Geavanceerde optische ontvangers voor ruimtecommunicatie

Communicatie in de ruimte eist de meest gevoelige ontvangers voor maximale bereik, terwijl ook hoge-bitrate-operaties vereist zijn. Een concept voor laserbundel-gebaseerde communicatie met een bijna ruisloze optische pre-versterker in de ontvanger is ontwikkeld. Het vrijruimte-optische transmissiesysteem steunt op een optische versterker die, in principe, geen overmaat van ruis toevoegt, in tegenstelling tot alle andere pre-bestaande optische versterkers aangeduid als fase-gevoelige versterkers (PSAs).

Het concept demonstreert een ontvangersgevoeligheid van slechts één foton per informatiebit bij een datarate van 10 gigabits per seconde. De aanpak kan het bereik en de datarate in lange-afstand ruimtecommunicatielinks uitbreiden en de data-return-knoop die bestaat in diepe-ruimtemissies elimineren.

Het substantieel vergroten van bereik en informatierate voor toekomstige hoge-snelheidslinks zal grote implicaties hebben voor inter-satellietcommunicatie en aardobservatie met lichtdetectie en -afstandsmeting (LiDAR). Systemen voor dergelijke hoge-snelheidsdataverbindingen gebruiken steeds vaker optische laserbundels in plaats van radiofrequentiebundels. Een belangrijke reden is dat het vermogensverlies als de bundel voortplant aanzienlijk kleiner is bij lichtgolflengtes, omdat de bundeldivergentie verminderd is.

Over lange afstanden ervaren lichtbundels ook groot verlies; bijvoorbeeld, een laserbundel gezonden van de Aarde naar de Maan — ongeveer 400.000 kilometer — met een 10-cm opening zal een vermogensverlies van ongeveer 80 dB ervaren, wat betekent dat slechts 1 deel in 100 miljoen overblijft. Aangezien het te verzenden vermogen beperkt is, is het van cruciaal belang om ontvangers te hebben die de verzonden informatie kunnen herstellen met zo laag mogelijk ontvangen vermogen. Deze gevoeligheid wordt gekwantificeerd als het minimum aantal fotonen per informatiebit nodig om de data zonder fout te herstellen.

In de nieuwe aanpak wordt informatie gecodeerd op een signaalgolf, die samen met een pompgolf op een andere frequentie, een geconjugeerde golf (bekend als een idler) genereert in een non-lineair medium. Deze drie golven worden samen in de vrije ruimte gelanceerd. Op het ontvangstpunt, na het vangen van het licht in een optische vezel, versterkt de PSA het signaal met 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 direct schaalbaar naar veel hogere datarates indien nodig. Het werkt ook bij kamertemperatuur, wat betekent dat het geïmplementeerd kan worden in ruimte-terminals en niet alleen op de grond.