重磅！科學(xué)家利用激光通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)（激光打衛(wèi)星技術(shù)）
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(diǎn)之間每秒傳輸高達(dá)100TB的數(shù)據(jù)。大陸之間的連接是通過深海網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(gè)數(shù)字還在上升。
然而，這筆費(fèi)用可能很快會大幅下降。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家與航天工業(yè)的合作伙伴合作，在歐洲地平線2020項(xiàng)目中展示了太比特光學(xué)數(shù)據(jù)的空中傳輸。未來，這將通過近地衛(wèi)星星座實(shí)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(shí)現(xiàn)這一里程碑，項(xiàng)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(jìn)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(jìn)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(xué)院電磁場研究所研究員Yannik Horst解釋道：“對于光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸，我們在少女峰高海拔研究站和伯爾尼大學(xué)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(gè)過程中，許多因素影響光波的運(yùn)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(yùn)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(dāng)今最好的例子是埃隆·馬斯克的星鏈，這是一個(gè)由2000多顆衛(wèi)星組成的靠近地球運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)，幾乎為世界的每個(gè)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(xué)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(shí)間內(nèi)傳輸更多信息。
為了確保信號到達(dá)遠(yuǎn)處接收器時(shí)信號足夠強(qiáng)，激光的平行光波通過直徑可達(dá)數(shù)十厘米的望遠(yuǎn)鏡發(fā)送。這束寬光束必須精確瞄準(zhǔn)接收望遠(yuǎn)鏡，其直徑與到達(dá)時(shí)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(shí)現(xiàn)盡可能高的數(shù)據(jù)速率，對激光器的光波進(jìn)行調(diào)制，使接收器可以檢測編碼到單個(gè)符號上的不同狀態(tài)。這意味著每個(gè)符號傳輸多于一位的信息。實(shí)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(gè)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(gè)狀態(tài)的方案，每個(gè)振蕩可以傳輸4比特，并且對于包括64個(gè)狀態(tài)的方案，每個(gè)振蕩可以傳輸6個(gè)比特。
空氣粒子的波動湍流導(dǎo)致光錐內(nèi)部和邊緣的光波速度發(fā)生變化。結(jié)果，當(dāng)光波到達(dá)接收站的檢測器時(shí)，振幅和相位角要么加在一起，要么相互抵消，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的值。
每秒校正波相位1500次
為了防止這些錯(cuò)誤，總部位于巴黎的項(xiàng)目合作伙伴ONERA部署了一個(gè)微機(jī)電系統(tǒng)芯片，該芯片具有一個(gè)由97個(gè)微型可調(diào)鏡組成的矩陣。反射鏡的變形以每秒1500次的當(dāng)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(jìn)對于在53公里的距離內(nèi)實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)的。Horst解釋道：“利用新的4D二進(jìn)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(kuò)展至每秒40太比特
該實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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。”
此外，利用單個(gè)波長實(shí)現(xiàn)了每秒1太比特的性能。在未來的實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)可以使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)輕松地?cái)U(kuò)展到40個(gè)信道，從而擴(kuò)展到每秒40太比特。
新調(diào)制格式的額外潛力
然而，擴(kuò)大規(guī)模并不是Leuthold和他的團(tuán)隊(duì)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(shí)際實(shí)施這一概念。盡管如此，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家們?nèi)詫⒗^續(xù)開展一項(xiàng)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(xiàng)研究于6月20日發(fā)表在《Light: Science & Applications》期刊上。
DOI：10.1038/s41377-023-01201-7
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