说到无线通信，两个激光比一个好

韩和莱娅。乔治和阿马尔。克米特和小猪小姐。戈麦斯和莫蒂西亚。历史上最伟大的夫妻依靠交流使他们变得如此强大，他们的力量不容否认。

但这不仅适用于人（或木偶），也适用于激光。

根据最近发表在《自然光子学》上的南加州大学维特比工程学院（USC Viterbi School of Engineering）的最新研究，将两个激光器组合在一起作为一种光学“it耦合”有望使无线通信比以往任何时候都更快、更安全。但首先，有一点背景。

大多数基于激光的通信——比如通常用于高速互联网的光纤——都是以激光束通过电缆的形式传输的。光通信速度非常快，但由于必须通过物理电缆传输，因此受到限制。将激光的高容量能力应用于无约束和流动应用——如飞机、无人驾驶飞机、潜艇和卫星——确实令人兴奋，并可能改变游戏规则。

南加州大学维特比分校的研究人员将注意力集中在所谓的自由空间光通信（FSOC）上，使我们离这一壮举又近了一步。这是一项不小的成就，也是研究人员一段时间以来一直在努力的挑战。一个主要的障碍是所谓的“大气湍流”

当携带信息的单一光学激光束在空气中传播时，它会经历自然湍流，就像飞机一样。周围大气中的风和温度变化导致光束变得不稳定。正是由于我们无法控制这种湍流，使得FSOC在性能上无法取得类似于无线电和光纤系统的进步。让我们在大多数无线通信中只能使用较慢的老式无线电波。

“虽然FSOC已经存在了一段时间，但有效地从受大气湍流影响的光束中恢复信息一直是一个根本性的挑战，”首席作者、博士张润洲（Runzhou Zhang）说。学生在南加州大学维特比光通信实验室在明谢电气和计算机工程系。

研究人员通过发送第二束激光（称为“先导”光束）与第一束激光一起作为合作伙伴，在解决这一问题上取得了进展。两束光束以耦合的形式传输，通过相同的空气，经历相同的湍流，并且具有相同的畸变。如果只发送一个波束，接收器必须计算波束沿途经历的所有失真，然后才能解码数据。这严重限制了系统的性能。

但是，当引导光束沿着原始光束移动时，失真会自动消除。就像科米特与小猪小姐二重唱“彩虹连接”一样，光束中的信息清晰、清晰、易懂地到达目的地。

从工程学的角度来看，这项成就不是一项小成就。研究小组组长、南加州大学维特比分校电气和计算机工程教授艾伦·威尔纳（Alan Willner）表示：“无线电波的问题在于，它的数据传输速度比光通信慢得多，安全性也比光通信差得多。无线电波是我们目前大多数无线通信的最佳选择。”。“通过我们的新方法，我们离缓解高容量光纤链路中的湍流又近了一步。”

也许最令人印象深刻的是，研究人员并没有用新的设备或材料来解决这个问题。他们只是看了看物理学，改变了他们的观点。张说：“我们使用了一种称为光电探测器的著名设备的基本物理原理，该设备通常用于检测光的强度，并意识到它可以以一种新的方式用于解决激光通信系统的湍流问题。”。

这样想：当克米特和小猪小姐唱歌时，他们的声音在空气中以类似的方式被扭曲。这是有道理的；他们站在一起，声音在同一个大气中传播。这个光电探测器的作用是将克米特声音的失真转变为与小猪小姐声音的失真相反的失真。现在，当它们混合在一起时，两种声音中的失真会自动消除，我们可以清晰清晰地听到这首歌。

有了这个新实现的物理应用，团队计划继续探索如何使性能更好。“我们希望有一天，我们的方法将实现更高的性能和安全的无线链接，”Willner说。这种链接可以用于从高分辨率成像到高性能计算的任何事情。