На вопрос об общении с "Вояджером" ответ утверждает :
[70-метровые тарельчатые антенны, развернутые в космосе] еще не реализованы и, вероятно, не будут реализованы, поскольку в ближайшем будущем оптическая связь определенно станет перспективной. У нас уже были демонстрации от Земли до Луны, и нет известных препятствий для распространения оптической связи в дальний космос. Поскольку длина волны света (около 1 микрона) намного меньше длины волны, используемой в глубоком космосе (сантиметры, а в будущем, возможно, и миллиметры), «тарелка» сжимается от огромного стального чудовища до зеркала оптического телескопа на десятки сантиметров. в диаметре. С этим можно прекрасно справиться на зонде для дальнего космоса.
Более подробно, учитывая также потери на трассе и технологические аспекты конструкции приемников и передатчиков, что именно делает оптическую связь удобной?
Вкратце: учитывая условия, подобные «Вояджеру», переходя от 3,66- и 70-метровых тарелок к 0,5- и 5-метровым телескопам и длинам волн от 3,6 см до 1,55 микрона, мы получаем увеличение принимаемой мощности в 10 000 раз и увеличение скорости передачи данных в 10 000 раз. 1000 раз!
Эталонные системы для нисходящей связи космического корабля с Землей будут в общих чертах основаны на Voyager для X-диапазона и DSOC НАСА (Deep Space Optical Communications) для оптических.
Type Power(W) f(GHz) λ(cm) TX diam(m) RX diam(m)
------ -------- --------- -------- ---------- ---------
X-band 22 8.4 3.6 3.66 70
Optical 4 193,500. 0.000155 0.5 5
Использование более длинной оптической длины волны 1550 нм вместо 850 нм позволяет вам получить хороший одномодовый лазерный диод для оптоволоконной связи, эффективно соединенный с одномодовым волокном, а затем использовать EDFA (усилители волокна, легированного эрбием) для оптического усиления сигнала до нескольких ватт. сохраняя его в одномодовом волокне. Это необходимо, чтобы воспользоваться преимуществами оптики телескопа с ограничением дифракции для создания узкого передающего луча.
Я использовал 0,5 метра для оптической «тарелки» космического корабля, потому что это диаметр настоящего зеркала телескопа, которое сейчас находится на каждом из путешественников .
Из этого ответа :
В настоящее время «Вояджер-1» находится на расстоянии около 2,1E+13 метров (да, 21 миллиард километров!).
Type P_TX (dBW) G_TX(dBi) L_FS(dB) G_RX(dBi) P_RX(dBW) photon/sec
------ ---------- --------- -------- --------- --------- ----------
X-band 13.4 50.0 317.3 75.7 -178.2 272,000
Optical 6.0 120.1 404.6 140.1 -138.4 113,000
Это увеличение получаемой мощности в 10 000 раз!
Итак, сразу же мы видим, что сокращение длины волны в 20 000 раз больше, чем компенсирует меньшие диаметры «тарелок».
Меня действительно удивило то, что количество фотонов ( ) почти одинаково! При нескольких ГГц мы обычно не говорим о скорости фотонов, потому что их очень трудно сосчитать, и даже при температуре жидкого гелия скорость фоновых фотонов довольно высока.
Но на оптических частотах мы определенно можем считать отдельные фотоны! Так что вместо того, чтобы сравнивать полученную мощность 1,5Е-18 Вт с (около 1,4E-22 Вт при 10K) мы можем просто перейти непосредственно к статистике подсчета фотонов. Даже при комнатной температуре скорость термически производимых оптических фотонов очень мала. Мы больше не находимся в режиме Рэлея-Джинса, обсуждаемом далее здесь .
Я оставлю дальнейшее обсуждение подсчета фотонов на будущую сессию вопросов и ответов. Вместо фотоумножителей, которые хорошо работают для видимого и едва инфракрасного (скажем, 800 нм), сейчас в моде сверхпроводящие нанопроводные позиционно-чувствительные детекторы фотонов, по крайней мере, для приемников нисходящей линии связи. См., например, изображения ниже (демонстрируются демонстрацией связи с лунным лазером LADEE ).
Согласно демонстрации лунной лазерной связи Spaceflight 101 и LADEE ЕКА, эффективность находится в диапазоне 1 бит на обнаруженный фотон. Это зависит от точной синхронизации фотонов и немного больше математики, чем я хотел бы выучить сегодня, чтобы показать это.
Поэтому вместо этого я просто процитирую @MarkAddler :
Нет, вам не нужно «хотя бы несколько фотонов на бит данных». 13 бит на фотон было продемонстрировано с помощью лазерной связи.
Вы должны прочитать полный ответ для контекста и просмотреть цитируемые источники.
Это (потенциальное) увеличение скорости приема данных в 1000 раз!
Скриншоты из обзора и статуса демонстрации лунной лазерной связи :
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:
Микроволны Х-диапазона имеют длину волны около 3 см. Длина волны света составляет примерно 1 микрон (ИК) или меньше; в 30 000 раз меньше. Это означает, что гораздо проще создать узкий луч обратно от космического корабля, сконцентрировав больше энергии в области приемника.
Например, чтобы работать так же хорошо, как 10-метровый передатчик X-диапазона, вам нужен (теоретически) передатчик 0,3 мм (!). Этот передатчик X-диапазона может посылать сигналы на 30-метровый приемник, а их сложно встроить в оптический сигнал. Таким образом, вы можете сузить луч еще на 30, чтобы получить полную мощность в 1-метровом телескопе, и при этом использовать только 1-сантиметровый передающий телескоп.
Поставьте по большему телескопу на каждом конце, и ваша общая принимаемая мощность начнет сильно расти.
ооо
ооо
ооо
Фил Фрост
ооо