Cuantitativamente, ¿por qué la comunicación óptica será mejor que la banda X para las comunicaciones en el espacio profundo?

tl;dr: Considerando condiciones similares a las de Voyager, pasando de platos de 3,66 y 70 metros a telescopios de 0,5 y 5 metros, y de longitudes de onda de 3,6 cm a 1,55 micras, obtenemos un aumento en la potencia recibida de 10.000 veces y un aumento en la tasa de datos de ¡1000 veces!

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Sistemas de referencia

Los sistemas de referencia para el enlace descendente de una nave espacial a la Tierra se basarán libremente en Voyager para banda X y DSOC (Comunicaciones ópticas en el espacio profundo) de la NASA para óptica.

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

El uso de la longitud de onda óptica más larga de 1550 nm en lugar de 850 nm le permite tener un buen diodo láser monomodo de comunicaciones de fibra óptica acoplado de manera eficiente a una fibra monomodo, luego usar EDFA (amplificadores de fibra dopada con erbio) para amplificar ópticamente la señal a varios vatios manteniéndolo dentro de una fibra monomodo. Esto es necesario para aprovechar la óptica de difracción limitada del telescopio para producir un haz de transmisión estrecho.

Usé 0,5 metros para el "plato" óptico de la nave espacial porque ese es el diámetro de un espejo de telescopio real que está ahora en cada uno de los viajeros .

Presupuesto de enlace

De esta respuesta :

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

• $P_{RX}$: energía recibida en la Tierra
• $P_{TX}$: potencia transmitida por Voyager
• $G_{TX}$: Ganancia de la antena transmisora ​​de Voyagers (en comparación con isotrópica)
• $L_{FS}$: Pérdida de espacio libre, lo que solemos llamar$1/r^2$
• $G_{RX}$: Ganancia de la antena receptora de la Tierra (comparada con isotrópica)

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

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

Actualmente, la Voyager 1 está a unos 2,1E+13 metros (sí, ¡21 mil millones de kilómetros!) de distancia.

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

¡Eso es un aumento en el poder recibido de 10,000 veces!

Así que desde el principio vemos que al reducir la longitud de onda en 20,000 veces más, se compensan los diámetros más pequeños de los "platos".

Una cosa realmente sorprendente para mí es que la cantidad de fotones ($E = h \nu$) es casi lo mismo! Con un puñado de GHz, normalmente no hablamos de la tasa de fotones porque son muy difíciles de contar e incluso a la temperatura del helio líquido, la tasa de fotones de fondo es bastante alta.

¡Pero en frecuencias ópticas ciertamente podemos contar fotones individuales! Entonces, en lugar de comparar la potencia recibida 1.5E-18 W con$k_B T$(alrededor de 1.4E-22W a 10K) podemos ir directamente a las estadísticas de conteo de fotones. Incluso a temperatura ambiente, la tasa de fotones ópticos producidos térmicamente es muy baja. Ya no estamos en el régimen de Rayleigh-Jeans, discutido más aquí .

Dejaré más discusión sobre el conteo de fotones para una futura sesión de preguntas y respuestas. En lugar de tubos fotomultiplicadores que funcionan bien para visible y apenas infrarrojo (digamos 800 nm), lo que está de moda ahora son detectores de fotones sensibles a la posición de nanocables superconductores para los receptores de enlace descendente al menos. Vea las imágenes a continuación, por ejemplo (demostrada por la Demostración de comunicación láser lunar de LADEE .

De acuerdo con la Demostración de comunicación láser lunar de Spaceflight 101 y LADEE de ESA , las eficiencias están en el rango de 1 bit por fotón detectado. Se basa en la sincronización precisa de los fotones y un poco más de matemáticas de las que me gustaría aprender hoy para mostrar esto.

Entonces, en cambio, citaré a @MarkAddler :

No, no necesita "al menos algunos fotones por bit de datos". Se han demostrado 13 bits por fotón con comunicaciones láser.

Debe leer la respuesta completa para conocer el contexto y ver las fuentes citadas.

¡Eso es un aumento (potencial) en la tasa de datos recibidos de 1,000 veces!

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Capturas de pantalla de Descripción general y estado de la demostración de comunicaciones por láser lunar :

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REFERENCIAS:

• DESCANSO Voyager Telecomunicaciones
• Póster de comunicaciones ópticas en el espacio profundo (DSOC)
• Presentación de comunicaciones ópticas en el espacio profundo
• Wikipedia de comunicaciones ópticas en el espacio profundo
• Descripción general y estado de la presentación de demostración de comunicaciones láser lunares en Researchgate
• Comunicaciones en el espacio profundo a través de fotones lejanos NASA JPL News
• Nave espacial psique Wikipedia

Las microondas de banda X tienen una longitud de onda de unos 3 cm. La longitud de onda de la luz es de aproximadamente 1 micra (IR) o menor; un factor de 30.000 menor. Eso significa que es mucho más fácil crear un haz angosto desde una nave espacial, concentrando más energía en el área del receptor.

Por ejemplo, para funcionar tan bien como un transmisor de banda X de 10 m, necesita (en teoría) un transmisor de 0,3 mm (!). Ese transmisor de banda X podría estar enviando a un receptor de 30 m, y esos son difíciles de construir en óptica. Entonces, podría estrechar el haz en otro de 30, para obtener la potencia total en un telescopio de 1 m, y aún así usar solo un telescopio transmisor de 1 cm.

Coloque un telescopio más grande en cada extremo y su potencia total recibida comenzará a aumentar mucho.