Schema concettuale di un collegamento di comunicazione nello spazio libero con un ricevitore coerente preamplificato PSA. segnale S; pompa P, io pigro, PLL ad anello ad aggancio di fase, Amplificatore sensibile alla fase PSA. Credito:Scienze e applicazioni della luce, doi:10.1038/s41377-020-00389-2
Durante la comunicazione spaziale, i ricercatori richiedono la connettività per il trasferimento di dati intersatellite nello spazio elevato per le missioni nello spazio profondo durante il monitoraggio della Terra. La tecnologia è fondamentalmente influenzata dalla potenza di trasmissione disponibile e dalla dimensione dell'apertura della sensibilità del ricevitore. La transizione dai collegamenti in radiofrequenza ai collegamenti ottici è ora allo studio per la sua capacità di ridurre significativamente la perdita di canale causata dalla diffrazione durante la comunicazione. In un approccio ampiamente utilizzato, i ricercatori possono sviluppare formati efficienti dal punto di vista energetico insieme a ricevitori per il conteggio dei fotoni basati su nanofili raffreddati a pochi Kelvin per funzionare a velocità inferiori a 1 Gigabyte al secondo (Gb/s). Per ottenere il trasferimento dei dati a velocità di trasmissione di più GB/s (come previsto per le future applicazioni spaziali) i sistemi dovranno fare affidamento su ricevitori preamplificati insieme a tecniche avanzate di generazione e elaborazione del segnale, comprese le comunicazioni in fibra.
La sensibilità di tali sistemi può essere determinata dalla figura di rumore (NF, che misura la degradazione del rapporto rumore/segnale) del preamplificatore. Gli amplificatori ottici sensibili alla fase (PSA) promettono di fornire la migliore sensibilità possibile per i collegamenti a lungo raggio in spazio libero. In un nuovo rapporto ora su Luce naturale:scienza e applicazioni , Ravikiran Kakarla e un team di scienziati in fotonica, La microtecnologia e la nanoscienza presso la Chalmers University of Technology in Svezia hanno sviluppato un nuovo approccio utilizzando un ricevitore basato su amplificatori ottici sensibili alla fase (PSA) in un esperimento di trasmissione nello spazio libero. Il team ha ottenuto un bit senza errori senza precedenti, sensibilità della scatola nera di un fotone per bit di informazione (PPB) a una velocità di informazione di 10,5 Gb/s. Mentre hanno trasmesso i segnali solo attraverso un metro durante lo studio, credono che i risultati convalideranno la comunicazione su larga scala attraverso lo spazio.
Esplorazione dello spazio e sensori satellitari
Esplorazione spaziale condotta da agenzie come la NASA, ESA e JAXA, e la loro uscita di dati da sensori satellitari impongono ai sistemi di comunicazione requisiti significativi per operare a velocità di trasmissione dati più elevate e raggiungere lo spazio. La sensibilità del ricevitore dovrebbe essere migliorata come un passo importante per migliorare il throughput dei dati con il minor numero possibile di fotoni ricevuti. Una migliore sensibilità del ricevitore consentirà una portata più lunga, una maggiore velocità di trasmissione dei dati e la possibilità di utilizzare ottiche più compatte. Approcci comuni attualmente in fase di sviluppo per migliorare la sensibilità soffrono di una bassa efficienza spettrale (SE) e possono raggiungere solo tassi di dati netti modesti a causa del compromesso tra sensibilità e larghezza di banda.
Risultati sperimentali con dati QPSK da 10,52 Gbaud, mostra BER rispetto alla potenza ricevuta (espressa anche in fotoni per simbolo) prima e dopo la decodifica FEC per:EDFA pre-FEC (la linea marrone con cerchi aperti come punti misurati); EDFA post-FEC (i marcatori di diamanti solidi marroni); PSA pre-FEC (la linea rossa con cerchi aperti come punti misurati); PSA post-FEC (i marcatori di diamanti rossi). Credito:Scienze e applicazioni della luce, doi:10.1038/s41377-020-00389-2
Per esempio, gli scienziati considerano ampiamente la modulazione della posizione dell'impulso (PPM) durante le comunicazioni spaziali poiché può raggiungere un'eccellente sensibilità a bassi rapporti segnale-rumore (SNR), però, il metodo può risultare in un'efficienza spettrale inefficace. Di conseguenza, possono impiegare ricevitori di conteggio dei fotoni per ricevere simboli di modulazione della posizione degli impulsi e stabilire sensibilità di pochi fotoni per bit. Però, i risultanti ricevitori basati su nanofili superconduttori devono essere raffreddati a 2-4 Kelvin per funzionare in modo efficace. I futuri sistemi di comunicazione spaziale dovranno quindi superare le attuali velocità di funzionamento, che richiedono importanti miglioramenti rispetto alla tecnologia del ricevitore esistente per quanto riguarda la velocità e la sensibilità dei dati. In questo lavoro, Kakarla et al. ampliato il lavoro precedente includendo un'analisi teorica per ottenere sensibilità con PSA (amplificatori ottici sensibili alla fase). Il lavoro evidenzia i vantaggi della sostituzione delle attuali tecnologie a radiofrequenza con i sistemi ottici più efficienti per soddisfare le future esigenze di comunicazione spaziale con velocità di trasmissione dati più elevate per comunicare su distanze maggiori.
Sensibilità (fotone per bit di informazione, PPB) rispetto all'efficienza spettrale (bit/s/Hz) con diverse implementazioni. Le curve teoriche sono indicate da linee, mentre i dati sperimentali sono indicati con simboli. I limiti di capacità di Gordon per la trasmissione affidabile di informazioni inclusi gli effetti quantistici (nero), l'area grigia in ombra è quindi fondamentalmente inaccessibile; capacità del rivelatore omodino coerente DQ con preamplificatore PSA (rosso), PSA senza perdita di efficienza spettrale grazie all'idler (tratteggiato in rosso) e al preamplificatore EDFA (marrone); busta di tutte le capacità PPM (verde) e capacità 64-PPM (grigio). Registri sperimentali di sensibilità dei ricevitori per il conteggio dei fotoni (misurati in PPB incidente, cioè., la sensibilità della scatola nera) con tecnologia PPM a velocità dati nette>100 Mb/s (marker verdi); registrare le sensibilità di formati di modulazione avanzati con ricevitori coerenti preamplificati a velocità dati nette>100 Mb/s (marcatori marroni), rivelatore a singola quadratura (marcatore rosso); il risultato PSA presentato qui è indicato da una stella rossa (rosso pieno e vuoto), e il risultato EDFA è rappresentato da una stella marrone. Credito:Scienze e applicazioni della luce, doi:10.1038/s41377-020-00389-2
Setup sperimentale
Gli scienziati hanno utilizzato un collegamento di trasmissione ottica nello spazio libero con un ricevitore preamplificato. Da quando la ricerca sulla comunicazione spaziale in evoluzione ha adottato la tecnologia dal campo della comunicazione in fibra ottica, comprese tecniche di correzione avanzata degli errori in avanti (FEC), gli scienziati hanno utilizzato un flusso di dati binari con codifica FEC sul trasmettitore. Hanno modulato i dati sul segnale con la codifica a sfasamento in quadratura (QPSK) per una velocità di informazione netta risultante di 10,52 Gb/s. Il team ha combinato il segnale con una pompa a onda continua per generare un'onda inattiva coniugata contenente le stesse informazioni del segnale utilizzando la miscelazione a quattro onde (FWM) in una fibra ottica non lineare.
Il team ha amplificato il segnale, l'ozioso e le onde di pompaggio alla potenza di uscita desiderata e le lanciano nel canale dello spazio libero. Hanno usato il collegamento nello spazio libero per confermare che non si fosse verificata alcuna penalità aggiuntiva durante il lancio delle onde nello spazio libero. La potenza della pompa utilizzata nello studio era significativamente inferiore alla potenza combinata del segnale e dell'idler, con conseguente penalizzazione del budget energetico quasi trascurabile.
Configurazione sperimentale dettagliata del sistema di comunicazione in spazio libero con un ricevitore preamplificato PSA. Amplificatore in fibra EDFA drogata con erbio, Fibra altamente non lineare HNLF, Bloccaggio ottico iniezione OLIO, WS modellatore d'onda, attenuatore variabile VOA, Accoppiatore multiplexer a divisione di lunghezza d'onda WDM, Codice standard 2 di trasmissione video digitale DVBS2, Amplificatore sensibile alla fase PSA; i percorsi elettrici sono indicati da linee rosse; i percorsi ottici sono indicati da linee nere. Credito:Scienze e applicazioni della luce, doi:10.1038/s41377-020-00389-2
Recupero di un'alta potenza stabile
Il team ha separato le onde della pompa al ricevitore dal segnale e dalle onde inattive utilizzando un multiplexer a divisione di lunghezza d'onda, che hanno poi recuperato utilizzando il bloccaggio dell'iniezione ottica, una tecnica di sincronizzazione ottica e di fase. Dopo l'amplificazione sensibile alla fase dell'onda recuperata, hanno filtrato e rilevato il segnale utilizzando un ricevitore coerente standard e un oscilloscopio in tempo reale per l'elaborazione del segnale digitale. Gli scienziati hanno misurato un Bit Error Rate del segnale ricevuto per comprendere le prestazioni del ricevitore preamplificato basato su PSA (amplificatore ottico sensibile alla fase). Hanno confrontato i risultati con un amplificatore in fibra drogata con erbio (EDFA) e il PSA ha funzionato meglio del ricevitore basato su EDFA. Utilizzando il sistema sperimentale, Kakarla et al. ha mostrato come è possibile ottenere una trasmissione senza errori con una potenza ricevuta di 1 fotone per bit di informazione (PPB) per fornire la migliore sensibilità del ricevitore a scatola nera riportata fino ad oggi.
Configurazione sperimentale del bloccaggio dell'iniezione ottica con il PLL. fotorilevatore PD, PID integratore proporzionale differenziatore, filtro passabanda BPF, Filtro LPF passa basso, amplificatore in fibra EDFA drogata con erbio; le linee rosse indicano i percorsi elettrici, e le linee nere indicano i percorsi ottici. Credito:Scienze e applicazioni della luce, doi:10.1038/s41377-020-00389-2 
Il metodo descritto è compatibile con metodi aggiuntivi che utilizzano una piattaforma non lineare diversa per ottenere una migliore sensibilità. L'approccio PSA ha rappresentato un compromesso tra efficienza spettrale e sensibilità per i ricevitori utilizzati nella comunicazione nello spazio libero, insieme a registrazioni di sensibilità sperimentali sull'uso di queste tecniche. Mentre la dimostrazione si concentrava sulle applicazioni nei collegamenti nello spazio profondo, possono essere utilizzati anche nei collegamenti atmosferici per migliorare la sensibilità. Tali indagini dovranno considerare l'effetto della turbolenza atmosferica sul ricevitore preamplificato PSA.
In questo modo, Ravikiran Kakarla e colleghi hanno presentato una sensibilità record della scatola nera di un fotone per bit di informazione a 10,5 Gb/s utilizzando un semplice formato spettrale efficiente. Hanno consentito il metodo utilizzando un approccio con amplificatore ottico sensibile alla fase (PSA) e un meccanismo di blocco dell'iniezione a bassissima potenza per ottenere la sensibilità osservata in presenza di un nuovo sistema privo di rumore, preamplificatore sensibile alla fase. I risultati prevedono un aumento della velocità di trasmissione delle informazioni, riducendo al contempo le dimensioni delle ottiche coinvolte. Questi risultati possono contribuire in modo significativo alla comunicazione spaziale e alle applicazioni di rilevamento e rilevamento della luce (LIDAR) per monitorare la Terra.
© 2020 Scienza X Rete
