Empfindliche optische Empfänger für den Weltraum

Die Kommunikation im Weltraum erfordert möglichst empfindliche Empfänger für eine maximale Reichweite und erfordert gleichzeitig Operationen mit hoher Bitrate. Ein Konzept für laserstrahlbasierte Kommunikation mit einem nahezu rauschfreien optischen Vorverstärker im Empfänger wurde entwickelt. Das optische Freiraum-Übertragungssystem beruht auf einem optischen Verstärker, der im Prinzip kein übermäßiges Rauschen hinzufügt, im Gegensatz zu allen anderen bereits existierenden optischen Verstärkern, die als phasenempfindliche Verstärker (PSAs) bezeichnet werden.

Das Konzept weist eine Empfängerempfindlichkeit von nur einem Photon pro Informationsbit bei einer Datenrate von 10 Gigabit pro Sekunde auf. Der Ansatz könnte die Reichweite und Datenrate in Fernkommunikationsverbindungen im Weltraum erhöhen und den Engpass bei der Datenrückgabe beseitigen, der bei Weltraummissionen besteht.

Die erhebliche Erhöhung der Reichweite und Informationsrate für zukünftige Hochgeschwindigkeitsverbindungen wird große Auswirkungen auf die Kommunikation zwischen Satelliten und die Erdüberwachung mit Lichterkennung und Entfernungsmessung (LiDAR) haben. Systeme für solche Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen verwenden zunehmend optische Laserstrahlen anstelle von Hochfrequenzstrahlen. Ein wesentlicher Grund dafür ist, dass der Leistungsverlust bei der Strahlausbreitung bei Lichtwellenlängen wesentlich geringer ist, da die Strahldivergenz reduziert wird.

Über große Entfernungen erfahren Lichtstrahlen auch große Verluste; Beispielsweise erfährt ein Laserstrahl, der von der Erde zum Mond gesendet wird – etwa 400.000 Kilometer – mit einer Öffnungsgröße von 10 cm einen Leistungsverlust von etwa 80 dB, was bedeutet, dass nur 1 Teil von 100 Millionen übrig bleibt. Da die übertragbare Leistung begrenzt ist, ist es von entscheidender Bedeutung, Empfänger zu haben, die die gesendeten Informationen mit möglichst geringer Empfangsleistung zurückgewinnen können. Diese Empfindlichkeit wird als die minimale Anzahl von Photonen pro Informationsbit quantifiziert, die erforderlich ist, um die Daten fehlerfrei wiederherzustellen.

Bei dem neuen Ansatz werden Informationen auf eine Signalwelle kodiert, die zusammen mit einer Pumpwelle mit unterschiedlicher Frequenz eine konjugierte Welle (bekannt als Idler) in einem nichtlinearen Medium erzeugt. Diese drei Wellen werden gemeinsam in den freien Raum geschleudert. Am Empfangspunkt verstärkt der PSA nach dem Einfangen des Lichts in einer optischen Faser das Signal mit einer regenerierten Pumpwelle. Das verstärkte Signal wird dann in einem herkömmlichen Empfänger detektiert.

Das System verwendet ein einfaches Modulationsformat, das mit einem Standardfehlerkorrekturcode codiert ist, und einen kohärenten Empfänger mit digitaler Signalverarbeitung zur Signalwiederherstellung. Dieses Verfahren ist bei Bedarf einfach auf viel höhere Datenraten skalierbar. Es funktioniert auch bei Raumtemperatur, was bedeutet, dass es in Weltraumterminals und nicht nur am Boden implementiert werden kann.