Лазерная спутниковая интернет магистраль

Ученые ETH Zurich и их европейские партнеры продемонстрировали способность передачи данных с помощью лазеров между горной вершиной Юнгфрауйох и городом Берн в Швейцарии. В скором времени это устранит необходимость в дорогостоящих глубоководных кабелях.

Исследователи проверили передачу данных с помощью лазера на расстояние более 53 километров от Юнгфрауйоха до Циммервальда недалеко от Берна. Фото: ETH Zurich

Магистраль Интернета образована плотной сетью волоконно-оптических кабелей, каждый из которых передает до более чем 100 терабит данных в секунду (1 терабит = 1012 цифровые сигналы 1/0) между узлами сети. Связь между континентами осуществляется через глубоководные сети, что является огромными расходами: один кабель через Атлантику требует инвестиций в сотни миллионов долларов. Специализированная консалтинговая фирма TeleGeography объявила, что в настоящее время насчитывается 530 активных подводных кабелей, и это число растет.

Однако в скором времени эти расходы могут существенно сократиться. Ученые из ETH Zurich, работая вместе с партнерами из космической отрасли, продемонстрировали терабитную оптическую передачу данных по воздуху в рамках европейского проекта Horizon 2020. В будущем это позволит обеспечить гораздо более экономичную и гораздо более быструю магистральную связь через околоземные спутниковые группировки. Их работа опубликована в журнале Light: Science & Applications.

Сложные атмосферные условия между Юнгфрауйохом и Берном

Чтобы достичь этой вехи, партнеры проекта сделали значительный шаг вперед в создании спутниковой оптической линии связи благодаря успешному испытанию, проведенному между альпийской горной вершиной Юнгфрауйох и швейцарским городом Берн. Хотя лазерная система не была непосредственно протестирована с орбитальным спутником, они выполнили передачу данных на расстояние в свободном пространстве 53 км (33 мили).

«Для оптической передачи данных наш тестовый маршрут между высотной исследовательской станцией на Юнгфрауйохе и обсерваторией Циммервальд в Бернском университете намного сложнее, чем между спутником и наземной станцией», — объясняет Янник Хорст, ведущий автор исследования и исследователь в Институте электромагнитных полей ETH Zurich во главе с профессором Юргом Лейтхольдом.

Лазерный луч проходит через плотную атмосферу у земли. При этом многие факторы — разнообразная турбулентность в воздухе над высокими заснеженными горами, водная гладь озера Тун, плотно застроенная агломерация Тун и плоскость Ааре — влияют на движение световых волн и, следовательно, на передачу данных. Мерцание воздуха, вызванное тепловыми явлениями, нарушает равномерное движение света и может быть замечено в жаркие летние дни невооруженным глазом.

Спутниковый интернет использует медленную микроволновую передачу

Подключение к Интернету через спутник не является чем-то новым. Самым известным примером сегодня является Starlink Илона Маска, сеть из более чем 2 спутников, вращающихся близко к Земле, которая обеспечивает доступ в Интернет практически во всех уголках мира. Однако для передачи данных между спутниками и наземными станциями используются радиотехнологии, которые значительно менее мощные. Подобно беспроводной локальной сети (WLAN) или мобильной связи, такие технологии работают в микроволновом диапазоне спектра и, таким образом, имеют длины волн размером в несколько сантиметров.

Лазерные оптические системы, напротив, работают в ближнем инфракрасном диапазоне с длинами волн в несколько микрометров, которые примерно в 10 000 раз короче. В результате они могут передавать больше информации в единицу времени.

Чтобы обеспечить достаточно сильный сигнал к тому времени, когда он достигнет удаленного приемника, параллельные световые волны лазера посылаются через телескоп (несколько десятков сантиметров в диаметре). Этот широкий луч света должен быть точно направлен на приемный телескоп диаметром того же порядка, что и ширина проходящего светового луча по прибытии.

Вскоре спутники могут заменить дорогостоящие глубоководные кабели в качестве интернет-магистрали. Фото: ETH Zurich / Янник Хорст

Модулированные сигналы для компенсации турбулентности

Для достижения максимально возможной скорости передачи данных световая волна лазера модулируется таким образом, что приемник может обнаруживать различные состояния, закодированные в одном символе. Это означает, что каждый символ передает более одного бита информации. На практике это связано с различными амплитудами и фазовыми углами световой волны. Каждая комбинация фазового угла и амплитуды затем образует другой информационный символ, который может быть закодирован в передаваемый символ. Таким образом, со схемой, содержащей 16 состояний (16 QAM), каждое колебание может передавать 4 бита, а со схемой, содержащей 64 состояния (64 QAM), 6 бит.

Флуктуирующая турбулентность частиц воздуха приводит к различным скоростям световых волн как внутри, так и по краям светового конуса. В результате, когда световые волны поступают на детектор приемной станции, амплитуды и фазовые углы либо складываются, либо компенсируют друг друга, создавая ложные значения.

Зеркала корректируют фазу волны 1,500 раз в секунду

Чтобы предотвратить эти ошибки, парижский партнер по проекту ONERA развернул чип микроэлектромеханической системы (MEMS) с матрицей из 97 крошечных регулируемых зеркал. Деформации зеркал корректируют фазовый сдвиг луча на его поверхности пересечения вдоль измеренного в настоящее время градиента 1,500 раз в секунду, в конечном итоге улучшая сигналы примерно в 500 раз.

Это улучшение было необходимо для достижения пропускной способности 1 терабит в секунду на расстоянии 53 километра, отмечает Хорст.

Впервые были продемонстрированы новые робастные форматы модуляции света. Это позволило значительно повысить чувствительность обнаружения и, следовательно, высокую скорость передачи данных даже при самых плохих погодных условиях или при низкой мощности лазера. Это увеличение достигается за счет умелого 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», — объясняет Хорст.

В целом, для успеха проекта требовались конкретные навыки трех партнеров. Французская космическая компания Thales Alenia Space является экспертом в области наведения лазеров с сантиметровой точностью на тысячи километров в космосе. ONERA, также французский, является аэрокосмическим научно-исследовательским институтом, обладающим опытом в области адаптивной оптики на основе MEMS, которая в значительной степени устранила эффекты мерцания в воздухе. Наиболее эффективный метод модуляции сигнала, который необходим для высоких скоростей передачи данных, является специализацией исследовательской группы Leuthold ETH Zurich.

До 40 терабит в секунду

Результаты эксперимента, впервые представленные на Европейской конференции по оптической связи (ECOC) в Базеле, вызывают сенсацию во всем мире. Лойтхольд говорит: «Наша система представляет собой прорыв. До сих пор были возможны только два варианта: подключение либо больших расстояний с небольшой пропускной способностью в несколько гигабит, либо коротких расстояний в несколько метров с большой пропускной способностью с использованием лазеров в свободном пространстве».

Более того, производительность в 1 терабит в секунду была достигнута с одной длиной волны. В будущих практических приложениях система может быть легко масштабирована до 40 каналов и, следовательно, до 40 терабит в секунду с использованием стандартных технологий.

Тем не менее, расширение масштабов - это не то, чем Лойтхольд и его команда будут заниматься; Практическая реализация концепции в товарном продукте будет осуществляться отраслевыми партнерами. Тем не менее, есть одна часть работы, которую ученые ETH Zurich будут продолжать выполнять: в будущем новый формат модуляции, который они разработали, вероятно, увеличит пропускную способность в других методах передачи данных, где энергия луча может стать ограничивающим фактором.

Оригинал статьи: Yannik Horst et al, Tbit/s line-rate satellite feeder links enabled by coherent modulation and full-adaptive optics, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01201-7 🔗