Récepteurs optiques avancés pour communications spatiales

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

Le concept démontre une sensibilité de 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 à longue distance et pourrait éliminer le goulot d'étranglement du retour de données qui existe dans les missions dans l'espace profond.

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 la détection et la télémétrie par 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. Une raison clé est que la perte de puissance lors de la propagation du faisceau est substantiellement plus faible aux longueurs d'onde lumineuses, car la divergence du faisceau est réduite.

Sur de longues distances, les faisceaux lumineux subissent également de grandes pertes ; par exemple, un faisceau laser envoyé de la Terre vers la Lune — environ 400 000 kilomètres — avec une taille d'ouverture de 10 cm subira une perte de puissance d'environ 80 dB, ce qui signifie qu'une seule partie sur 100 millions restera. Comme la puissance transmissible est limitée, il est d'une importance critique d'avoir des récepteurs capables de récupérer l'information envoyée 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, l'information est encodée sur une onde de signal, qui, avec une onde de pompe à une fréquence différente, génère une onde conjuguée (connue sous le nom d'idler) dans un milieu non linéaire. Ces trois ondes sont lancées ensemble dans l'espace libre. Au point de réception, après avoir capturé la lumière dans une fibre optique, le PSA amplifie le signal en utilisant une onde de pompe régénérée. Le signal amplifié est ensuite détecté dans un récepteur conventionnel.

Le système utilise un format de modulation simple encodé 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 vers des débits de données beaucoup plus élevés si nécessaire. Elle fonctionne également à température ambiante, ce qui signifie qu'elle peut être mise en œuvre dans des terminaux spatiaux et pas seulement au sol.