早在 NASA 成立之前，科幻作家亞瑟·C·克拉克在 1945 年就設想了可以使用光束將資訊發回地球的宇宙飛船。經過數十年的挫折和死衚衕，實現這一目標的技術終於走向成熟。
兩艘計劃在未來幾周內發射的宇宙飛船將攜帶雷射器，使資料傳輸速度比以往任何時候都更快。其中一艘計劃於 9 月 5 日發射，是 NASA 的月球大氣與塵埃環境探測器 (LADEE) 任務，該任務將從月球傳輸影片和科學資料。另一艘是歐洲航天局 (ESA) 的名為 Alphasat 的專案，計劃於 7 月 25 日發射，將成為首顆從其他衛星收集大量科學資料的光學衛星。
“這是一個巨大的進步，”位於加利福尼亞州帕薩迪納的 NASA 噴氣推進實驗室的光學通訊專家哈米德·赫馬蒂說。“歐洲首次超越了演示，開始實際應用這項技術。”
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這些雷射器可以為即將到來的太空資訊洪流提供更大的管道。新的地球觀測衛星有望每年提供拍位元組級的資料。諸如火星勘測軌道飛行器 (MRO) 等任務已經對其可以發回的資料量施加了限制，因為下載速率的波動與航天器與地球的距離變化有關。“現在，我們離地球非常遙遠，所以我們無法將那麼多影像放入我們的下行鏈路中，”在圖森市亞利桑那大學 MRO 的 HiRISE 相機工作的英格麗德·道巴說。NASA 月球勘測軌道飛行器 (LRO) 副專案科學家約翰·凱勒說，雷射資料高速公路最終可能使航天機構能夠為其航天器配備更精密的裝置。他說，這目前尚不可能。“我們受到可以下載資料的速率的限制。”
今天的航天器使用無線電波傳送和接收資訊。使用的頻率比地球上音樂電臺發出的頻率高數百倍，並且可以塞進更多資訊，從而使軌道廣播能夠每秒傳輸數百兆位元的資訊。雷射器在更高的頻率下執行，可以達到每秒千兆位元（參見“已調諧”）。與擁擠且經過仔細分配的電磁頻譜的無線電部分不同，光學波長未被充分利用且不受監管。
來源：NASA/JPL-Caltech
在二十世紀的大部分時間裡，開發雷射通訊系統的努力都舉步維艱：微弱的雷射器和有問題的探測器使一個又一個專案脫軌。但光學技術的最新進展已開始改變局面。“這項技術已經成熟，”德國巴克南的公司 Tesat-Spacecom 的首席科學家弗蘭克·海涅說。
在 20 世紀 80 年代，歐洲利用改進的雷射器和光學探測器開始研發其首個雷射通訊系統，即半導體雷射器星間鏈路實驗 (SILEX)。配備該系統的 ESA 衛星 Artemis 於 2001 年從一顆法國衛星接收到每秒 50 兆位元的資訊，然後在 2005 年與一顆日本衛星交換了資訊。該專案教會了工程師如何在太空中穩定和指向雷射器。但由於其預期的應用——提供網際網路服務的衛星星座——被現在縱橫交錯全球的光纖電纜網路所取代，該專案被放棄了。
從那時起，海涅在 Tesat-Spacecom 的團隊為衛星到衛星通訊建立了一個雷射終端，德國航空航天中心的成本為 9500 萬歐元（1.24 億美元）。透過現代光纖技術放大的雷射器達到了瓦特級的功率——相比之下，SILEX 達到了數十毫瓦。2008 年，安裝在兩顆衛星上的終端以每秒千兆位元的速度在數千公里範圍內傳輸資訊。
一旦 ESA 的 Alphasat 定位在高地球靜止軌道上，它將把這種雷射終端的範圍擴充套件到數萬公里。未來在較低軌道上配備雷射終端的衛星將能夠以每秒高達 1.8 千兆位元的速度將資訊束射到 Alphasat，然後 Alphasat 將使用無線電波將資料中繼到地面站。Alphasat 的地球靜止軌道意味著它可以向其地面站提供恆定的資料流——這與低地球軌道衛星不同，低地球軌道衛星每天只能在掠過頭頂時與地面通訊一兩個小時。“其他衛星將能夠購買我們雷射終端的使用時間，”Alphasat 的代理專案經理菲利普·西瓦克說。
其中一位客戶將是今年晚些時候發射的另一項 ESA 任務：Sentinel-1，這是為歐洲新的全球環境監測計劃 Copernicus 發射的幾艘航天器中的第一艘。它將在 2014 年底之前向 Alphasat 傳輸天氣資料。屆時，歐洲計劃開始部署一個專用的雷射中繼衛星網路，該網路最終將處理 Sentinel 航天器艦隊每天收集的 6 太位元組的影像、地表溫度測量值和其他資料。
但歐洲的太空雷射器有一個明顯的缺點。雖然它們可以在航天器之間傳輸資訊，但它們在與地面通訊方面存在困難——這項任務仍然必須由無線電波來完成。這是因為這些雷射器透過略微改變光頻率來編碼資訊，這類似於調製 FM 無線電臺。以這種方式調製的波束可以防止太陽干擾，但容易受到大氣湍流的影響。
NASA 即將進行的 LADEE 任務中的雷射器將使用不同的方法直接與地球通訊，這種方法不太容易受到大氣干擾。它以 AM 風格編碼資訊，透過調整光波峰值的幅度而不是頻率。
NASA 希望 LADEE 的演示能夠將雷射通訊擴充套件到地球的近距離範圍之外，擴充套件到月球和其他行星。深空任務目前依賴於無線電傳輸。但是無線電波在長距離傳播時會擴散，從而削弱訊號並降低資料傳輸速率。
相比之下，雷射束保持其焦點，使其能夠在更遠的距離上傳輸已經更大的資訊量，而無需使用無線電發射器所需的額外功率。“雷射通訊越往外走就越有利，”NASA 戈達德太空飛行中心 LADEE 月球雷射通訊演示專案任務經理唐納德·康威爾說。
1992 年，伽利略探測器在前往木星的途中，發現了從地球發射的超過 600 萬公里的雷射脈衝。2005 年，地球上的雷射器向火星全球勘測者傳送了訊號。另一個擊中了前往水星的信使號任務，信使號任務用自己的雷射脈衝做出了回應。今年 1 月，月球勘測軌道飛行器接收到了有史以來第一條用雷射傳送到月球的原始訊息——一幅蒙娜麗莎的畫像，它以摩爾斯電碼的方式逐畫素傳輸。
LADEE 搭載了 NASA 的首個專用雷射通訊系統。該系統頻寬為每秒 622 兆位元，是從月球距離使用無線電可能實現的速度的六倍以上，可以廣播高畫質電視質量的影片。但是，即使其 AM 光學系統擅長穿透地球湍流的大氣層，它仍然需要備用無線電鏈路，以應對雷射被阻擋的陰天。為了最大限度地減少這個問題，LADEE 的主要地面站位於新墨西哥州基本無雲的沙漠中，備用站點位於另外兩個陽光充足的地方：加利福尼亞州和加那利群島。