W eksploracji kosmosu łącza optyczne na duże odległości umożliwiają obecnie przesyłanie obrazów, filmów i danych z sond kosmicznych na Ziemię za pomocą światła.
Aby jednak sygnały te mogły pokonać całą odległość w sposób niezakłócony, niezbędne są nadwrażliwe odbiorniki i pozbawione szumów wzmacniacze. Naukowcy z Politechnika Chalmers w Szwecji opracowali obecnie system składający się z cichego wzmacniacza i ultraczułego odbiornika, otwierający możliwości szybszej i bardziej niezawodnej komunikacji kosmicznej.
Systemy komunikacji kosmicznej w coraz większym stopniu opierają się na optycznych wiązkach laserowych zamiast na tradycyjnych falach radiowych, ponieważ światło traci sygnał na dużych odległościach w mniejszym stopniu. Jednak nawet sygnały świetlne słabną w trakcie podróży, co oznacza, że systemy optyczne potrzebują bardzo czułych odbiorników, aby wykryć te słabe sygnały, zanim dotrą do Ziemi. Naukowcy z Chalmers opracowali innowacyjne podejście do optycznej komunikacji kosmicznej, które może otworzyć nowe możliwości i odkrycia w przestrzeni kosmicznej.
„Możemy zademonstrować nowy system komunikacji optycznej z odbiornikiem, który jest bardziej czuły niż wykazano wcześniej przy dużych szybkościach transmisji danych” – wyjaśnia Peter Andrekson, profesor fotoniki w Chalmers i jeden z głównych autorów badania opublikowanego niedawno w czasopiśmie Optyka. „Oznacza to, że można uzyskać szybszy i bardziej bezbłędny transfer informacji na bardzo duże odległości, na przykład gdy chcesz przesłać zdjęcia lub filmy w wysokiej rozdzielczości z Księżyca lub Mars na Ziemię.”
Wzmacniacz pozbawiony szumów zwiększa klarowność sygnału
System komunikacji badaczy wykorzystuje wzmacniacz optyczny w odbiorniku, który wzmacnia sygnał z możliwie najmniejszym szumem, aby zawarte w nim informacje mogły zostać poddane recyklingowi. Podobnie jak blask latarki, światło nadajnika rozszerza się i słabnie wraz z odległością. Bez wzmocnienia sygnał po locie kosmicznym jest tak słaby, że zostaje zagłuszony przez szum elektroniczny odbiornika. Po dwudziestu latach zmagań z niepokojącym hałasem zakłócającym sygnały zespołowi badawczemu w Chalmers udało się to osiągnąć kilka lat temu, aby zademonstrować pozbawiony szumów wzmacniacz optyczny. Jednak dotychczas cichy wzmacniacz nie miał możliwości praktycznego zastosowania w optycznych łączach komunikacyjnych, gdyż stawiał przed nadajnikiem i odbiornikiem zupełnie nowe, znacznie bardziej złożone wymagania.
Ze względu na ograniczone zasoby i minimalną przestrzeń na pokładzie sondy kosmicznej ważne jest, aby nadajnik był jak najprostszy. Umożliwiając odbiornikowi na Ziemi generowanie dwóch z trzech częstotliwości światła potrzebnych do wzmocnienia pozbawionego szumów, a jednocześnie umożliwiając nadajnikowi generowanie tylko jednej częstotliwości, badacze Chalmers byli w stanie wdrożyć wzmacniacz bezszumowy w układzie optycznym pierwszy system komunikacji. Wyniki wskazują na wyjątkową czułość, przy niewielkiej złożoności nadajnika.
Wzmocnienie wrażliwe na fazę zmniejsza błędy transmisji
„Ten czuły na fazę wzmacniacz optyczny w zasadzie nie generuje żadnego dodatkowego szumu, co przyczynia się do większej czułości odbiornika i zapewnienia bezbłędnej transmisji danych nawet przy niższej mocy sygnału. Generując w odbiorniku dwie dodatkowe fale o różnych częstotliwościach, a nie jak dotychczas w nadajniku, do wdrożenia wzmacniacza można teraz wykorzystać konwencjonalny nadajnik laserowy z jedną falą” – mówi Rasmus Larsson, doktorant w dziedzinie fotoniki w Chalmers i jeden z głównych autorów badania.
„Nasze uproszczenie nadajnika oznacza, że istniejące już nadajniki optyczne na pokładach satelitów i sond można wykorzystać razem z pozbawionym szumów wzmacniaczem w odbiorniku na Ziemi” – wyjaśnia Larsson.
Pokonywanie wąskich gardeł komunikacyjnych w badaniach kosmicznych
Postęp oznacza, że ciche wzmacniacze badaczy będą mogły wreszcie znaleźć zastosowanie w praktyce w połączeniach komunikacyjnych między kosmosem a Ziemią. System może zatem przyczynić się do rozwiązania dobrze znanego obecnie problemu wąskich gardeł wśród agencji kosmicznych.
NASA mówi się o „wąskim gardle w powrotach nauki”, i tutaj prędkość gromadzenia danych naukowych z kosmosu na Ziemię jest czynnikiem stanowiącym przeszkodę w łańcuchu. Wierzymy, że nasz system stanowi ważny krok w kierunku praktycznego rozwiązania, które może rozwiązać to wąskie gardło” – mówi Peter Andrekson.
Kolejnym krokiem badaczy będzie przetestowanie systemu komunikacji optycznej z zaimplementowanym wzmacniaczem podczas badań terenowych na Ziemi, a później także w łączach komunikacyjnych pomiędzy satelitą a Ziemią.
Odniesienie: „Ultraniskoszumowy, wstępnie wzmocniony odbiornik optyczny wykorzystujący konwencjonalną transmisję o pojedynczej długości fali”, Rasmus Larsson, Peter A. Andrekson i Ruwan U. Weerasuriya, 19 listopada 2024 r., Optyka.
DOI: doi:10.1364/OPTICA.539544
Badanie napisali Rasmus Larsson, Ruwan U Weerasuriya i Peter Andrekson. Naukowcy pracują na Politechnice Chalmers i Uniwersytecie Moratuwa na Sri Lance.
Rozwój technologii nastąpił na Politechnice Chalmers, a badania sfinansowała Szwedzka Rada ds. Badań Naukowych.
