Tijdens ruimtecommunicatie hebben onderzoekers high-space intersatelliet-gegevensoverdrachtsconnectiviteit nodig voor deep-space-missies terwijl ze de aarde in de gaten houden. De technologie wordt fundamenteel beïnvloed door het beschikbare zendvermogen en de apertuurgrootte van de gevoeligheid van de ontvanger. De overgang van radiofrequentieverbindingen naar optische verbindingen wordt nu overwogen vanwege het vermogen om het kanaalverlies dat wordt veroorzaakt door diffractie tijdens communicatie aanzienlijk te verminderen. In een veelgebruikte benadering, onderzoekers kunnen energie-efficiënte formaten ontwikkelen, samen met op nanodraad gebaseerde ontvangers voor het tellen van fotonen die worden gekoeld tot een paar Kelvin om te functioneren met snelheden van minder dan 1 gigabyte per seconde (Gb/s). Om gegevensoverdracht te bereiken met gegevenssnelheden van meerdere GB/s (zoals verwacht voor toekomstige ruimtetoepassingen), zullen de systemen moeten vertrouwen op voorversterkte ontvangers in combinatie met geavanceerde signaalgeneratie- en verwerkingstechnieken, inclusief glasvezelcommunicatie.

De gevoeligheid van dergelijke systemen kan worden bepaald door het ruisgetal (NF - dat de verslechtering van de ruis-signaalverhouding meet) van de voorversterker. Fasegevoelige optische versterkers (PSA) beloven de best mogelijke gevoeligheid te bieden voor langeafstandsverbindingen in de vrije ruimte. In een nieuw verslag nu op Natuurlicht:wetenschap en toepassingen , Ravikiran Kakarla en een team van wetenschappers in fotonica, microtechnologie en nanowetenschappen aan de Chalmers University of Technology in Zweden hebben een nieuwe benadering ontwikkeld met behulp van een fasegevoelige optische versterker (PSA)-gebaseerde ontvanger in een transmissie-experiment in de vrije ruimte. Het team behaalde een ongekende bitfoutvrije, black-box gevoeligheid van één foton per informatiebit (PPB) bij een informatiesnelheid van 10,5 Gb/s. Terwijl ze tijdens het onderzoek de signalen slechts over één meter verspreidden, ze geloven dat de resultaten opgeschaalde communicatie in de ruimte zullen valideren.

Ruimteverkenning en satellietgedragen sensoren

Ruimteverkenning uitgevoerd door agentschappen zoals NASA, ESA en JAXA, en hun data-output van op satellieten bevestigde sensoren stellen hoge eisen aan communicatiesystemen om met hogere datasnelheden te werken en verder de ruimte in te reiken. De gevoeligheid van de ontvanger moet worden verbeterd als een belangrijke stap om de gegevensdoorvoer te verbeteren met zo min mogelijk ontvangen fotonen. Een betere ontvangergevoeligheid zorgt voor een groter bereik, hogere datadoorvoer en de mogelijkheid om compactere optica te gebruiken. Gemeenschappelijke benaderingen die momenteel in ontwikkeling zijn om de gevoeligheid te verbeteren, lijden aan een lage spectrale efficiëntie (SE) en kunnen slechts bescheiden netto datasnelheden bereiken vanwege de wisselwerking tussen gevoeligheid en bandbreedte.

Bijvoorbeeld, wetenschappers overwegen pulspositiemodulatie (PPM) tijdens ruimtecommunicatie omdat het een uitstekende gevoeligheid kan bereiken bij lage signaal-ruisverhoudingen (SNR's), echter, de methode kan resulteren in een ineffectieve spectrale efficiëntie. Als resultaat, ze kunnen fotonentelontvangers gebruiken om pulspositiemodulatiesymbolen te ontvangen en gevoeligheden van enkele fotonen per bit vast te stellen. Echter, de resulterende supergeleidende op nanodraad gebaseerde ontvangers moeten worden gekoeld tot 2-4 Kelvin om effectief te kunnen functioneren. Toekomstige ruimtecommunicatiesystemen zullen daarom de huidige snelheden van functioneren moeten overschrijden, die grote verbeteringen vereisen naast de bestaande ontvangertechnologie met betrekking tot de gegevenssnelheid en gevoeligheid. In dit werk, Kakarla et al. uitgebreid op eerder werk door een theoretische analyse op te nemen om gevoeligheden te bereiken met PSA's (fasegevoelige optische versterkers). Het werk benadrukt de voordelen van het vervangen van de huidige radiofrequentietechnologieën door de efficiëntere optische systemen om te voldoen aan de toekomstige eisen van ruimtecommunicatie met hogere datasnelheden om over grotere afstanden te communiceren.

Experimentele opstelling

De wetenschappers gebruikten een optische transmissieverbinding in de vrije ruimte met een voorversterkte ontvanger. Sinds het evoluerende onderzoek naar ruimtecommunicatie technologie heeft overgenomen uit het gebied van optische vezelcommunicatie, inclusief technieken van geavanceerde voorwaartse foutcorrectie (FEC), de wetenschappers gebruikten een FEC-gecodeerde binaire datastroom bij de zender. Ze moduleerden de gegevens op het signaal met quadrature-phase-shift keying (QPSK) voor een resulterende netto-informatiesnelheid van 10,52 Gb/s. Het team combineerde het signaal met een continue-golfpomp om een ​​geconjugeerde idler-golf te genereren die dezelfde informatie bevat als het signaal met behulp van vier-golfmenging (FWM) in een niet-lineaire optische vezel.

Het team versterkte het signaal, idler en pompgolven naar het gewenste uitgangsvermogen en lanceerde ze in het vrije-ruimtekanaal. Ze gebruikten de vrije ruimte-link om te bevestigen dat er geen extra straf optrad tijdens de lancering van golven in de vrije ruimte. Het pompvermogen dat in het onderzoek werd gebruikt, was significant lager dan het gecombineerde signaal- en leegloopvermogen, wat resulteert in een bijna verwaarloosbare straf voor het stroombudget.

Een stabiel hoog vermogen herstellen

Het team scheidde de pompgolven bij de ontvanger van de signaal- en rustgolven met behulp van een multiplexer met golflengteverdeling, die ze vervolgens herstelden met behulp van optische injectievergrendeling - een optische en fasesynchronisatietechniek. Na fasegevoelige versterking van de herstelde golf, ze filterden en detecteerden het signaal met behulp van een standaard coherente ontvanger en een real-time oscilloscoop voor digitale signaalverwerking. De wetenschappers hebben een Bit Error Rate van het ontvangen signaal gemeten om de prestaties van de op PSA (fasegevoelige optische versterker) gebaseerde voorversterkte ontvanger te begrijpen. Ze vergeleken de resultaten met een erbium-gedoteerde vezelversterker (EDFA) en de PSA presteerde beter dan de op EDFA gebaseerde ontvanger. Met behulp van het experimentele systeem, Kakarla et al. toonde aan hoe foutloze transmissie kan worden bereikt met een ontvangen vermogen van 1 foton per informatiebit (PPB) om de beste tot nu toe gerapporteerde gevoeligheid van de black-box-ontvanger te bieden.

De beschreven methode is compatibel met aanvullende methoden die een ander niet-lineair platform gebruiken om een ​​verbeterde gevoeligheid te verkrijgen. De PSA-benadering vertegenwoordigde een afweging tussen spectrale efficiëntie en gevoeligheid voor ontvangers die worden gebruikt in communicatie in de vrije ruimte, naast experimentele gevoeligheidsregistraties van het gebruik van deze technieken. Terwijl de demonstratie zich richtte op toepassingen in deep-space links, ze kunnen ook worden gebruikt in atmosferische verbindingen om de gevoeligheid te verbeteren. Bij dergelijke onderzoeken moet rekening worden gehouden met het effect van atmosferische turbulentie op de PSA-voorversterkte ontvanger.

Op deze manier, Ravikiran Kakarla en collega's presenteerden een record black-boxgevoeligheid van één foton per informatiebit bij 10,5 Gb/s met behulp van een eenvoudig spectraal efficiënt formaat. Ze maakten de methode mogelijk met behulp van een fasegevoelige optische versterker (PSA) -benadering en een ultra-laag stroominjectievergrendelingsmechanisme om de waargenomen gevoeligheid te bereiken in de aanwezigheid van een nieuwe ruisvrije, fasegevoelige voorversterker. De uitkomsten verwachten de snelheid van informatieoverdracht te verhogen, terwijl de grootte van de betrokken optica wordt verkleind. Deze resultaten kunnen aanzienlijk bijdragen aan ruimtecommunicatie en in lichtdetectie- en afstandstoepassingen (LIDAR) om de aarde te bewaken.

© 2020 Wetenschap X Netwerk