Глобальний швидкісний інтернет був би неможливим без підводних кабелів. Через них передається 95-99% усієї інформації. За приблизними підрахунками, у світі працює понад 1 000 000 кілометрів підводних кабелів. І це створює певні проблеми. Наприклад, техногіганти скуповують підводні кабелі, отримуючи можливість вільно диктувати свою волю й активно витісняти конкурентів. Іншою проблемою є вузлові точки, такі як Єгипет, де сходяться десятки підводних кабелів. Учені вже запропонували альтернативу підводним кабелям – оснащені лазерним зв’язком супутники.
Лазери в системі оптичної передачі даних можуть передавати кілька десятків терабіт на секунду, навіть незважаючи на величезну кількість руйнівної повітряної турбулентності. Вчені ETH Zurich та їхні європейські партнери продемонстрували цю здатність за допомогою лазерів між гірською вершиною Юнгфрауйох і містом Берн у Швейцарії. Це незабаром позбавить від необхідності прокладання дорогих глибоководних кабелів.
Ключова інфраструктура сучасного інтернету утворена щільною мережею волоконно-оптичних кабелів, кожен з яких передає до понад 100 терабіт даних на секунду (1 терабіт = 10 в 12 ступені бітів (одиниць та нулів).
З’єднання між континентами здійснюється через глибоководні мережі, що є величезною витратою: один кабель через Атлантику потребує інвестицій у сотні мільйонів доларів. Спеціалізована консалтингова фірма TeleGeography оголосила, що наразі існує 530 активних підводних кабелів, і ця кількість зростає.
Однак незабаром ці витрати можуть суттєво знизитися. Вчені ETH Zurich, працюючи разом з партнерами з космічної галузі, продемонстрували терабітну оптичну передачу даних по повітрю в європейському проекті Horizon 2020. У майбутньому це забезпечить набагато економічніші та швидші магістральні з’єднання через угруповання навколоземних супутників. Їхня робота опублікована в журналі Light: Science & Applications.
Щоб досягти цієї технологічної віхи, партнери проекту зробили значний крок вперед у встановленні супутникового оптичного зв’язку завдяки успішному тесту, проведеному між альпійською гірською вершиною Юнгфрауйох і швейцарським містом Берн. Хоча лазерна система не була безпосередньо на орбітальному супутнику, вони досягли високої передачі даних у вільному просторі на відстань 53 км.
«Для оптичної передачі даних наш тестовий маршрут між високогірною дослідницькою станцією на Юнгфрауйоху та обсерваторією Циммервальд Бернського університету набагато складніший, ніж між супутником і наземною станцією», — пояснює Яннік Горст, провідний автор дослідження та дослідник Інституту електромагнітних полів ETH Zurich під керівництвом професора Юрга Лойтхолда.
Лазерний промінь проходить через щільну атмосферу біля землі. У цьому процесі на рух світлових хвиль також впливає багато факторів — турбулентність повітря над високими засніженими горами, водна поверхня озера Тун, щільно забудована агломерація Тун і площина Ааре. Мерехтіння повітря, викликане тепловими явищами, порушує рівномірний рух світла, що його можна побачити неозброєним оком у спекотні літні дні як марево.
Підключення до інтернету через супутник не є чимось новим. Найвідомішим прикладом сьогодні є Starlink Ілона Маска – мережа з понад 2000 супутників, що обертаються близько до Землі, яка надає доступ до інтернету практично в кожному куточку світу.
Однак для передачі даних між супутниками та наземними станціями використовуються радіотехнології, які є значно менш потужними. Подібно до бездротової локальної мережі (WLAN) або мобільного зв’язку, такі технології працюють у мікрохвильовому діапазоні спектру і, таким чином, мають довжину хвилі в кілька сантиметрів. Сантиметрова хвиля надає невелику пропускну здатність.
Лазерні оптичні системи, навпаки, працюють у ближньому інфрачервоному діапазоні з довжинами хвиль у кілька мікрометрів, які приблизно в 10 000 разів коротші за радіохвилі. В результаті вони можуть транспортувати більше інформації за одиницю часу.
Щоб забезпечити достатньо потужний сигнал до того моменту, коли він досягає віддаленого приймача, паралельні світлові хвилі лазера надсилаються через телескоп, який може мати кілька десятків сантиметрів у діаметрі. Широкий промінь світла має бути точно спрямований на приймальний телескоп з діаметром такого ж порядку, як і ширина пучка випущеного світла після.
Для досягнення максимально можливої швидкості передачі даних світлова хвиля лазера модулюється таким чином, що приймач може виявляти різні стани світла, закодовані в одному пакеті світлового імпульсу. Це означає, що кожен шьпульс передає більше одного біта інформації. На практиці це включає різні амплітуди та фазові кути світлової хвилі. Потім кожна комбінація фазового кута й амплітуди формує інший інформаційний символ. Так, при схемі, що містить 16 станів (16 QAM), кожне коливання світлової хвилі може передати 4 біти, а при схемі, що містить 64 стани (64 QAM) – 6 бітів.
Турбулентність повітряних частинок призводить до зміни швидкості світлових хвиль як усередині, так і на краях світлового конуса. У результаті, коли світлові хвилі надходять на детектор приймальної станції, амплітуди та фазові кути або складаються, або гасять один одного, створюючи хибні значення.
Щоб запобігти цим помилкам, паризький партнер проекту ONERA створив чип мікроелектромеханічної системи (MEMS) із матрицею з 97 крихітних регульованих дзеркал. Деформації дзеркал коригують фазовий зсув променя 1500 разів на секунду, в кінцевому підсумку покращуючи сигнали приблизно в 500 разів.
Це вдосконалення було важливим для досягнення пропускної здатності 1 терабіт на секунду на відстані 53 кілометри, зазначає Хорст.
Вперше були продемонстровані нові надійні формати модуляції світла. Це дозволило значно збільшити чутливість виявлення сигналу і, отже, отримати високу швидкість передачі даних навіть за найгірших погодних умов або при низькій потужності лазера.
Це збільшення досягається шляхом грамотного кодування інформаційних бітів у властивостях світлової хвилі, таких як амплітуда, фаза та поляризація.
«Завдяки нашому новому формату 4D бінарної фазової маніпуляції, або BPSK, формат модуляції, інформаційний біт може бути правильно виявлений на приймачі навіть з дуже невеликою кількістю — близько чотирьох — легких частинок», — пояснює Хорст.
Загалом для успіху проекту були потрібні специфічні навички трьох партнерів. Французька космічна компанія Thales Alenia Space є експертом у націлюванні лазерів із сантиметровою точністю на відстані тисячі кілометрів у космосі. ONERA, також французька, є аерокосмічним науково-дослідним інститутом, який має досвід адаптивної оптики на основі MEMS, яка значною мірою усунула вплив потоків повітря. Найефективніший метод модуляції сигналу, необхідний для високої швидкості передачі даних, є спеціалізацією дослідницької групи ETH Zurich Лейтхольда.
Результати експерименту, вперше представлені на Європейській конференції з оптичного зв’язку (ECOC) у Базелі, викликають фурор у всьому світі. Лойтольд каже: «Наша система є проривом. Досі були можливі лише два варіанти: з’єднання великих відстаней із малою смугою пропускання в кілька гігабіт або коротких відстаней у кілька метрів із великою смугою пропускання за допомогою лазерів вільного простору».
Нова розробка також має перспективи для розвитку, оскільки продуктивність 1 терабіт на секунду була досягнута лише на одній довжині хвилі. У майбутніх практичних застосуваннях систему можна буде легко розширити до 40 каналів і, таким чином, до 40 терабіт на секунду за допомогою стандартних технологій.
Однак збільшення масштабів — це не те, чим Лейтольд і його команда будуть хвилюватися. Практична реалізація концепції в товарному продукті буде здійснена галузевими партнерами. Але є одна частина роботи, яку вчені ETH Zurich продовжать: у майбутньому новий формат модуляції, який вони розробили, ймовірно, збільшить пропускну здатність в інших методах передачі даних, де енергія променя може стати обмежуючим фактором.
За матеріалами: TechExplore
