作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 带有变压吸附预放大相干接收器的自由空间通信链路的概念图
s信号；电荷泵、输入惰轮、锁相环、变压吸附相敏放大器
学分:光科学与技术；应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00389-2 在空间通信期间，研究人员在监测地球的同时，需要深空任务的高空间卫星间数据传输连接
该技术从根本上受到可用发射功率和接收机灵敏度孔径大小的影响
从射频链路到光链路的过渡目前正在考虑之中，因为它能够显著降低通信过程中由衍射引起的信道损耗
在一种广泛使用的方法中，研究人员可以开发高能效的格式以及基于纳米线的光子计数接收器，这些接收器可以冷却到几千兆赫，以低于每秒1千兆字节的速度工作
为了以每秒数千兆字节的数据速率实现数据传输(如未来空间应用所预期的那样)，这些系统将不得不依靠预放大接收器以及先进的信号生成和处理技术，包括光纤通信
这种系统的灵敏度可以由前置放大器的噪声系数(衡量信噪比下降的指标)决定
相敏光放大器有望为长距离自由空间链路提供最佳灵敏度
在《自然之光:科学与应用》的一份新报告中，瑞典查尔莫斯理工大学的拉维基兰·卡卡拉和一组光子学、微技术和纳米科学的科学家开发了一种新方法，在自由空间传输实验中使用基于相位敏感光学放大器的接收器
该团队以10的信息速率实现了前所未有的每信息比特一个光子的无误码黑盒灵敏度(PPB)
5 Gb/s
虽然在研究过程中，他们只传输了一米范围内的信号，但他们相信结果将验证跨空间通信的扩大
空间探索和星载传感器 美国航天局、欧空局和JAXA等机构进行的空间探索及其星载传感器的数据输出对通信系统提出了很高的要求，要求通信系统以更高的数据速率运行并延伸到更远的空间
作为一个重要的步骤，应该提高接收器的灵敏度，以便用尽可能少的接收光子来提高数据吞吐量
更好的接收器灵敏度将允许更长的覆盖范围、更高的数据吞吐量和使用更紧凑光学器件的潜力
目前正在开发的提高灵敏度的常用方法存在频谱效率低的问题，并且由于灵敏度和带宽之间的权衡，只能实现适度的净数据速率
实验结果用10
52-Gbaud QPSK数据，显示前向纠错解码前后误码率与接收功率的关系(也以每个符号的光子数表示)，用于:EDFA前向纠错(以空心圆作为测量点的棕色线)；EDFA后联邦选举委员会(棕色实心钻石标记)；PSA前FEC(以开圆圈为测量点的红线)；前列腺特异性抗原后FEC(红色菱形标记)
学分:光科学与技术；应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00389-2 例如，科学家在空间通信中广泛考虑脉冲位置调制，因为它可以在低信噪比下达到极好的灵敏度，然而，该方法可能导致无效的频谱效率
因此，他们可以使用光子计数接收器来接收脉冲位置调制符号，并建立每比特几个光子的灵敏度
然而，所得到的基于超导纳米线的接收器需要冷却到2-4开尔文才能有效工作
因此，未来的空间通信系统将需要超过目前的运行速度，这就需要在数据速率和灵敏度方面对现有的接收机技术进行重大改进
在这项工作中，卡卡拉等人
通过包含一个理论分析来扩展前面的工作，以实现相位敏感光放大器的灵敏度
这项工作强调了用更高效的光学系统取代当前射频技术的好处，以满足未来更高数据速率的spa ce通信需求，从而实现更远距离的通信
不同实施方式的灵敏度(每信息位光子数，PPB)与光谱效率(位/秒/赫兹)的关系
理论曲线用线表示，实验数据用符号表示
戈登的容量限制了信息的可靠传输，包括量子效应(黑色)，灰色阴影区域因此从根本上是不可访问的；DQ相干零差检测器的容量，带变压吸附前置放大器(红色)，变压吸附没有因空载(红色虚线)和EDFA前置放大器(棕色)而导致的光谱效率损失；所有百万分之几容量的封套(绿色)和64百万分之几容量的封套(灰色)
光子计数接收器的实验灵敏度记录(在入射PPB测量，I
e
，黑盒灵敏度)与PPM技术在净数据速率>下；100 Mb/s(绿色标记)；用预放大相干接收机以净数据速率记录高级调制格式的灵敏度。100 Mb/s(棕色标记)，单正交检测器(红色标记)；此处显示的PSA结果用一颗红星表示(红色填充和未填充)，EDFA结果用一颗棕色星表示
学分:光科学与技术；应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00389-2 实验装置 科学家们使用了带有前置放大接收器的自由空间光传输链路
由于不断发展的空间通信研究采用了光纤通信领域的技术，包括先进的前向纠错技术，科学家们在发射机上使用了前向纠错编码的二进制数据流
他们用正交相移键控(QPSK)将数据调制到信号上，得到的净信息速率为10
52 Gb/s
该团队将该信号与连续波泵相结合，生成一个共轭闲散波，其中包含的信息与在非线性光纤中使用四波混频(FWM)的信号相同
该团队将信号、惰轮和泵波放大到所需的输出功率，并将它们发射到自由空间通道中
他们使用自由空间链接来确认在向自由空间发射波的过程中没有发生额外的惩罚
研究中使用的泵功率明显低于信号和空载功率的总和，导致几乎可以忽略的功率预算损失
带有变压吸附预放大接收器的自由空间通信系统的详细实验装置
EDFA掺铒光纤放大器、HNLF高非线性光纤、OIL光注入锁定、WS波形整形器、VOA可变衰减器、WDM波分复用耦合器、DVBS2数字视频广播标准2码、PSA相敏放大器；电气路径用红线表示；光路用黑线表示
学分:光科学与技术；应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00389-2 恢复稳定的高功率 该团队使用波分复用器将接收器处的泵浦波与信号波和闲置波分开，然后使用光注入锁定(一种光学和相位同步技术)将其恢复
在对恢复的波进行相敏放大后，他们使用标准相干接收器和数字信号处理的实时示波器对信号进行滤波和检测
科学家们测量了接收信号的误码率，以了解基于相位敏感光放大器的前置放大接收机的性能
他们将结果与掺铒光纤放大器(EDFA)进行了比较，PSA的性能优于基于EDFA的接收器
使用实验系统，卡卡拉等人
展示了如何以每信息比特1个光子的接收功率(PPB)实现无差错传输，以提供迄今为止报告的最佳黑盒接收器灵敏度
用锁相环实现光注入锁定的实验装置
光电探测器、比例积分微分器、BPF带通滤波器、LPF低通滤波器、EDFA掺铒光纤放大器；红线表示电路径，黑线表示光路
学分:光科学与技术；应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00389-2 空间通信研究的成果 所描述的方法与使用不同非线性平台来获得提高的灵敏度的附加方法兼容
PSA方法代表了自由空间通信中使用的接收器的频谱效率和灵敏度之间的权衡，以及使用这些技术的实验灵敏度记录
虽然演示侧重于在深空链路中的应用，但它们也可用于大气链路以提高灵敏度
此类研究需要考虑大气湍流对变压吸附预放大接收器的影响
通过这种方式，拉维基兰·卡卡拉和他的同事们提出了一个10
5 Gb/s，使用简单的高效频谱格式
他们利用相位敏感光学放大器方法和超低功率注入锁定机制，在新的无噪声、相位敏感前置放大器的存在下，实现了观察到的灵敏度
这些成果有望提高信息传输速率，同时减小所涉及的光学器件的尺寸
这些结果可大大有助于空间通信和监测地球的光探测和测距应用
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