互聯(lián)網(wǎng)的主干是由密集的光纖網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，每條光纖在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間每秒傳輸高達100TB的數(shù)據(jù)。大陸之間的連接是通過深海網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，這是一筆巨大的開支：一條橫跨大西洋的電纜需要數(shù)億美元的投資。據(jù)專業(yè)咨詢公司TeleGeography介紹，目前有530條活躍的海底電纜，而且這個數(shù)字還在上升。
然而，這筆費用可能很快會大幅下降。蘇黎世聯(lián)邦理工學院的科學家與航天工業(yè)的合作伙伴合作，在歐洲地平線2020項目中展示了太比特光學數(shù)據(jù)的空中傳輸。未來，這將通過近地衛(wèi)星星座實現(xiàn)更具成本效益和更快的骨干連接。
少女峰和伯爾尼之間具有挑戰(zhàn)性的條件
為了實現(xiàn)這一里程碑，項目合作伙伴通過在阿爾卑斯山少女峰和瑞士伯爾尼市之間進行的成功測試，在建立衛(wèi)星光通信鏈路方面取得了重大飛躍。盡管激光系統(tǒng)沒有直接用軌道衛(wèi)星進行測試，但它們在53公里的自由空間距離上完成了高數(shù)據(jù)傳輸。該研究的主要作者、蘇黎世聯(lián)邦理工學院電磁場研究所研究員Yannik Horst解釋道：“對于光學數(shù)據(jù)傳輸，我們在少女峰高海拔研究站和伯爾尼大學齊美爾瓦爾德天文臺之間的測試路線比衛(wèi)星和地面站之間的測試路線更具挑戰(zhàn)性”。
激光束穿過靠近地面的稠密大氣層。在這個過程中，許多因素影響光波的運動，從而影響數(shù)據(jù)的傳輸，如：高雪上空的各種湍流-群山疊嶂，圖恩湖水面，層層疊疊-向上圖恩都市區(qū)和阿勒平面等。熱現(xiàn)象引發(fā)的空氣波光粼粼，擾亂了光的均勻運動，在炎熱的夏天可以用肉眼看到。
衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)使用慢速微波傳輸
通過衛(wèi)星連接互聯(lián)網(wǎng)并不是什么新鮮事。當今最好的例子是埃隆·馬斯克的星鏈，這是一個由2000多顆衛(wèi)星組成的靠近地球運行的網(wǎng)絡(luò)，幾乎為世界的每個角落提供互聯(lián)網(wǎng)接入。然而，在衛(wèi)星和地面站之間傳輸數(shù)據(jù)使用的是無線電技術(shù)，其功能要弱得多。像無線局域網(wǎng)或移動通信一樣，這種技術(shù)在頻譜的微波范圍內(nèi)工作，因此具有幾厘米的波長。
相比之下，激光光學系統(tǒng)在近紅外范圍內(nèi)工作，波長只有幾微米，大約短10,000倍。因此，它們可以在單位時間內(nèi)傳輸更多信息。
為了確保信號到達遠處接收器時信號足夠強，激光的平行光波通過直徑可達數(shù)十厘米的望遠鏡發(fā)送。這束寬光束必須精確瞄準接收望遠鏡，其直徑與到達時發(fā)射光束的寬度處于同一數(shù)量級。
湍流抵消了調(diào)制信號
為了實現(xiàn)盡可能高的數(shù)據(jù)速率，對激光器的光波進行調(diào)制，使接收器可以檢測編碼到單個符號上的不同狀態(tài)。這意味著每個符號傳輸多于一位的信息。實際上，這涉及光波的不同振幅和相位角。然后，相位角和幅度的每個組合形成可以被編碼到發(fā)射符號中的不同信息符號。因此，對于包括16個狀態(tài)的方案，每個振蕩可以傳輸4比特，并且對于包括64個狀態(tài)的方案，每個振蕩可以傳輸6個比特。
空氣粒子的波動湍流導致光錐內(nèi)部和邊緣的光波速度發(fā)生變化。結(jié)果，當光波到達接收站的檢測器時，振幅和相位角要么加在一起，要么相互抵消，從而產(chǎn)生錯誤的值。
每秒校正波相位1500次
為了防止這些錯誤，總部位于巴黎的項目合作伙伴ONERA部署了一個微機電系統(tǒng)芯片，該芯片具有一個由97個微型可調(diào)鏡組成的矩陣。反射鏡的變形以每秒1500次的當前測量梯度校正光束在其交叉面上的相移，最終將信號提高約500倍。
Horst指出，這一改進對于在53公里的距離內(nèi)實現(xiàn)每秒1TB的帶寬至關(guān)重要。
首次展示了新的魯棒光調(diào)制格式。這使得即使在最惡劣的天氣條件下或在低激光功率下，檢測靈敏度也能大幅提高，從而實現(xiàn)高數(shù)據(jù)率。這種增加是通過巧妙地將信息比特編碼為光波的特性來實現(xiàn)的。Horst解釋道：“利用新的4D二進制相移鍵控調(diào)制格式，即使使用非常少量的光粒子，仍然可以在接收器處正確檢測到信息位”。
可輕松擴展至每秒40太比特
該實驗結(jié)果在巴塞爾舉行的歐洲光通信會議上首次公布，引起了全世界的轟動。Leuthold說：“我們的系統(tǒng)代表了一項突破。到目前為止，只有兩種選擇：要么使用幾千兆比特的小帶寬連接長距離，要么使用自由空間激光器連接幾米的短距離和大帶寬?！?/span>
此外，利用單個波長實現(xiàn)了每秒1太比特的性能。在未來的實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)可以使用標準技術(shù)輕松地擴展到40個信道，從而擴展到每秒40太比特。
新調(diào)制格式的額外潛力
然而，擴大規(guī)模并不是Leuthold和他的團隊所關(guān)心的事情。行業(yè)合作伙伴將在適銷對路的產(chǎn)品中實際實施這一概念。盡管如此，蘇黎世聯(lián)邦理工學院的科學家們?nèi)詫⒗^續(xù)開展一項工作：未來，他們開發(fā)的新調(diào)制格式可能會增加其他數(shù)據(jù)傳輸方法的帶寬，而光束的能量可能成為限制因素。
這項研究于6月20日發(fā)表在《Light: Science & Applications》期刊上。
DOI：10.1038/s41377-023-01201-7
版權(quán)聲明：本文內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)用戶自發(fā)貢獻，該文觀點僅代表作者本人。本站僅提供信息存儲空間服務(wù)，不擁有所有權(quán)，不承擔相關(guān)法律責任。如發(fā)現(xiàn)本站有涉嫌抄襲侵權(quán)/違法違規(guī)的內(nèi)容， 請發(fā)送郵件至 舉報，一經(jīng)查實，本站將立刻刪除。