空間通訊系統越來越依賴光學雷射光束，而不是傳統的無線電波，因為光在遠距離上的訊號損耗較小。 然而，即使是光訊號在傳輸過程中也會減弱，這意味著光學系統需要高度靈敏的接收器，才能在訊號到達地球時偵測到這些微弱的訊號。 查爾姆斯大學的研究人員開發了一種創新的太空光通訊方法，可以為太空帶來新的機會和發現。

在瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）研究人員開發的新型通訊系統中，來自太空船發射器的微弱光訊號（紅色）在遇到地球上接收器中兩個頻率不同的所謂泵浦波（藍色和綠色）時，可以被無噪音放大。 由於研究人員在接收器中安裝了無雜訊放大器，訊號不會受到干擾，地球上的接收也變得記錄靈敏，這反過來又為將來在太空中進行更無錯誤、更快速的資料傳輸鋪平了道路。

查爾默斯大學光子學教授彼得-安德烈克森（Peter Andrekson）是這項研究的主要作者之一，他解釋說：”我們可以展示一種新的光通訊系統，它的接收器在高數據速率下比以前展示的接收器更加靈敏，這意味著，當你想從月球或火星向地球發送高解析度影像或影片時，你可以更快、更無誤地遠距離傳輸訊息。

這項研究最近發表在Optica。

Peter Andrekson，查爾姆斯理工大學微科技與奈米科學系光子學部教授。 圖片來源：查爾默斯理工大學| Henrik Sandsjö

研究人員的通訊系統在接收器中使用了一個光放大器，它能以盡可能小的雜訊放大訊號，使其資訊得以循環利用。 就像手電筒的光一樣，發射器發出的光會隨著距離的增加而減弱。 如果不進行放大，訊號在太空中傳播後就會變得非常微弱，以至於被接收器的電子雜訊所淹沒。 經過二十年與乾擾訊號的噪音的鬥爭，查爾姆斯的研究團隊在幾年前展示了一種無噪音光放大器。 但直到現在，這種無聲放大器仍無法實際應用於光通訊鏈路，因為它對發射器和接收器提出了全新的、複雜得多的要求。

由於太空探測器上的資源和空間有限，發射器必須盡可能簡單。 透過讓地球上的接收器產生無噪音放大所需的三個光頻中的兩個，同時讓發射器只產生一個頻率，查爾姆斯大學的研究人員首次在光通訊系統中實現了無噪音放大。 研究結果表明，該系統具有出色的靈敏度，而發射器的複雜性卻不高。

Rasmus Larsson，查爾姆斯理工大學微技術與奈米科學系光子學部博士後研究員。 圖片來源：查爾默斯理工大學| Päivi Larsson

“這種相位敏感型光學放大器原則上不會產生任何額外的噪聲，這有助於提高接收器的靈敏度，即使在信號功率較低的情況下也能實現無錯誤數據傳輸。 “該研究的主要作者之一、查爾默斯大學光子學博士後研究員拉斯穆斯-拉爾森（Rasmus Larsson）說：”透過在接收器中產生兩個不同頻率的額外波，而不是像以前那樣在發射器中產生兩個不同頻率的波，現在就可以用一個波的傳統雷射發射器來實現放大器。中的無雜訊放大器一起使用。

這項進展意味著，研究人員的靜音放大器最終可實際用於太空與地球之間的通訊鏈路。 因此，該系統有望為解決當今航太機構面臨的一個眾所周知的瓶頸問題做出貢獻。

美國國家航空暨太空總署（NASA）經常將’科學返回瓶頸’掛在嘴邊，在這裡，從太空向地球收集科學數據的速度是構成這一環節障礙的一個因素。 彼得-安德烈克森（Peter Andrekson）說：”我們相信，我們的系統是朝著解決這一瓶頸的實用解決方案邁出的重要一步。”

研究人員的下一步工作是在地球上進行實地考察時，利用已實施的放大器對光通訊系統進行測試，之後還將在衛星與地球之間的通訊鏈路中進行測試。

編譯自/ ScitechDaily