Um receptor supercondutor para comunicação óptica a partir da Lua (A superconducting photon-counting receiver for optical communication from the Moon)

As explorações e missões da Nasa exigem taxas de dados maiores do que aquelas atualmente disponíveis. A Deep Space Network (Rede do Espaço Profundo) - um sistema de comunicação internacional para apoiar missões de naves espaciais - utiliza a tecnologia mais atual de rádio frequência (RF) para redes de espaço livre (aquelas que transmitem dados através do espaço em vez de usar estruturas sólidas como cabos de fibra óptica). Uma rede de comunicações de espaço livre com base na tecnologia óptica oferece taxas de dados que são ordens de grandeza maior do que a RF. Além disso, é menor e mais leve, uma característica particularmente importante para os terminais de satélite carentes de recursos de energia.

Para explorar estas vantagens, a Nasa vem trabalhando em demonstrações laboratoriais para um sistema real, o Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD). O projeto inclui um terminal óptico no espaço, o Lunar Lasercom Space Terminal (LLST)¹ (Figura 1), lançado como uma carga no Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (Ladee), e um terminal ​​de chão transportável, o Lunar Lasercom Ground Terminal (LLGT)².

O LLST lançado em 07 de setembro de 2013 atingiu 250 km em órbita acima da superfície lunar no início de outubro. Durante o mês seguinte, foram estabelecidas comunicações livres de erros entre o LLST e o LLGT. Este link de comunicação a laser de 230.000 km foi o mais longo já construído, e demonstrou as taxas de comunicação de dados mais altas atingidas de ou para a Lua. Além disso, o sistema utiliza símbolos de dados estruturados e hardware adicional para conseguir medições contínuas do tempo de voo de ida e volta com resolução bem menor do que 200 ps³.

  

Figura 1. (a) Módulo óptico do Lunar Lasercom Space Terminal. (b) Módulo óptico montado na nave espacial Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer.

A luz do LLST foi recolhida em quatro telescópios de 40 centímetros no terminal LLGT localizado no Novo México. Cada telescópio foi acoplado a uma fibra personalizada que mantém a polarização que foi então concentrada em um conjunto de quatro nanofios supercondutores de nitreto de nióbio (NbN) detectores de um único fóton (superconducting nanowire single-photon detectors - SNSPDs). Tais detectores são baseados em supercondutores que operam abaixo das suas temperaturas críticas com uma corrente constante logo abaixo da corrente crítica. Quando um único fóton é absorvido no nanofio, a corrente supercondutora é interrompida e resulta numa resistência finita que pode ser medida como um pulso de tensão na saída antes do nanofio relaxar rapidamente ao seu estado supercondutor. Os SNSPDs estão disponíveis desde 2001,⁴ mas para o programa LLCD, alguns avanços foram necessários para atingir a alta eficiência do sistema de detecção de fótons (PDE) e baixos tempos de reposição para suportar a taxa de dados de 622 Mb/s.⁵

A concepção e construção de cavidades ópticas também foi modificada para melhorar a absorção de fótons e o PDE,⁶ bem como a concepção de matrizes intercaladas para aumentar as taxas de contagem.⁷ Os dispositivos de nanofios foram fabricados usando a litografia por feixe de elétrons em filmes de NbN cultivados em substratos de silício/dióxido de silício. Os nanofios formaram um padrão circular de 14 μm de diâmetro, com quatro nanofios intercalados, que foram colocados em uma cavidade óptica (veja Figura 2) para alcançar um PDE de 75%. As matrizes SNSPD foram mantidas a uma temperatura de 2.7 K em uma de duas fases do ciclo (ver Figura 3). Os estágios eletrônicos¹⁰ foram alojados em prateleiras ao lado do sistema criogênico, e todos foram alojados remotamente a partir de telescópios ligados por fibra personalizada.

Figura 2. (a) Micrografia eletrônica de varredura do padrão intercalado dos nanofios supercondutores detectores de um único fóton (SNSPD). (b) Perfil esquemático da matriz SNSPD e da cavidade óptica. Si: silício. SiO₂: dióxido de silício.

  

Figura 3. Topo: O Lunar Lasercom Ground Terminal (LLGT) em White Sands, no Novo México. Canto inferior direito: O refrigerador criogênico montado para as quatro matrizes SNSPD. Canto inferior esquerdo: sistema criogênico de processamento de sinais eletrônicos.

Em resumo, o LLCD alcançou uma taxa de transmissão de dados livre de erros de 622 Mb/s entre o terminal LLST em um satélite em órbita lunar e o terminal LLGT na Terra usando um receptor de um único fóton de nanofios supercondutores de NbN. Esta demonstração constituiu o elo de comunicação a laser de maior alcance já construído e as taxas de dados de comunicação mais altas atingidas de ou para a Lua. Com base no sucesso do LLCD, a Nasa está preparando a implantação de terminais ópticos de comunicações a laser para operações espaciais.

Matthew Grein, Eric Dauler, Andrew Kerman, Matthew Willis, Barry Romkey, Bryan Robinson, Daniel Murphy, Don Boroson

Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Laboratório Lincoln

Lexington, MA

Referências

1. B. S. Robinson, D. M. Boroson, D. A. Burianek, D. V. Murphy, Overview of the Lunar Laser Communications Demonstration, Proc. SPIE 7923, p. 792302, 2011. doi:10.1117/12.878313

2. D. Fitzgerald, Design of a transportable ground telescope array for the LLCD, presented at SPIE Photonics West, San Francisco, CA, 2011.

3. D. M. Boroson, B. S. Robinson, D. V. Murphy, D. A. Burianek, F. Khatri, J. M. Kovalik, Z. Sodnik, D. M. Cornwell, Overview and results of the lunar laser communication demonstration, Proc. SPIE 8971, p. 89710S, 2014. doi:10.1117/12.2045508

4. G. N. Gol'tsman, O. Okunev, G. Chulkova, A. Lipatov, A. Semenov, K. Smirnov, B. Voronov, A. Dzardanov, C. Williams, R. Sobolewski, Picosecond superconducting single-photon optical detector, Appl. Phys. Lett. 79, p. 705-707, 2001.

5. A. J. Kerman, E. A. Dauler, J. K. W. Yang, K. M. Rosfjord, V. Anant, K. K. Berggren, Constriction-limited detection efficiency of superconducting nanowire single-photon detectors, Appl. Phys. Lett. 90, p. 101110, 2007.

6. K. M. Rosfjord, J. K. W. Yang, E. A. Dauler, A. J. Kerman, V. Anant, B. M. Voronov, G. N. Gol'tsman, K. K. Berggren, Nanowire single-photon detector with an integrated optical cavity and anti-reflection coating, Opt. Express 14, p. 527-534, 2006.

7. E. A. Dauler, B. S. Robinson, A. J. Kerman, J. K. W. Yang, K. M. Rosfjord, V. Anant, B. Voronov, G. Gol'tsman, K. K. Berggren, Multi-element superconducting nanowire single-photon detector, IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, p. 279-284, 2007.

8. A. J. Kerman, J. K. W. Yang, R. J. Molnar, E. A. Dauler, K. K. Berggren, Electrothermal feedback in superconducting nanowire single-photon detectors, Phys. Rev. B 79, p. 100509, 2009.

9. A. J. Kerman, D. Rosenberg, R. J. Molnar, E. A. Dauler, Readout of superconducting nanowire single-photon detectors at high count rates, J. Appl. Phys. 113, p. 144511, 2013.

10. M. E. Grein, A. J. Kerman, E. A. Dauler, O. Shatrovoy, R. J. Molnar, D. Rosenberg, J. Yoon, et al., Design of a ground-based optical receiver for the Lunar Laser Communications Demonstration, Proc. Int'l Conf. Space Opt. Syst. Appl., p. 78-82, 2011.

Fonte: http://spie.org/x114726.xml