自人类发明太空航天器以来，航天器之间的通信及航天器与地面的通信均采用无线电波的方式。然而，无线电波的传输速率较低，抗干扰能力差、且通信频谱资源逐渐枯竭。随着低轨卫星组网逐渐成为航天行业发展的重要趋势，对于星间及星地信息传输量和传输速率的需求成指数级上涨。在此环境下，空间激光通讯凭借其通讯容量大、体积重量小、比特成本低、功率损耗低、无频谱限制的优势，成为航天通信领域最受关注的新型技术路线。其中，低功率、轻量化、无波段限制是目前航天客户最为看重的优势。
空间激光通讯是一种利用激光为载波传输信息的通信方式，不需光纤连接，由发射端直接向接收端发射经过调制编码的激光，由接收端进行解码后，完成信息的传输。因激光直线传输的特性，此技术主要用于发射端与接收端之间基本无遮挡的场景，例如航天器之间的通信（星间通信、机载通信）、航天器与地面之间的通信等。
空间激光通讯的优势及局限性
优势一：高速率。单位时间内数据传输最高通量与载波的频率成正比。目前普遍应用于航天器的频率最高的通讯电波为Q/V 波段，其传输速率的上限受其频率带宽限制，极限通量最高为2.5Gbps；而光波的载波频率是无线电的10万倍以上，其传输速率的上限不再受频率带宽限制，而是随光调制技术的提升而提升，目前普遍可以做到单通道10Gbps，欧美一些国家已可做到100Gbps。
优势二：低功耗。高频率电磁波的传输损耗较大，同时电磁波是以较大的发散角呈扇形发射。在进行远程通信时，为了保证信号接收质量，需要用到各类天线增益技术，增加能耗及成本。而激光的方向性强，发散角小，能量集中，在不需要增益模块的情况下，就能达到较远的传输距离和较高的传输质量。
优势三：轻量化。在远距离（1000KM以上）通讯方面，激光通讯终端的体积可以做到微波通讯模块的十分之一，而重量体积可以做到四分之一。
优势四：抗干扰/窃听。电磁波的发散角较大，通常采取一对多的通信方式，容易被相似波段信号干扰的同时，信号也较容易被窃取和破解；而激光通讯采取点对点的通信方式，能量聚集在极小的发散角内，信号不易被干扰，同时不易被窃取。
优势五：无波段频谱限制。因电磁波发散角大的原因，太空中及大气中存在的电磁波较多，不同波段的电磁波会对信号接收器产生干扰。因此，在使用滤波等技术手段进行抗干扰之外，国际电信联盟（ITU）对于各类用途的电波波段频率有着严格的要求。而特定波段的频率资源是有限的，随着航天通信需求的增大，适用于航天行业的波段频率日益枯竭，申请频段资源成为航天企业面临的难题之一，通常需要提前半年以上申请。然而，激光通讯因其抗干扰性，并无波段频率资源的限制。
局限性一：需要对准跟踪装置（ATP）。发散角小，方向性强是激光的特性。这一特性为激光通讯带来保密性强、功耗低等优点的同时，也使得激光通讯接收器必须与激光信号精准、持续对接，才能保证信号稳定传输。这就需要激光通讯模块有一套极为精密的跟踪瞄准系统。相比之下，微波通讯发射的发散角较大，信号覆盖面也大，通常可覆盖几十平方公里的范围，只要接收装置在此范围内，均可完成信号传输，不需对准跟踪技术。
局限性二：不能遮挡。无线电波在遇到大部分遮挡的情况下，可通过穿透、反射、绕行的方式，最终到达接收点。而激光的发射点和接收点之间不能有直接遮挡。这也导致无线激光通讯的应用领域多在太空、天空、水下等空旷的场景。而与天空（大气层内）与水下相比，太空中的杂质较少，对激光的折射与干扰较少，更利于无线激光通讯在长距离范围内的工作。
空间激光通讯的工作原理及关键指标
一套无线激光通讯系统2个无线通讯终端组成。每一个无线通讯终端由三部分组成：光学系统、跟踪瞄准系统，编解码与调制解调系统。
光学系统包括光学天线、激光发射器和激光接收器。光学天线负责准直激光器发射的信标光和信号光光束，并将其发射向另一终端，同时负责接收目标终端发射过来的信号光和信标光光束。光学系统通常占到整个终端成本的60%以上，航天级光学系统的设计能力是星载激光通讯企业的重要壁垒。
捕获跟踪瞄准（ATP）系统用于建立和保持通信链路的关键系统，通常包括粗跟踪机构、精跟踪机构和预瞄准机构等。粗跟踪系统通常由两个二维转台组成的机械结构控制，而精跟踪系统通常由快反镜控制。一般要求跟踪精度为几微弧度。ATP系统由一套严密的软件算法进行控制，保证在建链时以最短时间进行瞄准，同时保证在通信时的信号稳定性。此部分通常占终端成本的30%左右。
编解码与调制解调系统与地面光纤通讯的调制解调技术类似，由调制器和解调器构成。调制器负责在发射端将信息加载在激光光波上，解调器负责在接收端将加载在光波中的信息读取出来。此部分通常占整个终端成本的10%左右。
空间激光通讯系统的工作分为光链路的建立和保持两个步骤。首先，发起方卫星的通讯终端先根据预判位置将一束信标光打入捕获方卫星所在的不确定区域，再通过二维转台在一定面积内进行扫描，直到捕获方识别信标光并进行捕获。捕获方识别发起方的位置之后，转入跟踪状态，同时将自身信标光瞄准发起方卫星激光通信载荷。发起方卫星激光通信载荷探测到捕获方发出的信标光后，同样进入跟踪。双方各自跟踪对方视轴后，即可开展经调制编码后的通讯激光的收发。整个建链时间通常在30秒至1分钟。链路建立后，跟踪系统会不断探测光轴偏离误差，并通过精跟踪控制软件调整光轴角度，以保证光链稳定持续工作。
空间激光通讯的重要技术指标包括通讯距离、通讯速率、建链时长、稳定性、占用卫星资源（输入功率、体积重量等）。
通信距离：通信距离的决定因素在于激光器的功率、光机的设计、以及根瞄系统的精度。卫星上的空间、重量、电能资源极其珍贵，需要设计者在能保证达到客户要求的通信距离的前提下，尽量减小光学天线的体积重量、减小激光器的功耗。目前空间激光通讯最远已在地月通讯项目上被验证。
通讯速率：随着激光调制技术、激光器技术、接收器技术的发展，目前空间激光通讯模块均可达到5-10Gbit/s的通讯速率。通讯速率主要取决于光调制技术。技术人员需在达到客户要求通讯速率的同时，尽量使用低功耗的算法，匹配低功耗的调制解调器。
成功建链时长：在两个激光通讯终端建立链接之前，需要一个捕捉信标光的过程。目前大部分客户要求建链时长要在30s之内。目前有利用调焦原理使信标光光斑变大的技术，颗将捕捉过程缩短至10S之内，但需以增加终端重量为代价。
稳定性：激光链路在工作时，需保持一方发射的光斑时刻对准另一方镜头的光轴。在这期间，有一定几率因为两颗星相互位移或外界干扰使得信号光偏移。ATP系统技术人员需利用循环算法使得执行机构对ATP系统进行实时的补偿校准，以避免上述偏移，防止信号中断。
输入功率/体积重量：输入功率和体积重量是客户较为看重的指标，决定了可以为卫星工作载荷节省多少空间和能源。目前10Gbit可支持2000KM左通讯距离的激光通讯终端，重量大约在6-15kg, 功耗约在100w左右。
激光通讯行业市场空间测算
短期内，空间激光通讯最确定的应用为组网卫星的星间通讯。组网卫星主要分为四类：民用通信星座、民用导航星座、民用遥感星座、军用星座。
民用通信星座：其组网规模大，星间通讯需求迫切，成为最先批量应用激光通讯终端的场景。截止2022年6月，我国民用组网通信卫星在轨数量为50颗。截至2028年，计划组网数量为13580颗，其中12989颗属于中国星网计划，619颗属于其他通信星座。按照每颗卫星安装4台激光通讯终端，每台通讯终端平均单价为200万元计算，仅通信星座未来7年的市场为200万*13580*4=1006.4亿，即平均每年143亿市场规模。
民用遥感星座：目前民用遥感星座较少建立星间通讯。但随着图片数据传输量不断增大，建立高通量星间通信可有效增加遥感星座对地传输数据的时长。当激光通讯终端成本下降至一定程度后，会在遥感星座市场逐步普及。目前长光卫星已将星载激光通讯作为研发计划。截至2025年，我国计划组网遥感卫星共计778颗，已发射71颗，未发射707颗。假设100万元为遥感星座客户可接受的价格，并假设未发射卫星中有50%配备激光通讯模组，则遥感市场规模为100万*350*4=14亿，即平均每年4.6亿市场规模。
民用导航卫星星座与军用星座也有一定市场规模，如北斗三号目前已启用激光通讯模块，中电科天地一体化星座也进行了激光通讯验证，但此类市场较为封闭，需求基本由体制内相关配套单位消化，需求短期内难以流向市场。
除卫星间通信外，无线激光通讯还在大气内通信、水下通信等领域被看好，但目前均处于研究验证阶段。大气内与水下通信与星间通信最大的不同在于环境。气体与液体均对激光有折射、散射等作用，从而造成激光在对准、跟踪、传播过程当中的误差。想要消除这些误差，通常需要较为复杂的修正算法。同时，气体、液体等介质会极大影响激光通过的效率，从而导致激光的有效传输距离大大缩短。目前大气内的激光通讯已相对成熟，在无人机编队、星地通信、星机（飞机）通讯等领域进行多次验证，需求相对集中在军方。水下激光通讯的研究大多仍停留在实验室阶段。
空间激光通讯行业现状及相关企业
日、美、欧三国均在1995年前后开始激光通讯模组在星间、星地、大气内的验证实验项目，我国的研究晚了将近10年。激光通讯技术属于尖端保密技术，外国对我国技术封锁较严重，无法进口。因此，我国的激光通讯技术人才基本来自于参加过国家级空间激光通讯科研项目的科研人员。这些项目包括北斗星座、墨子号、海洋二号、实践13号、多媒体贝塔实验卫星等。具有相关经验的科研院所或高校包括中科院上海技术物理研究所、上海光机所、哈尔滨工程大学、西安光机所、航天五院、航天八院、长春光机所等。
除各国体制内玩家之外，从2008年开始，民营公司开始进入空间激光通讯行业。目前国外相关企业较多，以德国Mynaric 、Tesat 、Space Micro 为代表。我国最早的拥有空间激光通讯业务的公司是成立于2003年的英田光学。
自2019年以来，以美国STAR-LINK为代表的低轨卫星互联网成为航空航天的发展趋势之一。这一趋势为星载激光通讯带来了两个推动性因素：第一、卫星零部件的市场容量测算成几何倍数增长；二、空间激光通讯逐渐被确定为星间通讯的标准方案。从此之后，原本几乎不能成为一个行业的空间激光通讯，成为了可测算出千亿规模的大行业，资本热度不断攀升。2020年之后，曾参与体制内相关项目的部分人才进行创业，进展较快的包括中科院技物所北京的蓝星光域、中科院空间应用中心背景的极光星通、上海八院背景的氦星光联等。资本市场方面，奇迹创坛、真格基金、联想之星、启榕创投等入局。
总结
在长距离无遮挡的场景下，空间激光通讯与微波通讯相比具有体积小、低功耗、理论传输通量高等优势，适合作为太空中航天器之间的通讯方式。低轨卫星互联网的发展，以及巨头star-link对于空间激光通讯的应用，使得星载激光通讯终端行业的资本热度急剧上升。
星载激光通讯行业创业门槛较高。首先，国外相关技术对国内封闭，难以流入。同时，国内空间激光通讯研究开始较晚，均为体制内项目，人才储备有限。相关创业公司需同时具备航天级别光机、ATP、编解码模块的项目经验。未来7年内，预测国内最大的市场需求来自于中国星网。其次来自于民营通讯卫星星座。有能力拿到中国星网配套供应机会的公司，应重点关注。
作者简介：陈晓旭 青橙资本投资总监 关注早期硬科技类项目投资