雷射通訊正成為先進通訊網路中最具前景的方向之一。隨著衛星網際網路、低軌道衛星群、緊急連線、無人機平台以及空天地整合網路的持續發展，對高速、安全、靈活且頻譜利用率高的傳輸需求正在迅速增長。
與傳統無線電通訊不同，雷射通訊使用高指向性的雷射光束在自由空間中傳輸資料。它也稱為自由空間光通訊（Free Space Optical Communication，簡稱 FSO）。雖然這個概念並不新穎，但近期在衛星組網、光終端、精確追蹤及商業航太方面的進展，使得雷射通訊在實際部署上更具價值。
它與傳統無線鏈路有何不同
無線通訊基於電磁波。傳統的行動通訊、Wi-Fi、微波鏈路和雙向無線電系統主要使用無線電波。無線電波頻率較低、波長較長，這使得它們在許多環境中具有更好的繞射能力和更遠的覆蓋距離。
光波的頻率遠高得多、波長也遠短得多。這帶來了遠為巨大的潛在頻寬，但也使其對大氣衰減、散射、障礙物、天氣以及指向誤差更加敏感。基於此，光傳輸首先透過光纖通訊實現了廣泛商業化，將光限制在玻璃光纖介質內。
光纖通訊能夠實現低損耗、長距離、高容量的傳輸，但它仍然依賴實體纜線。這在鋪設光纖困難、昂貴或不可能的情境下，限制了靈活性、機動性和部署速度。雷射通訊將光通訊擴展到自由空間，無需有線介質即可實現高速光鏈路。
主要技術優勢
雷射通訊的第一個主要優勢是頻寬。該領域使用的雷射頻率通常在 190 至 360 THz 之間，位於太赫茲與近紅外光之間，比微波頻率高出數個數量級。這使得雷射鏈路有潛力支援 Gbps 甚至 Tbps 等級的傳輸。
第二個優勢是指向性。雷射光束的發散角極小，光束寬度非常窄。其能量高度集中，有助於減少干擾並提高點對點鏈路的傳輸效率。
第三個優勢是安全性。由於光束具有高指向性，且在未與鏈路路徑實體對齊的情況下難以攔截，雷射通訊比寬廣的無線電頻率傳輸更不容易被竊聽。它也不易受到電磁干擾。
另一個重要好處是頻譜獨立性。雷射通訊不需要無線電頻譜許可，不佔用稀缺的無線頻譜資源，並可在合適的應用中降低部署門檻和營運成本。
雷射終端還可以做到小巧、輕量且功耗相對較低。這使得它們適用於尺寸、重量和功率受到高度限制的平台，包括衛星、無人機、飛機、車輛和行動終端。
自由空間光鏈路的適用場景
雷射通訊特別適合視距環境下的點對點傳輸。典型用例包括衛星間鏈路、衛星對地鏈路、衛星對飛機鏈路、衛星對船舶鏈路，以及無法使用光纖的高容量地面回傳。
在偏遠地區、山區、河流、湖泊、島嶼以及受災區域，鋪設光纖可能困難或過於昂貴。雷射通訊可以作為微波回傳的增強替代方案，尤其是在需要高吞吐量和快速部署時。
緊急通訊是另一個重要應用。地震、洪水、風暴或其他災害發生後，地面網路可能受損。快速部署的光無線鏈路有助於為指揮中心、現場團隊和關鍵基礎設施恢復臨時連線。
無人機通訊也正在成為一個有意義的方向。安裝在無人機上的輕量化雷射通訊終端可以支援高速的空對地或空對空鏈路，實現高效的飛行控制、高畫質視訊回傳以及臨時空中網路中繼。
衛星驅動產業動能
在所有應用中，衛星通訊是雷射通訊最強勁的驅動力之一。低軌道衛星群正在加速全球部署，而衛星間資料中繼已成為可擴展衛星網際網路系統的關鍵需求。
無線電頻率衛星鏈路在頻寬、頻譜協調和干擾管理方面面臨限制。雷射衛星間鏈路可以在衛星之間提供高容量、低干擾且安全的傳輸，有助於建立天基骨幹網路。
這就是為什麼大學、研究機構、商業航太公司、光終端製造商和電信營運商都在密切關注雷射通訊。這項技術正從實驗室研究走向在軌驗證、商業交付和實際網路服務。
全球進展顯示快速加速
美國很早就開始了雷射通訊研究。早在 1970 年代，NASA 就開始探索雷射通訊技術，並開發了早期光通訊終端。1975 年，NASA 在阿波羅 15 號指令艙和地面站之間完成了月球到地球的雷射通訊實驗。
2014 年，NASA 從國際太空站向地面進行了 50 Mbps 的單向下行雷射通訊測試。2022 年 5 月，NASA 和麻省理工學院使用一顆搭載 TBIRD（TeraByte InfraRed Delivery）系統的小型立方衛星，演示了高達 100 Gbps 的衛星對地雷射通訊鏈路，比該實驗中的傳統無線電頻率鏈路快 1,000 倍以上。
2023 年，NASA 的深空光通訊專案演示了深空光傳輸。當太空船距離地球約 3,100 萬公里時，它以 267 Mbps 的速度回傳了超高畫質影片。同期，NASA 的雷射通訊中繼演示專案也完成了其在軌測試的第一年。
商業活動也在加速。2020 年，SpaceX 測試了 Starlink 衛星之間的雷射鏈路，並傳輸了數百 GB 的資料，證明了光學衛星間組網的價值。另一個產業里程碑是：安裝在飛機上的光通訊終端與低軌衛星建立了雙向高速雷射通訊鏈路，距離約 5,470 公里，速率最高達到 2.5 Gbps。
歐洲和中國正在建構強大能力
歐洲也起步較早。在軌道上進行成功的相干雷射通訊實驗後，歐洲太空總署發射了歐洲資料中繼系統。2019 年，EDRS-A 和 EDRS-C 在約 45,000 公里的鏈路距離上實現了 1.8 Gbps 的通訊速率。
2024 年，ESA 進行了一次深空雷射通訊實驗，在 1 個天文單位（約為地球與太陽的平均距離）的距離上實現了 10 Mbps 的傳輸。近年來，德國、法國、義大利等歐洲國家也啟動了國家級雷射通訊計畫。
中國起步較晚但發展迅速。2011 年，中國在海洋二號衛星上完成了首次國內衛星對地雷射通訊測試。2017 年，實踐十三號衛星完成了 5 Gbps 的高軌衛星對地雙向雷射通訊。
2018 年，墨子號量子衛星完成了星地雷射通訊與量子金鑰分發的結合，引起全球關注。2020 年，中國進行了首次低軌衛星間雷射通訊技術測試，通訊距離超過 3,000 公里，速率高達 100 Mbps。
2024 年 5 月，由上海光學精密機械研究所開發的雷射通訊酬載隨智慧天網一號 01 衛星發射升空，支援在超過 10,000 公里的中軌距離上實現高速互聯。
今年 1 月，中國科學院自主研製的 500 公釐孔徑星地雷射通訊系統，與 AIRSAT-02 衛星實現了穩定的 120 Gbps 星地鏈路。實驗達成了秒級快速捕獲、鏈路成功率超過 93%、最長連續穩定通訊時間 108 秒，創下國內紀錄。
商業公司正在擴大生態系
隨著市場成長，商業公司正成為雷射通訊的一支主要力量。在中國，具代表性的民營企業包括藍星光域和極光星通。這些公司正協助產業從實驗驗證走向產品交付和在軌應用。
藍星光域被公認為中國首批完成星載雷射通訊終端交付和在軌驗證的商業航太公司之一。其在江蘇常熟的生產孵化基地據報導具備每年約 1,000 台終端的產能。
2025 年 2 月，藍星光域與中國聯通完成了一套跨域短距自由空間光通訊設備的現場驗收，並開通了中國聯通首個 FSO 承載業務。
極光星通也是國內高速星間雷射通訊領域的領先團隊之一。2025 年 3 月，它利用「光傳 01/02」實驗衛星完成了中國首次在軌星間 400 Gbps 超高速雷射通訊資料傳輸測試。
星載雷射終端的工作原理
星載雷射通訊終端是一個整合了光學、電子學、控制演算法、訊號處理、機械結構和通訊模組的複雜系統。其常見組件可能包括 FPGA 處理單元、光纖放大器、光收發模組、數據機、星敏感器、捕獲感測器、可見光相機以及光收發天線。
最重要的部分是 APT 系統，即捕獲、指向和追蹤（Acquisition, Pointing, and Tracking）。在通訊開始之前，終端必須捕獲光束，準確指向對方終端，並在傳輸過程中保持對準。
由於雷射光束極其狹窄，即使很小的指向誤差也可能導致鏈路中斷。APT 系統必須達到微弧度級的指向精度，並在衛星之間或衛星與地面站之間高速相對運動時保持穩定追蹤。
在發送端，雷射發射器產生光束，通訊模組將資料調變到光束上。控制系統驅動快速轉向鏡、變焦透鏡等光學元件，根據鏈路條件調節光束方向和束腰大小。
在接收端，終端使用粗指向機構和軌道資訊掃描可能的捕獲區域。捕獲信標光後，濾除背景光。然後系統根據檢測到的光斑計算指向誤差，並驅動快速轉向鏡進行高精度追蹤。接收到的光訊號被轉換為電訊號並解調，以恢復資料。
精確追蹤是核心挑戰
雷射通訊具有強大優勢，但實際部署在技術上存在困難。在空天地海通訊場景中，鏈路可能看似無遮蔽，但傳輸距離可能極長。系統必須應對大氣吸收、散射、湍流、背景光以及天氣相關的衰減。
雲、雨、霧、雪和灰塵會散射或吸收光訊號，導致訊號劣化甚至鏈路中斷。數千或數萬公里的超長距離雷射通訊實驗，還需要極高的發射功率控制、接收機靈敏度、指向精度和抗干擾能力。
產業解決方案包括自適應光學補償、多光束協同傳輸、智慧追蹤演算法優化以及可變發散角光學系統。這些技術有助於提高捕獲速度、鏈路穩定性和環境適應性。
可變發散角光學系統尤其有用。在掃描捕獲階段，較大的發散角可以更快地覆蓋不確定的目標區域，縮短鏈路建立時間。在短距離通訊中，也可以增大發散角以避免接收機飽和，保護相機或光通訊系統。
為何市場前景強勁
雷射通訊備受關注，不僅因為技術性能，也因為市場成長。根據原文引用的太空雷射通訊市場研究報告，2025 年全球太空雷射通訊市場規模預計達到 90.75 億元人民幣，而中國市場預計達到 12.26 億元人民幣。
到 2032 年，全球市場規模預計達到 727.03 億元人民幣，年複合成長率為 34.62%。這些數字顯示，該產業正從一個利基研究方向轉向快速成長的商業領域。
長期驅動力是空天地海一體化通訊網路的建構。隨著衛星網際網路、遙測、無人機組網、緊急通訊、飛機連線、海上連線以及高速回傳的持續發展，雷射通訊將在高容量無線光傳輸中發揮更大的作用。
專案團隊應考慮的事項
雷射通訊並不是無線電頻率系統或光纖網路的通用替代品。它最適合在其優勢與專案需求相匹配的地方使用：高吞吐量、視距傳輸、強指向性、快速部署、免頻譜操作以及安全的點對點鏈路。
部署之前，專案團隊應評估鏈路距離、能見度、天氣條件、平台運動、指向穩定性、冗餘要求、終端尺寸、功耗、安裝環境以及網路整合。對於衛星和機載平台，尺寸、重量、功率、熱控和抗振動能力也至關重要。
最成功的應用可能是將雷射通訊與其他技術結合使用，而非單獨使用。光纖、微波、蜂窩、衛星射頻和雷射鏈路都可以在靈活的多層通訊架構中各自發揮作用。
一項值得關注的技術
雷射通訊結合了光通訊的頻寬優勢和無線傳輸的靈活性。它可為衛星、無人機、飛機、艦船、地面站、緊急系統和遠端回傳提供高速、安全、免許可且小巧的點對點連線。
該技術仍面臨挑戰，尤其是在耐候性、捕獲、指向、追蹤、大氣效應和大規模商業營運方面。然而，技術進展和商業投資的速度表明，雷射通訊將成為未來通訊基礎設施中越來越重要的一部分。
隨著全球網路向空天地海一體化邁進，雷射通訊值得電信營運商、航太公司、系統整合商、緊急通訊規劃者以及高容量網路建設者密切關注。
常見問題解答
雷射通訊能穿過雲層或濃霧工作嗎？
雲、霧、雨、雪和灰塵會顯著影響性能。在對可靠性要求較高的專案中，雷射鏈路通常需要路徑規劃、天氣監測、備用路徑或混合通訊系統來提高可用性。
雷射通訊比無線電通訊更安全嗎？
雷射通訊具有很強的保密優勢，因為光束狹窄且不對準就難以攔截。然而，整體安全性仍然取決於加密、身分驗證、終端保護以及系統層級的網路安全設計。
雷射通訊需要頻譜批准嗎？
一般來說，自由空間光通訊不佔用傳統的無線電頻譜，這減輕了頻譜許可的負擔。不過，仍可能需要考慮安裝、光學安全、航空安全以及當地法規要求。
雷射通訊能取代光纖網路嗎？
不能。對於許多穩定、高容量的地面網路，光纖仍然是最佳選擇。雷射通訊在光纖難以部署、需要行動性或者需要快速點對點無線光傳輸的情境下更有用。
衛星雷射鏈路最大的工程難點是什麼？
最大的難點之一是在快速移動的終端之間保持精確的捕獲、指向和追蹤。光束極其狹窄，因此系統必須在整個通訊期間以極高的精度保持對準。
