12/11/2024

Rychlejší vesmírná komunikace se švédským přijímačem citlivým na záznam

NASATechnologieVesmír
V novém komunikačním systému lze slabý optický signál (červený) z vysílače kosmické lodi zesílit bez šumu, když narazí na dvě takzvané pumpovací vlny (modrá a zelená) různých frekvencí v přijímači na Zemi. Díky bezšumovým zesilovačům výzkumníků v přijímači je signál udržovaný nerušený a příjem na Zemi se stává rekordně citlivým, což zase otevírá cestu k bezchybnějšímu a rychlejšímu přenosu dat ve vesmíru v budoucnu.Foto: Technologická univerzita Chalmers | Rasmus Larsson / Tiskový zdroj EurekAlert
V novém komunikačním systému lze slabý optický signál (červený) z vysílače kosmické lodi zesílit bez šumu, když narazí na dvě takzvané pumpovací vlny (modrá a zelená) různých frekvencí v přijímači na Zemi. Díky bezšumovým zesilovačům výzkumníků v přijímači je signál udržovaný nerušený a příjem na Zemi se stává rekordně citlivým, což zase otevírá cestu k bezchybnějšímu a rychlejšímu přenosu dat ve vesmíru v budoucnu.

Vědci z Chalmersovy technické univerzity ve Švédsku nyní vytvořili systém, který díky tichému zesilovači a přijímači citlivému na záznam otevírá cestu k rychlejší a lepší vesmírné komunikaci.

Při výzkumu vesmíru lze nyní využívat k přenosu snímků, filmů a dat z vesmírných sond na Zemi pomocí světla dálkové optické spoje. Aby však signály dosáhly až na místo a nebyly po cestě rušené, jsou zapotřebí hypercitlivé přijímače a zesilovače bez šumu.

Koncept optické vesmírné komunikace, který navrhli výzkumníci z Chalmersovy univerzity, otevírá nové možnosti komunikace a objevů ve vesmíru.

Systémy vesmírné komunikace jsou stále častěji založené na optických laserových paprscích namísto rádiových vln. Protože se ukázalo, že při použití světla k přenosu informací na velmi dlouhé vzdálenosti jsou ztráty signálu menší.

Ale i informace přenášené světlem ztrácejí během cesty svou sílu, a proto optické systémy pro vesmírnou komunikaci vyžadují extrémně citlivé přijímače schopné zaznamenat signály, které byly značně oslabené, než nakonec dorazily na Zemi.

Tichý zesilovač se zjednodušeným vysílačem zlepšuje komunikaci

Komunikační systém vědců využívá v přijímači optický zesilovač, který zesiluje signál s co nejmenším šumem, aby bylo možné jeho informace recyklovat. Stejně jako záře baterky se světlo z vysílače se vzdáleností rozšiřuje a slábne. Bez zesílení je signál po kosmickém letu tak slabý, že je přehlušen elektronickým šumem přijímače.

Po dvaceti letech boje s rušivým šumem, který narušoval signály, se výzkumnému týmu v Chalmers podařilo  před několika lety předvést bezšumový optický zesilovač. Tichý zesilovač ale doposud nebylo možné prakticky využít v optických komunikačních spojích, neboť kladl zcela nové, podstatně složitější nároky na vysílač i přijímač.

Vzhledem k omezeným zdrojům a minimálnímu prostoru na palubě vesmírné sondy je důležité, aby vysílač byl co nejjednodušší. Tím, že umožnili přijímači na Zemi generovat dvě ze tří světelných frekvencí potřebných pro zesílení bez šumu a zároveň umožnili vysílači generovat pouze jednu frekvenci, byli výzkumníci z Chalmersu schopni poprvé implementovat zesilovač bez šumu v optickém komunikační systém. Výsledky ukazují vynikající citlivost, zatímco složitost vysílače je skromná.  

“Tento fázově citlivý optický zesilovač v zásadě negeneruje žádný extra šum, což přispívá k citlivějšímu přijímači a k ​​bezchybnému přenosu dat i při nižším výkonu signálu. Generováním dvou vln navíc jiné frekvence v přijímači, lze nyní k implementaci zesilovače použít konvenční laserový vysílač s jednou vlnou. Naše zjednodušení vysílače znamená, že lze použít již existující optické vysílače na palubě satelitů a sond spolu s nešumovým zesilovačem v přijímači na Zemi,“ říká Rasmus Larsson, výzkumník v oboru fotoniky v Chalmers a jeden z hlavních autorů studie.


Problém úzkého hrdla

Pokrok znamená, že tiché zesilovače výzkumníků mohou být nakonec použité v praxi v komunikačních spojeních mezi vesmírem a Zemí. Systém je tak připravený přispět k řešení dnes známého problému úzkého hrdla mezi vesmírnými agenturami. 

NASA hovoří o „úzkém hrdle vědeckého návratu“ a rychlost sběru vědeckých dat z vesmíru na Zemi je faktorem, který představuje překážku v řetězu. Věříme, že náš systém je důležitým krokem vpřed směrem k praktickému řešení, které dokáže vyřešit toto úzké hrdlo,“ říká Peter Andrekson.

Dalším krokem pro výzkumníky je testování optického komunikačního systému s implementovaným zesilovačem při terénních studiích na Zemi a později i v komunikačních spojeních mezi satelitem a Zemí.

Peter Andrekson, profesor, Divize fotoniky, Katedra mikrotechnologie a nanověd.Foto: Chalmers University of Technology | Päivi Larssonová /Tiskový zdroj EurekAlert
Peter Andrekson, profesor, Divize fotoniky, Katedra mikrotechnologie a nanověd.
Rasmus Larsson, postdoktorandský výzkumný pracovník, Divize fotoniky, Katedra mikrotechnologie a nanověd.Foto: Chalmers University of Technology | Päivi Larssonová /Tiskový zdroj EurekAlert
Rasmus Larsson, postdoktorandský výzkumný pracovník, Divize fotoniky, Katedra mikrotechnologie a nanověd.

Zdroj: EurekAlert, Optika