Rumkommunikation:udvikling af en én foton-per-bit modtager ved hjælp af næsten støjfri fasefølsom forstærkning

Under rumkommunikation kræver forskere høj-rum intersatellit-dataoverførselsforbindelse til dybe rummissioner, mens de overvåger Jorden. Teknologien er fundamentalt påvirket af tilgængelig sendeeffekt og blændestørrelsen på modtagerens følsomhed. Overgangen fra radiofrekvensforbindelser til optiske forbindelser er nu under overvejelse på grund af dens evne til betydeligt at reducere kanaltabet forårsaget af diffraktion under kommunikation. I en meget brugt tilgang, forskere kan udvikle strømeffektive formater sammen med nanowire-baserede foton-tællemodtagere, der er afkølet til nogle få Kelvins for at fungere ved hastigheder under 1-Gigabyte pr. sekund (Gb/s). For at opnå dataoverførsel ved datahastigheder på multi-GB/s (som forventet til fremtidige rumapplikationer) vil systemerne skulle stole på forforstærkede modtagere sammen med avanceret signalgenerering og -behandlingsteknikker, herunder fiberkommunikation.

Følsomheden af ​​sådanne systemer kan bestemmes af støjtallet (NF - der måler forringelsen af ​​støj-til-signal-forholdet) af forforstærkeren. Fasefølsomme optiske forstærkere (PSA) lover at give den bedst mulige følsomhed for langdistance-frirumsforbindelser. I en ny rapport nu på Nature Light:Videnskab og applikationer , Ravikiran Kakarla og et team af videnskabsmænd inden for fotonik, mikroteknologi og nanovidenskab ved Chalmers teknologiske universitet i Sverige udviklede en ny tilgang ved hjælp af en fasefølsom optisk forstærker (PSA)-baseret modtager i et frirumstransmissionseksperiment. Holdet opnåede en hidtil uset bit-fejlfri, black-box-følsomhed på én foton pr. informationsbit (PPB) ved en informationshastighed på 10,5 Gb/s. Mens de kun transmitterede signalerne over en meter under undersøgelsen, de mener, at resultaterne vil validere opskaleret kommunikation på tværs af rummet.

Rumudforskning og satellitbårne sensorer

Rumudforskning udført af agenturer som NASA, ESA og JAXA, og deres dataoutput fra satellitbårne sensorer stiller betydelige krav til kommunikationssystemer til at fungere ved højere datahastigheder og nå længere ud i rummet. Modtagerens følsomhed bør forbedres som et vigtigt skridt for at forbedre datagennemstrømningen med så få fotoner modtaget som muligt. En bedre modtagerfølsomhed giver længere rækkevidde, højere datagennemstrømning og mulighed for at bruge mere kompakt optik. Fælles tilgange, der i øjeblikket er under udvikling for at forbedre følsomheden, lider under en lav spektral effektivitet (SE) og kan kun opnå beskedne nettodatahastigheder på grund af afvejningen mellem følsomhed og båndbredde.

For eksempel, forskere overvejer i vid udstrækning pulspositionsmodulation (PPM) under rumkommunikation, da det kan nå en fremragende følsomhed ved lave signal-til-støj-forhold (SNR'er), imidlertid, metoden kan resultere i en ineffektiv spektral effektivitet. Som resultat, de kan anvende fotontællingsmodtagere til at modtage pulspositionsmodulationssymboler og etablere følsomheder på nogle få fotoner pr. bit. Imidlertid, de resulterende superledende nanotråd-baserede modtagere skal køles til 2-4 Kelvin for at fungere effektivt. Fremtidige rumkommunikationssystemer vil derfor skulle overstige de nuværende funktionshastigheder, som kræver store forbedringer ud over den eksisterende modtagerteknologi i forhold til datahastigheden og følsomheden. I dette arbejde, Kakarla et al. udvidet tidligere arbejde ved at inkludere en teoretisk analyse for at opnå følsomheder med PSA'er (fasefølsomme optiske forstærkere). Arbejdet fremhæver fordelene ved at erstatte nuværende radiofrekvensteknologier med de mere effektive optiske systemer for at imødekomme fremtidige krav til rumkommunikation med højere datahastigheder for at kommunikere over større afstande.

Forsøgsopstilling

Forskerne brugte en optisk transmissionsforbindelse til frit rum med en forforstærket modtager. Siden udviklingen af ​​rumkommunikationsforskning har adopteret teknologi fra det optiske fiberkommunikationsfelt, herunder teknikker til avanceret fremadrettet fejlkorrektion (FEC), forskerne brugte en FEC-kodet binær datastrøm ved senderen. De modulerede dataene til signalet med quadrature-phase-shift keying (QPSK) til en resulterende netto informationshastighed på 10,52 Gb/s. Holdet kombinerede signalet med en kontinuerlig bølgepumpe for at generere en konjugeret tomgangsbølge, der indeholder den samme information som signalet ved hjælp af fire-bølge-blanding (FWM) i en ikke-lineær optisk fiber.

Holdet forstærkede signalet, tomgangs- og pumpebølger til den ønskede udgangseffekt og lancerede dem i frirumskanalen. De brugte frirumslinket til at bekræfte, at der ikke opstod nogen yderligere straf under lanceringen af ​​bølger ind i det frie rum. Den pumpeeffekt, der blev brugt i undersøgelsen, var signifikant lavere end den kombinerede signal- og tomgangseffekt, hvilket resulterer i en næsten ubetydelig elbudgetstraf.

Genvinde en stabil høj effekt

Holdet adskilte pumpebølgerne ved modtageren fra signal- og tomgangsbølgerne ved hjælp af en bølgelængdedelingsmultiplekser, som de derefter genvundet ved hjælp af optisk injektionslåsning - en optisk og fasesynkroniseringsteknik. Efter fasefølsom forstærkning af den genvundne bølge, de filtrerede og detekterede signalet ved hjælp af en standard kohærent modtager og et realtidsoscilloskop til digital signalbehandling. Forskerne målte en Bit Error Rate af det modtagne signal for at forstå ydeevnen af ​​den PSA (fasefølsomme optiske forstærker) baserede forforstærkede modtager. De sammenlignede resultaterne med en erbium-doteret fiberforstærker (EDFA), og PSA'en klarede sig bedre end den EDFA-baserede modtager. Ved at bruge det eksperimentelle system, Kakarla et al. viste, hvordan fejlfri transmission kunne opnås med en modtaget effekt på 1-foton pr. informationsbit (PPB) for at give den bedste sorte boks-modtagerfølsomhed rapporteret til dato.

Den beskrevne metode er kompatibel med yderligere metoder, der bruger en anden ikke-lineær platform for at opnå forbedret følsomhed. PSA-tilgangen repræsenterede en afvejning mellem spektral effektivitet og følsomhed for modtagere, der bruges i frirumskommunikation, sammen med eksperimentelle følsomhedsregistreringer for brug af disse teknikker. Mens demonstrationen fokuserede på applikationer i deep-space links, de kan også bruges i atmosfæriske links for at forbedre følsomheden. Sådanne undersøgelser skal tage højde for virkningen af ​​atmosfærisk turbulens på den PSA-forforstærkede modtager.

På denne måde Ravikiran Kakarla og kolleger præsenterede en rekord sort boks-følsomhed på én foton pr. informationsbit ved 10,5 Gb/s ved hjælp af et simpelt spektralt effektivt format. De muliggjorde metoden ved hjælp af en fasefølsom optisk forstærker (PSA) tilgang og ultra-lav effekt injektions låsemekanisme for at opnå den observerede følsomhed i nærværelse af en ny støjfri, fasefølsom forforstærker. Resultaterne forventer at øge hastigheden af ​​informationstransmission, samtidig med at størrelsen af ​​den involverede optik reduceres. Disse resultater kan bidrage væsentligt til rumkommunikation og i lysdetektion og rækkevidde (LIDAR) applikationer til at overvåge Jorden.

© 2020 Science X Network