Resumen de Desarrollo de un Sistema de Comunicaciones Ópticas Clásicas en Espacio Libre con Aplicación en Comunicaciones Cuánticas

Arturo Arvizu Mondragón, Josué Aarón López Leyva, Juan Carlos Murrieta Lee, Luis Alberto Morán Medina, Ramón Muraoka Espíritu, Joel Santos Aguilar

• español

  Actualmente los enlaces ópticos en espacio libre tienen diversas aplicaciones (algunas comerciales y otras en desarrollo) tales como: a) enlaces horizontales de comunicaciones dentro de la misma capa de la atmósfera terrestre (denominados enlaces FSO por sus siglas en inglés "free space optics") permanentes o temporales (para situaciones de emergencia) de corta distancia para comunicación entre edificios (Fsona, 2014) , y comunicación de alta velocidad en redes personales de área local óptica inalámbrica (Wang, K., et al, 2011), b) enlaces verticales (denominados generalmente sistemas LASERCOM) para comunicación entre aviones y satélites, entre satélites en diferentes órbitas (Chan, V., 2003), de satélites a estaciones terrenas y viceversa (operando en diversas capas de la atmósfera terrestre o en el espacio profundo (Hemmati, H., 2006)), c) conexión óptica inalámbrica de alta velocidad entre tarjetas de circuito impreso (por ejemplo para distribución de señales de reloj dentro de un satélite y/o para interconectar ductos y microprocesadores sin interferencia electromagnética (Savage, N., 2002)). El desarrollo de enlaces ópticos para comunicación de tierra hacia y desde el espacio ha sido y es de gran interés para diversas agencias espaciales alrededor del mundo (JAXA, 2009), en particular, el sistema satelital europeo SILEX es un ejemplo de su aplicación (ESA, 2014); además, la NASA puso en funcionamiento en septiembre de 2013 la misión "Lunar Laser Communication Demonstration", cuyo objetivo principal es demostrar la confiabilidad de la comunicación óptica entre una estación situada en órbita lunar y estaciones terrenas en nuestro planeta (NASA,2014). Generalmente los enlaces arriba mencionados son "clásicos" (operando con un relativamente alto número de fotones por período de observación), pero, recientemente ha crecido el interés en desarrollar sistemas de comunicaciones "cuánticos" (con bajo número de fotones por período de observación) (Hemmati, H. et al, 2012). Para estos sistemas pueden emplearse diversos "estados cuánticos", (cuyas propiedades han sido y son investigadas por diversos grupos de científicos alrededor del mundo (Becerra, F.E., et al, 2013)), entre otros, los "estados entrelazados" (Ma, X., et al, 2012), o los "estados débiles coherentes" (WCS). Nosotros elegimos los WCS por ser posible generarlos con fuentes ópticas de telecomunicaciones (López, J., et al, 2013, López, J., et al, 2012), y porque su empleo a través del espacio libre permite, entre otros, enlaces incondicionalmente seguros para distribución de llave cuántica (QKD) y enlaces satelitales, (tópicos actualmente de alto interés a nivel mundial). Es pertinente mencionar que ya hemos realizado algunos subsistemas con WCS operando en fibra óptica (López, J. et al, 2013), sin embargo, nos interesa desarrollar sistemas en espacio libre para aplicaciones satelitales (Gutiérrez, C., et al, 2013). Para la realización de un sistema FSO-WCS es conveniente primero desarrollar un enlace FSO-clásico cuyos subsistemas funcionen en enlaces cuánticos. Así, presentamos en primer lugar la metodología para diseño de enlaces ópticos en espacio libre, y una herramienta computacional desarrollada para esto. Entre los sistemas diseñados hay un esquema de sincronización espacial (ATP) usando un APD de cuatro cuadrantes y un subsistema de levitación magnética para seguimiento de un "faro óptico" clásico a 532 nm. Cabe mencionar que aunque existe una cantidad importante de trabajos dedicados al desarrollo de sistemas ATP con transmisión óptica clásica, a lo mejor de nuestro conocimiento no se ha reportado ningún sistema ATP basado en levitación magnética para enlaces empleando WCS, (desde nuestro punto de vista esta es una aportación importante del presente trabajo). Por otro lado, aunque aquí nos enfocamos en la implementación y caracterización de un enlace FSO- clásico, con los resultados obtenidos se continuará con el desarrollo de enlaces FSO-WCS con aplicación satelital.

• English

  the free-space optical links have different applications (some of them are already commercialized and other are in the stage of development) such as: a) horizontal communication links within the same layer of Earth's atmosphere (FSO links, i.e. "free space optics"), among which are permanent or temporary links (used in emergency situations) for short-distance communication between buildings (Fsona, 2014), and high-speed communication in personal wireless optical LANs (Wang, K., et al, 2011), b ) vertical links (LASERCOM systems ) for communication between aircraft and satellites , optical links between satellites in different orbits (Chan , V., 2003), links from satellite to earth stations and vice versa (operating in various layers of the Earth's atmosphere and in deep space (Hemmati , H., 2006 )), c) optical-wireless high-speed connection between printed circuit boards (for distributing clock signals in a satellite and/or to interconnect microprocessors without EMI (Savage, N., 2002)). The development of optical communication links (bidirectional) towards the Earth and from the space has been and is of great interest for various space agencies around the world (JAXA, 2009); the European satellite system SILEX is a practical example of such technology (ESA, 2014); in addition, NASA launched on September 2013 the mission "Lunar Laser Communication Demonstration" which main objective is to demonstrate the reliability of the optical communication between a station in lunar orbit and earth stations within our planet (NASA, 2014). Usually the links above-mentioned are "classical" (i.e. they operate with a relatively high number of photons per observation period), however, recently there has been a growing interest in the development of �quantum� communication systems (using low number of photons per observation period) (Hemmati, H., et al, 2012). For these systems different types of �quantum states� may be employed (whose properties have been and are investigated by scientists around the world (Becerra, F.E., et al, 2013)), among others, the �entangled states� (Ma, X., et al, 2012), or �weak coherent states" (WCS). We chose the WCS because its generation is possible with optical sources in the telecom band (Lopez, J., et al, 2013, Lopez, J., et al, 2012). In addition, the use of WCS for communications through free space allows the establishment of links unconditionally secure for quantum key distribution (QKD), satellite links (where the "original" information signal is classical but may arrive as a WCS signal in the receiver front due to the strong attenuation of the atmosphere), among others (currently these topics are of great interest worldwide). It is convenient to mention that we have already implemented some WCS-based subsystems employing optical fiber (Lopez, J., et al, 2013), however, we want to develop WCS-free-space systems for satellite applications (Gutiérrez, C., et al, 2013). Prior to the practical implementation of a FSO- WCS system we consider very convenient the development of a classical FSO link whose subsystems are also used in free-space quantum links. We present the methodology for the design of free-space optical links and a computational tool developed for this purpose. We designed a spatial synchronization scheme (ATP) based on a four-quadrant APD and a magnetic levitation subsystem to monitor a classical optical beacon signal at 532 nm used to establish the communications link and to maintain it operating adequately. It is convenient to mention that although there is a significant amount of papers dedicated to the development of ATP systems with classical optical transmission, to the best of our knowledge has not been reported yet an ATP system based on magnetic levitation for quantum links employing WCS; from our point of view this could be an important contribution of this work. On the other hand, although here we focus on a classic FSO link, the results will be used to the development of links type WCS � FSO for satellite applications.