Rekordkänsliga optiska mottagare för rymdkommunikation
Rymdkommunikation kräver bästa möjliga mottagarkänslighet för att nå så långt som möjligt, samtidigt som de behöver fungera med höga bithastigheter. Forskare vid Chalmers tekniska högskola i Sverige demonstrerade nyligen en ny metod för laserstrålbaserade kommunikationslänkar med hjälp av en nästan "brusfri" optisk för-förstärkare i mottagaren.
Forskargruppen beskriver ett optiskt överföringssystem över fri rymd som förlitar sig på en optisk förstärkare som i princip inte tillför något överflödigt brus i motsats till alla andra kända optiska förstärkare. Denna så kallade faskänsliga förstärkare (PSA) rapporteras i en ny artikel i den vetenskapliga tidskriften Nature: Light Science & Applications.
Resultaten visar en oöverträffad mottagarkänslighet på endast en foton-per-informationsbit vid en datahastighet på 10 Gbit/s.
– Våra resultat visar på metodens fördel när det gäller att utöka räckvidden och datahastigheten i långdistanslänkar för rymdkommunikation. Resultaten bådar också gott inför framtida försök att bryta igenom flaskhalsen när det gäller att mycket snabbare kunna samla in vetenskapliga data från exempelvis rymdsonder, som rymdorganisationer runt om i världen lider av idag, säger professor Peter Andrekson, forskargruppens ledare och författare till artikeln tillsammans med PhD Ravikiran Kakarla och seniorforskaren Jochen Schröder vid institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, på Chalmers.
En sådan avsevärd ökning av räckvidden och informationshastigheterna i framtida höghastighetslänkar kommer att få mycket positiva följder för satellitkommunikation, sonder till yttre rymden och atmosfäriska studier med Lidar (Light detection and ranging).
System för sådan höghastighetsdataförbindelse använder i allt högre utsträckning optiska laserstrålar snarare än radiofrekventa strålar. En viktig orsak till detta är att effektförlusten när strålen utbreder sig är väsentligt mindre vid ljusvåglängder, eftersom strålspridningen reduceras väsentligt. Ljusstrålarna kommer trots det att få stora effektförluster över långa sträckor. Som ett exempel kommer den förlorade effekten när en laserstråle skickas från jorden till månen (400 000 km) med en bländarstorlek på 10 cm att vara cirka 80 dB (endast 1 del av 100 miljoner kommer att finnas kvar). Eftersom den överförda effekten är så begränsad är det av avgörande betydelse att ha mottagare som kan återställa informationen som skickas med så lite mottagen effekt som möjligt. Denna känslighet kvantifieras som det minsta antalet fotoner per informationsbit som behövs för att återvinna data utan fel.
Den nya metoden är i grunden den bästa möjliga för ett mycket brett spektrum av datahastigheter
Den demonstrerade metoden kodar information på en signalvåg, som, tillsammans med en pumpvåg med en annan frekvens, genererar en konjugerad våg, en så kallad idler, i ett icke-linjärt medium. Dessa tre vågor sänds iväg tillsammans i den fria rymden. Vid mottagningspunkten förstärker PSA:n signalen med en regenererad pumpvåg efter att ha fångat upp ljuset i en optisk fiber. Den förstärkta signalen detekteras sedan i en konventionell mottagare.
– Detta tillvägagångssätt resulterar fundamentalt i bästa möjliga känslighet av alla för-förstärkta optiska mottagare och överträffar också nuvarande teknik inom all annan mottagarteknik, säger Peter Andrekson.
Systemet använder ett enkelt moduleringsformat kodat med en felkorrigeringskod av standardtyp, och en kommersiell mottagare med digital signalbehandling för signalåtervinning. Metoden är direkt skalbar till mycket högre datahastigheter om det behövs. Den fungerar också vid rumstemperatur, och kan därmed implementeras i rymdterminaler och inte bara på marken.
Tillvägagångssättets teoretiska känslighetsgränser diskuteras också i artikeln och jämförs med andra befintliga metoder. En slutsats är att den nya metoden i grunden är den bästa möjliga för ett mycket brett spektrum av datahastigheter.
Kontakt
Peter Andrekson, professor i fotonik, chef för avdelningen för fotonik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, peter.andrekson@chalmers.se
Ravikiran Kakarla, Jochen Schröder, och Peter A. Andrekson. One photon-per-bit receiver using near-noiseless phase-sensitive amplification. Nature: Light Science & Applications 9, 153 (2020).
Finansiering
Projektet stöds av Vetenskapsrådet (VR-2015-00535), Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och Europeiska forskningsrådet (ERC-2018-PoC 813236).
Mer om forskningen
Ett tillvägagångssätt som studerats i stor omfattning använder effekt-effektiva pulspositions-moduleringsformat tillsammans med nanotrådsbaserade foton-räknemottagare som behöver kylas ner till bara några få Kelvin medan de fungerar vid hastigheter under 1 Gbit/s. För att uppnå multi-Gbit/s-datahastigheter som kommer att krävas i framtiden övervägs dock också system som förlitar sig på för-förstärkta optiska mottagare tillsammans med avancerad signalgenerering och bearbetningsteknik som används i optisk fiberkommunikation.
Med sin nya metod visar chalmersforskarna en oöverträffad felfri "black box"- känslighet på en foton-per-informationsbit vid en datahastighet på 10 Gbit/s. Med en sändareffekt på 10 watt skulle denna mottagare medge en länkförlust på 100 dB vid denna datahastighet. För överföring till/från planeten Mars kan ett system på 10 watt stödja en datahastighet i storleksordningen 10 Mbit/s, vilket är cirka 1 000 gånger snabbare än dagens hastigheter (0,5-32 kbit/s).
