Receptores ópticos sensibles para el espacio

Las comunicaciones en el espacio exigen los receptores más sensibles posibles para un alcance máximo, al mismo tiempo que requieren operaciones de alta tasa de bits. Se ha desarrollado un concepto para comunicaciones basadas en rayos láser utilizando un preamplificador óptico casi silencioso en el receptor. El sistema de transmisión óptica de espacio libre se basa en un amplificador óptico que, en principio, no agrega ningún exceso de ruido, a diferencia de todos los demás amplificadores ópticos preexistentes denominados amplificadores sensibles a la fase (PSA).

El concepto demuestra una sensibilidad del receptor de solo un fotón por bit de información a una velocidad de datos de 10 gigabits por segundo. El enfoque podría ampliar el alcance y la tasa de datos en los enlaces de comunicación espacial de larga distancia y podría eliminar el cuello de botella de retorno de datos que existe en las misiones en el espacio profundo.

Aumentar sustancialmente el alcance y la tasa de información para futuros enlaces de alta velocidad tendrá grandes implicaciones para la comunicación entre satélites y el monitoreo de la Tierra con detección de luz y alcance (LiDAR). Los sistemas para tales conexiones de datos de alta velocidad utilizan cada vez más rayos láser ópticos en lugar de rayos de radiofrecuencia. Una razón clave de esto es que la pérdida de potencia a medida que el haz se propaga es sustancialmente menor en las longitudes de onda de la luz, ya que se reduce la divergencia del haz.

En largas distancias, los haces de luz también experimentan grandes pérdidas; por ejemplo, un rayo láser enviado desde la Tierra a la Luna (alrededor de 400 000 kilómetros) con un tamaño de apertura de 10 cm experimentará una pérdida de potencia de alrededor de 80 dB, lo que significa que solo quedará 1 parte en 100 millones. Como la potencia transmisible es limitada, es de vital importancia contar con receptores que puedan recuperar la información enviada con la menor potencia recibida posible. Esta sensibilidad se cuantifica como el número mínimo de fotones por bit de información necesarios para recuperar los datos sin error.

En el nuevo enfoque, la información se codifica en una onda de señal que, junto con una onda de bombeo a diferente frecuencia, genera una onda conjugada (conocida como inactiva) en un medio no lineal. Estas tres ondas se lanzan juntas al espacio libre. En el punto de recepción, luego de capturar la luz en una fibra óptica, el PSA amplifica la señal utilizando una onda de bombeo regenerada. A continuación, la señal amplificada se detecta en un receptor convencional.

El sistema utiliza un formato de modulación simple codificado con un código de corrección de errores estándar y un receptor coherente con procesamiento de señal digital para la recuperación de la señal. Este método es fácilmente escalable a tasas de datos mucho más altas si es necesario. También opera a temperatura ambiente, por lo que puede implementarse en terminales espaciales y no solo en tierra.