太空通信:使用近無噪相位敏感放大技術開發一個單光子接收器

在太空通信期間，研究人員要求高空衛星間數據傳輸連接以進行深空任務，同時監測地球。這項技術從根本上受到可用傳輸功率和接收器靈敏度孔徑大小的影響。現在正在考慮從射頻鏈路到光鏈路的過渡，因為它能夠顯著減少通信過程中由於衍射引起的信道損耗。在廣泛使用的方法中，研究人員可以開發高能效格式，以及基於納米線的光子計數接收器，將其冷卻到幾開氏溫度，以低於每秒1千兆字節（Gb / s）的速度運行。

此類系統的靈敏度可以通過前置放大器的噪聲係數（NF-衡量信噪比的下降）來確定。相敏光放大器（PSA）有望為長途自由空間鏈路提供最佳的靈敏度。Ravikiran Kakarla和瑞典查爾默斯理工大學的光子學，微技術和納米科學領域的科學家團隊在《自然光：科學與應用》的最新報告中，開發了一種使用相敏光放大器的新方法。（PSA）接收器在自由空間傳輸實驗中。該團隊以10.5 Gb / s的信息速率實現了前所未有的無誤碼，黑盒靈敏度，每個信息位（PPB）一個光子。儘管他們在研究過程中僅跨一米傳輸信號，但他們相信結果將驗證跨空間擴大通信。

太空探索和衛星傳感器

由NASA，ESA和JAXA等機構進行的太空探索及其衛星傳感器的數據輸出對通信系統提出了更高的要求，以更高的數據速率運行並進一步進入太空。應該提高接收器靈敏度，這是在接收儘可能少的光子的情況下提高數據吞吐量的重要步驟。更好的接收器靈敏度將允許更長的覆蓋範圍，更高的數據吞吐量以及使用更緊湊的光學器件的潛力。當前正在開發的用於提高靈敏度的通用方法具有較低的頻譜效率（SE），並且由於兩者之間的權衡，只能實現適度的淨數據速率靈敏度和帶寬。

例如，科學家在空間通信期間廣泛考慮脈衝位置調製（PPM），因為它可以在低信噪比（SNR）時達到出色的靈敏度，但是，該方法可能導致無效的頻譜效率。結果，他們可以採用光子計數接收器來接收脈衝位置調製符號，並建立每位幾個光子的靈敏度。但是，需要將所得的基於超導納米線的接收器冷卻至2-4開爾文才能有效發揮作用。因此，未來的太空通信系統將需要超越當前的速度功能，這需要在數據速率和靈敏度方面超越現有接收器技術進行重大改進。在這項工作中，Kakarla等人。通過包括理論分析來擴展先前的工作，以實現PSA（相敏光放大器）的靈敏度。這項工作強調了用更高效的光學系統替代當前的射頻技術的好處，從而可以以更高的數據速率來滿足更遠距離通信的空間通信的未來需求。

實驗裝置

科學家將自由空間光傳輸鏈路與預放大的接收器配合使用。由於不斷發展的空間通信研究已經採用了光纖通信領域的技術，包括高級前向糾錯（FEC）技術，因此科學家在發射機處使用了FEC編碼的二進位數據流。他們使用正交相移鍵控（QPSK）將數據調製到信號上，得到的淨信息速率為10.52 Gb / s。該團隊將信號與連續波泵相結合，以產生共軛惰輪，該共軛惰輪包含與非線性光纖中的四波混頻（FWM）相同的信息。

該團隊將信號，惰輪和泵浦波放大到所需的輸出功率，然後將它們發射到自由空間通道中。他們使用自由空間連結來確認在向自由空間發射海浪期間沒有發生額外的損失。該研究中使用的泵浦功率顯著低於信號和空轉器功率的總和，從而導致幾乎可以忽略的功率預算損失。

恢復穩定的大功率

該團隊使用波分復用器將接收器處的泵浦波與信號波和閒置波分離開，然後利用光注入鎖定（一種光學和相位同步技術）將其恢復。在對恢復的波進行相位敏感的放大之後，他們使用標準的相干接收機和實時示波器對信號進行濾波和檢測，以進行數位訊號處理。科學家測量了接收信號的誤碼率，以了解基於PSA（相敏光放大器）的預放大接收器的性能。他們將結果與摻b光纖放大器進行了比較（EDFA）和PSA的效果要好於基於EDFA的接收器。使用實驗系統，Kakarla等。展示了如何通過每信息比特1光子的接收功率（PPB）來實現無差錯傳輸，以提供迄今為止報導的最佳黑盒接收機靈敏度。

空間通信研究的成果

所描述的方法與使用不同的非線性平臺以獲得更高靈敏度的其他方法兼容。PSA方法代表了在自由空間通信中使用的接收機的頻譜效率和靈敏度之間的權衡，以及使用這些技術的實驗靈敏度記錄。儘管演示集中在深空連結的應用上，但它們也可以用於大氣連結以提高靈敏度。這樣的調查將需要考慮大氣湍流效應對預放大PSA 接收器。

通過這種方式，Ravikiran Kakarla及其同事使用簡單的光譜有效格式，以10.5 Gb / s的速率記錄了每信息比特一個光子的黑盒靈敏度的記錄。他們使用一種相敏光放大器（PSA）方法和超低功率注入鎖定機制來實現該方法，從而在新的無噪聲，相敏前置放大器的情況下實現了觀察到的靈敏度。結果有望提高信息傳輸的速度，同時減小所涉及的光學器件的尺寸。這些結果可以極大地促進空間通信以及在光探測和測距（LIDAR）應用中監視地球。