Receptores ópticos sensíveis para espaço

As comunicações no espaço exigem os receptores mais sensíveis possíveis para alcance máximo, ao mesmo tempo em que exigem operações de alta taxa de bits. Foi desenvolvido um conceito para comunicações baseadas em feixe de laser usando um pré-amplificador óptico quase sem ruído no receptor. O sistema de transmissão óptica em espaço livre conta com um amplificador óptico que, em princípio, não adiciona nenhum ruído em excesso, ao contrário de todos os outros amplificadores ópticos pré-existentes denominados amplificadores sensíveis à fase (PSAs).

O conceito demonstra uma sensibilidade do receptor de apenas um fóton por bit de informação a uma taxa de dados de 10 gigabits por segundo. A abordagem pode estender o alcance e a taxa de dados em links de comunicação espacial de longa distância e pode eliminar o gargalo de retorno de dados que existe em missões espaciais.

Aumentar substancialmente o alcance e a taxa de informação para futuros links de alta velocidade terá grandes implicações para comunicação entre satélites e monitoramento da Terra com detecção e alcance de luz (LiDAR). Os sistemas para essas conexões de dados de alta velocidade estão usando cada vez mais feixes ópticos de laser em vez de feixes de radiofrequência. Uma das principais razões para isso é que a perda de potência à medida que o feixe se propaga é substancialmente menor nos comprimentos de onda da luz, uma vez que a divergência do feixe é reduzida.

Em longas distâncias, os feixes de luz também sofrem grandes perdas; por exemplo, um feixe de laser enviado da Terra para a Lua - cerca de 400.000 quilômetros - com um tamanho de abertura de 10 cm sofrerá uma perda de potência de cerca de 80 dB, o que significa que apenas 1 parte em 100 milhões permanecerá. Como a potência transmissível é limitada, é de importância crítica ter receptores que possam recuperar as informações enviadas com a menor potência recebida possível. Essa sensibilidade é quantificada como o número mínimo de fótons por bit de informação necessário para recuperar os dados sem erros.

Na nova abordagem, a informação é codificada em uma onda de sinal, que junto com uma onda de bombeamento em frequência diferente, gera uma onda conjugada (conhecida como intermediária) em um meio não linear. Essas três ondas são lançadas juntas no espaço livre. No ponto de recepção, após capturar a luz em uma fibra óptica, o PSA amplifica o sinal usando uma onda de bomba regenerada. O sinal amplificado é então detectado em um receptor convencional.

O sistema utiliza um formato de modulação simples codificado com um código padrão de correção de erros e um receptor coerente com processamento de sinal digital para recuperação de sinal. Esse método é diretamente escalável para taxas de dados muito mais altas, se necessário. Também opera à temperatura ambiente, o que significa que pode ser implementado em terminais espaciais e não apenas no solo.