位、頻率等信息，因此光子調(diào)制技術(shù)首先需要考慮的就是光子利用效率。一般常用的開關(guān)鍵控(OOK)方式功率利用率低(1比特/脈沖)，且抗干擾能力較差，在超遠(yuǎn)距離鏈路下不適用，因而在光子通信中使用功率利用率高的脈沖位置調(diào)制(PPM)方案。PPM調(diào)制將n位二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射到2n個(gè)時(shí)隙段中的某一個(gè)脈沖信號(hào)，圖10為4-PPM與OOK的比較示意圖，圖中4-PPM將2位二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射到4個(gè)時(shí)隙位置中的不同位置，從而只需要一個(gè)光脈沖就可以傳遞2個(gè)比特的數(shù)據(jù)。此外聯(lián)合偏振信息調(diào)制，還可以成倍提升系統(tǒng)的通信速率。

圖10 強(qiáng)度調(diào)制方式比較：OOK和PPM

高效編解碼技術(shù)：由于通信接收終端對(duì)于光子極其敏感，由月球等天體引起的背景噪聲(105—106光子/秒)無(wú)法忽視，光子泊松信道下的信號(hào)丟失、背景光干擾均會(huì)帶來(lái)誤碼率提升，因此結(jié)合泊松信道，基于里德—所羅門奇偶校驗(yàn)碼(RS)、低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)或Turbo卷積碼與高階脈位調(diào)制級(jí)聯(lián)的串行級(jí)聯(lián)調(diào)制編碼及同步方案(RS-PPM、LDPC-PPM及SCPPM)[20]在深空光子通信信道編碼中得到了廣泛應(yīng)用。SCPPM作為深空激光通信中性能優(yōu)異的編碼方案，與傳統(tǒng)Turbo碼在編碼的內(nèi)外層卷積碼結(jié)構(gòu)及譯碼的內(nèi)外碼概率信息迭代軟判決上有著相似之處，區(qū)別在于交織器(Interleaver)和內(nèi)碼累加器以及解調(diào)作為一個(gè)內(nèi)碼整體進(jìn)行譯碼，同時(shí)解決了突發(fā)錯(cuò)誤、長(zhǎng)碼優(yōu)勢(shì)和解調(diào)三個(gè)問題。采用SCPPM編碼可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于1光子/比特的通信靈敏度，并達(dá)到優(yōu)于10-7的誤碼率。

高速單光子探測(cè)技術(shù)：光子通信對(duì)單光子探測(cè)的要求主要是光子分辨和探測(cè)速率，即具備識(shí)別同時(shí)到達(dá)光子數(shù)的能力，以充分利用信噪比剔除噪聲影響，并且探測(cè)死時(shí)間足夠小，能夠滿足目標(biāo)通信速率要求。常規(guī)探測(cè)器諸如光電倍增管、硅基雪崩單光子探測(cè)器、超導(dǎo)納米線探測(cè)器(SNSPD)等雖然性能各具優(yōu)勢(shì)，但都無(wú)法同時(shí)滿足高計(jì)數(shù)率與光子數(shù)分辨要求，因此目前較有潛力的方法是采用多像元SNSPD陣列和基于光纖分束的蓋革APD多路接收方法[21]。

蓋革模式APD反偏電壓大于二極管的擊穿電壓。當(dāng)光子被吸收產(chǎn)生一個(gè)電荷時(shí)，電荷倍增(雪崩)直到飽和，飽和電流一般由外部電路限制，電流可以自我維持。在APD能夠響應(yīng)后續(xù)光脈沖前，必須使偏置電壓低于擊穿電壓來(lái)終止飽和雪崩電流。

超導(dǎo)納米線探測(cè)器是一種新型單光子探測(cè)器(圖11)，工作在稍低超導(dǎo)臨界電流的狀態(tài)；其吸收光子形成一個(gè)電阻態(tài)區(qū)域，通過(guò)檢測(cè)這個(gè)電阻態(tài)即可以檢測(cè)到入射光子利用低溫超導(dǎo)下入射光子帶來(lái)的電阻效應(yīng)，具有高探測(cè)效率(~90%)、高靈敏度，低噪聲、死時(shí)間短(~5 ns)及小抖動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，多通道交錯(cuò)排列結(jié)構(gòu)的納米線陣列有望將通信速率提升至數(shù)Gbps的水平，應(yīng)用潛力巨大。

圖11 超導(dǎo)納米線探測(cè)光子機(jī)理

4總 結(jié)

基于光學(xué)的通信技術(shù)已經(jīng)在地面光纖網(wǎng)絡(luò)中得到成熟應(yīng)用，面向空間環(huán)境的光學(xué)通信成為當(dāng)前國(guó)際研究熱點(diǎn)。自從墨子最早記錄光的直線傳播與小孔成像以來(lái)，經(jīng)過(guò)千年的沉寂，我國(guó)終于在空間量子信息技術(shù)方面引領(lǐng)世界，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)國(guó)際首次的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)突破，也將光的極限探測(cè)技術(shù)提升到了新的臺(tái)階。光的極限探測(cè)技術(shù)不只用于空間量子通信中的密鑰產(chǎn)生，還可用于直接傳輸信息，我們稱為空間光子通信技術(shù)，其在月球探測(cè)中已經(jīng)得到初步驗(yàn)證并將在未來(lái)更遠(yuǎn)距離深空探測(cè)中具有重要的應(yīng)用前景。光極限探測(cè)技術(shù)在空間中的應(yīng)用離不開單光子探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了單光子探測(cè)器的創(chuàng)新與技術(shù)提升，比如近年來(lái)發(fā)展迅速的超導(dǎo)納米線探測(cè)器陣列就受到空間光通信應(yīng)用的牽引。對(duì)光極限探測(cè)及應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)一步深入研究無(wú)疑能夠帶動(dòng)多項(xiàng)交叉技術(shù)的突破，促進(jìn)人類科學(xué)文化的進(jìn)步。

審核編輯 ：李倩