Schéma de principe d'une liaison de communication en espace libre avec un récepteur cohérent pré-amplifié PSA. signal S ; pompe P, je paresseux, boucle à verrouillage de phase PLL, Amplificateur sensible à la phase PSA. Crédit :Science de la lumière et applications, doi:10.1038/s41377-020-00389-2
Pendant les communications spatiales, les chercheurs ont besoin d'une connectivité de transfert de données intersatellites dans l'espace élevé pour les missions dans l'espace lointain tout en surveillant la Terre. La technologie est fondamentalement influencée par la puissance de transmission disponible et la taille d'ouverture de la sensibilité du récepteur. Le passage des liaisons radiofréquences aux liaisons optiques est désormais à l'étude en raison de sa capacité à réduire de manière significative la perte de canal causée par la diffraction lors de la communication. Dans une approche largement utilisée, les chercheurs peuvent développer des formats économes en énergie avec des récepteurs de comptage de photons à base de nanofils refroidis à quelques Kelvins pour fonctionner à des vitesses inférieures à 1 gigaoctet par seconde (Gb/s). Afin de réaliser un transfert de données à des débits de données de plusieurs Go/s (comme prévu pour les futures applications spatiales), les systèmes devront s'appuyer sur des récepteurs préamplifiés ainsi que sur des techniques avancées de génération et de traitement de signaux, y compris les communications par fibre.
La sensibilité de tels systèmes peut être déterminée par le facteur de bruit (NF - qui mesure la dégradation du rapport bruit/signal) du préamplificateur. Les amplificateurs optiques sensibles à la phase (PSA) promettent de fournir la meilleure sensibilité possible pour les liaisons en espace libre longue distance. Dans un nouveau rapport maintenant sur Lumière de la nature :science et applications , Ravikiran Kakarla et une équipe de scientifiques en photonique, la microtechnologie et les nanosciences à l'Université de technologie Chalmers en Suède ont développé une nouvelle approche utilisant un récepteur basé sur un amplificateur optique sensible à la phase (PSA) dans une expérience de transmission en espace libre. L'équipe a réalisé un bit-error sans précédent, sensibilité boîte noire d'un photon par bit d'information (PPB) à un débit d'information de 10,5 Gb/s. Alors qu'ils n'ont transmis les signaux que sur un mètre pendant l'étude, ils pensent que les résultats valideront une communication à grande échelle dans l'espace.
Exploration spatiale et capteurs satellitaires
L'exploration spatiale menée par des agences telles que la NASA, ESA et JAXA, et leur sortie de données de capteurs satellitaires imposent des exigences importantes aux systèmes de communication pour fonctionner à des débits de données plus élevés et atteindre plus loin dans l'espace. La sensibilité du récepteur devrait être améliorée en tant qu'étape importante pour améliorer le débit de données avec le moins de photons reçus possible. Une meilleure sensibilité du récepteur permettra une portée plus longue, un débit de données plus élevé et la possibilité d'utiliser des optiques plus compactes. Les approches courantes actuellement en développement pour améliorer la sensibilité souffrent d'une faible efficacité spectrale (SE) et ne peuvent atteindre que des débits de données nets modestes en raison du compromis entre la sensibilité et la bande passante.
Résultats expérimentaux avec des données QPSK 10,52-Gbaud, montrant le BER en fonction de la puissance reçue (également exprimée en photons par symbole) avant et après le décodage FEC pour :EDFA pré-FEC (la ligne brune avec des cercles vides comme points mesurés); EDFA post-FEC (les marqueurs en diamant solide brun); PSA pré-FEC (la ligne rouge avec des cercles ouverts comme points mesurés); PSA post-FEC (les marqueurs losanges rouges). Crédit :Science de la lumière et applications, doi:10.1038/s41377-020-00389-2
Par exemple, les scientifiques considèrent largement la modulation de position d'impulsion (PPM) pendant les communications spatiales car elle peut atteindre une excellente sensibilité à de faibles rapports signal sur bruit (SNR), cependant, la méthode peut conduire à une efficacité spectrale inefficace. Par conséquent, ils peuvent utiliser des récepteurs de comptage de photons pour recevoir des symboles de modulation de position d'impulsion et établir des sensibilités de quelques photons par bit. Cependant, les récepteurs supraconducteurs à base de nanofils résultants doivent être refroidis à 2 à 4 Kelvin pour fonctionner efficacement. Les futurs systèmes de communication spatiale devront donc dépasser les vitesses de fonctionnement actuelles, qui nécessitent des améliorations majeures au-delà de la technologie de réception existante en ce qui concerne le débit de données et la sensibilité. Dans ce travail, Kakarla et al. développé sur les travaux précédents en incluant une analyse théorique pour atteindre les sensibilités avec les PSA (amplificateurs optiques sensibles à la phase). Les travaux mettent en évidence les avantages du remplacement des technologies radiofréquences actuelles par des systèmes optiques plus efficaces pour répondre aux futures demandes de communication spatiale avec des débits de données plus élevés pour communiquer sur de plus grandes distances.
Sensibilité (photon par bit d'information, PPB) par rapport à l'efficacité spectrale (bits/s/Hz) avec différentes implémentations. Les courbes théoriques sont indiquées par des lignes, tandis que les données expérimentales sont indiquées par des symboles. les limites de capacité de Gordon pour une transmission fiable des informations, y compris les effets quantiques (noir), la zone grise ombrée est donc fondamentalement inaccessible; capacité du détecteur homodyne cohérent DQ avec préamplificateur PSA (rouge), PSA sans perte d'efficacité spectrale due au ralenti (en pointillé rouge) et au préamplificateur EDFA (marron) ; enveloppe de toutes les capacités PPM (vert) et capacité 64-PPM (gris). Enregistrements expérimentaux de sensibilité des récepteurs de comptage de photons (mesurés en PPB incident, c'est à dire., la sensibilité de la boîte noire) avec la technologie PPM à des débits nets> 100 Mb/s (marqueurs verts) ; enregistrer les sensibilités des formats de modulation avancés avec des récepteurs cohérents préamplifiés à des débits de données nets> 100 Mb/s (marqueurs bruns), détecteur simple quadrature (marqueur rouge); le résultat PSA présenté ici est indiqué par une étoile rouge (rouge rempli et non rempli), et le résultat EDFA est représenté par une étoile brune. Crédit :Science de la lumière et applications, doi:10.1038/s41377-020-00389-2
Montage expérimental
Les scientifiques ont utilisé une liaison de transmission optique en espace libre avec un récepteur pré-amplifié. Depuis l'évolution de la recherche en communication spatiale a adopté la technologie du domaine de la communication par fibre optique, y compris des techniques de correction d'erreur directe avancée (FEC), les scientifiques ont utilisé un flux de données binaires codées FEC au niveau de l'émetteur. Ils ont modulé les données sur le signal avec une modulation par déplacement de phase en quadrature (QPSK) pour un débit d'informations net résultant de 10,52 Gb/s. L'équipe a combiné le signal avec une pompe à ondes continues pour générer une onde libre conjuguée contenant les mêmes informations que le signal en utilisant un mélange à quatre ondes (FWM) dans une fibre optique non linéaire.
L'équipe a amplifié le signal, les ondes de ralenti et de pompage à la puissance de sortie souhaitée et les ont lancées dans le canal en espace libre. Ils ont utilisé le lien en espace libre pour confirmer qu'aucune pénalité supplémentaire n'est survenue lors du lancement de vagues dans l'espace libre. La puissance de la pompe utilisée dans l'étude était significativement inférieure à la puissance combinée du signal et du ralenti, résultant en une pénalité de budget de puissance presque négligeable.
Montage expérimental détaillé du système de communication en espace libre avec un récepteur PSA pré-amplifié. Amplificateur à fibre dopée erbium EDFA, Fibre hautement non linéaire HNLF, Verrouillage par injection optique HUILE, façonneur d'onde WS, Atténuateur variable VOA, Coupleur multiplexeur à division de longueur d'onde WDM, Code standard 2 de diffusion vidéo numérique DVBS2, Amplificateur sensible à la phase PSA; les chemins électriques sont indiqués par des lignes rouges; les chemins optiques sont indiqués par des lignes noires. Crédit :Science de la lumière et applications, doi:10.1038/s41377-020-00389-2
Récupérer une haute puissance stable
L'équipe a séparé les ondes de pompage au niveau du récepteur du signal et des ondes libres à l'aide d'un multiplexeur par répartition en longueur d'onde, qu'ils ont ensuite récupérés en utilisant le verrouillage par injection optique - une technique de synchronisation optique et de phase. Après amplification sensible à la phase de l'onde récupérée, ils ont filtré et détecté le signal à l'aide d'un récepteur cohérent standard et d'un oscilloscope en temps réel pour le traitement numérique du signal. Les scientifiques ont mesuré un taux d'erreur sur les bits du signal reçu pour comprendre les performances du récepteur pré-amplifié basé sur le PSA (amplificateur optique sensible à la phase). Ils ont comparé les résultats avec un amplificateur à fibre dopée à l'erbium (EDFA) et le PSA a obtenu de meilleurs résultats que le récepteur à base d'EDFA. En utilisant le système expérimental, Kakarla et al. a montré comment une transmission sans erreur pouvait être obtenue avec une puissance reçue de 1 photon par bit d'information (PPB) pour fournir la meilleure sensibilité de récepteur de boîte noire signalée à ce jour.
Montage expérimental de verrouillage par injection optique avec la PLL. photodétecteur PD, Différenciateur intégrateur proportionnel PID, Filtre passe-bande BPF, filtre passe-bas LPF, Amplificateur à fibre dopée à l'erbium EDFA; les lignes rouges indiquent les chemins électriques, et les lignes noires indiquent les chemins optiques. Crédit :Science de la lumière et applications, doi:10.1038/s41377-020-00389-2 
La méthode décrite est compatible avec des méthodes supplémentaires qui utilisent une plate-forme non linéaire différente pour obtenir une sensibilité améliorée. L'approche PSA représentait un compromis entre l'efficacité spectrale et la sensibilité pour les récepteurs utilisés dans les communications en espace libre, aux côtés des enregistrements de sensibilité expérimentale de l'utilisation de ces techniques. Alors que la démonstration portait sur les applications dans les liaisons spatiales lointaines, ils peuvent également être utilisés dans des liaisons atmosphériques pour améliorer la sensibilité. De telles investigations devront prendre en compte l'effet de la turbulence atmosphérique sur le récepteur pré-amplifié PSA.
De cette façon, Ravikiran Kakarla et ses collègues ont présenté une sensibilité de boîte noire record d'un photon par bit d'information à 10,5 Gb/s en utilisant un format simple à efficacité spectrale. Ils ont permis à la méthode utilisant une approche d'amplificateur optique sensible à la phase (PSA) et un mécanisme de verrouillage d'injection de puissance ultra-faible d'atteindre la sensibilité observée en présence d'un nouveau système sans bruit, préamplificateur sensible à la phase. Les résultats prévoient d'augmenter le taux de transmission de l'information, tout en réduisant la taille des optiques impliquées. Ces résultats peuvent contribuer de manière significative aux communications spatiales et aux applications de détection et de télémétrie par la lumière (LIDAR) pour surveiller la Terre.
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