• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Rymdkommunikation:utveckla en en foton-per-bit-mottagare med nästan brusfri faskänslig förstärkning

    Konceptuellt diagram över en kommunikationslänk med ledigt utrymme med en PSA förförstärkt koherent mottagare. S-signal; P pump, jag ledig, PLL faslåst slinga, PSA faskänslig förstärkare. Kredit:Light Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00389-2

    Under rymdkommunikation kräver forskare hög rymd intersatellit dataöverföring anslutning för djupa rymduppdrag medan de övervakar jorden. Tekniken påverkas i grunden av tillgänglig sändningseffekt och bländarstorleken på mottagarens känslighet. Övergången från radiofrekvenslänkar till optiska länkar är nu under övervägande på grund av dess förmåga att avsevärt minska kanalförlusten orsakad av diffraktion under kommunikation. I ett allmänt använt tillvägagångssätt, forskare kan utveckla energieffektiva format tillsammans med nanotrådsbaserade fotonräkningsmottagare kylda till några Kelvins för att fungera i hastigheter under 1-Gigabyte per sekund (Gb/s). För att uppnå dataöverföring med datahastigheter på flera GB/s (som förväntat för framtida rymdtillämpningar) kommer systemen att behöva förlita sig på förförstärkta mottagare tillsammans med avancerad signalgenerering och bearbetningsteknik, inklusive fiberkommunikation.

    Känsligheten hos sådana system kan bestämmas av brussiffran (NF—som mäter försämringen av brus-till-signalförhållandet) hos förförstärkaren. Faskänsliga optiska förstärkare (PSA) lovar att ge bästa möjliga känslighet för långväga lediga utrymmeslänkar. I en ny rapport nu på Nature Light:Science &Applications , Ravikiran Kakarla och ett team av forskare inom fotonik, mikroteknik och nanovetenskap vid Chalmers tekniska högskola i Sverige utvecklade ett nytt tillvägagångssätt med hjälp av en faskänslig optisk förstärkare (PSA)-baserad mottagare i ett sändningsexperiment med fritt utrymme. Teamet uppnådde en aldrig tidigare skådad bitfelsfri, blackbox-känslighet på en foton per informationsbit (PPB) vid en informationshastighet på 10,5 Gb/s. Medan de bara överförde signalerna över en meter under studien, de tror att resultaten kommer att validera uppskalad kommunikation över rymden.

    Utforskning av rymd och satellitburna sensorer

    Utforskning av rymden utförd av byråer som NASA, ESA och JAXA, och deras datautmatning från satellitburna sensorer ställer betydande krav på kommunikationssystem att arbeta med högre datahastigheter och nå längre ut i rymden. Mottagarens känslighet bör förbättras som ett viktigt steg för att förbättra datagenomströmningen med så få fotoner som tas emot som möjligt. En bättre mottagarkänslighet ger längre räckvidd, högre datagenomströmning och potential att använda mer kompakt optik. Vanliga tillvägagångssätt som för närvarande utvecklas för att förbättra känsligheten lider av en låg spektral effektivitet (SE) och kan endast uppnå blygsamma nettodatahastigheter på grund av avvägningen mellan känslighet och bandbredd.

    Experimentella resultat med 10,52-Gbaud QPSK-data, visar BER mot mottagen effekt (även uttryckt i fotoner per symbol) före och efter FEC-avkodning för:EDFA pre-FEC (den bruna linjen med öppna cirklar som de uppmätta punkterna); EDFA post-FEC (de bruna solida diamantmarkörerna); PSA pre-FEC (den röda linjen med öppna cirklar som de uppmätta punkterna); PSA post-FEC (de röda diamantmarkörerna). Kredit:Light Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00389-2

    Till exempel, forskare överväger i stor utsträckning pulspositionsmodulering (PPM) under rymdkommunikation eftersom den kan nå en utmärkt känslighet vid låga signal-brus-förhållanden (SNR), dock, metoden kan resultera i en ineffektiv spektral verkningsgrad. Som ett resultat, de kan använda fotonräkningsmottagare för att ta emot pulspositionsmodulationssymboler och fastställa känsligheter på några få fotoner per bit. Dock, de resulterande supraledande nanotrådsbaserade mottagarna måste kylas till 2-4 Kelvin för att fungera effektivt. Framtida rymdkommunikationssystem kommer därför att behöva överstiga nuvarande funktionshastigheter, som kräver stora förbättringar utöver den befintliga mottagarteknologin i förhållande till datahastighet och känslighet. I det här arbetet, Kakarla et al. utökat tidigare arbete genom att inkludera en teoretisk analys för att uppnå känslighet med PSA (faskänsliga optiska förstärkare). Arbetet belyser fördelarna med att ersätta nuvarande radiofrekvensteknik med de mer effektiva optiska systemen för att möta framtida krav på rymdkommunikation med högre datahastigheter för att kommunicera över större avstånd.

    Känslighet (foton per informationsbit, PPB) kontra spektral effektivitet (bitar/s/Hz) med olika implementeringar. Teoretiska kurvor indikeras med linjer, medan experimentdata indikeras med symboler. Gordons kapacitetsgränser för tillförlitlig överföring av information inklusive kvanteffekter (svart), det skuggade grå området är alltså i grunden otillgängligt; kapacitet hos DQ-koherent homodyndetektor med PSA-förförstärkare (röd), PSA utan förlust i spektral effektivitet på grund av tomgången (streckad röd) och EDFA-förförstärkaren (brun); envelope av alla PPM-kapaciteter (grön) och 64-PPM-kapacitet (grå). Experimentella känslighetsregistreringar av fotonräkningsmottagare (mätt i incident PPB, dvs. den svarta lådans känslighet) med PPM-teknik vid nettodatahastigheter>100 Mb/s (gröna markörer); registrera känslighet för avancerade moduleringsformat med förförstärkta koherenta mottagare vid nettodatahastigheter>100 Mb/s (bruna markörer), enkelkvadraturdetektor (röd markör); PSA-resultatet som presenteras här betecknas med en röd stjärna (röd fylld och ofylld), och EDFA-resultatet representeras av en brun stjärna. Kredit:Light Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00389-2

    Experimentuppställning

    Forskarna använde en optisk överföringslänk med fritt utrymme med en förförstärkt mottagare. Sedan utvecklingen av rymdkommunikationsforskningen har antagit teknik från kommunikationsområdet för optisk fiber, inklusive tekniker för avancerad framåtfelkorrigering (FEC), forskarna använde en FEC-kodad binär dataström vid sändaren. De modulerade data till signalen med kvadratur-fasskiftningsnyckel (QPSK) för en resulterande nettoinformationshastighet på 10,52 Gb/s. Teamet kombinerade signalen med en kontinuerlig vågpump för att generera en konjugerad tomgångsvåg som innehåller samma information som signalen med fyrvågsblandning (FWM) i en olinjär optisk fiber.

    Teamet förstärkte signalen, tomgångs- och pumpvågor till den önskade uteffekten och skickade dem in i den lediga kanalen. De använde fritt utrymme länken för att bekräfta att ingen ytterligare straff inträffade under lanseringen av vågor i fritt utrymme. Pumpeffekten som användes i studien var signifikant lägre än den kombinerade signal- och tomgångseffekten, vilket resulterar i en nästan försumbar effektbudgetstraff.

    Detaljerad experimentell uppsättning av kommunikationssystemet för fritt utrymme med en PSA förförstärkt mottagare. EDFA erbiumdopad fiberförstärkare, HNLF mycket olinjär fiber, OIL optisk insprutningslåsning, WS vågformare, VOA variabel dämpare, WDM våglängdsdelning multiplexerkopplare, DVBS2 digital videosändning standard 2 kod, PSA faskänslig förstärkare; de elektriska vägarna indikeras med röda linjer; de optiska banorna indikeras med svarta linjer. Kredit:Light Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00389-2

    Återställa en stabil hög effekt

    Teamet separerade pumpvågorna vid mottagaren från signal- och tomgångsvågorna med hjälp av en våglängdsmultiplexer, som de sedan återhämtade med hjälp av optisk injektionslåsning – en optisk och fassynkroniseringsteknik. Efter faskänslig förstärkning av den återvunna vågen, de filtrerade och detekterade signalen med hjälp av en standardkoherent mottagare och ett realtidsoscilloskop för digital signalbehandling. Forskarna mätte en bitfelsfrekvens för den mottagna signalen för att förstå prestandan hos den PSA (faskänsliga optiska förstärkaren) baserade förförstärkta mottagaren. De jämförde resultaten med en erbiumdopad fiberförstärkare (EDFA) och PSA presterade bättre än den EDFA-baserade mottagaren. Med hjälp av det experimentella systemet, Kakarla et al. visade hur felfri överföring kunde uppnås med en mottagen effekt på 1-foton per informationsbit (PPB) för att ge den bästa svarta lådans mottagarkänslighet som rapporterats hittills.

    Experimentell uppställning av optisk injektionslåsning med PLL. PD fotodetektor, PID proportionell integrator differentiator, BPF bandpassfilter, LPF lågpassfilter, EDFA erbiumdopad fiberförstärkare; de röda linjerna indikerar de elektriska banorna, och de svarta linjerna indikerar de optiska vägarna. Kredit:Light Science &Applications, doi:10.1038/s41377-020-00389-2

    Studiens resultat för rymdkommunikation

    Den beskrivna metoden är kompatibel med ytterligare metoder som använder en annan olinjär plattform för att erhålla förbättrad känslighet. PSA-metoden representerade en avvägning mellan spektral effektivitet och känslighet för mottagare som används i fritt rymdkommunikation, tillsammans med experimentella känslighetsregistreringar för användning av dessa tekniker. Medan demonstrationen fokuserade på applikationer i djuprymdlänkar, de kan också användas i atmosfäriska länkar för att förbättra känsligheten. Sådana undersökningar kommer att behöva överväga effekten av atmosfärisk turbulens på den förförstärkta PSA-mottagaren.

    På det här sättet, Ravikiran Kakarla och kollegor presenterade en rekordsvart låda-känslighet på en foton per informationsbit vid 10,5 Gb/s med ett enkelt spektralt effektivt format. De gjorde det möjligt för metoden att använda en faskänslig optisk förstärkare (PSA) tillvägagångssätt och en låsmekanism för ultralåg effektinsprutning för att uppnå den observerade känsligheten i närvaro av en ny brusfri, faskänslig förförstärkare. Resultaten förväntas öka hastigheten för informationsöverföring, samtidigt som storleken på den inblandade optiken minskas. Dessa resultat kan avsevärt bidra till rymdkommunikation och i ljusdetektion och avståndssökning (LIDAR) för att övervaka jorden.

    © 2020 Science X Network




    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com