Durante a comunicação espacial, os pesquisadores exigem conectividade de transferência de dados intersatélites no espaço alto para missões no espaço profundo enquanto monitoram a Terra. A tecnologia é fundamentalmente influenciada pela potência de transmissão disponível e pelo tamanho da abertura da sensibilidade do receptor. A transição de links de radiofrequência para links ópticos está agora sendo considerada devido à sua capacidade de reduzir significativamente a perda de canal causada pela difração durante a comunicação. Em uma abordagem amplamente utilizada, os pesquisadores podem desenvolver formatos de eficiência energética junto com receptores de contagem de fótons baseados em nanofios resfriados a alguns Kelvins para funcionar a velocidades abaixo de 1 Gigabyte por segundo (Gb / s). A fim de alcançar a transferência de dados em taxas de dados de multi-GB / s (como esperado para futuras aplicações espaciais), os sistemas terão que contar com receptores pré-amplificados juntamente com geração de sinal avançada e técnicas de processamento, incluindo comunicações de fibra.

A sensibilidade de tais sistemas pode ser determinada pela figura de ruído (NF - que mede a degradação da relação ruído-sinal) do pré-amplificador. Os amplificadores ópticos sensíveis à fase (PSA) prometem fornecer a melhor sensibilidade possível para links de espaço livre de longa distância. Em um novo relatório agora em Nature Light:Ciência e Aplicações , Ravikiran Kakarla e uma equipe de cientistas em fotônica, microtecnologia e nanociência na Chalmers University of Technology, na Suécia, desenvolveu uma nova abordagem usando um receptor baseado em amplificador óptico sensível a fase (PSA) em um experimento de transmissão em espaço livre. A equipe atingiu um bit-error livre sem precedentes, sensibilidade de caixa preta de um fóton por bit de informação (PPB) a uma taxa de informação de 10,5 Gb / s. Embora eles tenham transmitido apenas os sinais por meio de um medidor durante o estudo, eles acreditam que os resultados validarão a comunicação ampliada no espaço.

Exploração espacial e sensores transmitidos por satélite

Exploração espacial conduzida por agências como a NASA, ESA e JAXA, e sua saída de dados de sensores transmitidos por satélite impõe demandas significativas aos sistemas de comunicação para operar em taxas de dados mais altas e chegar mais longe no espaço. A sensibilidade do receptor deve ser melhorada como uma etapa importante para melhorar a taxa de transferência de dados com o mínimo possível de fótons recebidos. Uma melhor sensibilidade do receptor permitirá maior alcance, maior taxa de transferência de dados e potencial para uso de ótica mais compacta. Abordagens comuns atualmente em desenvolvimento para melhorar a sensibilidade sofrem de uma baixa eficiência espectral (SE) e só podem atingir taxas de dados líquidas modestas devido ao trade-off entre sensibilidade e largura de banda.

Por exemplo, os cientistas consideram amplamente a modulação de posição de pulso (PPM) durante as comunicações espaciais, uma vez que pode atingir uma excelente sensibilidade em baixas relações sinal-ruído (SNRs), Contudo, o método pode resultar em uma eficiência espectral ineficaz. Como resultado, eles podem empregar receptores de contagem de fótons para receber símbolos de modulação de posição de pulso e estabelecer sensibilidades de alguns fótons por bit. Contudo, os receptores supercondutores baseados em nanofios resultantes precisam ser resfriados a 2-4 Kelvin para funcionar de maneira eficaz. Os futuros sistemas de comunicação espacial precisarão, portanto, exceder as velocidades atuais de função, que requerem grandes melhorias além da tecnologia de receptor existente em relação à taxa de dados e sensibilidade. Nesse trabalho, Kakarla et al. expandido em trabalhos anteriores, incluindo uma análise teórica para atingir sensibilidades com PSAs (amplificadores ópticos de sensibilidade de fase). O trabalho destaca os benefícios da substituição das tecnologias atuais de radiofrequência por sistemas ópticos mais eficientes para atender às demandas futuras de comunicação espacial com taxas de dados mais altas para se comunicarem em distâncias maiores.

Configuração experimental

Os cientistas usaram um link de transmissão óptica de espaço livre com um receptor pré-amplificado. Desde a evolução da pesquisa de comunicação espacial adotou tecnologia do campo de comunicação de fibra óptica, incluindo técnicas de correção avançada de erros (FEC), os cientistas usaram um fluxo de dados binários codificados por FEC no transmissor. Eles modularam os dados no sinal com modulação de quadratura de fase (QPSK) para uma taxa de informação líquida resultante de 10,52 Gb / s. A equipe combinou o sinal com uma bomba de onda contínua para gerar uma onda intermediária conjugada contendo as mesmas informações que o sinal usando a mistura de quatro ondas (FWM) em uma fibra óptica não linear.

A equipe amplificou o sinal, A polia e a bomba acenam para a potência de saída desejada e as lançam no canal do espaço livre. Eles usaram o link do espaço livre para confirmar que nenhuma penalidade adicional ocorreu durante o lançamento das ondas no espaço livre. A potência da bomba usada no estudo foi significativamente menor do que a potência combinada do sinal e da polia, resultando em uma penalidade de orçamento de energia quase insignificante.

Recuperando uma alta potência estável

A equipe separou as ondas da bomba no receptor do sinal e das ondas inativas usando um multiplexador de divisão de comprimento de onda, que eles então recuperaram usando o bloqueio por injeção ótica - uma técnica de sincronização ótica e de fase. Após a amplificação sensível à fase da onda recuperada, eles filtraram e detectaram o sinal usando um receptor coerente padrão e um osciloscópio em tempo real para processamento de sinal digital. Os cientistas mediram uma taxa de erro de bits do sinal recebido para entender o desempenho do receptor pré-amplificado baseado em PSA (amplificador óptico sensível à fase). Eles compararam os resultados com um amplificador de fibra dopada com érbio (EDFA) e o PSA teve um desempenho melhor do que o receptor baseado em EDFA. Usando o sistema experimental, Kakarla et al. mostrou como uma transmissão livre de erros pode ser alcançada com uma potência recebida de 1 fóton por bit de informação (PPB) para fornecer a melhor sensibilidade do receptor de caixa preta relatada até o momento.

O método descrito é compatível com métodos adicionais que usam uma plataforma não linear diferente para obter sensibilidade aprimorada. A abordagem PSA representou uma compensação entre eficiência espectral e sensibilidade para receptores usados ​​na comunicação em espaço livre, ao lado de registros experimentais de sensibilidade do uso dessas técnicas. Enquanto a demonstração se concentrava em aplicativos em links de espaço profundo, eles também podem ser usados ​​em links atmosféricos para melhorar a sensibilidade. Tais investigações precisarão considerar o efeito da turbulência atmosférica no receptor pré-amplificado PSA.

Desta maneira, Ravikiran Kakarla e colegas apresentaram uma sensibilidade recorde de caixa preta de um fóton por bit de informação a 10,5 Gb / s usando um formato espectralmente eficiente simples. Eles habilitaram o método usando uma abordagem de amplificador óptico sensível à fase (PSA) e mecanismo de travamento de injeção de ultra-baixa potência para atingir a sensibilidade observada na presença de um novo sem ruído, pré-amplificador sensível à fase. Os resultados esperam aumentar a taxa de transmissão de informações, enquanto reduz o tamanho da ótica envolvida. Esses resultados podem contribuir significativamente para a comunicação espacial e em aplicações de detecção e alcance de luz (LIDAR) para monitorar a Terra.

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