21 июн 2023 2 733

40 терабит данных в секунду смогли передать по лазерному каналу

Ученые из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (ETH) вместе с партнерами из космической отрасли продемонстрировали возможность передачи гигантских объемов данных по воздуху с помощью лазеров. В будущем это позволит создать более дешевые и быстрые межконтинентальные связи через спутники на низкой орбите. Их работа опубликована в журнале Light: Science & Applications.

Участники проекта сделали большой шаг в установлении лазерной связи между спутником и наземной станцией. Они успешно провели тестовую передачу данных по лазеру на расстоянии 53 километра от горной вершины Юнгфрауйох до города Берн в Швейцарии. Хотя лазерная система не была прямо испытана с орбитальным спутником, они достигли высокой скорости передачи данных через открытое пространство.

Для оптической передачи данных наш маршрут между высокогорной научной станцией на Юнгфрауйохе и обсерваторией Циммервальд при университете Берна гораздо сложнее, чем между спутником и наземной станцией. Лазерный луч проходит через плотную атмосферу у поверхности земли. При этом многие факторы — различная турбулентность воздуха над высокими заснеженными горами, водная поверхность озера Тун, плотно застроенный городской район и равнина Ааре — влияют на движение световых волн и, следовательно, на передачу данных. Мерцание воздуха, вызванное тепловыми явлениями, нарушает равномерное движение света и может быть видно невооруженным глазом в жаркие летние дни. Это явление называется атмосферной турбулентностью и оно сильно затрудняет передачу данных по лазеру

— Янник Хорст, ведущий автор исследования.

Чтобы преодолеть этот эффект, ученые использовали специальные алгоритмы и адаптивную оптику, которая корректирует искажения луча в реальном времени. Эта технология позволяет изменять форму или направление светового луча в зависимости от условий среды. Для этого используются адаптивные элементы, такие как деформируемые зеркала или жидкокристаллические модуляторы. Они могут менять свою форму или ориентацию под действием электрического или механического сигнала. Таким образом, они могут компенсировать искажения, вызванные турбулентностью или другими факторами.

В эксперименте ученые использовали деформируемое зеркало на основе микроэлектромеханической системы (MEMS). Это чип с матрицей из 97 крошечных регулируемых зеркал. Деформации зеркал корректируют фазовый сдвиг луча на его поверхности пересечения вдоль измеренного в настоящее время градиента 1500 раз в секунду, в конечном итоге улучшая качество сигнала примерно в 500 раз.

Таким образом, они смогли передать 40 терабит данных в секунду по двум лазерным лучам разных цветов — красному и зеленому — с длиной волны 1550 и 785 нанометров соответственно. Для модуляции данных они использовали новые способы кодирования информации, которые позволяют увеличить чувствительность и скорость передачи данных даже при самых плохих погодных условиях или при низкой мощности лазера. Это достигается за счет кодирования информационных битов в свойствах световой волны, таких как амплитуда, фаза и поляризация.

Благодаря нашему новому 4D-двоичному формату модуляции с фазовой манипуляцией, или BPSK, информационный бит все еще может быть правильно обнаружен на приемнике даже при очень небольшом количестве — около четырех — легких частиц

— Янник Хорст.

Какие преимущества дает лазерная связь

Лазерная связь имеет несколько преимуществ перед традиционной оптоволоконной связью. Она не требует дорогостоящего прокладывания кабелей по дну океана, что снижает затраты и ускоряет развертывание сети. Обеспечивает более высокую скорость и пропускную способность, так как лазерный луч имеет меньшее расхождение и меньшее затухание, чем оптоволоконный кабель. Наконец, она повышает безопасность и конфиденциальность данных, так как лазерный луч трудно перехватить или подслушать без обнаружения.

Какие перспективы у лазерной связи

Ученые из ETH Цюриха планируют продолжить развитие лазерной связи и провести дальнейшие эксперименты с разными расстояниями и условиями. Они также хотят улучшить стабильность и надежность системы, а также уменьшить ее размеры и энергопотребление. Они надеются, что в ближайшем будущем лазерная связь станет коммерчески доступной и широко распространенной технологией.

Мы верим, что наша работа открывает новые возможности для оптической связи через воздух и способствует созданию глобальной сети высокоскоростного интернета

— Юрг Лойтольд, руководитель проекта и профессор ETH Цюриха.

Лазерная связь не единственная технология, которая направлена на совершенствование беспроводного интернета. Существуют и другие проекты, которые используют разные виды излучения, такие как радио или микроволны, для передачи данных между спутниками или наземными станциями. Например, проект Starlink от компании SpaceX предполагает запуск тысяч спутников на низкой орбите, которые обеспечивают широкополосный доступ в интернет по всему миру с помощью радиочастотных сигналов. Проект Loon от компании Google предлагает использовать воздушные шары, которые будут летать на высоте 20 километров и передавать интернет-сигналы между собой и наземными станциями с помощью микроволновых сигналов.

Каждый из этих видов беспроводной связи имеет свои преимущества и недостатки. Радио и микроволны имеют большую дальность и меньше подвержены влиянию атмосферы, чем лазеры. Однако они также имеют меньшую пропускную способность и большее затухание. Кроме того, они могут быть подвержены помехам или перегрузке от других источников излучения. Лазеры же имеют большую пропускную способность и меньшее затухание, но требуют более точного наведения и стабилизации, а также более сложной коррекции атмосферных искажений.

Таким образом, выбор оптимального вида беспроводной связи зависит от конкретных целей и условий. Возможно, в будущем будут использоваться комбинированные решения, которые будут сочетать разные технологии для достижения наилучших результатов.