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低噪声高灵敏度光学接收机设计

发布时间: 2020-10-10 10:31:37   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

2020年10月5日,瑞典哥德堡——Chalmers技术大学研究人员开发了一种基于激光的空间通信系统,使用几乎无噪音的前置放大器来提高空间通信的覆盖率和数据速率。这项研究将对卫星间通信、深空飞行任务和激光雷达地球监测等技术产生影响。

Chalmers团队的系统通过显著提高接收机的灵敏度来克服空间大距离的损失,同时将信息编码到单个波上,该波与不同频率的泵浦波一起在非线性介质中产生共轭波。将这些波一起发射到自由空间,并最终到达接收器。

        图9. Chalmers团队的实验装置示意图

在光纤中捕获光后,相敏放大器(PSA)使用再生泵浦波放大信号。然后,常规的接收器能够检测放大的信号。

该概念显示,接收机灵敏度达每个信息位一个光子,数据速率为10Gbit/s。

“我们的结果表明,这一新方法对于扩大远距离空间通信链路的覆盖面和数据速率具有可行性。因此,它也有望帮助突破当今世界各地航天机构在深空飞行任务中面临的数据返回瓶颈。” Chalmers技术大学微技术和纳米科学系负责人Peter Andrekson说。

数据返回瓶颈是非常低的数据速率造成的。美国国家航空航天局(NASA)以5Mbit/s传输1位/像素的1英尺分辨率的火星表面地图需要9年的时间。他补充说。在这样长的距离内,光束存在巨大的功率损失。一束从地球发送到月球的光束,距离约40万公里,孔径为10厘米,将经历大约80dB的功率损失,这意味着只有1亿分之一的能量将保持不变。由于可发射功率有限,重要的是要有接收机,能够恢复以尽可能低的功率发送的信息。这种灵敏度被量化为每个信息位所需的最小光子数,以便在没有错误的情况下恢复数据。

在研究人员的系统里,设计两个相干的波长信号相干共享放大器,获得比噪声感知更多的增益。Andrekson说,噪音并没有相应增加。

Andrekson说:“放大本身依赖于硅纤维中的非线性过程(四波混频)。这样的话,就有可能实现0dB噪声(实验值约为1dB),这是目前已知的放大器类型能达到的最好结果。”常规的放大器依赖于受激发射,这与自发辐射有关,并导致显著和不可避免的过剩噪声。Andrekson说:“这种方法从根本上提高了前置放大光学接收机的最佳灵敏度,并且也优于目前其他的接收机技术。

该系统采用简单的调制格式编码标准纠错码和相干接收机数字信号恢复。如果需要,该方法还可以扩展到更高的数据速率。它还可在室温下运行,这使得它能够在空间终端上实现,而不是只在地面上实现。

该研究已发表在Light:Science & Applications.

 
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