Fortgeschrittene optische Empfänger für Weltraumkommunikation

Weltraumkommunikation erfordert die empfindlichsten Empfänger für maximale Reichweite, während gleichzeitig High-Bitrate-Operationen gefordert sind. Ein Konzept für laserstrahlbasierte Kommunikation unter Verwendung eines fast rauschfreien optischen Vorverstärkers im Empfänger wurde entwickelt. Das Freiraum-optische Übertragungssystem basiert auf einem optischen Verstärker, der prinzipiell kein Überschussrauschen hinzufügt, im Gegensatz zu allen anderen bereits existierenden optischen Verstärkern, die als phasenempfindliche Verstärker (Phase-Sensitive Amplifiers, PSAs) bezeichnet werden.

Das Konzept demonstriert eine Empfängerempfindlichkeit von nur einem Photon pro Informationsbit bei einer Datenrate von 10 Gigabit pro Sekunde. Der Ansatz könnte die Reichweite und Datenrate in Langstrecken-Weltraumkommunikationsverbindungen erweitern und den Datenrücklauf-Flaschenhals beseitigen, der in Tiefraummissionen besteht.

Die wesentliche Erhöhung der Reichweite und Informationsrate für zukünftige High-Speed-Links wird große Auswirkungen auf Inter-Satelliten-Kommunikation und Erdbeobachtung mit Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LiDAR) haben. Systeme für solche High-Speed-Datenverbindungen nutzen zunehmend optische Laserstrahlen statt Funkfrequenzstrahlen. Ein Hauptgrund dafür ist, dass der Leistungsverlust bei der Ausbreitung des Strahls bei Lichtwellenlängen erheblich geringer ist, da die Strahldivergenz reduziert ist.

Über lange Distanzen erleiden Lichtstrahlen auch große Verluste; beispielsweise wird ein Laserstrahl, der von der Erde zum Mond gesendet wird – etwa 400.000 Kilometer – mit einer 10-cm-Öffnung einen Leistungsverlust von etwa 80 dB erfahren, was bedeutet, dass nur 1 Teil in 100 Millionen übrig bleibt. Da die übertragbare Leistung begrenzt ist, ist es von entscheidender Bedeutung, Empfänger zu haben, die die gesendeten Informationen mit so niedriger empfangener Leistung wie möglich wiederherstellen können. Diese Empfindlichkeit wird als die minimal notwendige Anzahl von Photonen pro Informationsbit quantifiziert, um die Daten fehlerfrei wiederherzustellen.

Im neuen Ansatz wird Information auf eine Signalwelle codiert, die zusammen mit einer Pumpenwelle bei anderer Frequenz eine konjugierte Welle (als Idler bekannt) in einem nichtlinearen Medium erzeugt. Diese drei Wellen werden gemeinsam in den Freiraum gestartet. Am Empfangspunkt, nach Einfang des Lichts in einer optischen Faser, verstärkt der PSA das Signal mit einer regenerierten Pumpenwelle. Das verstärkte Signal wird dann in einem konventionellen Empfänger detektiert.

Das System verwendet ein einfaches Modulationsformat, codiert mit einem Standard-Fehlerkorrekturcode und einem kohärenten Empfänger mit digitaler Signalverarbeitung für die Signalrückgewinnung. Diese Methode ist unkompliziert auf viel höhere Datenraten skalierbar, falls erforderlich. Sie arbeitet auch bei Raumtemperatur, was bedeutet, dass sie in Weltraumterminalen implementiert werden kann und nicht nur am Boden.