用于空间通信的光接收机具有“前所未有”的灵敏度

瑞典的研究人员设计并演示了迄今为止在自由空间中拾取光信号的最灵敏的接收器。查尔默斯科技大学的Peter Andrekson和他的同事说，他们在接收器中使用了一种新的信号准备方法，并在接收器上进行了几乎无噪音的放大，从而实现了接收器中每比特信息一个光子的“前所未有”灵敏度。他们的技术可能会对未来的太空任务产生重要影响。

随着空间机构寻求既扩大其探索范围，又改善其卫星的数据输出，现有的基于无线电的通信系统正在努力跟上。为了能够在更高的数据速率下运行，并且能够进行更远距离的传输，由于光信号在传播期间的功率损耗较低，现在越来越多地考虑通过无线电波传输光信号。尽管如此，在遥远的太空中损失可能是巨大的。为了利用尽可能少的光子实现更高的传输速率，具有尽可能高灵敏度的接收器是成功的关键。

为了实现这一点，安德森的团队引入了一种新的设置，在这种设置中，数据首先被编码到信号光波上，然后与不同频率的连续泵浦光波相结合。当这些波通过非线性光纤时，它们就会产生第三个“闲置”波。之后，所有三个波都被放大到所需的输出功率，并发射到自由空间。在接收端，耗尽的信号被捕获在光纤中，然后由相敏光放大器放大，相敏光放大器是一种独特的几乎不会给信号添加任何噪声的设备。最后，恢复的信号到达常规接收机，在那里可以恢复原始信息。

目前，即使是最复杂的自由空间光通信系统也只能以低于1 Gb/s的速度运行，并且需要超低温才能运行。相比之下，安德森团队设计的系统在室温下实现了接近每位信息一个光子的接收器灵敏度，使数据传输速率高达10.5 Gb/s，此外，该系统依靠简单的技术进行信号调制、处理和误差计算。这意味着它可以很容易地进行扩展，以适应更高的数据速率。

通过对他们的技术灵敏度进行进一步的理论计算，Andrekson和他的同事得出结论，这是在广泛的数据速率范围内传输的最佳可能方法。如果未来集成到真实空间任务的通信系统中，他们的方法可能会加速从无线电信号到光学信号的过渡，以便进行长距离传输。这可能会改进今后对太阳系遥远部分的飞行任务；卫星之间的数据传输；以及使用激光雷达光学技术监测地球表面。