一、衛星雷射光通訊分為空對空、空對地兩大類別
自由空間光通訊(Free-Space Optics;FSO)是利用光在空氣、外太空、真空等自由空間中行進,用來傳遞訊號的無線光通訊技術。近年來,低軌衛星蓬勃發展,透過衛星傳輸數據、通訊或遙測影像的需求增長。過往太空使用依靠射頻(Radio Frequency;RF)的無線電(Radio)通訊系統;未來,就像地球上光纖取代銅線一樣,將提升到「雷射光通訊(Laser Optical Communication)」系統,以提高數據傳輸量及速率,符合現今的需求。衛星雷射光通訊種類分為以下兩大類型應用:

圖1 衛星雷射光通訊兩大類型
資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊 (2025/03)
(一)空對空
空對空的衛星間通訊(Inter-Satellite Links;ISL),主要用於同軌道、多軌道衛星之間,或是衛星與其他太空載具之間的傳輸。根據NSR(Northern Sky Research)在2022發布的報告,2021至2031年,衛星間雷射光通訊(Laser Optical Inter Satellite Link;OISL)所使用的ISL設備的年複合成長率將到達47%,預估在2031年市場規模達到21億美元。
(二)空對地
空對地(Direct-to Earth;DTE)傳輸,主要用於衛星和地面站之間傳輸之外,也可用於太空中的衛星與飛機、無人機、高空平台基地台(High Altitude Platform Station;HAPS)的傳輸。光學DTE設備的產值相對較低,NSR在2022發布的報告中,2031年市場僅預估在120萬美元左右,主要因為從衛星到地球傳輸過程中,容易受到大氣層的干擾,也有氣候因素需要克服,因此目前相關技術成熟度較低,商業模式待驗證。
二、雷射光通訊設備關鍵模組組成與設計原理
衛星雷射光通訊依據工作流程及對指向精準度的要求,從光訊號產生、光束控制、光訊號對準追蹤到訊號接收,所需的光通訊酬載關鍵模組,包含:訊號產生裝置、被動式光學模組、自動追蹤光訊號模組、追蹤信標模組以及訊號接收模組。

圖2 衛星雷射光通訊酬載關鍵模組
資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊 (2025/03)
訊號產生裝置主要負責產生並調變要傳輸的光訊號,包含雷射模組、訊號調變模組及光放大模組。雷射的穩定性是決定光通訊傳輸品質的重要因素,雷射模組包含半導體雷射、溫控與散熱裝置,用於產生光訊號;訊號調變模組則將資料訊號調變到光波上,以進行傳輸;光放大模組負責增強光訊號的強度,使其在長距離傳輸中維持訊號強度。
被動式光學模組對光束進行控制和引導,確保光訊號的傳輸和接收方向正確。準直透鏡組會將發出的雷射光束準直化,在雷射光學領域中,雷射光束需要準直化,確保光線彼此平行傳播,不會向不需要的方向分散,在長距離內亦保持不發散;分色鏡組用於分離不同波長的光,確保不同訊號之間不會互相干擾;光束擴束裝置將光束擴大,增加其覆蓋範圍或準確性。
自動追蹤光訊號模組,確保在衛星或移動平台上的發送和接收裝置對準。雪崩光電二極體接收器(Avalanche Photodiode;APD)用於高靈敏度接收微弱光訊號,轉換為電訊號;快速轉向鏡子(Fast Steering Mirror;FSM)精準調整光束的方向,確保發射端和接收端保持對準;位置感測器(Position Sensing Detectors;PSD)監控光束的位置,是反饋控制系統提供數據。
追蹤信標雷射設計與光學架設,由雷射信標提供追蹤用的參考、定位訊號,使接收器能鎖定發射端位置,確保接收端能精確地定位到發射端的光訊號。光學架設則確保雷射信標與接收裝置精確對準。
訊號接收模組負責接收並解調由發射端傳來的光訊號,將其轉換為可讀取的電訊號。主要組件為接收器,包含光電二極體等設備,負責將接收到的光訊號轉換成電訊號,並進行解調處理,將數據還原。
三、衛星雷射光通訊以安全和傳輸量大為主要優勢
巨型星系衛星營運業者包含SpaceX、Amazon Kuiper和Telesat都規劃或已導入衛星雷射光通訊功能,此外,又以政府國防單位為主要採用者,透過採購或合作,取得相關業者所開發的雷射光通訊設備。這些單位主要著重以下雷射光通訊所帶來的優勢:
1. 發散程度低且安全性高
雷射光通訊的光束發散角非常小,表示光線可以在較長距離內保持高度集中的束狀傳輸。無線電波在傳輸過程中相較之下會有較大的發散,導致訊號能量的擴散和降低。
而雷射光通訊高度集中的傳輸方式,帶來兩個應用面的優點:首先,是更精確的數據傳輸,由於光束發散程度小,雷射光通訊的資料傳輸可以更精準地對準目標,降低能量浪費。其次,由於光束發散少且集中,使得攔截雷射光訊號的難度遠高於無線電波,提高資訊安全,防止數據被非法截取或干擾。
2. 傳輸速度快
目前傳輸速率已可以達到數百Gbps,比目前最先進太空無線電系統更快10~100倍,這種高速傳輸對於現代衛星,尤其是在資料傳輸需求成長的應用中非常重要。
首先,可以應用於高速資料傳輸;例如遙測衛星收集的數據量越來越龐大,僅依賴無線電系統可能無法快速有效地傳輸資料,而雷射光通訊的高傳輸速率,使得這種龐大的數據量得以迅速處理。另外,光纖通訊技術的發展已經相對成熟,光纖通訊的相同波長、雷射、光放大器相關的許多經驗和技術,可轉換應用於衛星自由空間光通訊,加快技術推廣和落地。
3. 申請程序少
與無線電通訊不同,雷射光通訊不需要使用有限的頻譜資源,因此也無須透過政府申請頻譜許可。如此能簡化部署光通訊系統的程序,特別是對於國際間衛星通訊、跨境數據傳輸,省去繁雜的頻段分配問題。衛星通訊系統可以在全球更靈活且迅速部署,適應不同的營運需求。
4. 大量資料傳輸
雷射光通訊的頻寬遠大於無線電波,因此可以在相同時間內傳輸更多的數據,非常適合應對新一代衛星技術所帶來的龐大數據傳輸需求。例如,遙測衛星的新技術「合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar;SAR)」,生成大量數據難以僅靠傳統無線電波來傳輸,雷射光通訊成為解決此問題的關鍵技術。
5. 成本低
雷射光通訊每位元數據的傳輸成本較低,可以大幅節省營運成本,特別是針對大量資料傳輸需求。此外,雷射光通訊所需的天線尺寸通常較小,在減少「尺寸、重量和功率(Size, Weight and Power;SWaP)」方面有優勢。較小的天線和設備重量,也同時讓衛星更輕,功耗更低,進而降低整體設備和發射成本,對於衛星通訊系統設計更高效很重要。
然而,自由空間光通訊最大的挑戰,就是對天氣條件的敏感性,尤其是在降雨、濃霧或降雪等惡劣天氣下,光訊號會受到嚴重的衰減甚至中斷,這在DTE中最為明顯。在特定情形下,自由空間光通訊仍需要仰賴其他備份通訊系統(如無線電),來確保數據的連續傳輸。除了天氣,地球的大氣層也會對光訊號產生影響,電離層和對流層中的微粒、氣體分子、塵埃等,會導致光訊號的散射和吸收,削弱訊號的強度。
此外,雷射光的發散角比RF小得多,帶來優勢的同時,也造成雷射光通訊具有極高的指向性需求,發射和接收端必須對準得非常精確才能進行有效通訊。因此,衛星雷射光通訊需要高精度指向控制;如空中衛星的姿態控制系統必須非常精確,以保證光通訊的發射和接收端對準。同時,衛星在軌道運行中,不可避免地受到來自太空環境的微震動影響,衛星的震動、漂移等可能會干擾光束的穩定性,影響通訊品質,因此雷射光通訊又需要抗震動干擾的設計。
四、近期主要國際業者動向分析
(一)美國CACI
美國光學終端設備供應商CACI被認為是美國最強的光通訊終端製造商,主打低風險的光通訊能提供衛星更安全、可靠和具韌性的通訊,可支援各種軌道和深太空探索作業。透過減小SWaP以及抗干擾能力,實現低偵測/截收率(Low Probability of Detection/ Interception)。
目前主要的OISL產品為「CrossBeam」以及「SkyLight」。CrossBeam鏈結距離可達6,750公里、速率達2.5 Gbps,重量10公斤。是為了美國太空發展局(Space Development Agency;SDA)衛星交叉鏈路設計,搭配專利的發射和接收光學設計,以及CACI高效modem的技術,可針對各種鏈路連結應用客製化。
SkyLight鏈結距離達1,000公里、速率100 Mbps,重量1.6公斤,是一個超低SWaP的系統,提供衛星交叉鏈路、上下行鏈路功能,並且是一個整合資料處理、發射、擴大、接收的系統,具有透過波束控制的功能,不需透過衛星方向來維持鏈路。可支援ISL或DTE兩大類型傳輸方式。
CrossBeam
|
SkyLight
|

|

|
圖3 CACI雷射光通訊設備產品
資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊 (2025/03)
(二)德國TESAT
德國Tesat-Spacecom公司(TESAT)的雷射光通訊產品,主打其特點:防竊聽安全性、高資料傳輸速度,以及具發送量子金鑰(Quantum Key Distribution;QKD)的可能性。包含美國政府SDA衛星的傳輸層和追蹤層,以及DARPA的Blackjack計畫,都採購TESAT的設備。2024年9月,SDA委由SpaceX製造的兩顆衛星,成功使用TESAT的光通訊終端交換數據,也是SDA目前唯一成功執行在軌傳輸的光通訊設備 ,並且在100秒內連接,維持數個小時。
從表1 TESAT產品規格來看,目前雷射光通訊設備,從低軌、中軌、高軌之間的鏈路到DTE,廠商都已有參與開發,適用衛星包含立方衛星、小型衛星至中大型衛星,採取相對應的設備規格。速度越快、傳輸距離越長,相應的重量及耗電量也越高。至於波長部分,則多數採取波長1,064 nm或1,550 nm進行傳輸。
表1 TESAT產品規格

資料來源:工研院產科國際所 ITIS研究團隊 (2025/03)
五、結論
傳統的衛星通訊採用RF訊號,容易受到駭客攻擊,例如竊聽、竄改或使其中斷服務等,存在相當高的風險,且資料傳輸速率將無法因應逐漸成長的通訊或遙測需求。目前,許多國際大型星系營運商皆有OISL導入規劃,亦有政府的國防應用和太空探索應用;衛星雷射光通訊逐漸成為大型星系和國防星系採用焦點趨勢,主要著重其雷射光通訊安全、傳輸量大、快速的特性,更有廠商加入QKD的功能開發,進一步因應量子電腦的發展,使其安全性再次提升。
而DTE的成熟度相對較低,若要實際使用,有待更精良的技術以克服干擾阻礙,例如傳至地面時必經的「天氣干擾」為迫切需要解決的問題。無論是OISL或是DTE,我國業者若要進入相關設備開發,可以參考國際開發方向,著重安全與資料大量傳輸的應用趨勢,同時藉由ICT產業的製造經驗,與我國學界研究與開發經驗,共同參與衛星雷射光通訊設備製造。