空间通信需要尽可能灵敏的接收器，以实现最大范围，同时还需要高比特率操作。 瑞典查尔默斯理工大学的研究人员最近证明了一种基于激光束通信的新颖概念，它在接收器中使用了几乎无噪声的光学前置放大器。

研究人员描述了一种自由空间光传输系统，该系统依赖于一个光放大器，该光放大器原则上不会增加任何多余的噪声，这与其他所有噪声形成对比预先存在的光放大器，称为相敏放大器（PSA）。

 研究人员的新概念展示了前所未有的接收器灵敏度，即每个信息比特仅一个光子，每秒10吉比特的数据速率。

“我们的结果表明，这种新方法可扩展长距离空间通信链路的覆盖范围和数据速率。因此，它也有望帮助突破深空飞行任务中当今的数据返回瓶颈，世界各地的航天局正遭受着今天的痛苦。”研究小组负责人，彼得·安德列克森教授说。

 激光和无线电束足迹的比较。图片来源：Yen Strandqvist /卡尔默斯理工大学

大幅增加未来高速链路的范围和信息速率将对诸如卫星间通信，深空任务以及具有光检测和测距功能的地球监测（激光雷达）等技术产生重大影响。  用于这种高速数据连接的系统越来越多地使用光学激光束而不是射频束。这样做的关键原因是，由于光束发散减小了，因此在光束传播时的功率损耗在光波长处明显较小。

 查尔默斯理工大学光子学教授彼得·安德雷克森说：“这种方法从根本上实现了任何前置放大光接收器的最佳灵敏度，并且也优于其他所有现有的最新接收器技术。” 图片来源：HenrikSandsjö/卡尔默斯理工大学

 然而，在长距离上，光束也会遭受很大的损失。 例如，从地球到月球的激光束（约400,000公里）的光圈大小为10 cm，将遭受大约80 dB的功率损耗，这意味着1亿分之一将仅剩一部分。由于可发送的功率有限，因此具有能够以尽可能低的接收功率恢复发送的信息的接收器至关重要。将该灵敏度量化为无错误地恢复数据所需的每个信息位的最小光子数。

在Chalmers的新概念中，信息被编码到信号波上，该信号波与不同频率的泵浦波一起在非线性介质中产生共轭波（称为惰轮）。这三波浪一起被发射到自由空间。  在接收点，在将光捕获到光纤中之后，PSA使用再生的泵浦波放大信号。然后在常规接收机中检测放大的信号。

彼得·安德雷克森（Peter Andrekson）表示：“这种方法从根本上实现了任何前置放大光接收器的最佳灵敏度，并且优于其他所有当前的最新接收器技术。”

该系统使用一种简单的调制格式，该格式采用标准纠错码进行编码，并且采用相干接收机进行数字信号处理以恢复信号。如果需要，此方法可以直接扩展到更高的数据速率。它还在室温下工作，这意味着它可以在空间终端中实现，而不仅是在地面上。

 参考文献：Ravikiran Kakarla，JochenSchröder和Peter A. Andrekson撰写的“使用近无噪声相敏放大的一个光子位接收器”，2020年9月2日，《光：科学与应用》。