以SpaceX Starlink巨型低軌星座為代表的航天工程向世人展示了諸多“太空黑科技”，大眾最先關注的往往是運載火箭、大型衛星平臺與空間站，但未來真正重塑太空全域網絡體系的，卻是體積微小、不可或缺的核心元器件：星載激光芯片。過去的衛星，更像“天上的相機”和“太空里的中轉站”；而今天的衛星，正在變成“天上的智能節點”，既要秒級發現災害、實時識別目標變化，也要支撐全球通信、智能導航、深空探測和天基算力。Starlink V2 Mini衛星依靠自研星間激光終端構建軌道光傳輸骨干網，整套高速星間鏈路的核心正是抗空間輻照激光芯片，該芯片可實現數百Gbps量級的星間數據轉發，打破傳統微波通信帶寬瓶頸與地面信關站的覆蓋局限，也印證了星載激光芯片在下一代天基智能網絡中的基礎性地位。

但隨著衛星看得更清、數據更大，新的瓶頸開始出現：傳統鏈路不一定傳得動，地面處理也不一定來得及；而設備一旦入軌，還必須在真空、強輻射、極端溫差中長期穩定運行，且無法維修。這就是星載激光芯片登場的原因。它不是單純的一顆“激光器”，而更像是把激光發射、光信號接收、信號調制、光束控制、弱光探測以及與在軌智能處理協同的能力，壓縮進芯片尺度的宇航級光電系統。如果說傳統空間光通信終端更像一套復雜的光機系統，那么星載激光芯片的目標，就是把其中越來越多的光學功能搬進芯片。圖中的硅光子晶圓展示的正是這種趨勢：未來的太空光網絡，可能就藏在這樣一片片高度集成的光子芯片里。

圖1 硅光子300 mm晶

圖源：Ehsanshahoseini / Wikimedia Commons，

CC BY-SA 4.0

什么是星載激光芯片？

簡單來說，星載激光芯片是一類能在太空中工作、圍繞“光”完成通信、探測和數據協同的宇航級光電芯片。它不是普通激光器，也不是計算芯片，而是一套高度壓縮的空間光電系統，需要同時具備收發功能。為了讓光“打得準、收得穩”，還需要調制器、波導、探測器、光學天線、光束掃描結構和控制電路協同工作。

更直觀地說，星載激光芯片至少承擔三種角色：

01

它是太空里的“高速網卡”

衛星之間、衛星與地面之間，都需要傳輸相關數據。激光通信帶寬高、方向性強、抗干擾能力好，可以把衛星連接成高速光網絡。

02

它是太空里的“靈敏眼睛”

在深空探測、激光雷達、量子通信和星地光鏈路中，接收端面對的往往是極弱光信號。APD、SPAD、單光子探測器等器件，就是為了讓衛星在遠距離衰減和強噪聲后，仍盡可能“看見”信號。

03

它是太空里的“智能接口”

未來衛星不再只是把原始數據傳回地面，而是要先在軌完成篩選、識別、壓縮和判斷。星載激光芯片可以作為高速光入口和光學感知前端，把數據更快送入星載AI芯片、邊緣計算單元或并行處理模塊。

這也是它和地面激光芯片最大的不同。地面芯片更多考慮性能、成本和常規穩定性；星載激光芯片則必須先過“太空生存關”：抗輻照、耐受高低溫循環、輕小低功耗，并能在真空和無法維修的環境中長期工作。它不是把地面激光芯片簡單搬上天，而是做成真正適應太空任務的宇航級光電系統。

應用場景介紹

星間激光“太空高速網”

未來衛星最先遇到的難題，不是“看不見”，而是“傳不回”。隨著衛星更多、傳感器更強、任務更智能，太空數據流量正在快速膨脹。傳統微波通信雖然成熟可靠，但頻譜和帶寬有限，很難長期支撐未來星座級、實時化、智能化的太空網絡。

激光通信的優勢在這里顯現。它不像傳統無線電那樣大范圍“廣播”，而更像在兩顆衛星之間架起一條精準指向的高速光通道。激光束方向性強、帶寬高、抗干擾能力好，也更不容易被截獲，非常適合星間高速傳輸、星地數據回傳和深空通信。未來，衛星會成為太空網絡中的“路由器”，讓整個星座像一張在軌運行的高速光纖網。

這并不是遙遠的想象。NASA的ILLUMA-T激光通信終端、TBIRD激光通信載荷等項目，已經在驗證空間高速光鏈路的工程可行性。它們展示出一個清晰趨勢：未來太空通信終端會向更小型化、更低功耗、更高帶寬發展，而星載激光芯片正是其中的重要基礎。

圖2 NASA ILLUMA-T激光通信終端

圖源：NASA / Dennis Henry

如果說ILLUMA-T代表的是空間激光通信終端走向工程應用，那么TBIRD則更直觀地展示了小型衛星載荷實現高速激光下傳的可能性。隨著這類終端不斷縮小，越來越多原本依賴復雜光機結構完成的功能，未來有機會被集成到芯片和片上光學系統中。

圖3 TBIRD激光通信載荷

圖源：NASA/MIT Lincoln Laboratory

不過，激光通信并不是“把一束光打出去”這么簡單。激光光束很窄，優點是能量集中、效率高、安全性好；缺點也很明顯：必須瞄得準、跟得穩。衛星在軌高速運動，星間距離不斷變化，星地鏈路還要穿過大氣層，這就要求激光終端具備捕獲、瞄準、跟蹤和快速轉向能力。

因此，光學相控陣、片上光束掃描器、集成光天線陣列等技術開始變得關鍵。它們的目標，是讓光束控制從傳統機械轉臺和復雜光機系統，走向更緊湊、更快速、更可編程的芯片級方案。帶片上放大的集成光學相控陣，已經展示出芯片內光增益、波束成形和自由空間出光能力，可用于未來光通信、激光雷達和片上波束控制系統[1]。硅光子自適應接收機則把二維光學天線陣列和可編程光處理器集成到芯片中，用于補償自由空間光通信中的湍流閃爍，并在10 Gbit/s鏈路中完成驗證[2]。薄膜鈮酸鋰光學相控陣也展示了多目標高速光無線通信潛力，實現了無需機械部件或透鏡的多目標連接，單通道速率達到320 Gbps [3]。

更進一步，芯片里的光如何真正進入自由空間，也是星載激光芯片必須解決的問題。光在芯片里沿波導傳播，但衛星通信、激光雷達和空間量子鏈路都需要光離開芯片，飛向另一顆衛星、地面站或深空目標。納米光子“chip-to-world”波束掃描研究，正是在解決這個接口問題：讓片上光束高質量地從芯片表面發射并掃描[4]。只有把“片上高速處理”和“自由空間光傳輸”真正接起來，星載激光芯片才能成為太空高速網的核心節點。

在軌算力“太空電腦”

星載激光芯片的第二重價值，是把“看見”和“算明白”連接起來。

過去，衛星主要負責在天上拍攝圖像、采集數據，再把原始數據傳回地面處理。但當高分辨率遙感、視頻衛星、低軌星座和天基智能系統發展起來后，瓶頸越來越明顯：所有數據都傳回地面，鏈路會被占滿；所有判斷都依賴地面服務器，也很難實現實時響應。

更合理的方式，是讓衛星先在軌完成一部分判斷。哪些數據需要壓縮？哪些結果可以直接發送？當這些任務能在天上先完成，太空系統就不再只是“數據采集層”，而開始具備“邊緣計算層”的能力。

這就是在軌算力的意義。它不是簡單把地面大模型搬上衛星，而是在功耗、存儲、熱控、輻射和算力都受限的條件下，讓模型盡可能小、快、準。已有研究面向CubeSat級星載硬件進行神經網絡架構搜索，使模型能在資源受限平臺上實現更低延遲、更小內存占用的實時推理[5]。

星載激光芯片在這里扮演的，不是“太空大腦”本身，而是通往這個大腦的高速光入口。一方面，它通過激光通信提供高速鏈路，讓衛星之間、衛星與地面之間更快交換數據；另一方面，它通過弱光探測、光束控制和光接收能力，提升衛星獲取信息的效率。前端“看得更快、收得更準”，后端AI才能更及時地篩選、識別和判斷。

所以，“太空電腦”并不是某一顆芯片單獨完成的事情，而是星載激光芯片、星載 AI 處理器、存儲單元、通信鏈路和任務調度系統共同構成的能力。星載激光芯片的作用，就是讓數據更快進入計算鏈路，也讓計算結果更快回到太空網絡中。

極弱光探測“太空靈敏眼”

如果說“太空高速網”解決的是傳輸問題，那么“太空靈敏眼”解決的就是感知問題。

衛星不僅要把激光發出去，還要把極其微弱的光信號接回來。深空探測中，信號經過長距離傳播后會變得極弱；激光雷達要接收微弱回波；量子通信要識別單光子信號；星地激光鏈路還要穿過大氣層，白天甚至會受到太陽背景光干擾。這時，普通光接收已經不夠用了。APD、SPAD、單光子探測器等器件，就像給衛星裝上“夜視眼”：在極低光強下捕捉信號，把幾乎淹沒在噪聲里的光子，轉換成可識別、可處理的電信號。衛星能否“看得遠、看得弱、看得準”，很大程度上取決于這些弱光探測能力。

歐洲數據中繼系統EDRS展示了空間激光中繼通信的典型場景：低軌衛星采集的數據，可以通過激光鏈路傳給更高軌道的中繼衛星，再轉發回地面。這樣的系統不僅要把光發得準，也要在遠距離鏈路中穩定接收微弱光信號。

圖4 EDRS激光通信終端

圖源：ESA/DLR/TESAT

不過，太空里的“眼睛”不能只是靈敏，還必須可靠。輻射會影響探測器噪聲和壽命，溫度變化會影響靈敏度，真空和污染沉積也可能影響光學窗口、透鏡和耦合效率。因此，空間光子芯片和弱光探測器的長期穩定性驗證也十分重要。面向空間量子密鑰分發的硅光子芯片研究也表明，光子集成芯片具備服務空間量子通信終端的潛力，但仍需通過γ射線和高能質子等輻照實驗驗證可靠性[6]。

真實的星地鏈路也不僅僅取決于芯片指標。地面站能否穩定捕獲信號，同樣會影響整條鏈路的質量。白天背景光、大氣湍流、指向誤差、信標捕獲、接收口徑和濾波設計，都會決定微弱光信號能不能從噪聲里被“撈出來”。ESA的光學地面站就代表了這類空間光通信、空間目標觀測和量子通信實驗所依賴的地面接收基礎設施。

相關研究也已經對這類問題進行了系統評估：有研究分析了白天背景噪聲對衛星到地面自由空間光通信的影響，并完成了7 km、2.5 Gbps的白天自由空間光通信驗證[7]。這說明未來星地光通信不能只追求“更快”，還必須在強背景噪聲、大氣擾動和復雜指向條件下實現穩定接收。

所以，“太空靈敏眼”的價值不只是看見一束光，而是在遠距離、弱信號、強噪聲和高可靠性要求之下，仍然把光信號變成可信的數據。它支撐的不只是激光通信，也包括激光雷達、深空探測、量子通信和空間態勢感知。

圖5 ESA 光學地面站

圖源：ESA

為什么它是未來太空的“基石”？

星載激光芯片之所以重要，是因為它同時指向未來衛星系統的三個痛點：拍得多、傳得慢、算得難。

未來衛星會采集越來越多數據。沒有高速光通信鏈路，衛星即使“看見了”，也很難及時“傳回來”；沒有穩定的星間光網絡，單顆衛星再強，也難以組成真正協同的星座系統。星載激光芯片支撐的星間激光通信，正是讓衛星從孤立節點走向在軌網絡的關鍵。

同時，太空任務中的信號往往極其微弱。沒有高靈敏探測和穩定接收能力，深空通信、量子通信、激光雷達和弱光探測都會受限。星載激光芯片中的探測核心，讓衛星不僅能“發出光”，也能在復雜環境中“接住光”。

而在算力層面，如果所有數據都依賴地面處理，衛星就很難實時響應。星載激光芯片通過高速光鏈路和光學感知前端，把數據更快送入星載AI和邊緣計算系統，也把計算結果更快送回太空網絡。

所以，它的價值不只是“讓通信更快”，而是把三件事連接起來：用光傳輸數據，用光感知世界，再把數據送入在軌計算。當通信、感知、計算被打通，衛星就不再只是天上的相機或中轉站，而會成為真正的太空智能節點[8、9]。

圖6 NASA LCRD OGS-2光學地面站

圖源：NASA

圖中的LCRD OGS-2光學地面站，也可以看作這張“太空光網絡”的地面入口。當星間激光鏈路、星地激光鏈路、星載AI和光子集成芯片不斷成熟，太空信息系統將不只是把數據從天上傳下來，而是在天上完成連接、感知和初步計算，再把真正重要的信息送到地面。

未來展望

未來，隨著硅光子、薄膜鈮酸鋰、InP光子集成、光學相控陣、單光子探測和星載AI芯片持續發展，星載激光芯片會朝著更小、更輕、更低功耗、更高可靠性的方向演進。過去依賴復雜光機系統完成的激光通信、光束控制和弱光接收，未來可能被越來越多地壓縮到芯片和片上光學系統中。

這會帶來一個重要變化：衛星會變得更便宜、更靈活，也更聰明。小衛星可能成為具備高速通信、實時感知和在軌計算能力的智能節點；星座也不再只是衛星堆疊，而會逐漸變成一張可高速傳輸、動態協同、邊緣計算的太空光網絡。秒級災害監測、智能導航、全球應急通信、深空探測、量子通信和空間態勢感知，都可能建立在這樣的底層能力之上。

對中國來說，空間光通信、量子通信、光子集成、單光子探測和星載計算等方向正在持續推進。隨著星載激光芯片在集成度、抗輻照能力、工程可靠性和系統應用上不斷提升，它有望成為中國空間信息網絡、智能衛星體系和未來太空互聯網的重要支撐。過去，衛星是太空中的“數據采集點”；未來，衛星會成為太空中的“智能計算節點”。而星載激光芯片，正是點亮太空的光、連接星河的網、計算宇宙的腦。

Reference

[1] GAGINO M, MILLAN-MEJIA A, AUGUSTIN L, et al. Integrated optical phased array with on-chip amplification enabling programmable beam shaping [J]. Scientific Reports, 2024, 14(1): 9590.

[2] MARTINEZ A I, CAVICCHIOLI G, SEYEDINNAVADEH S, et al. Self-adaptive integrated photonic receiver for turbulence compensation in free space optical links [J]. Scientific Reports, 2024, 14(1): 20178.

[3] MA X, YUAN M, LI J, et al. Multi-target and ultra-high-speed optical wireless communication using a thin-film lithium niobate optical phased array [J]. Nature Communications, 2025.

[4] SAHA M, WEN Y H, GREENSPON A S, et al. Nanophotonic waveguide chip-to-world beam scanning [J]. Nature, 2026, 651(8105): 356-63.

[5] MAO D, CHANG L, LEE H, et al. Space-qualifying silicon photonic modulators and circuits [J]. Science Advances, 2024, 10(1): eadi9171.

[6] GUO J, ZHANG W, LIAO Z, et al. Multi-beam top-facing optical phased array enabling a 360° field of view [J]. Photonics Research, 2025, 13(4): 889-96.

[7] JANG H, SONG H, JANG H. Evaluation of daylight background noise for satellite-to-ground free-space optical communication during daytime operation [J]. Photonics Research, 2025, 13(9): 2630-40.

[8] DEL PRETE R, THIND P K, MAZZEO A, et al. Optimizing deep learning models for on-orbit deployment through neural architecture search [J]. Scientific Reports, 2025, 15(1): 37783.

[9] CHEN Z-Y, LIU Y-F, CHEN C, et al. Radiation effect on silicon photonics chips for space quantum key distribution [J]. Optics Express, 2024, 32(2): 2015-28.

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本文轉載自“中國激光評論”，原標題《未來太空“黑科技”：星載激光芯片》。

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