Receptores Ópticos Avanzados para Comunicaciones Espaciales

Las comunicaciones en el espacio demandan los receptores más sensibles posibles para máximo alcance, mientras también requieren operaciones de alta tasa de bits. Se ha desarrollado un concepto para comunicaciones basadas en haz láser usando un preamplificador óptico casi sin ruido en el receptor. El sistema de transmisión óptica de espacio libre se basa en un amplificador óptico que, en principio, no añade ruido exceso, en contraste con todos los demás amplificadores ópticos preexistentes referidos como amplificadores sensibles a fase (PSA).

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

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

A largas distancias, los haces de luz también experimentan gran pérdida; por ejemplo, un haz láser enviado de 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, significando que solo 1 parte en 100 millones permanecerá. Como la potencia transmisible es limitada, es de importancia crítica tener 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 necesario 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 idler) en un medio no lineal. Estas tres ondas se lanzan juntas al espacio libre. En el punto receptor, después de capturar la luz en una fibra óptica, el PSA amplifica la señal usando una onda de bombeo regenerada. La señal amplificada se detecta luego en un receptor convencional.

El sistema usa un formato de modulación simple codificado con un código de corrección de error estándar y un receptor coherente con procesamiento de señal digital para recuperación de señal. Este método es directamente escalable a tasas de datos mucho más altas si se necesita. También opera a temperatura ambiente, lo que significa que puede implementarse en terminales espaciales y no solo en tierra.