W eksploracji kosmosu można obecnie wykorzystywać łącza optyczne na duże odległości do przesyłania obrazów, filmów i danych z sond kosmicznych na Ziemię za pomocą światła. Aby jednak sygnały docierały do końca i nie były zakłócane po drodze, potrzebne są nadwrażliwe odbiorniki i pozbawione szumów wzmacniacze. Teraz naukowcy z Politechniki Chalmers w Szwecji stworzyli system, który dzięki cichemu wzmacniaczowi i odbiornikowi czułemu na nagrywanie toruje drogę do szybszej i lepszej komunikacji kosmicznej.
Systemy komunikacji kosmicznej w coraz większym stopniu opierają się na optycznych wiązkach laserowych, a nie na falach radiowych, ponieważ wykazano, że utrata sygnału jest mniejsza, gdy do przenoszenia informacji na bardzo duże odległości wykorzystuje się światło. Jednak nawet informacja przenoszona przez światło traci swoją moc podczas podróży, dlatego systemy optyczne do komunikacji kosmicznej wymagają niezwykle czułych odbiorników zdolnych do wykrywania sygnałów, które zostały znacznie osłabione, zanim w końcu dotrą do Ziemi. Koncepcja badaczy Chalmersa dotycząca optycznej komunikacji kosmicznej otwiera nowe możliwości komunikacji – i odkryć – w przestrzeni kosmicznej.
„Możemy zademonstrować nowy system komunikacji optycznej z odbiornikiem, który jest bardziej czuły niż wykazano wcześniej przy dużych szybkościach transmisji danych. Oznacza to, że można uzyskać szybszy i bardziej bezbłędny transfer informacji na przykład na bardzo duże odległości gdy chcesz wysłać zdjęcia lub filmy w wysokiej rozdzielczości z Księżyca lub Marsa na Ziemię” – mówi Peter Andrekson, profesor fotoniki w Chalmers i jeden z głównych autorów badania, które zostało niedawno opublikowane w czasopiśmie naukowym Optica.
Cichy wzmacniacz z uproszczonym nadajnikiem usprawnia komunikację
System komunikacji badaczy wykorzystuje wzmacniacz optyczny w odbiorniku, który wzmacnia sygnał z możliwie najmniejszym szumem, aby zawarte w nim informacje mogły zostać poddane recyklingowi. Podobnie jak blask latarki, światło nadajnika rozszerza się i słabnie wraz z odległością. Bez wzmocnienia sygnał po locie kosmicznym jest tak słaby, że zostaje zagłuszony przez szum elektroniczny odbiornika. Po dwudziestu latach zmagań z zakłócającym hałasem zakłócającym sygnał zespołowi badawczemu w Chalmers udało się kilka lat temu zademonstrować pozbawiony szumów wzmacniacz optyczny. Jednak dotychczas cichy wzmacniacz nie miał możliwości praktycznego zastosowania w optycznych łączach komunikacyjnych, gdyż stawiał przed nadajnikiem i odbiornikiem zupełnie nowe, znacznie bardziej złożone wymagania.
Ze względu na ograniczone zasoby i minimalną przestrzeń na pokładzie sondy kosmicznej ważne jest, aby nadajnik był jak najprostszy. Umożliwiając odbiornikowi na Ziemi generowanie dwóch z trzech częstotliwości światła potrzebnych do wzmocnienia pozbawionego szumów, a jednocześnie umożliwiając nadajnikowi generowanie tylko jednej częstotliwości, badacze Chalmers byli w stanie wdrożyć wzmacniacz bezszumowy w układzie optycznym pierwszy system komunikacji. Wyniki wskazują na wyjątkową czułość, przy niewielkiej złożoności nadajnika.
„Ten czuły na fazę wzmacniacz optyczny w zasadzie nie generuje żadnego dodatkowego szumu, co przyczynia się do większej czułości odbiornika i zapewnienia bezbłędnej transmisji danych nawet przy niższej mocy sygnału. Generując dwie dodatkowe fale różnych częstotliwościach w odbiorniku, zamiast jak dotychczas w nadajniku, do wdrożenia wzmacniacza można teraz zastosować konwencjonalny nadajnik laserowy z jedną falą. Nasze uproszczenie nadajnika oznacza, że można wykorzystać już istniejące nadajniki optyczne na pokładach satelitów i sond razem ze wzmacniaczem bezszumowym w odbiorniku włączonym Ziemia” – mówi Rasmus Larsson, doktorant w dziedzinie fotoniki w Chalmers i jeden z głównych autorów badania.
Potrafi rozwiązać problematyczne wąskie gardło
Postęp oznacza, że ciche wzmacniacze badaczy będą mogły wreszcie znaleźć zastosowanie w praktyce w połączeniach komunikacyjnych między kosmosem a Ziemią. System może zatem przyczynić się do rozwiązania dobrze znanego obecnie problemu wąskich gardeł wśród agencji kosmicznych.
NASA mówi o „wąskim gardle w powrocie nauki” i tutaj prędkość gromadzenia danych naukowych z kosmosu na Ziemię jest czynnikiem stanowiącym przeszkodę w łańcuchu. Wierzymy, że nasz system stanowi ważny krok w kierunku praktycznego rozwiązania, które może rozwiązać to wąskie gardło” – mówi Peter Andrekson.
Kolejnym krokiem badaczy będzie przetestowanie systemu komunikacji optycznej z zaimplementowanym wzmacniaczem podczas badań terenowych na Ziemi, a później także w łączach komunikacyjnych pomiędzy satelitą a Ziemią.
Rozwój technologii nastąpił na Politechnice Chalmers, a badania sfinansowała Szwedzka Rada ds. Badań Naukowych.
