SENSIBILITÀ DI UN SOLO FOTONE PER BIT DI INFORMAZIONE

Ricevitori ultra-sensibili per comunicazioni spaziali

Le comunicazioni spaziali richiedono ricevitori il più possibile sensibili, per raggiungere la massima portata e un’alta velocità di trasmissione. Alcuni ricercatori svedesi hanno presentato una nuova idea di prodotto basato su un raggio laser che utilizza un preamplificatore ottico nel ricevitore. La sensibilità raggiunta è attualmente senza precedenti. Tutti i dettagli su Nature: Light Science & Applications

     05/10/2020
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Un esempio della configurazione sperimentale del nuovo concept. Crediti: Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology

In un nuovo articolo pubblicato sulla rivista scientifica Nature: Light Science & Applications un team di ricercatori della Chalmers University of Technology, in Svezia, descrive un sistema di trasmissione ottica nello spazio libero basato su un amplificatore ottico che, in linea di principio, non aggiunge alcun rumore in eccesso – a differenza di tutti gli altri amplificatori ottici preesistenti, conosciuti come amplificatori sensibili alla fase (Psa, acronimo di phase-sensitive amplifiers).

Il nuovo concept dei ricercatori dimostra una sensibilità del ricevitore attualmente senza precedenti: un solo fotone per bit di informazione, a una velocità dati di 10 gigabit al secondo. «I nostri risultati mostrano la fattibilità di questo nuovo approccio per estendere la portata e la velocità dei dati nei collegamenti di comunicazioni spaziali a lunga distanza. Promette anche di aiutare a superare l’attuale collo di bottiglia del ritorno dei dati nelle missioni nello spazio profondo, di cui stanno soffrendo le agenzie spaziali di tutto il mondo», afferma Peter Andrekson, a capo del gruppo di ricerca e autore dell’articolo, insieme a Ravikiran Kakarla e Jochen Schröder del Dipartimento di microtecnologia e nanoscienza della Chalmers University of Technology.

Aumentare significativamente la portata e la velocità dell’informazione per i futuri collegamenti ad alta velocità avrà grandi implicazioni per tecnologie come la comunicazione inter-satellite, le missioni nello spazio profondo e il monitoraggio della Terra (Lidar, acronimo di Light Detection and Ranging). I sistemi per tali connessioni dati ad alta velocità utilizzano sempre più fasci laser ottici anziché fasci a radiofrequenza. Una delle ragioni principali è che la perdita di potenza quando il raggio si propaga è sostanzialmente minore alle lunghezze d’onda della luce, poiché la divergenza del raggio è ridotta.

Confronto tra l’impronta di un laser e quella di un fascio radio. Crediti: Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology

Tuttavia, su lunghe distanze, anche i raggi di luce subiscono una grande perdita. Ad esempio, un raggio laser inviato dalla Terra alla Luna – circa 400mila chilometri di distanza – con un’apertura di 10 centimetri, subirà una perdita di potenza di circa 80 dB, il che significa che rimarrà solo 1 parte su 100 milioni. Poiché la potenza trasmissibile è limitata, è di fondamentale importanza disporre di ricevitori in grado di recuperare le informazioni inviate con la minore potenza ricevuta possibile. Questa sensibilità è quantificata come il numero minimo di fotoni per bit di informazione necessari per recuperare i dati senza errori.

Nel nuovo concept di Chalmers, le informazioni sono codificate in un’onda di segnale, che insieme a un laser di frequenza diversa genera un’onda coniugata (nota idler wave) in un mezzo non lineare. Queste tre onde vengono lanciate insieme nello spazio libero. Nel punto di ricezione, dopo aver catturato la luce in una fibra ottica, il Psa amplifica il segnale che successivamente viene rilevato da un ricevitore convenzionale. «Questo approccio si traduce fondamentalmente nella migliore sensibilità possibile rispetto a un qualsiasi ricevitore ottico preamplificato e supera anche le prestazioni di tutte le altre tecnologie di ricezione all’avanguardia», afferma Peter Andrekson.

Il sistema utilizza un semplice formato di modulazione, codificato con un codice di correzione degli errori standard e un ricevitore coerente con elaborazione del segnale digitale per il recupero del segnale. Questo metodo, se necessario, è facilmente scalabile a velocità di trasmissione dati molto più elevate. Nell’articolo gli autori discutono i limiti di sensibilità teorica di questo approccio, confrontandolo con altri metodi esistenti, arrivando alla conclusione che il nuovo approccio è essenzialmente il migliore possibile per una gamma molto ampia di velocità di dati.

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