Продвинутые оптические приемники для космических коммуникаций

Коммуникации в космосе требуют наиболее чувствительных приемников для максимальной дальности, одновременно требуя высокобитрейтовых операций. Разработана концепция лазерно-лучевых коммуникаций с использованием почти бесшумного оптического предусилителя в приемнике. Система свободно-пространственной оптической передачи опирается на оптический усилитель, который в принципе не добавляет никакого избыточного шума, в отличие от всех остальных предсуществующих оптических усилителей, называемых фазо-чувствительными усилителями (PSA).

Концепция демонстрирует чувствительность приемника всего в один фотон на бит информации на скорости передачи данных 10 гигабит в секунду. Подход может расширить дальность и скорость передачи данных в линиях дальней космической связи и может устранить узкое горлышко возврата данных, существующее в миссиях глубокого космоса.

Существенное увеличение дальности и информационной скорости для будущих высокоскоростных линий связи будет иметь большие последствия для межспутниковой связи и мониторинга Земли с лазерным локационным и дальномерным прибором (LiDAR). Системы для таких высокоскоростных соединений все больше используют оптические лазерные лучи вместо радиочастотных лучей. Ключевая причина этого — потеря мощности по мере распространения луча существенно меньше на световых длинах волн, так как расходимость луча уменьшена.

На больших расстояниях световые лучи также испытывают большие потери; например, лазерный луч, посланный с Земли на Луну — около 400 000 километров — с размером апертуры 10 см испытает потерю мощности около 80 дБ, что означает, что останется только 1 часть в 100 миллионов. Поскольку передаваемая мощность ограничена, критически важно иметь приемники, которые могут восстанавливать переданную информацию с минимально возможной полученной мощностью. Эта чувствительность количественно определяется как минимальное количество фотонов на бит информации, необходимое для восстановления данных без ошибок.

В новом подходе информация кодируется на сигнальной волне, которая вместе с насосной волной на другой частоте генерирует сопряженную волну (известную как идлер) в нелинейной среде. Эти три волны запускаются вместе в свободное пространство. На принимающей точке, после захвата света в оптическое волокно, PSA усиливает сигнал, используя регенерированную насосную волну. Усиленный сигнал затем обнаруживается в обычном приемнике.

Система использует простой формат модуляции, закодированный со стандартным кодом коррекции ошибок и когерентный приемник с цифровой обработкой сигналов для восстановления сигнала. Этот метод прост в масштабировании до гораздо более высоких скоростей передачи данных при необходимости. Он также работает при комнатной температуре, что означает, что он может быть реализован в космических терминалах, а не только на земле.