우주용 고감도 광수신기

우주에서의 통신은 최대 도달 범위를 위해 가능한 가장 민감한 수신기를 요구하는 동시에 높은 비트 전송률 작동을 요구합니다. 수신기에서 잡음이 거의 없는 광 전치 증폭기를 사용하는 레이저 빔 기반 통신에 대한 개념이 개발되었습니다. 자유 공간 광 전송 시스템은 PSA(위상 감지 증폭기)라고 하는 기존의 다른 모든 광 증폭기와 달리 원칙적으로 과도한 잡음을 추가하지 않는 광 증폭기에 의존합니다.

이 개념은 초당 10기가비트의 데이터 속도로 정보 비트당 단 하나의 광자의 수신기 감도를 보여줍니다. 이 접근 방식은 장거리 우주 통신 링크에서 도달 범위와 데이터 속도를 확장하고 심우주 임무에서 존재하는 데이터 반환 병목 현상을 제거할 수 있습니다.

미래의 고속 링크에 대한 도달 범위와 정보 속도를 크게 증가시키는 것은 위성 간 통신 및 LiDAR(Light Detection and Ranging)을 통한 지구 모니터링에 큰 영향을 미칠 것입니다. 이러한 고속 데이터 연결을 위한 시스템은 무선 주파수 빔보다 광학 레이저 ​​빔을 점점 더 많이 사용하고 있습니다. 이에 대한 주요 이유는 빔 발산이 감소하기 때문에 빔이 전파됨에 따른 전력 손실이 광 파장에서 훨씬 더 적기 때문입니다.

장거리에서 광선도 큰 손실을 경험합니다. 예를 들어, 지구에서 달까지 약 400,000km를 10cm 구경으로 보낸 레이저 빔은 약 80dB의 전력 손실을 겪습니다. 즉, 1억 분의 1만 남게 됩니다. 전송 가능한 전력이 제한되어 있으므로 가능한 한 낮은 전력으로 전송된 정보를 복구할 수 있는 수신기를 갖는 것이 중요합니다. 이 감도는 데이터를 오류 없이 복구하는 데 필요한 정보 비트당 최소 광자 수로 정량화됩니다.

새로운 접근 방식에서 정보는 신호파로 인코딩되며, 다른 주파수의 펌프파와 함께 비선형 매체에서 공액파(아이들러라고 함)를 생성합니다. 이 세 개의 파동이 함께 자유 공간으로 발사됩니다. 수신 지점에서 광섬유에서 빛을 포착한 후 PSA는 재생된 펌프 파동을 사용하여 신호를 증폭합니다. 증폭된 신호는 기존 수신기에서 감지됩니다.

이 시스템은 표준 오류 수정 코드로 인코딩된 간단한 변조 형식과 신호 복구를 위한 디지털 신호 처리 기능이 있는 코히어런트 수신기를 사용합니다. 이 방법은 필요한 경우 훨씬 더 높은 데이터 속도로 간단하게 확장할 수 있습니다. 또한 상온에서 작동하므로 지상뿐만 아니라 우주 터미널에서도 구현할 수 있습니다.