Лазеры для оптической передачи данных могут передавать несколько десятков терабит в секунду, несмотря на огромную турбулентность воздуха. Ученые ETH Zurich и их европейские партнеры продемонстрировали эту способность с помощью лазеров между горной вершиной Юнгфрауйох и городом Берн в Швейцарии. Это вскоре устранит необходимость в дорогостоящих глубоководных кабелях.

Магистраль Интернета образована плотной сетью волоконно-оптических кабелей, каждый из которых передает более 100 терабит данных в секунду (1 терабит = 1012 цифровых сигналов 1/0) между узлами сети. Соединения между континентами осуществляются по глубоководным сетям, что сопряжено с огромными затратами: 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 постоянно растет.

Однако вскоре эти расходы могут существенно сократиться. Ученые из ETH Zurich, работающие совместно с партнерами из космической отрасли, продемонстрировали терабитную оптическую передачу данных по воздуху в рамках европейского проекта Horizon 2020. В будущем это позволит осуществлять гораздо более экономичные и быстрые магистральные соединения через группировки околоземных спутников. Их работа опубликована в журнале Light: Science & Applications.

Сложные условия между Юнгфрауйохом и Берном

Чтобы достичь этого рубежа, партнеры по проекту сделали значительный шаг вперед в создании спутниковой оптической линии связи благодаря успешному тестированию, проведенному между альпийской горной вершиной Юнгфрауйох и швейцарским городом Берн. Хотя лазерная система не была протестирована непосредственно на орбитальном спутнике, они обеспечили высокую скорость передачи данных на расстояние свободного пространства в 53 км (33 мили).

«Для оптической передачи данных наш тестовый маршрут между высокогорной исследовательской станцией Юнгфрауйох и Циммервальдской обсерваторией Бернского университета гораздо сложнее, чем между спутником и наземной станцией», — объясняет Янник Хорст, ведущий автор исследования и научный сотрудник Цюрихского института электромагнитных исследований ETH. Поля, возглавляемого профессором Юргом Лойтхольдом.

Лазерный луч проходит через плотные слои атмосферы вблизи земли. При этом многие факторы — разнообразная турбулентность в воздухе над высокими заснеженными горами, водная гладь озера Тун, густонаселенный городской район Тун и плоскость Аре — влияют на движение световых волн и, следовательно, также 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 на сегодняшний день является Starlink Илона Маска, сеть из более чем 2000 спутников, вращающихся близко к Земле, которая обеспечивает доступ в Интернет практически во все уголки мира. Однако для передачи данных между спутниками и наземными станциями используются радиотехнологии, которые значительно менее мощны. Подобно беспроводной локальной сети (WLAN) или мобильной связи, такие технологии работают в микроволновом диапазоне спектра и, таким образом, имеют длину волны 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 за единицу времени.

Чтобы обеспечить достаточно сильный сигнал к тому времени, когда он достигнет удаленного приемника, параллельные световые волны лазера посылаются через телескоп, диаметр которого может достигать нескольких десятков сантиметров. Этот широкий луч света должен быть точно направлен на приемный телескоп с диаметром того же порядка величины, что и ширина проходящего светового луча по прибытии.

Вскоре спутники смогут заменить дорогостоящие глубоководные кабели в качестве магистрали Интернета. Фото: ETH Zurich / Янник Хорст

Турбулентность подавляет модулированные сигналы

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 формирует другой информационный символ, который может быть закодирован в передаваемый символ. Таким образом, при схеме, содержащей 16 состояний (16 QAM), каждое колебание может передавать 4 бита, а при схеме, содержащей 64 состояния (64 QAM), 6 бит.

Колеблющаяся турбулентность частиц воздуха приводит к изменению скорости 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 суммируются, либо нейтрализуют друг друга, создавая ложные значения.

Зеркала корректируют фазу волны 1500 раз в секунду

Чтобы предотвратить эти ошибки, партнер проекта ONERA из Парижа внедрил микросхему микроэлектромеханической системы (MEMS) с матрицей из 97 крошечных регулируемых зеркал. Деформации зеркал корректируют фазовый сдвиг луча на поверхности его пересечения вдоль измеряемого в настоящее время градиента 1500 раз в секунду, что в конечном итоге улучшает качество сигналов примерно в 500 раз.

Хорст отмечает, что это улучшение было необходимо для достижения пропускной способности в 1 терабит в секунду на расстоянии 53 километров.

Впервые были продемонстрированы новые надежные форматы модуляции света. Это позволило значительно повысить чувствительность обнаружения и, следовательно, высокую скорость передачи данных даже в самых неблагоприятных погодных условиях или при низкой мощности лазера. Это увеличение достигается за счет хитроумного кодирования информационных битов в свойствах световой волны, таких как амплитуда, фаза и поляризация. «Благодаря нашему новому формату модуляции с бинарной фазовой манипуляцией 4D, или BPSK, бит информации все еще может быть правильно обнаружен приемником даже при очень небольшом количестве — около четырех — частиц света», — объясняет Хорст.

В целом, для успеха проекта требовались особые навыки трех партнеров. Французская космическая компания Thales Alenia Space является экспертом в наведении лазеров с сантиметровой точностью на тысячи километров в космосе. ONERA, также французский, является институтом аэрокосмических исследований, специализирующимся на адаптивной оптике на основе MEMS, которая в значительной степени устранила эффект мерцания в воздухе. Наиболее эффективный метод модуляции сигнала, который необходим для обеспечения высокой скорости передачи данных, является специальностью исследовательской группы Leuthold в ETH Zurich.

Легко расширяемый до 40 терабит в секунду

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

Более того, производительность в 1 терабит в секунду была достигнута при использовании одной длины волны. В будущих практических приложениях система может быть легко расширена до 40 каналов и, таким образом, до 40 терабит в секунду с использованием стандартных технологий.

Однако расширение масштабов — это не то, чем будут заниматься Лойтхольд и его команда; практическая реализация концепции в товарном продукте будет осуществляться отраслевыми партнерами. Тем не менее, есть одна часть работы, которой ученые ETH Zurich продолжат заниматься: в будущем разработанный ими новый формат модуляции, вероятно, увеличит полосу пропускания в других методах передачи данных, где энергия луча может стать ограничивающим фактором.