西光所：构建未来空间超高速光子网络领域“高速路”

2023-07-14 15:21

日前，国际期刊《光子学研究》以封面文章的形式发表了中国科学院西安光学精密机械研究所（以下简称西光所）在超高速空间激光通信技术研究中的一项重要科研成果论文。文章介绍了该所创新性利用微腔孤子光频梳代替传统半导体激光阵列作为多载波光源，成功实现相距1千米自由空间光通信链路上总速率为1．02太比特每秒的大容量数据传输。这是该所在高速空间激光通信技术成功取得在轨验证后的又一次技术突破，为未来实现更大容量的自由空间激光通信提供了新思路和新手段。

矢志不移、深耕不辍，接棒致研终获光通信技术突破

2004年，西光所赵卫和张建国两位研究员给一位在读博士设立的研究课题，开启了西光所空间激光通信学科的发展起点，使西光所成为国内较早起步从事该领域研究的科研单位之一。从最初仅有两个人和一个光学平台起家，历经18年深耕不辍，西光所现已发展成为国内该领域具备从理论研究、关键技术攻关到工程应用一体化发展能力的专业机构，打造了一支年轻化、高素质、专业化的团队，建成了集聚光、机、电、热、信息处理、空间环境实验、整机装配和检测等功能设计于一体的一流空间激光通信领域科研与工程研制平台。

空间激光通信技术是一种利用激光束作为载波在自由空间进行信息传输的通信技术，相对于传统微波方式，它具备载波频率更高、承载数据量更大、传输速率更高、无电磁干扰影响、无频谱资源限制等突出优点，同时终端体积小、重量轻、功耗低、易于部署，成为在自由空间实现速率100吉比特每秒甚至太比特每秒超高速通信的理想手段。西光所的空间激光通信是从高速光纤通信的基础研究点滴做起并不断拓展的，目前已成功构建了应用领域涵盖陆、海、空、天的“上天入海”式研究体系。在夯基垒台和突出藩篱之间，西光所研究人员也经历了彷徨和迷茫，最终他们在信念的指引下勇毅前行。

西光所团队的第一个“春天”在2008年到来——成功获得第一个国家863项目支持，打开该领域快速发展新局面。之后，西光所相继获得科技部、国家基金委、中科院等单位多项重大项目支持，特别是2019年通过竞标承担国家科技创新2030重大项目。至此，西安光机所空间激光通信技术按下了工程应用的“快进键”。

西光所团队的首次出彩亮相是在2020年，在中科院战略先导项目和科技部重点研发计划项目支持下，西光所团队为我国万米载人深潜器“奋斗者”号研制了适应万米深海的对接通信与高速数据传输系统，它的通信速率、通信距离、工作海深几个关键指标均保持国际领先水平，有力支撑保障国际首次万米深海电视直播活动，45分钟的高速稳定通信向世界“清晰”地证明中国人向深海进发的实力和能力。2022年，西光所在卫星应用上取得重大突破，依托国家重大工程任务，团队研制的高速空间激光通信系统在轨实验圆满完成，多项实验结果刷新了前期多家单位在轨实验数据，为我国空间高速信息网络建设提供了坚实的支撑。

人才为本、夯基垒台，激发青年才俊创新火花节节开

邵雯是西光所一名“90后”在读博士，刚到团队时，一篇关于光学频率梳在光纤取得应用的文章给予她极大的启发，一个创新的想法出现了：光学频率梳能否成为超高速空间激光通信波分复用光源？为了验证其可行性，她想到瞬态光学与光子技术国家重点实验室就有与此相关的研究方向，老师王伟强正是可以助她一臂之力的人。

在接下来的一段时间里，在导师谢小平和老师王伟强的指导下，邵雯与另外两名同学王阳、郏帅威思想火花的碰撞也激发出更优的方案。光学频率梳（简称光频梳）是由一系列等间隔且具有稳定相位关系的频率分量组成的梳状多波长光源，其在时域上表现为周期性的超短脉冲序列。但传统光频梳基于锁模激光器产生，其重复频率较低，并不适合作为超高速空间激光通信的波分复用光源。而基于光学芯片的微腔孤子光频梳恰恰可以弥补这种不足，它是基于片上微谐振腔中的克尔非线性效应实现的孤子锁模态的新型光频梳，其梳齿频率间隔从吉赫兹量级覆盖至数太赫兹量级，梳齿线宽通常小于兆赫兹量级，梳齿数目达到数十甚至上百根。

相比于传统半导体激光阵列，微腔孤子光频梳具有体积小、相位噪声低、频率稳定性高的优点，且无需在波分复用信道之间设置保护频带。这些特性决定了它极大可能成为波分复用光源的理想选择。

在实验室验证阶段，邵雯及团队成员使用一台线宽约100Hz的连续激光器作为泵浦源，采用辅助激光热平衡的技术方案产生梳齿间隔为49GHz的微腔孤子光频梳，通过微腔温度和激光频率的反馈控制系统保证其状态长期稳定，并进一步使用波长选择开关对微腔孤子光频梳的梳齿进行复用和解复用。然后，他们对102根梳齿进行调制，每根梳齿加载速率为10吉比特每秒的差分相移键控调制信号，并在接收端完成信号的高精度解调和实时评估。最后，在相距1千米的两座建筑物间成功实现传输速率为1．02太比特每秒的超高速空间激光通信，通过外场实验获得的优异数据，充分验证了将微腔孤子光频梳作为片上多波长光源应用于超高速空间激光通信的可行性，同时，也化解了困扰空间激光通信领域“小”与“大”的矛盾问题——“小”即小体积、小重量，“大”即大容量、大带宽，对该领域的技术进步具有重要意义。

邵雯及团队成员的灵感来自于偶然，可成功却是必然。她是西光所众多散发着蓬勃朝气的年轻科研人员的缩影，他们在各自战线攻坚克难、建功立业，逐步成长为推进西光所高质量发展的中坚力量。这种向心而行的源动力来源于西光所始终重视原始创新积累，在强基盛所、聚才引智等方面的系列举措。

邵雯讲道，作为一个初涉科研的学生，在成果验证的关键阶段，她的内心强烈渴望被支持。但当时也正是她所在的研究室集中攻关航天工程项目的焦灼时期，她担心自己的要求被拒绝。可研究室向来重视年轻人发挥的作用，敢于压担子，也乐于铺路子、搭台子，研究室主任汪伟克服困难给予她最大力度的资源配置支持，在那一刻，感动、感激在她身上瞬间转化为持续攻关的精神动力。

西光所空间激光通信研究团队的实验研究结论表明微腔孤子光频梳的产生已相对成熟，但受限于芯片制造工艺，实现全面“芯片化”仍任重道远。

道阻且长，行则将至。接下来邵雯及团队小伙伴的发力点将聚焦推进技术的成熟应用和规模化。值得期待的是，随着半导体芯片工艺发展突飞猛进，“芯片化”的激光器、光放大器、波分复用／解复器、调制／解调器、探测器等已陆续实现并逐步走向成熟。在不远的将来，全片上集成的超高速空间光通信系统面世将成为可能，“小而快”的通信终端，也将为我国卫星互联网“新基建”提供强有力的支撑。

自立自强、不惧困难，勇毅迎接漫漫征程更大新挑战

回忆起集智攻关、西光所全所协同申报科技创新2030项目那段经历的时候，团队成员个个都难掩内心的激动。频催的战鼓无法给予更多将预研技术与相对成熟的跟瞄技术充分磨合的时间。“三重困难”（系统极其复杂、工程经验欠缺、时间紧任务重）如同三座大山，以压顶之势来袭，令人无法喘息。

能否坚持下去？如何坚持下去？可贵的是，在学习党史、新中国史、西光所所史的过程中，团队深刻汲取到“科学家精神”的力量，充分发扬“迎难创业、求真务实、自主创新、科技报国”的西光精神，不忘初心、无惧挑战。团队成员在对可行性进行充分评估之后，竞标团队迎难而上。最终，西光所应标的三个项目全部中标，开启了空间激光通信规模化应用的新征程。

围绕自由空间领域信息高速互联需求，西光所不仅大力发展作为信息“高速路”的空间激光通信技术，还大力发展作为信息“立交桥”的高速光交换技术，发展作为信息“加油站”的全光再生技术，努力为构建未来空间超高速光子网络打好技术基础，贡献应尽的力量。