隨著嫦娥五號(hào)攜帶月壤而歸，人們的視線再次聚焦于大氣外那片廣袤的神秘領(lǐng)域。實(shí)際上，人類探索太空的腳步從未停歇，從加加林實(shí)現(xiàn)首次從太空觀測(cè)地球全貌到阿姆斯特朗在月球邁出的一小步；從天宮嫦娥系列到螢火(火星)探索計(jì)劃。

隨著探索區(qū)域的不斷擴(kuò)大，各國(guó)航天機(jī)構(gòu)均希望空間通信系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高速率的同時(shí)，不斷延伸最大傳輸距離。

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提高接收機(jī)的靈敏度可以為這一對(duì)矛盾的需求提供可行的解決方案。因此高靈敏度接收機(jī)成為域內(nèi)的一個(gè)熱門話題，其中，接收機(jī)前置放大器在靈敏度提升技術(shù)中起關(guān)鍵性作用。

近日，來(lái)自瑞典查爾姆斯理工大學(xué)的Peter A. Andrekson教授提出一種使用高性能相敏放大器的全新接收方案。

該方案在10Gbit/s的通信速率下，創(chuàng)紀(jì)錄地實(shí)現(xiàn)了1光子/比特(1 photon-per-information-bit, PPB)的高靈敏度接收機(jī)。

空間通信的瓶頸

隨著通信速率與傳播距離的大幅度提升，以射電波束為媒介的傳統(tǒng)空間通信系統(tǒng)已逐漸無(wú)法滿足通信需求，越來(lái)越多地被激光通信系統(tǒng)所取代。

一個(gè)關(guān)鍵的原因是：在光波波段，由于光束發(fā)散角度小，接收時(shí)的功率損失也相應(yīng)較低（如下圖所示）。這一轉(zhuǎn)變將對(duì)衛(wèi)星間通信、深空探索和激光雷達(dá)等諸多技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。

激光與射電波束尺寸比較

圖源：瑞典查爾姆斯理工大學(xué) 編譯：撰稿人 Cyan

此外，在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，光束也會(huì)經(jīng)歷巨大的傳輸損耗。例如，從地球發(fā)射到月球的激光束(地月距離約40萬(wàn)公里，光束孔徑為10厘米)將會(huì)遭受約80dB的功率損耗，這意味著只有約億分之一的激光功率會(huì)被保留下來(lái)。

鑒于發(fā)射功率有限，因此，盡可能低功率地接收到所發(fā)送的信息(高敏感度)對(duì)光接收機(jī)尤為重要。

解決方案及特點(diǎn)

鑒于上述空間通信鏈路中的實(shí)際問題，即使是目前最先進(jìn)的自由空間光通信系統(tǒng)也只能以低于1Gbit /s的速率運(yùn)行，并且需要超低溫環(huán)境輔助。

相比之下， Andrekson團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的接收方案使用近乎無(wú)噪聲的前置相敏放大器，在室溫下便創(chuàng)紀(jì)綠地實(shí)現(xiàn)了1PPB的接收靈敏度，使傳輸速率得以提升至10.5 Gbit /s。在10瓦特發(fā)射功率的前提下，鏈路損耗容限可高達(dá)100dB。

此外，由于該方案基于常用的調(diào)制格式編碼與標(biāo)準(zhǔn)錯(cuò)誤校正碼和相干接收機(jī)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)恢復(fù)信號(hào)，該方案可以直接擴(kuò)展到其他高速空間光通信系統(tǒng)中。

在該方案中，信息被編碼到信號(hào)光中(紅線)，信號(hào)光與不同頻率的泵浦光(藍(lán)線)一起在非線性介質(zhì)中產(chǎn)生共軛光(綠線，稱為idler, 閑波)。三種光波隨后一同在自由空間中傳播(如下圖所示)。

完整的空間傳輸鏈路與高敏感度接收方案

圖源：瑞典查爾姆斯理工大學(xué) 編譯：撰稿人 Cyan

在接收端，當(dāng)傳輸光波被捕獲后，前置相敏放大器(Phase-Sensitive Amplifier, PSA)利用再生泵浦波增強(qiáng)信號(hào)。最后，放大信號(hào)在傳統(tǒng)相干接收機(jī)中進(jìn)行檢測(cè)判決。

該新型接收方案迫近理論靈敏度的極限值，與其他現(xiàn)有方法進(jìn)行比較，可得：

1. 在系統(tǒng)頻譜效率(SE)較低時(shí)，與基于EDFA放大器的接收機(jī)相比，新提出的PSA接收方案擁有3 dB的靈敏度優(yōu)勢(shì)。

2. PSA方案與未放大的理想單正交探測(cè)器(Unamplified Ideal Single Quadrature Detector)具有相同的理論靈敏度，具有100%的量子效率且無(wú)熱噪聲，這是已知的在非光子計(jì)數(shù)接收機(jī)中最好的靈敏度。

3. 在相同的數(shù)據(jù)速率和前向糾錯(cuò)(FEC)負(fù)載下，新方案所需靈敏度比先前報(bào)道的2.1 PPB小一半。

未來(lái)應(yīng)用

在未來(lái)的深空探測(cè)實(shí)踐中，這種新提出的接收方案將會(huì)使通信質(zhì)量產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。例如，在地球/火星通信鏈路中，前置PSA接收機(jī)在10瓦特的發(fā)射功率下可支持10Mbit/s的數(shù)據(jù)速率, 比現(xiàn)行速率(0.5~32Kbit/s)快約千倍。使諸多功能，譬如高清圖像傳輸，由理論可能變?yōu)閷?shí)踐可行。

圖源：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所，Light學(xué)術(shù)出版中心，新媒體工作組

綜上，這種使用前置相敏放大器的接收機(jī)在諸多空間通信場(chǎng)景中均為最佳接收方案。正如Andrekson教授所評(píng)價(jià)的”這種方法從根本上使任何預(yù)放大光接收機(jī)的靈敏度達(dá)到可能的最高水平，并優(yōu)于目前所有其他的先進(jìn)接收技術(shù)?！?/p>

這項(xiàng)技術(shù)有希望幫助突破目前深空探索任務(wù)中數(shù)據(jù)返回的瓶頸，這是世界各地的航天機(jī)構(gòu)目前正在遭受的問題。

原文標(biāo)題：星際通信：宇宙中最靈敏的光接收機(jī)誕生！

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