Tecnologia Científica

Amplificador óptico e receptor sensível a registros abrem caminho para comunicação espacial mais rápida
Na exploração espacial, links ópticos de longa distância agora podem ser usados para transmitir imagens, filmes e dados de sondas espaciais para a Terra usando luz. Mas para que os sinais cheguem até o fim e não sejam perturbados ao longo do...
Por Universidade de Tecnologia Chalmers - 30/10/2024


No novo sistema de comunicação de pesquisadores da Chalmers University of Technology, na Suécia, um sinal óptico fraco (vermelho) do transmissor da nave espacial pode ser amplificado sem ruído quando encontra duas chamadas ondas de bombeamento (azul e verde) de frequências diferentes em um receptor na Terra. Graças aos amplificadores sem ruído dos pesquisadores no receptor, o sinal é mantido sem perturbações e a recepção na Terra se torna sensível a registros, o que por sua vez abre caminho para uma transmissão de dados mais rápida e sem erros no espaço no futuro. Crédito: Chalmers University of Technology | Rasmus Larsson


Na exploração espacial, links ópticos de longa distância agora podem ser usados para transmitir imagens, filmes e dados de sondas espaciais para a Terra usando luz. Mas para que os sinais cheguem até o fim e não sejam perturbados ao longo do caminho, receptores hipersensíveis e amplificadores sem ruído são necessários.

Agora, pesquisadores da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, criaram um sistema que, com um amplificador silencioso e um receptor sensível a gravações, abre caminho para uma comunicação espacial mais rápida e aprimorada .

O estudo deles, "Receptor óptico pré-amplificado de ruído ultrabaixo usando transmissão convencional de comprimento de onda único", foi publicado na Optica .

Os sistemas de comunicação espacial são cada vez mais baseados em feixes de laser ópticos em vez de ondas de rádio , já que a perda de sinal demonstrou ser menor quando a luz é usada para transportar informações por distâncias muito longas. Mas mesmo as informações transportadas pela luz perdem seu poder durante a jornada, e os sistemas ópticos para comunicação espacial, portanto, requerem receptores extremamente sensíveis, capazes de detectar sinais que foram muito enfraquecidos antes de finalmente chegarem à Terra.

O conceito de comunicação espacial óptica dos pesquisadores da Chalmers abre novas oportunidades de comunicação — e descobertas — no espaço.

"Podemos demonstrar um novo sistema para comunicação óptica com um receptor que é mais sensível do que foi demonstrado anteriormente em altas taxas de dados. Isso significa que você pode obter uma transferência de informações mais rápida e sem erros em distâncias muito longas, por exemplo, quando você quer enviar imagens ou vídeos de alta resolução da Lua ou Marte para a Terra", diz Peter Andrekson, Professor de Fotônica na Chalmers e um dos principais autores do estudo.

Amplificador silencioso com transmissor simplificado melhora a comunicação

O sistema de comunicação dos pesquisadores usa um amplificador óptico no receptor que amplifica o sinal com o menor ruído possível para que suas informações possam ser recicladas.

Assim como o brilho de uma lanterna, a luz do transmissor se amplia e enfraquece com a distância. Sem amplificação, o sinal é tão fraco após o voo espacial que é abafado pelo ruído eletrônico do receptor.

Após 20 anos de luta com ruídos perturbadores que prejudicavam os sinais, a equipe de pesquisa da Chalmers conseguiu demonstrar um amplificador óptico sem ruído há alguns anos. Mas até agora, o amplificador silencioso não pôde ser usado praticamente em links de comunicação óptica, pois colocou demandas completamente novas e significativamente mais complexas tanto no transmissor quanto no receptor.

Devido aos recursos limitados e ao espaço mínimo a bordo de uma sonda espacial, é importante que o transmissor seja o mais simples possível.

Ao permitir que o receptor na Terra gere duas das três frequências de luz necessárias para amplificação sem ruído e, ao mesmo tempo, permitindo que o transmissor gere apenas uma frequência, os pesquisadores da Chalmers conseguiram implementar o amplificador sem ruído em um sistema de comunicação óptica pela primeira vez. Os resultados mostram sensibilidade excepcional, enquanto a complexidade no transmissor é modesta.

"Este amplificador óptico sensível à fase não gera, em princípio, nenhum ruído extra, o que contribui para um receptor mais sensível e para que a transmissão de dados sem erros seja alcançada mesmo quando a potência do sinal é menor", diz Rasmus Larsson, pesquisador de pós-doutorado em fotônica na Chalmers e um dos principais autores do estudo.

"Ao gerar duas ondas extras de frequências diferentes no receptor, em vez de como feito anteriormente no transmissor, um transmissor laser convencional com uma onda agora pode ser usado para implementar o amplificador. Nossa simplificação do transmissor significa que transmissores ópticos já existentes a bordo de satélites e sondas podem ser usados junto com o amplificador sem ruído em um receptor na Terra."

Pode resolver gargalos problemáticos


O progresso significa que os amplificadores silenciosos dos pesquisadores podem eventualmente ser usados na prática em links de comunicação entre o espaço e a Terra. O sistema está, portanto, pronto para contribuir para resolver um problema de gargalo bem conhecido entre as agências espaciais hoje.

"A NASA fala sobre 'o gargalo do retorno científico', e aqui a velocidade da coleta de dados científicos do espaço para a Terra é um fator que constitui um obstáculo na cadeia. Acreditamos que nosso sistema é um passo importante em direção a uma solução prática que pode resolver esse gargalo", diz Peter Andrekson.


O próximo passo dos pesquisadores é testar o sistema de comunicação óptica com o amplificador implementado durante estudos de campo na Terra e, posteriormente, também em links de comunicação entre um satélite e a Terra.


Mais informações: Rasmus Larsson et al, Receptor óptico pré-amplificado de ruído ultrabaixo usando transmissão convencional de comprimento de onda único, Optica (2024). DOI: 10.1364/OPTICA.539544

Informações do periódico: Optica 

 

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