Snabbare rymdkommunikation med rekordkänslig mottagare

I utforskandet av rymden kan numera optiska långdistanslänkar användas för att överföra bilder, filmer och data från rymdsonder till jorden med hjälp av ljus. Men för att signalerna ska nå ända fram och inte bli störda på vägen krävs hyperkänsliga mottagare och brusfria förstärkare. Nu har forskare på Chalmers skapat ett system som med en tyst förstärkare och rekordkänslig mottagare banar väg för en uppgraderad och snabbare rymdkommunikation.

System för rymdkommunikation baseras allt oftare på optiska laserstrålar i stället för på radiovågor, då signalens effektförlust har visat sig vara mindre när ljus används för att bära information över väldigt långa avstånd. Men även information som förs fram av ljus tappar i effekt under resans gång, och optiska system för rymdkommunikation kräver därför oerhört känsliga mottagare förmögna att känna av signaler som kraftigt försvagats innan de slutligen når jorden. Chalmersforskarnas koncept för optisk rymdkommunikation öppnar upp för nya kommunikationsmöjligheter – och upptäckter – i rymden.

– Vi kan demonstrera ett nytt system för optisk kommunikation med en mottagare som är känsligare än vad som har kunnat demonstreras tidigare vid höga datatakter. Det här innebär att man kan få en snabbare och mer felfri informationsöverföring över mycket långa avstånd, när man till exempel vill skicka högupplösta bilder eller filmer från månen eller Mars till jorden, säger Peter Andrekson, professor i fotonik vid Chalmers och en av huvudförfattarna till studien som nyligen publicerats i den vetenskapliga tidskriften Optica.

Tyst förstärkare med förenklad sändare förbättrar kommunikationen

Forskarnas kommunikationssystem använder en optisk förstärkare i mottagaren som med minsta möjliga brus förstärker signalen så att dess information kan återvinnas. Precis som skenet hos en ficklampa, vidgas ljuset från sändaren och försvagas med avståndet. Utan förstärkning är signalen så pass svag efter rymdfärden att den dränks i det elektroniska bruset hos mottagaren. Efter att i tjugo års tid ha brottats med störande brus som försämrade signalerna kunde forskarlaget på Chalmers demonstrera en brusfri optisk förstärkare för några år sedan. Men hittills har den tysta förstärkaren inte kunnat användas praktiskt i optiska kommunikationslänkar, då den ställt helt nya, betydligt mer komplexa, krav på både sändare och mottagare.

Till följd av de begränsade resurserna och minimala utrymmet ombord på en rymdsond är det viktigt att sändaren är så enkel som möjligt. Genom att låta mottagaren på jorden generera två av de tre ljusfrekvenser som behövs för brusfri förstärkning, och samtidigt låta sändaren generera endast en frekvens, kunde Chalmersforskarna för första gången implementera den brusfria förstärkaren i ett optiskt kommunikationssystem. Resultaten visar på en hyperkänslig mottagning med en sändare som är betydligt mindre komplex än tidigare.

– Den här faskänsliga optiska förstärkaren genererar, i princip, inte något extra brus vilket bidrar till en känsligare mottagare och att felfri dataöverföring uppnås även när effekten hos signalen är lägre.  Genom att generera två extra vågor av olika frekvens i mottagaren, snarare än som tidigare i sändaren, kan nu en konventionell lasersändare med en våg användas för att implementera förstärkaren. Vår förenkling av sändaren innebär på så vis att redan existerande optiska sändare ombord på satelliter och sonder skulle kunna användas tillsammans med den brusfria förstärkaren i en mottagare på jorden, säger Rasmus Larsson, postdoktoral forskare inom fotonik vid Chalmers och en av huvudförfattarna till studien.

Kan lösa problematisk flaskhals 

Framsteget innebär att forskarnas tysta förstärkare på sikt kan börja användas i praktiken i kommunikationslänkar mellan rymden och jorden. Förhoppningen är också att systemet därmed ska kunna bidra till att lösa ett välkänt flaskhalsproblem bland rymdorganisationer idag. 

– Nasa talar om ”the science return bottleneck” och här är just hastigheten på insamlingen av vetenskapliga data från rymden till jorden en faktor som utgör ett hinder i kedjan. Vi tror att vårt system är ett viktigt steg framåt mot en praktisk lösning som kan bryta den här flaskhalsen, säger Peter Andrekson.

Nästa steg för forskarna är att testa det optiska kommunikationssystemet med den implementerade förstärkaren under fältstudier på jorden, och senare också i kommunikationslänkar mellan en satellit och jorden.

Mer om den vetenskapliga artikeln

Studien "Ultralow noise preamplified optical receiver using conventional single wavelength transmission" har publicerats i Optica och är skriven av Rasmus Larsson, Ruwan U Weerasuriya och Peter Andrekson. Forskarna är verksamma vid Chalmers tekniska högskola och University of Moratuwa, Sri Lanka.

Utvecklingen av tekniken har gjorts på Chalmers tekniska högskola och forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet.

 

För mer information, kontakta:

Rasmus Larsson, postdoktoral forskare, avdelningen för fotonik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola
rasmus.larsson@chalmers.se
 

Peter Andrekson, professor, avdelningen för fotonik, institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap, Chalmers tekniska högskola
peter.andrekson@chalmers.se, 031 772 16 06

Bildtext till illustrationen: I Chalmersforskarnas nya kommunikationssystem kan en svag optisk signal (röd) från rymdsondens sändare förstärkas brusfritt när den möter två så kallade pumpvågor (blå och grön) av olika frekvens i en mottagare på jorden. Tack vare forskarnas brusfria förstärkare i mottagaren hålls signalen ostörd och mottagandet på jorden blir rekordkänsligt, vilket i sin tur banar väg för en mer felfri och snabbare dataöverföringen i rymden framöver.
 

Illustration: Chalmers tekniska högskola | Rasmus Larsson

________________

Chalmers tekniska högskola i Göteborg forskar och utbildar inom teknik och naturvetenskap på hög internationell nivå. Universitetet har 3 100 anställda, 10 000 studenter och utbildar ingenjörer, arkitekter och sjöbefäl.

Med vetenskaplig excellens som grund utvecklar Chalmers kompetens och tekniska lösningar för en hållbar värld. Genom globalt engagemang och entreprenörsanda skapar vi innovationskraft, i nära samarbete med övriga samhället. 

Chalmers grundades 1829 och har än idag samma motto: Avancez – framåt.

---

Det är tillåtet att ladda ner, sprida och använda bifogade bilder och illustrationer, om inget annat anges, för publiceringar i samband med Chalmers pressmeddelanden så länge Chalmers och fotograf/illustratör står med som upphovsperson där möjlighet ges. Det är tillåtet att beskära och justera i materialet för att anpassa format för publikation men det är ej tillåtet att omarbeta originalet på ett sådant sätt att det ändrar den ursprungliga innebörden. Materialet är avsett att användas i redaktionellt syfte. Kommersiell användning, som del i marknadsföring av varor och tjänster, är inte tillåten.

Vi vill att Chalmers och våra fotografer och illustratörer namnges i samband med publicering där det är möjligt enligt följande modell:

• Foto: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn
• Grafik/Illustration: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn