우주 통신을 위한 고성능 광학 수신기

우주 통신은 최대 도달 거리를 위해 가능한 가장 민감한 수신기를 요구하면서도 고비트레이트 동작도 필요합니다. 수신기에 거의 잡음이 없는 광학 증폭기를 사용하는 레이저 빔 기반 통신 개념이 개발되었습니다. 자유 공간 광 전송 시스템은 원칙적으로 과잉 잡음을 추가하지 않는 광학 증폭기에 의존하며, 이는 위상 민감 증폭기(PSA)라고 불리는 다른 모든 기존 광학 증폭기와 대조됩니다.

이 개념은 10Gbps 데이터 속도에서 정보 비트당 단 1개의 광자라는 수신기 감도를 시연합니다. 이 접근법은 장거리 우주 통신 링크의 도달 거리와 데이터 속도를 확장할 수 있으며 심우주 임무에 존재하는 데이터 반환 병목 현상을 해소할 수 있습니다.

미래 고속 링크의 도달 거리와 정보 속도를 실질적으로 늘리는 것은 위성 간 통신과 광 탐지 및 거리 측정(LiDAR)을 이용한 지구 모니터링에 큰 영향을 미칠 것입니다. 그러한 고속 데이터 연결 시스템은 무선 주파수 빔 대신 광학 레이저 빔을 점점 더 많이 사용하고 있습니다. 주된 이유는 빛 파장에서 빔 발산이 줄어들어 빔이 전파됨에 따른 전력 손실이 현저히 작기 때문입니다.

장거리에서 빛 빔도 큰 손실을 경험합니다. 예를 들어, 지구에서 달까지(약 400,000km) 10cm 구경 크기로 레이저 빔을 보낼 때 약 80dB의 전력 손실이 발생하여 1억 분의 1만 남습니다. 전송 가능한 전력이 제한되어 있으므로 가능한 한 낮은 수신 전력으로 전송된 정보를 복구할 수 있는 수신기가 매우 중요합니다. 이 감도는 오류 없이 데이터를 복구하는 데 필요한 정보 비트당 최소 광자 수로 정량화됩니다.

새로운 접근법에서 정보는 신호파에 인코딩되며, 다른 주파수의 펌프파와 함께 비선형 매체에서 공액파(아이들러라고 알려짐)를 생성합니다. 이 세 파동은 함께 자유 공간으로 발사됩니다. 수신 지점에서 광섬유로 빛을 포착한 후, PSA가 재생된 펌프파를 사용하여 신호를 증폭합니다. 증폭된 신호는 기존 수신기에서 검출됩니다.

시스템은 표준 오류 정정 부호로 인코딩된 간단한 변조 형식과 신호 복구를 위한 디지털 신호 처리가 있는 코히어런트 수신기를 사용합니다. 이 방법은 필요시 훨씬 더 높은 데이터 속도로 간단하게 확장 가능합니다. 또한 실온에서 작동하므로 지상뿐만 아니라 우주 단말기에도 구현할 수 있습니다.