在一篇新的论文中，一组研究人员描述了一种基于光放大器的自由空间光传输系统，该系统原则上不增加任何多余的噪声。

最近由瑞典查尔默斯科技大学的研究人员证明，这种基于激光束的通信的新概念在接收器中使用了一个几乎无噪声的光学前置放大器，称为相敏放大器（PSA）。一个前所未有的光接收器灵敏度在10千兆位每秒的数据率只有一个光子每信息位。

“我们的研究结果显示了这种新方法在长距离空间通信链路中扩大覆盖范围和数据速率的可行性。因此，它也有希望帮助突破目前在深空任务中的数据返回瓶颈，这是全世界航天机构都面临的问题，”彼得·安德烈克森教授说，他是研究小组的负责人，也是这篇文章的作者，他与拉维基兰·卡卡拉博士和高级研究员乔琴·施罗德（Jochen Schröder）共同撰写了这篇文章查尔姆斯理工大学微技术和纳米科学系。

大幅提高未来高速链路的覆盖范围和信息传输速率，将对卫星间通信、深空任务和带有光探测和测距的地球监测（Lidar）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激光光束而不是射频光束。其中的一个关键原因是，由于光束发散减小，光束传播时的功率损失在光波长下大大减小。

然而，在长距离内，光束也会经历很大的损耗。例如，从地球发射到月球的激光束——大约40万公里——孔径为10厘米，将损失大约80分贝的功率，这意味着只有1亿分之一的能量会保留下来。由于光接收机的发射功率是有限的，因此必须有一个能够以尽可能低的接收功率恢复发送的信息的光接收机。这种灵敏度被量化为每一信息位无误地恢复数据所需的最小光子数。

激光和射电束足迹的比较。

在Chalmers的新概念中，信息被编码到信号波上，信号波与不同频率的泵浦波一起在非线性介质中产生一个共轭波（称为惰轮）。这三个波一起发射到自由空间。在接收点，在光纤中捕获光后，相敏放大器（PSA）使用再生的泵浦波来增强信号。然后在传统接收器中检测放大的信号。

Peter Andrekson说：“这种方法从根本上使任何预放大光接收器的灵敏度达到最佳，同时也优于所有其他当前最先进的接收器技术。”

该系统采用一种简单的调制格式，用一个标准纠错码编码，一个相干接收机用数字信号处理进行信号恢复。如果需要，这种方法很容易扩展到更高的数据速率。它还可以在室温下工作，这意味着它不仅可以在地面上实现，而且可以在空间终端上实现。

新概念实验装置的说明。

通过他们的新方法，Chalmers的研究人员展示了一种前所未有的无误差的“黑匣子”——在10 Gbit/s的数据速率下，每个信息位有一个光子的灵敏度。在10 W的发射功率下，这种光接收器允许在该数据速率下的链路损耗为100 dB。对于往返火星的传输，一个10W的系统可以支持大约10Mbit/s的数据传输速率，比现在的速率（0.5-32Kbit/s）快1000左右。

这项研究得到了瑞典研究委员会（grant VR-2015-00535）、克努特和爱丽丝·沃伦伯格基金会以及欧洲研究理事会（项目ERC-2018-PoC 813236）的支持。

参考文献：https://dx.doi.org/10.1038/s41377-020-00389-2。