星際通信:宇宙中最靈敏的光接收機誕生

2021-01-10 澎湃新聞

原創 長光所Light中心 中國光學 收錄於話題#光通信9個

撰稿| Cyan (英國布裡斯託大學 博士生)

隨著嫦娥五號攜帶月壤而歸，人們的視線再次聚焦於大氣外那片廣袤的神秘領域。實際上，人類探索太空的腳步從未停歇，從加加林實現首次從太空觀測地球全貌到阿姆斯特朗在月球邁出的一小步；從天宮嫦娥系列到螢火(火星)探索計劃。

隨著探索區域的不斷擴大，各國航天機構均希望空間通信系統在實現高速率的同時，不斷延伸最大傳輸距離。

太陽系及其主要行星全貌

圖源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心，新媒體工作組

提高接收機的靈敏度可以為這一對矛盾的需求提供可行的解決方案。因此高靈敏度接收機成為域內的一個熱門話題，其中，接收機前置放大器在靈敏度提升技術中起關鍵性作用。

近日，來自瑞典查爾姆斯理工大學的Peter A. Andrekson教授【⏬人物介紹：】提出一種使用高性能相敏放大器的全新接收方案。

該方案在10Gbit/s的通信速率下，創紀錄地實現了1光子/比特(1 photon-per-information-bit, PPB)的高靈敏度接收機。

圖源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心，新媒體工作組

該成果以「One photon-per-bit receiver using near-noiseless phase-sensitive amplification」為題發表在Light: Science & Applications。

空間通信的瓶頸

隨著通信速率與傳播距離的大幅度提升，以射電波束為媒介的傳統空間通信系統已逐漸無法滿足通信需求，越來越多地被雷射通信系統所取代。

一個關鍵的原因是：在光波波段，由於光束髮散角度小，接收時的功率損失也相應較低（如下圖所示）。這一轉變將對衛星間通信、深空探索和雷射雷達等諸多技術領域產生重大影響。

雷射與射電波束尺寸比較

圖源：瑞典查爾姆斯理工大學

編譯：撰稿人 Cyan

此外，在長距離傳輸時，光束也會經歷巨大的傳輸損耗。例如，從地球發射到月球的雷射束(地月距離約40萬公裡，光束孔徑為10釐米)將會遭受約80dB的功率損耗，這意味著只有約億分之一的雷射功率會被保留下來。

鑑於發射功率有限，因此，儘可能低功率地接收到所發送的信息(高敏感度)對光接收機尤為重要。

解決方案及特點

鑑於上述空間通信鏈路中的實際問題，即使是目前最先進的自由空間光通信系統也只能以低於1Gbit /s的速率運行，並且需要超低溫環境輔助。

相比之下， Andrekson團隊設計的接收方案使用近乎無噪聲的前置相敏放大器，在室溫下便創紀綠地實現了1PPB的接收靈敏度，使傳輸速率得以提升至10.5 Gbit /s。在10瓦特發射功率的前提下，鏈路損耗容限可高達100dB。

此外，由於該方案基於常用的調製格式編碼與標準錯誤校正碼和相干接收機數位訊號處理技術來恢復信號，該方案可以直接擴展到其他高速空間光通信系統中。

在該方案中，信息被編碼到信號光中(紅線)，信號光與不同頻率的泵浦光(藍線)一起在非線性介質中產生共軛光(綠線，稱為idler, 閒波)。三種光波隨後一同在自由空間中傳播(如下圖所示)。

完整的空間傳輸鏈路與高敏感度接收方案

圖源：瑞典查爾姆斯理工大學

編譯：撰稿人 Cyan

在接收端，當傳輸光波被捕獲後，前置相敏放大器(Phase-Sensitive Amplifier, PSA)利用再生泵浦波增強信號。最後，放大信號在傳統相干接收機中進行檢測判決。

該新型接收方案迫近理論靈敏度的極限值，與其他現有方法進行比較，可得：

1. 在系統頻譜效率(SE)較低時，與基於EDFA放大器的接收機相比，新提出的PSA接收方案擁有3 dB的靈敏度優勢。

2. PSA方案與未放大的理想單正交探測器(Unamplified Ideal Single Quadrature Detector)具有相同的理論靈敏度，具有100%的量子效率且無熱噪聲，這是已知的在非光子計數接收機中最好的靈敏度。

3. 在相同的數據速率和前向糾錯(FEC)負載下，新方案所需靈敏度比先前報導的2.1 PPB小一半。

未來應用

在未來的深空探測實踐中，這種新提出的接收方案將會使通信質量產生質的飛躍。例如，在地球/火星通信鏈路中，前置PSA接收機在10瓦特的發射功率下可支持10Mbit/s的數據速率, 比現行速率(0.5~32Kbit/s)快約千倍。使諸多功能，譬如高清圖像傳輸，由理論可能變為實踐可行。

圖源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心，新媒體工作組

綜上，這種使用前置相敏放大器的接收機在諸多空間通信場景中均為最佳接收方案。正如Andrekson教授所評價的」這種方法從根本上使任何預放大光接收機的靈敏度達到可能的最高水平，並優於目前所有其他的先進接收技術。」

這項技術有希望幫助突破目前深空探索任務中數據返回的瓶頸，這是世界各地的航天機構目前正在遭受的問題。

文章信息

Kakarla, R., Schröder, J. & Andrekson, P.A. One photon-per-bit receiver using near-noiseless phase-sensitive amplification. Light Sci Appl 9, 153 (2020).

原文地址

https://doi.org/10.1038/s41377-020-00389-2

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Light: Science & Applications

（簡稱：Light）

原標題：《星際通信：宇宙中最靈敏的光接收機誕生！》

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