Durante la comunicación espacial, los investigadores requieren conectividad de transferencia de datos entre satélites en el espacio elevado para misiones en el espacio profundo mientras monitorean la Tierra. La tecnología está influenciada fundamentalmente por la potencia de transmisión disponible y el tamaño de apertura de la sensibilidad del receptor. La transición de enlaces de radiofrecuencia a enlaces ópticos se está considerando ahora debido a su capacidad para reducir significativamente la pérdida de canal causada por la difracción durante la comunicación. En un enfoque ampliamente utilizado, Los investigadores pueden desarrollar formatos energéticamente eficientes junto con receptores de conteo de fotones basados ​​en nanocables enfriados a unos pocos Kelvin para funcionar a velocidades inferiores a 1 Gigabytes por segundo (Gb / s). Para lograr la transferencia de datos a velocidades de datos de varios GB / s (como se espera para futuras aplicaciones espaciales), los sistemas deberán basarse en receptores preamplificados junto con técnicas avanzadas de generación y procesamiento de señales. incluidas las comunicaciones por fibra.

La sensibilidad de tales sistemas puede determinarse mediante la figura de ruido (NF, que mide la degradación de la relación ruido / señal) del preamplificador. Los amplificadores ópticos sensibles a la fase (PSA) prometen proporcionar la mejor sensibilidad posible para enlaces de espacio libre de larga distancia. En un nuevo informe ahora en Nature Light:ciencia y aplicaciones , Ravikiran Kakarla y un equipo de científicos en fotónica, microtecnología y nanociencia en la Universidad Tecnológica de Chalmers en Suecia desarrolló un nuevo enfoque utilizando un receptor basado en amplificador óptico sensible a la fase (PSA) en un experimento de transmisión en el espacio libre. El equipo logró un bit-error sin precedentes, sensibilidad de caja negra de un fotón por bit de información (PPB) a una velocidad de información de 10,5 Gb / s. Si bien solo transmitieron las señales a través de un metro durante el estudio, creen que los resultados validarán la comunicación ampliada en el espacio.

Exploración espacial y sensores transportados por satélites

Exploración espacial realizada por agencias como la NASA, ESA y JAXA, y su salida de datos de sensores satelitales imponen demandas significativas a los sistemas de comunicación para operar a velocidades de datos más altas y llegar más lejos en el espacio. La sensibilidad del receptor debe mejorarse como un paso importante para mejorar el rendimiento de los datos con la menor cantidad de fotones recibidos como sea posible. Una mejor sensibilidad del receptor permitirá un alcance más largo, mayor rendimiento de datos y la posibilidad de utilizar ópticas más compactas. Los enfoques comunes actualmente en desarrollo para mejorar la sensibilidad adolecen de una baja eficiencia espectral (SE) y solo pueden lograr velocidades de datos netas modestas debido a la compensación entre sensibilidad y ancho de banda.

Por ejemplo, Los científicos consideran ampliamente la modulación de la posición del pulso (PPM) durante las comunicaciones espaciales, ya que puede alcanzar una excelente sensibilidad a bajas relaciones señal / ruido (SNR). sin embargo, el método puede resultar en una eficiencia espectral ineficaz. Como resultado, pueden emplear receptores de conteo de fotones para recibir símbolos de modulación de posición de pulso y establecer sensibilidades de unos pocos fotones por bit. Sin embargo, Los receptores basados ​​en nanocables superconductores resultantes deben enfriarse a 2-4 Kelvin para que funcionen con eficacia. Por tanto, los futuros sistemas de comunicaciones espaciales deberán superar las velocidades de funcionamiento actuales, que requieren mejoras importantes más allá de la tecnología del receptor existente en relación con la velocidad y la sensibilidad de los datos. En este trabajo, Kakarla y col. amplió el trabajo anterior al incluir un análisis teórico para lograr sensibilidades con PSA (amplificadores ópticos sensibles a la fase). El trabajo destaca los beneficios de reemplazar las tecnologías de radiofrecuencia actuales con sistemas ópticos más eficientes para satisfacer las demandas futuras de la comunicación espacial con velocidades de datos más altas para comunicarse a través de distancias mayores.

Configuración experimental

Los científicos utilizaron un enlace de transmisión óptica de espacio libre con un receptor preamplificado. Dado que la investigación en evolución de las comunicaciones espaciales ha adoptado la tecnología del campo de las comunicaciones por fibra óptica, incluyendo técnicas de corrección avanzada de errores hacia adelante (FEC), los científicos utilizaron un flujo de datos binarios codificados con FEC en el transmisor. Modularon los datos en la señal con modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK) para una tasa de información neta resultante de 10,52 Gb / s. El equipo combinó la señal con una bomba de onda continua para generar una onda inactiva conjugada que contiene la misma información que la señal utilizando una mezcla de cuatro ondas (FWM) en una fibra óptica no lineal.

El equipo amplificó la señal, ondas locas y de bombeo a la potencia de salida deseada y las lanzaron al canal de espacio libre. Utilizaron el enlace de espacio libre para confirmar que no se produjo ninguna penalización adicional durante el lanzamiento de ondas al espacio libre. La potencia de la bomba utilizada en el estudio fue significativamente más baja que la señal combinada y la potencia del ralentí, resultando en una penalización de presupuesto de energía casi insignificante.

Recuperando una alta potencia estable

El equipo separó las ondas de bombeo en el receptor de la señal y las ondas inactivas utilizando un multiplexor de división de longitud de onda, que luego recuperaron mediante el bloqueo de inyección óptica, una técnica de sincronización óptica y de fase. Después de la amplificación sensible a la fase de la onda recuperada, filtraron y detectaron la señal utilizando un receptor coherente estándar y un osciloscopio en tiempo real para el procesamiento de señales digitales. Los científicos midieron una tasa de error de bits de la señal recibida para comprender el rendimiento del receptor preamplificado basado en PSA (amplificador óptico sensible a la fase). Compararon los resultados con un amplificador de fibra dopada con erbio (EDFA) y el PSA funcionó mejor que el receptor basado en EDFA. Usando el sistema experimental, Kakarla y col. mostró cómo se puede lograr una transmisión sin errores con una potencia recibida de 1 fotón por bit de información (PPB) para proporcionar la mejor sensibilidad del receptor de caja negra reportada hasta la fecha.

El método descrito es compatible con métodos adicionales que utilizan una plataforma no lineal diferente para obtener una sensibilidad mejorada. El enfoque de PSA representó un compromiso entre la eficiencia espectral y la sensibilidad para los receptores utilizados en la comunicación en el espacio libre, junto con los registros de sensibilidad experimental del uso de estas técnicas. Si bien la demostración se centró en aplicaciones en enlaces del espacio profundo, también se pueden utilizar en enlaces atmosféricos para mejorar la sensibilidad. Tales investigaciones deberán considerar el efecto de la turbulencia atmosférica en el receptor preamplificado de PSA.

De este modo, Ravikiran Kakarla y sus colegas presentaron una sensibilidad récord de caja negra de un fotón por bit de información a 10,5 Gb / s utilizando un formato simple y eficiente espectralmente. Permitieron el método utilizando un enfoque de amplificador óptico sensible a la fase (PSA) y un mecanismo de bloqueo de inyección de energía ultrabaja para lograr la sensibilidad observada en presencia de un nuevo, libre de ruido, preamplificador sensible a la fase. Los resultados esperan aumentar la tasa de transmisión de información, reduciendo al mismo tiempo el tamaño de la óptica involucrada. Estos resultados pueden contribuir significativamente a la comunicación espacial y a las aplicaciones de detección de luz y alcance (LIDAR) para monitorear la Tierra.

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