宇宙通信向け高性能光レシーバー：深宇宙ミッションのデータボトルネック解消

宇宙通信には、最大到達距離のために可能な限り感度の高いレシーバーが求められると同時に、高ビットレート動作も要求されます。受信機において、原理的に余分なノイズを加えないほぼノイズレスな光プリアンプを使用するレーザービームベース通信の概念が開発されました。このフリースペース光伝送システムは、位相感度増幅器（PSA）と呼ばれる既存のすべての光プリアンプとは対照的に、原理的に余分なノイズを加えない光増幅器に依存します。

この概念は、10ギガビット/秒のデータレートで、情報ビットあたりわずか1光子の受信感度を実証しています。このアプローチは、長距離宇宙通信リンクの到達距離とデータレートを拡張し、深宇宙ミッションに存在するデータ帰還のボトルネックを解消できる可能性があります。

将来の高速リンクの到達距離と情報レートを大幅に向上させることは、衛星間通信や光検出と測距（LiDAR）を用いた地球観測に大きな影響を与えます。このような高速データ接続システムは、無線周波数ビームではなく光レーザービームをますます使用しています。主な理由は、ビーム発散が減少するため、光波長ではビーム伝播時の電力損失が大幅に小さいからです。

長距離では光ビームも大きな損失を経験します。例えば、地球から月（約40万キロメートル）へ10cm開口でレーザービームを送信すると、約80dBの電力損失が発生し、1億分の1しか残りません。送信可能電力は限られているため、可能な限り低い受信電力で送信情報を復元できるレシーバーを持つことが極めて重要です。この感度は、エラーなしでデータを復元するために必要な情報ビットあたりの最小光子数として定量化されます。

新アプローチでは、情報が信号波にエンコードされ、異なる周波数のポンプ波とともに非線形媒質で共役波（アイドラーと呼ばれる）を生成します。これら3波がフリースペースへ共同で放出されます。受信側では、光ファイバーで光を捕捉後、再生ポンプ波を用いてPSAが信号を増幅します。増幅信号は従来のレシーバーで検出されます。

システムは、標準誤り訂正符号でエンコードされたシンプルな変調フォーマットと、デジタル信号処理による信号回復のためのコヒーレントレシーバーを使用します。この手法は、必要に応じてより高いデータレートへ容易にスケーラブルです。また、室温で動作するため、地上局だけでなく宇宙端末にも実装可能です。

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