长距离光链路可以利用光将图像、视频和数据从太空探测器传输到地球

空间通信系统越来越多地依赖光学激光束，而不是传统的无线电波，因为光在远距离上的信号损耗较小。 然而，即使是光信号在传输过程中也会减弱，这意味着光学系统需要高度灵敏的接收器，才能在信号到达地球时检测到这些微弱的信号。 查尔姆斯大学的研究人员开发出了一种创新的太空光通信方法，可以为太空带来新的机遇和发现。

在瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）研究人员开发的新型通信系统中，来自航天器发射器的微弱光信号（红色）在遇到地球上接收器中两个频率不同的所谓泵浦波（蓝色和绿色）时，可以被无噪声放大。 由于研究人员在接收器中安装了无噪声放大器，信号不会受到干扰，地球上的接收也变得记录灵敏，这反过来又为将来在太空中进行更无差错、更快速的数据传输铺平了道路。

查尔默斯大学光子学教授彼得-安德烈克森（Peter Andrekson）是这项研究的主要作者之一，他解释说："我们可以展示一种新的光通信系统，它的接收器在高数据速率下比以前展示的接收器更加灵敏，这意味着，当你想从月球或火星向地球发送高分辨率图像或视频时，你可以更快、更无误地远距离传输信息。"

这项研究最近发表在Optica上。

Peter Andrekson，查尔姆斯理工大学微技术与纳米科学系光子学部教授。 图片来源：查尔默斯理工大学 | Henrik Sandsjö

研究人员的通信系统在接收器中使用了一个光放大器，它能以尽可能小的噪声放大信号，使其信息得以循环利用。 就像手电筒的光一样，发射器发出的光会随着距离的增加而减弱。 如果不进行放大，信号在太空中传播后就会变得非常微弱，以至于被接收器的电子噪声所淹没。 经过二十年与干扰信号的噪音的斗争，查尔姆斯的研究团队在几年前展示了一种无噪音光放大器。 但直到现在，这种无声放大器仍无法实际应用于光通信链路，因为它对发射器和接收器提出了全新的、复杂得多的要求。

由于太空探测器上的资源和空间有限，发射器必须尽可能简单。 通过让地球上的接收器产生无噪声放大所需的三个光频中的两个，同时让发射器只产生一个频率，查尔姆斯大学的研究人员首次在光通信系统中实现了无噪声放大。 研究结果表明，该系统具有出色的灵敏度，而发射器的复杂性却不高。

"这种相位敏感型光学放大器原则上不会产生任何额外的噪声，这有助于提高接收器的灵敏度，即使在信号功率较低的情况下也能实现无差错数据传输。 "该研究的主要作者之一、查尔默斯大学光子学博士后研究员拉斯穆斯-拉尔森（Rasmus Larsson）说："通过在接收器中产生两个不同频率的额外波，而不是像以前那样在发射器中产生两个不同频率的波，现在就可以用一个波的传统激光发射器来实现放大器。我们对发射器的简化意味着，卫星和探测器上现有的光学发射器可以与地球上接收器中的无噪声放大器一起使用。"

这一进展意味着，研究人员的静音放大器最终可实际用于太空与地球之间的通信链路。 因此，该系统有望为解决当今航天机构面临的一个众所周知的瓶颈问题做出贡献。

美国国家航空航天局（NASA）经常将'科学返回瓶颈'挂在嘴边，在这里，从太空向地球收集科学数据的速度是构成这一环节障碍的一个因素。 彼得-安德烈克森（Peter Andrekson）说："我们相信，我们的系统是朝着解决这一瓶颈的实用解决方案迈出的重要一步。"

研究人员的下一步工作是在地球上进行实地考察时，利用已实施的放大器对光通信系统进行测试，之后还将在卫星与地球之间的通信链路中进行测试。