Глобальный скоростной интернет был бы невозможен без подводных кабелей. Через них передается 95-99% всей информации. По приблизительным подсчетам, в мире работает более 1 000 000 км подводных кабелей. И это создает некоторые проблемы. Например, техногиганты скупают подводные кабели, получая возможность свободно диктовать свою. свободу и активно вытеснять конкурентов. Другой проблемой является узловые точки, такие как узловые точки, такие как узловые точки, такие как узловые точки, такие как Египет, где сходятся десятки подводных кабелей. Ученые уже предложили альтернативу подводным кабелям – оснащенные лазерной связью спутники.
Лазеры в системе оптической передачи данных могут передавать несколько десятков терабит в секунду, даже несмотря на множество разрушительной воздушной турбулентности. Ученые ETH Zurich и их европейские партнеры продемонстрировали эту способность с помощью лазеров между горной вершиной Юнгфрауйох и городом Берн в Швейцарии. Это вскоре избавит от необходимости прокладки дорогостоящих глубоководных кабелей.
Ключевая инфраструктура современного интернета образована плотной сетью волоконно-оптических кабелей, каждый из которых передает более 100 терабит данных в секунду (1 терабит = 10 в 12 степени битов (единиц и нулей).
Соединение между континентами осуществляется через глубоководные сети, что является огромным расходом: один кабель через Атлантику нуждается в инвестициях в сотни миллионов долларов. Специализированная консалтинговая фирма TeleGeography объявила, что в настоящее время существует 530 активных подводных кабелей, и это растет.
Однако вскоре эти расходы могут существенно снизиться. Ученые ETH Zurich, работая вместе с партнерами по космической отрасли, продемонстрировали терабитную оптическую передачу данных по воздуху в европейском проекте Horizon 2020. В будущем это обеспечит гораздо более экономичные и более быстрые магистральные соединения через группировки околоземных спутников. Их работа опубликована в журнале Light: Science & Applications.
Для достижения этой технологической вехи партнеры проекта сделали значительный шаг вперед в установлении спутниковой оптической связи благодаря успешному тесту, проведенному между альпийской горной вершиной Юнгфрауйох и швейцарским городом Берн. Хотя лазерная система не была непосредственно на орбитальном спутнике, они добились высокой передачи данных в свободном пространстве на расстояние 53 км.
«Для оптической передачи данных наш тестовый маршрут между высокогорной исследовательской станцией на Юнгфрауйохе и обсерваторией Циммервальд Бернского университета намного сложнее, чем между спутником и наземной станцией», — объясняет Янник Горст, ведущий автор исследования и исследователь Института электромагнитных полей ETH Zurich под руководством .
Лазерный луч проходит через плотную атмосферу у земли. В этом процессе на движение световых волн также влияют многие факторы — турбулентность воздуха над высокими заснеженными горами, водная поверхность озера Тун, плотно застроенная агломерация Тун и плоскость Ааре. Мелькание воздуха, вызванное тепловыми явлениями, нарушает равномерное движение света, которое можно увидеть невооруженным глазом в жаркие летние дни как марево.
Подключение к интернету через спутник не является новым. Самым известным примером сегодня является Starlink Илона Маска – сеть из более 2000 спутников, вращающихся близко к Земле, предоставляющая доступ к интернету практически в каждом уголке мира.
Однако для передачи данных между спутниками и наземными станциями используются радиотехнологии, значительно менее мощные. Подобно беспроводной локальной сети (WLAN) или мобильной связи, такие технологии работают в микроволновом диапазоне спектра и, таким образом, имеют длину волны в несколько сантиметров. Сантиметровая волна придает небольшую пропускную способность.
Лазерные оптические системы, напротив, работают в ближнем инфракрасном диапазоне с длинами волн в несколько микрометров, которые примерно в 10 000 раз короче радиоволн. В результате они могут транспортировать больше информации в единицу времени.
Чтобы обеспечить достаточно мощный сигнал к тому моменту, когда он достигает удаленного приемопередатчика, параллельные световые волны лазера посылаются через телескоп, который может иметь несколько десятков сантиметров в диаметре. Широкий луч света должен быть направлен на приемный телескоп с диаметром такого же порядка, как и ширина пучка выпущенного света после.
Для достижения максимально возможной скорости передачи данных световая волна лазера модулируется таким образом, что приемопередатчик может обнаруживать различные состояния света, закодированные в одном пакете светового импульса. Это означает, что каждый пульс передает более одного бита информации. На практике это включает в себя различные амплитуды и фазовые углы световой волны. Затем каждое сочетание фазового угла и амплитуды формирует другой информационный символ. Так, при схеме, содержащей 16 состояний (16 QAM), каждое колебание световой волны может передать 4 бита, а при схеме, содержащей 64 состояния (64 QAM) – 6 битов.
Турбулентность воздушных частиц приводит к изменению скорости световых волн как внутри, так и на краях светового конуса. В результате, когда световые волны поступают на детектор приемной станции, амплитуды и фазовые углы либо складываются, либо гасят друг друга, создавая ложные значения.
Чтобы предотвратить эти ошибки, парижский партнер проекта ONERA создал чип микроэлектромеханической системы (MEMS) с матрицей из 97 крошечных регулируемых зеркал. Деформации зеркал корректируют фазовое смещение луча 1500 раз в секунду, в конечном счете улучшая сигналы примерно в 500 раз.
Это усовершенствование было важным для достижения пропускной способности 1 терабит в секунду на расстоянии 53 километра, отмечает Хорст.
Впервые продемонстрированы новые надежные форматы модуляции света. Это позволило значительно увеличить чувствительность обнаружения сигнала и, следовательно, получить высокую скорость передачи данных даже в самых плохих погодных условиях или при низкой мощности лазера.
Это увеличение достигается путем грамотного кодирования информационных битов в свойствах световой волны, таких как амплитуда, фаза и поляризация.
«Благодаря нашему новому формату 4D бинарной фазовой манипуляции, или BPSK, формат модуляции, информационный бит может быть правильно обнаружен на приемнике даже с очень небольшим количеством – около четырех – легких частиц», – объясняет Хорст.
В целом для успеха проекта требовались специфические навыки трех партнеров. Французская космическая компания Thales Alenia Space является экспертом в таргетинге лазеров с сантиметровой точностью на расстоянии тысячи километров в космосе. ONERA, также французский, является аэрокосмическим научно-исследовательским институтом, имеющим опыт адаптивной оптики на основе MEMS, в значительной степени устранившей влияние потоков воздуха. Эффективный метод модуляции сигнала, необходимый для высокой скорости передачи данных, является специализацией исследовательской группы ETH Zurich Лейтхольда.
Результаты эксперимента, впервые представленные на Европейской конференции по оптической связи (ECOC) в Базеле, производят фурор во всем мире. Лойтольд говорит: «Наша система есть прорыв. До сих пор были возможны только два варианта: соединение больших расстояний с малой полосой пропускания в несколько гигабит или коротких расстояний в несколько метров с большой полосой пропускания с помощью лазеров свободного пространства».
Новая разработка также имеет перспективы для развития, поскольку производительность 1 терабит в секунду была достигнута только на одной длине волны. В будущих практических приложениях систему можно будет легко расширить до 40 каналов и, таким образом, до 40 терабит в секунду с помощью стандартных технологий.
Однако увеличение масштабов – это не то, чем Лейтольд и его команда будут волноваться. Практическая реализация концепции товарного продукта будет осуществлена ??отраслевыми партнерами. Но есть одна часть работы, которую ученые ETH Zurich продолжат: в будущем новый формат модуляции, который они разработали, вероятно увеличит пропускную способность в других методах передачи данных, где энергия может стать ограничивающим фактором.
По материалам: TechExplore
uk
ru
en
g
y
b
d
