在这一背景下，星间激光通信（Optical Inter-Satellite Link, OISL）正成为实现这一协同能力的技术突破口。这项技术通过在卫星间直接建立极窄波束的激光链路，为星座构建了具备超高带宽、超低延迟与高度保密性的“太空超高速光纤”。它将卫星集群从依赖地面中转的架构，重塑为可在轨自主交换与协同的星际网络，从根本上定义了未来巨型星座的性能上限。

图  星间激光通信示意图（图源：NASA）

图 协作式星间激光链路通信系统示意图

星间激光通信（OISL），又称自由空间光通信（Free-Space Optical Communication, FSOC）在太空中的关键应用，是利用激光束在真空中传输数据，进而实现卫星之间高速、无线通信的前沿技术。这项技术与星地激光通信共同构成了空间光通信体系的两大支柱，其工作波段位于人眼不可见的近红外光区域，通常为1550纳米波段，与地面光纤通信系统完全兼容。

图 北斗三号卫星建链示意图

相比于依赖有限频谱、易受干扰的传统无线电波（Radio Frequency, RF），激光通信更适用于大规模卫星部署，它以其近乎无限的带宽、极高的传输速率、卓越的安全性与抗干扰能力，以及更小的终端体积、重量和功耗，正在开启空间通信的新纪元。以我国“行云二号” 01星、02星为例，其激光通信载荷质量仅6.5千克，在轨功耗仅为80瓦，充分体现了该技术在系统集成与能效方面的显著优势。

实现星间激光通信，绝非将地面光纤系统简单搬上太空，而是在极端环境下，将光、机、电、热、控等多学科技术推向极限的系统工程。其核心在于解决三个根本问题：如何产生并调制极纯净的激光信号？如何在超远距离、高速相对运动下实现“针尖对麦芒”的精准对准与稳定跟踪？以及如何从极其微弱的光信号中无损地还原出海量数据？

01

原理核心：

从“广播”到“精准针灸”的信号革命

传统卫星通信面临双重困局：在物理层，其依赖的微波信号如“广播”般扩散，效率低下；在系统层，更受困于“卫星-地面站-卫星”的中转模式，受地面站布设、频谱资源和传输距离的严格限制，导致带宽有限、延迟高、全球覆盖不均，已无法支撑由数万颗低轨卫星构成星座所需的实时、海量数据交互。

而星间激光通信则实现了从“广播”到“精准针灸”的物理原理跃迁——利用激光的高方向性、高单色性、高亮度与高相干性等特性，将信息调制在近乎理想的光载波上，通过精密光学系统汇聚成一道在数千公里外散斑直径仅数百米的极细光束，如同实施"太空针灸"般实现定向精准传输。

这一传输能力的实现，建立在核心光电器件的突破之上。在发射端，高功率、高光束质量的半导体激光器（其芯片常采用磷化铟或砷化镓材料）产生纯净的相干光，再通过调制器将信息编码加载到光波的强度、相位或频率上。而卡塞格伦式或折射式望远镜系统作为光学天线，既负责将激光准直发射成极窄波束，也承担着接收并汇聚远方微弱信号的双重使命，其口径、面型精度和热稳定性直接决定了通信的极限距离与灵敏度。

当光束跨越数万公里抵达接收端时，信号功率已衰弱至皮瓦级。此时，系统需要超高灵敏度的接收与解调能力——对于直接检测系统，核心是低噪声雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode, APD）；对于更先进的相干通信系统，则需引入本振激光器进行光混频解调，以从噪声中提取有效信息。这一从发射、传输到接收的完整技术链，共同支撑起了激光通信的物理实现。

由此，激光通信得以克服传统微波通信的固有瓶颈：它不仅拥有GHz级的可用频带宽度且无需国际频谱申请，摆脱了资源束缚；其光频率比微波高3～4个数量级，使通信速率轻松突破10Gbit/s；极窄的束散角在显著降低功耗的同时，更使信号极难被截获，天然构筑起高保密性防线。

尤为关键的是，星间通信所处的近乎理想的高真空环境，无大气衰减与天气扰动，为激光通信提供了完美舞台。这使得激光通信能够充分发挥其高吞吐率、高带宽、强抗干扰与高安全性的综合优势，成为构建星间链路的最优解决方案，从物理原理到技术实现层面完成了从"广播"到"精准针灸"的变革。

02

系统心脏：太空中的“光学制导”

这是星间激光通信系统中最复杂、最精妙的核心部分，直接决定了高速激光链路能否建立并稳定维持。其过程完美诠释了何为“针尖对麦芒”——在数万公里外、相对速度高达每秒7-8公里的两颗卫星之间，将一道微米级光束持续、精准地射入另一道高速移动的接收孔径。整个过程被称为“瞄准、捕获、跟踪”（Pointing、Acquisition、Tracking, PAT），是一个从“大致指向”到“精确锁定”的闭环系统工程。

第一步

链路规划与粗瞄指向(Pointing)

通信建立前，系统需完成精确的“空间预瞄”。发起方卫星通过星载计算机获取目标卫星的精确轨道参数（星历），计算出其未来数秒内的空间位置。随后，卫星通过粗瞄机构（Coarse Pointing Assembly, CPA）将光学望远镜转动，指向目标的预测方位。由于存在轨道预报误差和平台指向偏差，此时的指向误差范围较大（通常在数百微弧度），属于开环指向。这一步骤的关键在于“超前瞄准”，即必须对准目标卫星在激光传播时间后的未来位置。

第二步

扫描搜索与捕获建立(Acquisition)

这是建立链路的初始关键步骤，如同在太空中“寻找彼此的眼神”。发起方卫星发射一束发散角较宽的信标光（Beacon），或令窄波束通信光执行特定的扫描模式（如螺旋扫描），以覆盖目标可能出现的整个不确定区域。接收方卫星的广角探测器一旦捕捉到这束微弱的光信号，便立即锁定其方向，并回射自身的信标光作为应答。当双方均成功探测到对方信号，并将光斑稳定在各自探测器的视场中心时，即完成“捕获”，这个过程通常可在数十秒内完成。

第三步03

精瞄闭环与稳定跟踪（Tracking）

捕获成功后，系统立即从“搜索模式”切换至高速“跟踪模式”，进入毫秒级响应的精密闭环控制。此时，双方开始发射用于通信的窄波束高功率信号光。系统的核心精密传感器——四象限探测器（Quadrant Photodetector, QPD）或位敏探测器（Position Sensitive Detector, PSD）—— 开始以纳米级分辨率实时感知光斑的微小偏移。这些偏差信号被高速反馈至快速转向镜（Fast Steering Mirror, FSM）。FSM由压电陶瓷或音圈电机驱动，能以数百至数千赫兹的带宽进行微弧度级的极速偏转，动态补偿卫星平台振动、热变形及相对运动带来的扰动，将发射光束牢牢“锁”在对方的接收孔径中心。至此，一条稳定、高速的激光通信链路才正式建立，可承载从调制解调、编码解码到高速数据流的完整通信任务。

总之，PAT系统是融合了精密光学、高速控制、智能算法的“光学制导”中枢。它能将理论上“针尖对麦芒”的极限挑战，转化为工程上稳定可靠的通信链路，是星间激光通信从概念走向组网应用的技术心脏。

03

核心挑战：工程化背后的“魔鬼细节”

星间激光通信从原理走向工程，面临着一系列在极限环境下必须解决的“魔鬼细节”。这些挑战相互耦合，共同构成了技术实用化的关键门槛。

挑战一：PAT系统的极限精度——“针尖对麦芒”的动态之舞

尽管PAT系统在原理上清晰可行，但将其在真实的太空环境中实现，则意味着要满足一系列近乎苛刻的极限性能要求。首要挑战是精度与稳定性的“极致标尺”。由于激光束散角极小（通常小于1微弧度），任何微小偏差都可能导致链路中断。这要求系统不仅需在数十秒内完成初始捕获，其精跟踪环路的稳定精度更须达到亚微弧度乃至纳弧度级——相当于在数万公里外维持“针尖对麦芒”的稳定，且两者还在以每秒数公里的速度相对运动。

图  星间激光链路中激光束示意图

其次，是动态补偿的“超高难度”。卫星平台存在的姿态控制误差、太阳能帆板驱动引发的频率达数百赫兹的微振动，以及结构在近300℃温差下的热变形，都会导致光束产生难以预测的随机抖动。为抵消这些扰动，系统必须形成一个带宽高达数百至上千赫兹的闭环控制系统。这对快速转向镜（FSM）等执行机构的响应速度、四象限探测器（QPD）等传感器的灵敏度以及控制算法的实时性都提出了较高的要求，目前技术仅能有效补偿约1kHz以内的振动，更高频扰动仍是严峻挑战。

挑战二：极端空间环境的严酷考验

尽管太空的真空环境为激光传输提供了理想媒介，但极端的辐射与剧烈温度变化，却对通信系统的长期可靠运行构成了持续威胁。一方面，地球辐射带及深空中的高能带电粒子会持续轰击卫星，可能导致激光器、探测器及核心电子元器件的性能逐步退化，甚至引发单粒子效应等瞬时故障或永久性损伤。为此，必须对所有关键器件实施严格的抗辐射加固（Rad-Hard）设计与筛选，并综合运用特殊屏蔽材料与防护电路，以抵御这种看不见的侵蚀。

另一方面，卫星在轨运行过程中经历着剧烈的温度循环——向阳面温度可超过120℃，而背阴面则可低于-170℃。近300℃的极端温差会导致不同材料产生不一致的热胀冷缩，进而引发光学元件形变、光路偏移，直接破坏系统的对准精度。为应对这一挑战，工程上必须采用低热膨胀系数的稳定性材料，结合精密的主动热控设计与无热化光学架构，从而确保整个光机系统在严酷的温度波动下仍能保持超高的尺寸稳定性与指向精度，使“针尖对麦芒”的精准控制不因环境温差而失效。

挑战三：微弱信号处理与超高速传输的瓶颈

随着星间激光通信的速率向100Gbps乃至Tbps量级迈进，系统在信号处理层面面临着从物理接收到实时处理的全局性挑战。首先，在经历数万公里的空间传输后，抵达接收端的信号光功率已衰弱至皮瓦级，与此同时，强烈的太阳光、地球辐射等背景噪声却持续干扰。为从这种信噪比极低的环境中提取有效信号，系统必须依赖超窄带光学滤光片、精密空间遮光阑等物理层抑制手段，并结合相干探测技术与先进数字信号处理算法，共同实现接近量子极限的接收灵敏度，完成“大海捞针”式的信号提取。

然而，灵敏接收仅是第一步。为了在有限带宽内承载百Gbps级的超高速数据流，系统需采用高阶调制格式（如16QAM、64QAM）和高效的前向纠错编码以提升频谱效率与传输可靠性。这些技术的引入，使得数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）的复杂度呈指数级上升。在轨实现每秒数百千兆比特数据的实时调制解调、载波相位恢复、信道均衡与解码，需要星上处理器具备强大的实时运算能力，同时还需在严苛的功耗约束与空间辐射环境下保持超高可靠性，这对星载处理芯片的设计提出了较高的集成度与鲁棒性要求。

总之，星间激光通信的工程化，是一场在动态、极端、高性能约束下的多目标协同优化。正是对每一项“魔鬼细节”的攻克，才使这项技术成为支撑低轨巨型星座组网不可或缺的“太空超高速光纤”。

星间激光通信从实验室概念演变为支撑国家星座战略的核心工程能力，是一场横跨技术攻关、产业协同与战略布局的系统工程。中国的探索之路，清晰勾勒出从早期技术跟跑、到关键领域并跑、最终为构建自主星座体系而全面发力的“追光”轨迹。国际上，SpaceX的“星链”自V1.5代卫星起即将星间激光通信终端作为标准配置，预示着该技术正成为全球卫星互联网的标配，其构建的太空骨干网在跨国数据传输方面展现出相较于传统海底光缆的潜在优势。

01

全球赛道：从技术验证到规模部署的竞逐

国际星间激光通信的发展始于上世纪后期的技术探索。欧洲的SILEX（Semiconductor-laser Inter-satellite Link Experiment）项目作为“开山鼻祖”，于2001年首次在地球静止轨道卫星（Advanced Relay and Technology Mission Satellite, ARTEMIS）与低轨卫星（SPOT-4）间成功建立了激光链路；随后，日欧合作的OICETS（Optical Inter-orbit Communication Engineering Test Satellite）与ARTEMIS卫星在2005年实现了跨洲际的星间激光通信。这些早期实验验证了技术的可行性，并为后续发展奠定了基础。

进入21世纪，竞争格局发生深刻变化，呈现出两条鲜明路径：

其一，是“以产业化规模定义赛道”。以美国SpaceX的“星链”星座最为典型，它将星间激光通信终端从昂贵的高价值实验载荷，转变为数万颗卫星的“标准配置”。通过大规模制造、快速迭代与在轨组网验证，这种“制造即实验、组网即验证”的模式，不仅极大降低了单机成本，更以工程实践规模快速确立了技术成熟度与网络效能标准，抢占了产业化应用的先机。

其二，是“以尖端演示争夺技术制高点”。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的深空光通信（Deep Space Optical Communications, DSOC）项目在2025年实现了与数亿公里外探测器的激光双向通信，展示了其在极端距离下的巨大潜力。这场竞赛的本质，是对未来太空通信极限能力与标准制定的争夺。

02

中国路径：自主创新的体系化构建

面对国际竞争与自身建设“中国星网”等巨型星座的战略需求，中国选择了一条以自主创新为核心、体系化构建能力的发展道路，并在近年来取得了一系列标志性突破。

2017年，实践十三号卫星搭载我国自主研发的激光通信系统，在3.6万公里地球同步轨道上，成功实现了下行10Gbps、上行5Gbps的星地激光通信，标志着我国在高速空间激光通信这一核心技术上实现了自主可控的重大突破，为后续的星间通信奠定了技术基础。2020年，“行云二号”双星搭载的激光通信载荷技术得到成功验证，我国卫星物联网星座实现了星间激光通信零的突破；2024年1月，长光卫星利用“吉林一号”卫星成功完成我国首次星间100Gbps超高速遥感影像传输试验，为海量数据实时下传提供了保障；2025年3月，极光星通公司自主研发的“光传01/02试验星”更完成了国内首次星间400Gbps超高速激光通信在轨试验，标志着我国在该领域的高速率竞赛中逐步跻身世界前列。

图 2025年3月，极光星通成功开展国内首次在轨星间400Gbps超高速激光通信数据传输试验

这些成就的背后，是一个覆盖上下游、日趋成熟的自主产业生态的有力支撑。在上游核心器件领域，长光华芯、源杰科技等已能提供支撑100Gbps及以上速率的核心激光芯片；复旦微电的国产抗辐射FPGA、振华科技的抗辐射元件确保了系统在太空极端环境下的可靠性。在中游至关重要的星间激光通信终端与模块环节，光迅科技作为全球唯二、国内唯一能量产100Gbps以上通信模块的企业，其产品已供货国内外主要星座项目；同时，以烽火通信为代表的厂商，提供了终端与星载路由的一体化解决方案。下游的航天电子等则为整个系统提供核心电子支持。这条完整产业链的形成，是技术从单次实验成功走向规模化星座组网的坚实基础。

03

战略驱动：面向国家蓝图的工程化使命

中国大力发展星间激光通信，其最终目标远不止于技术突破本身，而是深刻服务于国家宏观战略与安全需求。

从产业发展视角看

它直接关系到巨型星座蓝图能否高效落地。国际电信联盟（ITU）的频轨资源履约时限，正倒逼着卫星制造与发射产能的提升。星间激光通信终端作为每颗组网卫星的核心载荷，其性能、可靠性与成本直接决定了整个星座的数据传输容量与运营效能，是构建高效、自主全球覆盖网络的关键。

从更高的战略与安全视角看

星间激光通信因其波束极窄、难以截获与干扰的天然物理特性，成为构建高生存性、抗毁韧性天基信息网络的首选。它能实现侦察、通信、导航等各类卫星之间的高速、保密数据中继，支撑形成一体化的太空感知与指挥控制能力，其战略价值不言而喻。

中国的星间激光通信之路，正经历从关键技术“单点突围”，到与星座应用紧密衔接的“线性推进”，最终迈向全产业链生态支撑下的“体系化构建”阶段。这条从实验室走向星座组网的中国之路，不仅是一系列从100Gbps到400Gbps速率指标的跨越，更是一场以自主可控产业链为底座、以服务国家空间基础设施战略为根本的系统工程。

当星间激光通信将成千上万颗卫星编织成一张动态的太空光网，其价值已远超“连接”这一基础功能。它正从一项通信技术，跃升为定义下一代空间基础设施形态、乃至重塑人类太空活动范式的核心变量，绘制着从近地空间走向深空探测的文明新图景。

01

智能跃升：从“数据管道”到“在轨决策”

当下，星间激光通信的核心任务是解决星座内部的海量数据互通问题，是名副其实的“太空高速光纤”。然而，其真正的革命性在于与太空算力（Space-based Computing）的结合，这正引发卫星网络功能的范式变革。

传统的“感测→回传→地面处理”模式，受限于数小时甚至数天的延迟，已无法满足全球实时感知与响应的需求。星间激光通信提供的极低延迟、超高带宽链路，使得在轨道上构建分布式太空算力网络成为可能。通过星间激光链路，数据可被实时分发至搭载高性能处理单元的“算力卫星”，进行即时分析与融合，实现从“数据搬运工”到“在轨智能体”的进化。

这一结合的本质，是将边缘计算（Edge Computing, EC）范式推向太空，标志着太空通信从单纯的信息传输向“传输+处理”一体化演进。其价值是颠覆性的：一方面，它实现了从“小时级循环”到“秒级响应”的响应范式革命，对灾害预警、应急通信、军事感知等场景至关重要；另一方面，通过在轨预处理滤除无效数据，仅下传高价值信息，能极大缓解宝贵的星地链路压力，实现系统效能的倍增。可以说，星间激光通信构建的“高速内网”，是分布式太空算力实现协同与智能的前提。没有这一物理基础，分散的算力节点将难以高效交互与整合，无法形成体系化的决策能力。

02

能源革新：从“太空发电”到“星间传能”

星间激光通信与太空光伏（Space-based Solar Power）的结合，则指向了一个更为宏大的未来：构建太空能源互联网。当前，太空光伏主要为卫星平台（包括激光通信终端自身）提供清洁、持续的电力。而面向未来，基于空间的大型太阳能电站，其产生的巨量电能需要高效传回地球，最具潜力的方案之一正是“激光无线能量传输”。

图 多旋转关节空间太阳能电站（概念图）

在这一终极应用中，当前用于通信的激光技术将实现功能空前的拓展。高功率激光能量传输与高速激光通信在核心技术（如高功率激光器、精密光学、超精度跟瞄）上同根同源。一套先进系统未来可设计为“通信/传能双模工作”：平时以低功率进行高速数据中继；当太空电站需要向地面输电时，则切换至高功率模式，将电能以激光束形式定向传输。同时，激光束本身也将成为控制电站运行、监测状态的高效信息通道。这意味着，未来的激光系统将同时肩负起 “输电”与“通信” 的双重使命，实现能量与信息在太空中的真正融合。

这一远景并非空中楼阁，其现实基础正越来越牢固。无论是正在加速部署的“中国星网”等万颗级别星座，还是我国面向深空探测的长期任务，都对高效能源供给提出了刚性需求。而制造激光通信核心芯片（如激光器、探测器）的砷化镓等化合物半导体材料，其技术成熟与产业发展，也正是同时支撑高效太空光伏发电与高速激光通信/传能的共同物理基础。

03

文明阶梯：从“地球物联”到“星际互联”

星间激光通信的终极意义，在于它将成为人类从地球文明迈向太阳系文明的信息与能源阶梯。

在近中期，它将支撑构建地月空间高速互联网，为月球科研站、轨道服务站提供可靠的数据中继与能源信息一体化传输服务，使地月空间成为人类活动的活跃疆域。面向更远的深空，正如NASA的深空光通信项目所验证的，激光通信是克服亿万公里距离、实现高速数据回传的核心使能技术。它将使深空探测器具备强大的数据下发能力，并可能通过激光链路实现跨行星的能源接力与指令控制。

因此，星间激光通信作为一条贯穿未来的 “技术经纬线” ，一端编织起太空算力网络，赋予人类在轨实时认知与决策的“智能”；另一端链接着太空能源网络，为大规模开发空间资源提供持续的“能量”与控制。它从“连接现在”的卫星起步，将“定义未来”天基异构网络的终极形态——一个从近地轨道延伸至月球、火星乃至更远深空的智能融合信息系统，最终支撑人类成为跨星球物种，真正开启太阳系文明的时代。

星间激光通信不仅是实现全球无缝覆盖、构建6G空天地海一体化网络天基骨干的物理基石，更是推动我国航天产业从规模扩张向能力跃升的新质生产力代表。从核心芯片的自主突围，到终端载荷的批量交付，星间激光通信的成熟与规模化应用，直接关系到巨型星座组网的效能能否真正发挥，关系到我国能否在即将到来的太空时代，牢牢掌握信息流通与空间安全的主导权。

编织中国星海，以光为经纬。这既是对技术路径的坚定选择，亦是对一个更高效、更智能、更自主的太空时代的庄严承诺。

研究团队介绍

研究团队为宁波东方理工大学6G空天地海一体化网络实验室。团队负责人为尚博东，现为宁波东方理工大学助理教授、博士生导师。研究团队深耕于6G空天地海一体化网络研究领域，研究方向包括星地融合网络、低轨卫星通信与组网、非地面网络等。

宁波东方理工大学目前与上海交通大学、中国科学技术大学、香港理工大学进行博士生联合培养（满足学位和毕业要求，将发放联培院校学位证和毕业证）。研究团队目前招博士后、博士生、实习生。