Récepteurs optiques sensibles pour l'espace

Les communications dans l'espace exigent les récepteurs les plus sensibles possibles pour une portée maximale, tout en nécessitant des opérations à haut débit. Un concept de communication par faisceau laser utilisant un préamplificateur optique presque silencieux dans le récepteur a été développé. Le système de transmission optique en espace libre repose sur un amplificateur optique qui, en principe, n'ajoute pas de bruit excessif, contrairement à tous les autres amplificateurs optiques préexistants appelés amplificateurs sensibles à la phase (PSA).

Le concept démontre une sensibilité du récepteur d'un seul photon par bit d'information à un débit de données de 10 gigabits par seconde. L'approche pourrait étendre la portée et le débit de données dans les liaisons de communication spatiale longue distance et pourrait éliminer le goulot d'étranglement de retour de données qui existe dans les missions dans l'espace lointain.

L'augmentation substantielle de la portée et du débit d'information pour les futures liaisons à haut débit aura de grandes implications pour la communication inter-satellites et la surveillance de la Terre avec détection et télémétrie de la lumière (LiDAR). Les systèmes pour de telles connexions de données à haut débit utilisent de plus en plus des faisceaux laser optiques plutôt que des faisceaux radiofréquence. L'une des principales raisons en est que la perte de puissance lors de la propagation du faisceau est considérablement plus faible aux longueurs d'onde lumineuses, car la divergence du faisceau est réduite.

Sur de longues distances, les faisceaux lumineux subissent également une perte importante; par exemple, un faisceau laser envoyé de la Terre vers la Lune - environ 400 000 kilomètres - avec une ouverture de 10 cm subira une perte de puissance d'environ 80 dB, ce qui signifie qu'il ne restera qu'une partie sur 100 millions. La puissance transmissible étant limitée, il est primordial de disposer de récepteurs capables de récupérer les informations émises avec une puissance reçue aussi faible que possible. Cette sensibilité est quantifiée comme le nombre minimum de photons par bit d'information nécessaire pour récupérer les données sans erreur.

Dans la nouvelle approche, les informations sont codées sur une onde de signal qui, avec une onde de pompage à différentes fréquences, génère une onde conjuguée (appelée oisif) dans un milieu non linéaire. Ces trois ondes sont lancées ensemble dans l'espace libre. Au point de réception, après avoir capté la lumière dans une fibre optique, le PSA amplifie le signal à l'aide d'une onde de pompe régénérée. Le signal amplifié est ensuite détecté dans un récepteur conventionnel.

Le système utilise un format de modulation simple codé avec un code de correction d'erreur standard et un récepteur cohérent avec traitement numérique du signal pour la récupération du signal. Cette méthode est directement évolutive à des débits de données beaucoup plus élevés si nécessaire. Il fonctionne également à température ambiante, ce qui signifie qu'il peut être mis en œuvre dans des terminaux spatiaux et pas seulement au sol.