Для связи в космосе требуются самые чувствительные приемники для максимального охвата, а также операции с высокой скоростью передачи данных. Новую концепцию связи на основе лазерного луча с использованием почти бесшумного оптического предусилителя в приемнике недавно продемонстрировали исследователи из Технологического университета Чалмерса, Швеция.

В новой статье, опубликованной в научном журнале Nature: Light Science & Applications, группа исследователей описывает систему оптической передачи в свободном пространстве, основанную на оптическом усилителе, который в принципе не добавляет лишнего шума — в отличие от всех других существовавшие ранее оптические усилители, называемые фазочувствительными усилителями (PSA). Новая концепция исследователей демонстрирует беспрецедентную чувствительность приемника всего один фотон на информационный бит при скорости передачи данных 10 гигабит в секунду.

«Наши результаты показывают жизнеспособность этого нового подхода к увеличению охвата и скорости передачи данных в каналах дальней космической связи. Таким образом, он также обещает помочь преодолеть существующее сегодня узкое место с возвратом данных в миссиях в дальний космос, от которого сегодня страдают космические агентства по всему миру», — говорит профессор Питер Андрэксон, глава исследовательской группы и автор книги статья вместе с доктором наук Равикираном Какарла и старшим научным сотрудником Йохеном Шредером на факультете микротехнологии и нанонаук Технологического университета Чалмерса.

Существенное увеличение охвата и скорости передачи информации для будущих высокоскоростных линий связи будет иметь большие последствия для таких технологий, как межспутниковая связь, миссии в дальний космос и мониторинг Земли с обнаружением света и дальностью. В системах для таких высокоскоростных соединений данных все чаще используются оптические лазерные лучи, а не радиочастотные лучи. Основная причина этого заключается в том, что потери мощности при распространении луча существенно меньше на длинах волн света, так как уменьшается расходимость луча.

Тем не менее, на больших расстояниях световые лучи также испытывают большие потери. Например, лазерный луч посланный с Земли на Луну — около 400000 километров — с размером апертуры 10 см, потеряет мощность около 80 дБ, что означает, что останется только 1 часть из 100 миллионов. Поскольку передаваемая мощность ограничена, критически важно иметь приемники, которые могут восстанавливать отправленную информацию с максимально низкой принимаемой мощностью. Эта чувствительность количественно определяется как минимальное количество фотонов на информационный бит, необходимое для восстановления данных без ошибок.

В новой концепции Чалмерса информация кодируется в сигнальную волну, которая вместе с волной накачки на другой частоте генерирует сопряженную волну (известную как холостой ход) в нелинейной среде. Эти три волны вместе запускаются в свободное пространство. В точке приема после захвата света оптическим волокном PSA усиливает сигнал, используя регенерированную волну накачки. Затем усиленный сигнал обнаруживается обычным приемником.

«Такой подход принципиально приводит к наилучшей возможной чувствительности любого оптического приемника с предварительным усилением, а также превосходит все другие современные технологии приемников», — говорит Питер Андрэксон.

В системе используется простой формат модуляции, кодированный стандартным кодом исправления ошибок и когерентный приемник с цифровой обработкой сигнала для восстановления сигнала. При необходимости этот метод легко масштабируется до гораздо более высоких скоростей передачи данных. Он также работает при комнатной температуре, что означает, что его можно использовать в космических терминалах, а не только на земле.

Теоретические пределы чувствительности этого подхода также обсуждаются в статье и сравниваются с другими существующими методами, с выводом, что новый подход по сути является наилучшим из возможных для очень широкого диапазона скоростей передачи данных.