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一种使用高性能相敏放大器的全新接收方案

中科院半导体所

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随着嫦娥五号携带月壤而归,人们的视线再次聚焦于大气外那片广袤的神秘领域。实际上,人类探索太空的脚步从未停歇,从加加林实现首次从太空观测地球全貌到阿姆斯特朗在月球迈出的一小步;从天宫嫦娥系列到萤火(火星)探索计划。

随着探索区域的不断扩大,各国航天机构均希望空间通信系统在实现高速率的同时,不断延伸最大传输距离。

 

太阳系及其主要行星全貌

提高接收机的灵敏度可以为这一对矛盾的需求提供可行的解决方案。因此高灵敏度接收机成为域内的一个热门话题,其中,接收机前置放大器在灵敏度提升技术中起关键性作用。

近日,来自瑞典查尔姆斯理工大学的Peter A. Andrekson教授提出一种使用高性能相敏放大器的全新接收方案。

该方案在10Gbit/s的通信速率下,创纪录地实现了1光子/比特(1 photon-per-information-bit, PPB)的高灵敏度接收机。

空间通信的瓶颈

随着通信速率与传播距离的大幅度提升,以射电波束为媒介的传统空间通信系统已逐渐无法满足通信需求,越来越多地被激光通信系统所取代。

一个关键的原因是:在光波波段,由于光束发散角度小,接收时的功率损失也相应较低(如下图所示)。这一转变将对卫星间通信、深空探索和激光雷达等诸多技术领域产生重大影响。

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激光与射电波束尺寸比较

图源:瑞典查尔姆斯理工大学   编译:撰稿人 Cyan

此外,在长距离传输时,光束也会经历巨大的传输损耗。例如,从地球发射到月球的激光束(地月距离约40万公里,光束孔径为10厘米)将会遭受约80dB的功率损耗,这意味着只有约亿分之一的激光功率会被保留下来。

鉴于发射功率有限,因此,尽可能低功率地接收到所发送的信息(高敏感度)对光接收机尤为重要。

解决方案及特点

鉴于上述空间通信链路中的实际问题,即使是目前最先进的自由空间光通信系统也只能以低于1Gbit /s的速率运行,并且需要超低温环境辅助。

相比之下, Andrekson团队设计的接收方案使用近乎无噪声的前置相敏放大器,在室温下便创纪绿地实现了1PPB的接收灵敏度,使传输速率得以提升至10.5 Gbit /s。在10瓦特发射功率的前提下,链路损耗容限可高达100dB。

此外,由于该方案基于常用的调制格式编码与标准错误校正码和相干接收机数字信号处理技术来恢复信号,该方案可以直接扩展到其他高速空间光通信系统中。

在该方案中,信息被编码到信号光中(红线),信号光与不同频率的泵浦光(蓝线)一起在非线性介质中产生共轭光(绿线,称为idler, 闲波)。三种光波随后一同在自由空间中传播(如下图所示)。

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完整的空间传输链路与高敏感度接收方案

图源:瑞典查尔姆斯理工大学   编译:撰稿人 Cyan

在接收端,当传输光波被捕获后,前置相敏放大器(Phase-Sensitive Amplifier, PSA)利用再生泵浦波增强信号。最后,放大信号在传统相干接收机中进行检测判决。

该新型接收方案迫近理论灵敏度的极限值,与其他现有方法进行比较,可得:

1. 在系统频谱效率(SE)较低时,与基于EDFA放大器的接收机相比,新提出的PSA接收方案拥有3 dB的灵敏度优势。

2. PSA方案与未放大的理想单正交探测器(Unamplified Ideal Single Quadrature Detector)具有相同的理论灵敏度,具有100%的量子效率且无热噪声,这是已知的在非光子计数接收机中最好的灵敏度。

3. 在相同的数据速率和前向纠错(FEC)负载下,新方案所需灵敏度比先前报道的2.1 PPB小一半。

未来应用

在未来的深空探测实践中,这种新提出的接收方案将会使通信质量产生质的飞跃。例如,在地球/火星通信链路中,前置PSA接收机在10瓦特的发射功率下可支持10Mbit/s的数据速率, 比现行速率(0.5~32Kbit/s)快约千倍。使诸多功能,譬如高清图像传输,由理论可能变为实践可行。

 

图源:中国科学院长春光机所,Light学术出版中心,新媒体工作组

综上,这种使用前置相敏放大器的接收机在诸多空间通信场景中均为最佳接收方案。正如Andrekson教授所评价的”这种方法从根本上使任何预放大光接收机的灵敏度达到可能的最高水平,并优于目前所有其他的先进接收技术。” 

这项技术有希望帮助突破目前深空探索任务中数据返回的瓶颈,这是世界各地的航天机构目前正在遭受的问题。

 

原文标题:星际通信:宇宙中最灵敏的光接收机诞生!

文章出处:【微信公众号:中科院半导体所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

责任编辑:haq

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