В количественном отношении, почему оптическая связь будет лучше, чем X-диапазон для связи в дальнем космосе?

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!

---

Справочные системы

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 .

Бюджет ссылки

Из этого ответа :

$$P_{RX} = P_{TX} + G_{TX} - L_{FS} + G_{RX}$$

• $P_{RX}$: получил власть на Земле
• $P_{TX}$: передаваемая мощность Вояджером
• $G_{TX}$: Усиление передающей антенны "Вояджеров" (по сравнению с изотропной)
• $L_{FS}$: Потеря свободного пространства, что мы обычно называем$1/r^2$
• $G_{RX}$: усиление приемной антенны Земли (по сравнению с изотропной)

$$G \sim 20 \times \log_{10}\left( \frac{\pi d}{\lambda} \right)$$

$$L_{FS} = 20 \times \log_{10}\left( 4 \pi \frac{R}{\lambda} \right).$$

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 ($E = h \nu$) 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$k_B T$(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:

• DESCANSO Вояджер Телекоммуникации
• Плакат по оптической связи в дальнем космосе (DSOC)
• Презентация оптической связи в дальнем космосе
• Википедия , посвященная оптической связи в дальнем космосе
• Обзор и статус демонстрационной презентации Lunar Laser Communications в Researchgate
• Связь в глубоком космосе с помощью далеких фотонов NASA JPL News
• Космический корабль «Психея» на IMDb

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.