Receptores Ópticos Avançados para Comunicações Espaciais

Comunicações no espaço exigem os receptores mais sensíveis possíveis para alcance máximo, enquanto também requerem operações de alta taxa de bits. Um conceito para comunicações baseadas em feixe laser usando um pré-amplificador óptico quase sem ruído no receptor foi desenvolvido. O sistema de transmissão óptica de espaço livre conta com um amplificador óptico que, em princípio, não adiciona ruído excessivo, em contraste com todos os outros amplificadores ópticos pré-existentes referidos como amplificadores sensíveis à fase (PSAs).

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

Aumentar substancialmente o alcance e a taxa de informação para futuros links de alta velocidade terá grandes implicações para comunicação inter-satélite e monitoramento da Terra com detecção e alcance de luz (LiDAR). Sistemas para tais conexões de dados de alta velocidade estão cada vez mais usando feixes laser ópticos em vez de feixes de radiofrequência. Uma razão chave para isso é que a perda de potência à medida que o feixe se propaga é substancialmente menor em comprimentos de onda de luz, já que a divergência do feixe é reduzida.

Em longas distâncias, feixes de luz também experimentam grande perda; por exemplo, um feixe laser enviado da Terra para a Lua — cerca de 400.000 quilômetros — com tamanho de abertura de 10 cm experimentará uma perda de potência de cerca de 80 dB, significando que apenas 1 parte em 100 milhões permanecerá. Como a potência transmissível é limitada, é de importância crítica ter receptores que possam recuperar a informação enviada com a menor potência recebida possível. Esta sensibilidade é quantificada como o número mínimo de fótons por bit de informação necessário para recuperar os dados sem erro.

Na nova abordagem, a informação é codificada em uma onda de sinal, que junto com uma onda de bomba em frequência diferente, gera uma onda conjugada (conhecida como idler) em um meio não linear. Estas 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 usa um formato de modulação simples codificado com um código de correção de erro padrão e um receptor coerente com processamento de sinal digital para recuperação de sinal. Este método é diretamente escalável para taxas de dados muito mais altas se necessário. Também opera em temperatura ambiente, significando que pode ser implementado em terminais espaciais e não apenas no solo.