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通信科普：用光子優化信號接收器
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通信科普：用光子優化信號接收器
圖片來源：Pixabay
如今，絕大多數的太空通訊都依賴於無線電信號。但和光或者其他任何一種電磁波一樣，在傳播的過程中，這些信號會發生衍射和擴散。瑞典查爾莫斯理工大學研究光子的科學家彼得·安德烈克森（Peter Andrekson，這項研究的共同作者）介紹說，一束從月球發向地球的無線電波“通常會分散成一塊大陸大小的尺寸”，如果是一束激光，則可能分散到直徑約4千米的範圍裏。
可見，如果想相對完整地接收來自太空（譬如火星）的無線電信號，需要一個極其龐大的裝置。麻省理工學院林肯實驗室的光學通信工程師布賴恩·魯賓遜（Bryan Robinson，並未參與這項研究）表示，NASA最大的接收器跨度為70米，“這個設備看上去像一座足球場。它安置在一個常平架上，接收方向指向火星。”
圖片來源：Pixabay
如果使用激光通信，則可以讓接收器縮減到20厘米，這個尺寸僅相當於一人份的披薩，而與無線電波相比，高密度激光束能攜帶更多信息。不過，激光信號是以較低的功率傳輸的，在接收到信號後，放大處理過程就會顯得十分艱巨。
科學家正在研究一種新型接收器，它可以通過操縱光子的相互作用，在不損耗信號質量的情況下放大入射信號。這項技術被稱為相敏放大（phase- sensitive amplification，PSA）技術。魯賓遜表示這種方法“相當有趣”，因為如今的放大器都會給信號加入幹擾“噪音”。這種處於實驗階段的PSA係統靈敏度極高，在實驗室搭建出的模擬深空真空環境和增加衍射距離的場景下，每秒能夠接收10.5 GB不含噪音的信息，這是前所未有的。對此，這套係統的下一項挑戰將是如何克服地球大氣層帶來的幹擾。相關研究內容發表在了《光：科學與應用》（Light: Science and Applications）雜誌上。
圖片來源：Pixabay
早在2013年，林肯實驗室和NASA就成功測試了另一種用於航天器和地球間通信的激光傳輸。這種方法使用光子計數接收器，對撞擊而來的單個光子計數，這對於數據傳輸尤其有效，因為數據可以通過數字編碼——但該計數器隻有在約零下270℃時才能工作。而PSA可以在室溫下工作。
除開種種挑戰，行星科學家塔尼婭·哈裏森（Tanya Harrison，並未參與這項研究）在評價這類優化光學通信係統（refining optical communications system）時說：“這是一項相當了不起的工作。”哈裏森正在通過衛星繪製火星圖，但卻因為無線電傳輸的局限性遭遇了挫折。如今，無線電數據從火星發到地球的速率和保真度還和上世紀90年代早期的調製解調器一致。哈裏森說，環繞火星軌道的衛星“所接收的數據可能比它實際能發送回來的要大一個數量級。基本上，如果我們能使用光學通信，就能做更多的科學研究”。
撰文：喬安娜·湯普森（Joanna Thompson）
翻譯：董子晨曦
引進來源：環球科學
本文來自：環球科學
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圖片來源：Pixabay
如今，絕大多數的太空通訊都依賴於無線電信號。但和光或者其他任何一種電磁波一樣，在傳播的過程中，這些信號會發生衍射和擴散。瑞典查爾莫斯理工大學研究光子的科學家彼得·安德烈克森（Peter Andrekson，這項研究的共同作者）介紹說，一束從月球發向地球的無線電波“通常會分散成一塊大陸大小的尺寸”，如果是一束激光，則可能分散到直徑約4千米的範圍裏。
可見，如果想相對完整地接收來自太空（譬如火星）的無線電信號，需要一個極其龐大的裝置。麻省理工學院林肯實驗室的光學通信工程師布賴恩·魯賓遜（Bryan Robinson，並未參與這項研究）表示，NASA最大的接收器跨度為70米，“這個設備看上去像一座足球場。它安置在一個常平架上，接收方向指向火星。”
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如果使用激光通信，則可以讓接收器縮減到20厘米，這個尺寸僅相當於一人份的披薩，而與無線電波相比，高密度激光束能攜帶更多信息。不過，激光信號是以較低的功率傳輸的，在接收到信號後，放大處理過程就會顯得十分艱巨。
科學家正在研究一種新型接收器，它可以通過操縱光子的相互作用，在不損耗信號質量的情況下放大入射信號。這項技術被稱為相敏放大（phase- sensitive amplification，PSA）技術。魯賓遜表示這種方法“相當有趣”，因為如今的放大器都會給信號加入幹擾“噪音”。這種處於實驗階段的PSA係統靈敏度極高，在實驗室搭建出的模擬深空真空環境和增加衍射距離的場景下，每秒能夠接收10.5 GB不含噪音的信息，這是前所未有的。對此，這套係統的下一項挑戰將是如何克服地球大氣層帶來的幹擾。相關研究內容發表在了《光：科學與應用》（Light: Science and Applications）雜誌上。
圖片來源：Pixabay
早在2013年，林肯實驗室和NASA就成功測試了另一種用於航天器和地球間通信的激光傳輸。這種方法使用光子計數接收器，對撞擊而來的單個光子計數，這對於數據傳輸尤其有效，因為數據可以通過數字編碼——但該計數器隻有在約零下270℃時才能工作。而PSA可以在室溫下工作。
除開種種挑戰，行星科學家塔尼婭·哈裏森（Tanya Harrison，並未參與這項研究）在評價這類優化光學通信係統（refining optical communications system）時說：“這是一項相當了不起的工作。”哈裏森正在通過衛星繪製火星圖，但卻因為無線電傳輸的局限性遭遇了挫折。如今，無線電數據從火星發到地球的速率和保真度還和上世紀90年代早期的調製解調器一致。哈裏森說，環繞火星軌道的衛星“所接收的數據可能比它實際能發送回來的要大一個數量級。基本上，如果我們能使用光學通信，就能做更多的科學研究”。
撰文：喬安娜·湯普森（Joanna Thompson）
翻譯：董子晨曦
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