Эксперимент по адаптивной оптике в Альпах открывает путь к терабитам

Исследователи из Швейцарии передали и получили оптические данные со скоростью более 10 Тбит/с между альпийской вершиной и обсерваторией Бернского университета (расстояние 53 километра). Это более чем в пять раз больше, чем необходимо для установки канала связи «спутник-земля», и команда утверждает, что этот метод может быть использован для создания более быстрого и экономически эффективного подключения к Интернету для спутниковых группировок на околоземной орбите. .

Системы спутниковых группировок, такие как Starlink компании SpaceX (сеть из более чем 2000 спутников, вращающихся вокруг Земли), обещают обеспечить доступ в Интернет всему миру посредством космической лазерной связи. Принцип заключается в том, что территории, не имеющие доступа к оптоволоконным кабелям, составляющим основу современного Интернета, вместо этого могут подключиться к оптической сети через спутники.

В настоящее время передача данных между спутниками и наземными станциями осуществляется в основном с помощью радиочастотных технологий, которые работают в микроволновом диапазоне электромагнитного спектра и имеют длины волн в несколько сантиметров. Лазерные оптические системы, напротив, работают в ближнем инфракрасном диапазоне, а их длины волн микронного масштаба примерно в 10 000 раз короче радиоволн. Это позволяет им передавать больше данных за тот же промежуток времени. Действительно, несколько предыдущих экспериментов показали, что технологии оптической связи в свободном пространстве могут передавать данные со скоростью 100 Гбит/с на расстояния до 10 км и 1 Тбит/с на расстояния до 3 м в одном канале.

Обратной стороной является то, что такие системы полагаются на усовершенствованные форматы модуляции высокого порядка и, следовательно, требуют высоких отношений сигнал/шум, которые возможны только на относительно коротких расстояниях. Будущие спутниковые каналы также потребуют еще более высоких скоростей передачи данных — порядка 500 Гбит/с и более.

В новой работе исследователи под руководством Юрга Лойтхольда, руководителя отдела информационных технологий и электротехники (D-ITET) в ETH Zurich, установили спутниковую оптическую связь между Высотной исследовательской станцией на Юнгфрауйохе и Циммервальдской обсерваторией. недалеко от Берна. При этом они показали, что лазерный луч может эффективно распространяться сквозь атмосферную турбулентность, которая обычно отрицательно влияет на движение световых волн и, следовательно, на передачу данных.

Исследователи достигли этого, модулируя световую волну лазера таким образом, чтобы приемник мог обнаруживать различные состояния, закодированные в одном «символе». Это означает, что каждый символ может передавать более одного бита информации. Например, схема, содержащая 16 состояний, может передавать четыре бита при каждом колебании световой волны, а схема с 64 состояниями может передавать шесть бит.

«Этому успеху способствовало несколько ключевых компонентов», — говорит ведущий автор исследования Янник Хорст. Что касается передатчика, он объясняет, что команда кодирует информацию энергоэффективным способом, используя когерентный формат модуляции, такой как 64-квадратурно-амплитудная модуляция с поляризационным мультиплексированием (64-QAM). Затем они посылают его с очень высокой точностью (несколько десятков микрорадиан) в направлении приемника обсерватории. Наконец, после того, как свет проходит через 53 км турбулентной атмосферы, система адаптивной оптики на приемной станции корректирует ошибку фазового фронта электромагнитной волны.

«Адаптивная оптика обеспечивает примерно в 300 раз более сильный сигнал в оптическом волокне», — рассказал Хорст журналу Physics World. «Улучшение также достигается благодаря оптическому строительному блоку, который имеет высокую чувствительность приемника — для безошибочной передачи данных требуется всего несколько фотонов на бит».

Приземленный

Хорст и его коллеги говорят, что их новая технология должна приблизить нас на шаг ближе к линиям связи спутник-Земля и межспутниковым связям, основанным на оптических технологиях, которые могут обеспечить очень высокую скорость передачи данных на канал – намного выше, чем это возможно для радиочастотных технологий. Такие каналы однажды могут стать основой для наземной оптоволоконной сети и, в конечном итоге, «соединить неподключенное» в тех регионах, где внедрение основных коммуникационных технологий, таких как оптоволокно, невозможно.