Чувствительные оптические приемники для космоса

Для связи в космосе требуются максимально чувствительные приемники для максимального охвата, а также требуются операции с высокой скоростью передачи данных. Разработана концепция связи на основе лазерного луча с использованием практически бесшумного оптического предусилителя в приемнике. Система оптической передачи в свободном пространстве основана на оптическом усилителе, который, в принципе, не добавляет лишнего шума, в отличие от всех других ранее существовавших оптических усилителей, называемых фазочувствительными усилителями (PSA).

Концепция демонстрирует чувствительность приемника всего в один фотон на бит информации при скорости передачи данных 10 гигабит в секунду. Такой подход может увеличить радиус действия и скорость передачи данных в каналах дальней космической связи, а также устранить узкие места с возвратом данных, существующие в миссиях в дальний космос.

Существенное увеличение охвата и скорости передачи данных для будущих высокоскоростных каналов связи будет иметь большое значение для межспутниковой связи и мониторинга Земли с помощью светового обнаружения и дальности (LiDAR). Системы для таких высокоскоростных соединений все чаще используют оптические лазерные лучи, а не радиочастотные лучи. Основная причина этого заключается в том, что потери мощности при распространении луча значительно меньше на световых длинах волн, поскольку расходимость луча уменьшается.

На больших расстояниях световые лучи также испытывают большие потери; например, лазерный луч, отправленный с Земли на Луну — около 400 000 километров — с размером апертуры 10 см, потеряет мощность около 80 дБ, то есть останется только 1 часть на 100 миллионов. Поскольку передаваемая мощность ограничена, крайне важно иметь приемники, которые могут восстанавливать отправленную информацию с минимально возможной принимаемой мощностью. Эта чувствительность количественно определяется как минимальное количество фотонов на бит информации, необходимое для безошибочного восстановления данных.

В новом подходе информация кодируется в сигнальную волну, которая вместе с волной накачки на другой частоте генерирует сопряженную волну (известную как холостой ход) в нелинейной среде. Эти три волны вместе запускаются в свободное пространство. В точке приема, после захвата света оптическим волокном, PSA усиливает сигнал, используя регенерированную волну накачки. Затем усиленный сигнал обнаруживается в обычном приемнике.

В системе используется простой формат модуляции, закодированный стандартным кодом исправления ошибок, и когерентный приемник с цифровой обработкой сигнала для восстановления сигнала. Этот метод легко масштабируется до гораздо более высоких скоростей передачи данных, если это необходимо. Он также работает при комнатной температуре, что означает, что его можно реализовать в космических терминалах, а не только на земле.