Gevoelige optische ontvangers voor ruimte

Communicatie in de ruimte vereist de meest gevoelige ontvangers die mogelijk zijn voor een maximaal bereik, terwijl ook bewerkingen met een hoge bitsnelheid vereist zijn. Er is een concept ontwikkeld voor op laserstralen gebaseerde communicatie met behulp van een bijna geruisloze optische voorversterker in de ontvanger. Het optische transmissiesysteem in de vrije ruimte vertrouwt op een optische versterker die in principe geen overmatige ruis toevoegt, in tegenstelling tot alle andere reeds bestaande optische versterkers die fasegevoelige versterkers (PSA's) worden genoemd.

Het concept demonstreert een ontvangergevoeligheid van slechts één foton per informatiebit bij een datasnelheid van 10 gigabit per seconde. De aanpak zou het bereik en de datasnelheid in ruimtecommunicatieverbindingen over lange afstand kunnen vergroten en zou het knelpunt voor de gegevensretour kunnen wegnemen dat bestaat in deep space-missies.

Het aanzienlijk vergroten van het bereik en de informatiesnelheid voor toekomstige hogesnelheidsverbindingen zal grote gevolgen hebben voor communicatie tussen satellieten en aardbewaking met lichtdetectie en -bereik (LiDAR). Systemen voor dergelijke snelle dataverbindingen maken in toenemende mate gebruik van optische laserstralen in plaats van radiofrequentiestralen. Een belangrijke reden hiervoor is dat het vermogensverlies als de bundel zich voortplant aanzienlijk kleiner is bij lichtgolflengten, omdat de bundeldivergentie wordt verminderd.

Over lange afstanden ervaren lichtstralen ook een groot verlies; bijvoorbeeld, een laserstraal die van de aarde naar de maan wordt gestuurd - ongeveer 400.000 kilometer - met een opening van 10 cm zal een vermogensverlies van ongeveer 80 dB ervaren, wat betekent dat er slechts 1 deel op 100 miljoen overblijft. Omdat het zendvermogen beperkt is, is het van cruciaal belang om ontvangers te hebben die de verzonden informatie met een zo laag mogelijk ontvangen vermogen kunnen herstellen. Deze gevoeligheid wordt gekwantificeerd als het minimum aantal fotonen per informatiebit dat nodig is om de gegevens foutloos te herstellen.

In de nieuwe benadering wordt informatie gecodeerd op een signaalgolf, die samen met een pompgolf met een andere frequentie een geconjugeerde golf (bekend als een idler) genereert in een niet-lineair medium. Deze drie golven worden samen gelanceerd in de vrije ruimte. Op het ontvangstpunt, na het vastleggen van het licht in een optische vezel, versterkt de PSA het signaal met behulp van een geregenereerde pompgolf. Het versterkte signaal wordt vervolgens gedetecteerd in een conventionele ontvanger.

Het systeem gebruikt een eenvoudig modulatieformaat gecodeerd met een standaard foutcorrectiecode en een coherente ontvanger met digitale signaalverwerking voor signaalherstel. Deze methode is indien nodig eenvoudig schaalbaar tot veel hogere gegevenssnelheden. Het werkt ook bij kamertemperatuur, wat betekent dat het kan worden geïmplementeerd in ruimteterminals en niet alleen op de grond.