光学接收器设计大幅度降低噪音并提高灵敏度

由Chalmers University of Technology的研究人员开发的激光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范围和数据速率。这项研究对卫星间通信、外太空飞行任务和激光雷达对地球监测等技术有意义。

Chalmers 团队的系统通过显著提高接收器的灵敏度克服了空间远距离的损信号衰减，同时将信息编码到单个波上, 该光波与不同频率的泵浦光波源一起，在非线性介质中生成共轭混频波。这些混合波一起发射到太空，最终到达接收器。在光纤中捕获光束后，相位感应放大器 (PSA) 通过再生泵浦光波放大信号，然后传统的接收器能够检测放大之后的信号。实验结果表明，在10 Gbit/s的数据速率下，接收器的灵敏度为每个信息位只需要一个光子。

Chalmers University的研究人员开发的自由空间通信设计的实验装置。Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology 供图。

来自 Chalmers -Department of Microtechnology and Nanoscience的研究小组负责人Peter Andrekson说：“我们的结果表明，这种新方法在扩展远程空间通信链路中的覆盖范围和数据速率方面是可行的。因此，它也有望打破在外太空飞行任务中目前数据返回的瓶颈问题，这是全世界的宇航局正在面临的问题。Andrekson说，数据返回的瓶颈问题主要是由低数据传输速率导致的。他补充说，美国宇航局要以1位/像素的分辨率传送火星表面1英尺分辨率得图像，需要以5Mbit/s 的速度传送9年的时间。

在远距离传输上，光信号会有明显的功率损耗。从地球发送到月球的光束，距离约40万千米，孔径为10厘米，将经历约80分贝的功率损耗，这意味着最后只剩下1亿分之一的功率。由于可传输功率有限，因此必须让接收器能够尽可能恢复低功率(接收)发送的信号。这种灵敏度被量化为准确恢复数据时所需的每个信息位光子的最小数量。

两个相干的波长会发生相长干涉，它们在研究人员系统中共享放大器的信号，因此检测到比噪声更多的增益。Andrekson说噪音没有相长干涉性的增加。 Andrekson说：“信号放大本身依赖于一块石英光纤中的非线性过程(四波混合)。这可产生 0 dB 噪声图(实验值约为 1 dB)，这是唯一已知可达到这个数值的放大器类型。” 传统的放大器依赖于受激辐射，与自发辐射相关，并产生显著的和不可避免的额外噪声。Andrekson 说：“在预增益放大光接收器里，这种方法从根本上产生了最佳灵敏度的接收器，并且优于当今所有其它最先进的接收器技术。” 这个系统使用一个简单的调制方式，采用标准纠错改正的编码和和具有数字信号恢复的一个相干接收器。如果有需要，该方法还可扩展到更高的数据速率。它还可以在室温下工作，允许其在空间终端上工作，而不是只在地面上工作。

这项研究发表在《Light: Science & Applications》(www.doi.org/10.1038/s41377-020-00389-2).