I laser possono trasmettere diverse decine di terabit al secondo

Laser ottici per comunicazioni dati può trasmettere diverse decine di terabit al secondo, nonostante un’enorme quantità di turbolenze d’aria dirompenti.

Gli scienziati dell’ETH di Zurigo ei loro partner europei hanno dimostrato questa capacità con i laser tra la vetta della montagna svizzera, lo Jungfraujoch e Berna. Ciò eliminerà presto la necessità di costosi cavi per acque profonde.

La spina dorsale di internet è formata da una fitta rete di cavi in ​​fibra ottica, ognuno dei quali trasporta fino a più di 100 terabit di dati al secondo (1 terabit = 10¹² segnali digitali 1/0) tra i nodi della rete.

I collegamenti tra i continenti avvengono tramite reti di acque profonde, una spesa enorme: un singolo cavo attraverso l’Atlantico richiede un investimento di centinaia di milioni di dollari. TeleGeography, una società di consulenza specializzata, ha annunciato che attualmente ci sono 530 cavi sottomarini attivi – e quel numero è in aumento.

Presto, tuttavia, questa spesa potrebbe diminuire notevolmente. Gli scienziati dell’ETH di Zurigo, in collaborazione con partner dell’industria spaziale, hanno dimostrato la trasmissione ottica di dati terabit attraverso l’aria utilizzando i laser in un progetto europeo Horizon 2020. In futuro, ciò consentirà connessioni backbone molto più convenienti e molto più veloci tramite costellazioni di satelliti vicini alla Terra.

Condizioni difficili per le comunicazioni laser tra lo Jungfraujoch e Berna

Per raggiungere questa pietra miliare, i partner del progetto hanno compiuto un significativo balzo in avanti nello stabilire un collegamento di comunicazione ottico satellitare attraverso un test condotto con successo tra la vetta della montagna alpina, Jungfraujoch, e la città svizzera di Berna.

Sebbene il sistema laser non sia stato testato direttamente con un satellite in orbita, è riuscito a trasmettere dati ad alta velocità su una distanza nello spazio libero di 53 km (33 miglia).

“Per la trasmissione ottica dei dati, il nostro percorso di prova tra la High Altitude Research Station sullo Jungfraujoch e l’Osservatorio di Zimmerwald presso l’Università di Berna è molto più impegnativo rispetto a quello tra un satellite e una stazione di terra”, spiega Yannik Horst, autore principale dello studio e un ricercatore presso l’Istituto di campi elettromagnetici dell’ETH di Zurigo diretto dal professor Jürg Leuthold.

Il raggio laser viaggia attraverso la densa atmosfera vicino al suolo. Nel processo, molti fattori – diverse turbolenze nell’aria sopra le alte montagne innevate, la superficie dell’acqua del lago di Thun, l’area metropolitana densamente edificata di Thun e la pianura dell’Aar – influenzano il movimento delle onde luminose e di conseguenza anche la trasmissione dei dati.

Il luccichio dell’aria, innescato da fenomeni termici, disturba il movimento uniforme della luce ed è visibile ad occhio nudo nelle calde giornate estive.

Internet via satellite utilizza la trasmissione a microonde lenta

Le connessioni Internet via satellite non sono una novità. L’esempio più noto oggi è Starlink di Elon Musk, una rete di oltre 2.000 satelliti in orbita vicino alla Terra che fornisce accesso a Internet praticamente in ogni angolo del mondo.

Tuttavia, la trasmissione di dati tra satelliti e stazioni terrestri utilizza tecnologie radio, che sono notevolmente meno potenti. Come una rete locale senza fili (WLAN) o le comunicazioni mobili, tali tecnologie operano nella gamma delle microonde dello spettro e hanno quindi lunghezze d’onda che misurano diversi centimetri.

I sistemi ottici laser, al contrario, operano nella gamma del vicino infrarosso con lunghezze d’onda di pochi micrometri, che sono circa 10.000 volte più corte. Di conseguenza, possono trasportare più informazioni per unità di tempo.

Per garantire un segnale sufficientemente forte nel momento in cui raggiunge un ricevitore distante, le onde luminose parallele del laser vengono inviate attraverso un telescopio che può misurare diverse decine di centimetri di diametro. Questo ampio raggio di luce deve essere puntato con precisione su un telescopio ricevente con un diametro dello stesso ordine di grandezza della larghezza del raggio di luce trasmesso all’arrivo.

La turbolenza annulla i segnali modulati

Per ottenere la massima velocità di trasmissione dati possibile, l’onda luminosa del laser viene modulata in modo tale che un ricevitore possa rilevare diversi stati codificati su un singolo simbolo. Ciò significa che ogni simbolo trasmette più di un bit di informazione.

In pratica, ciò comporta diverse ampiezze e angoli di fase dell’onda luminosa. Ogni combinazione di angolo di fase e ampiezza forma quindi un diverso simbolo di informazione che può essere codificato in un simbolo trasmesso. Pertanto, con uno schema comprendente 16 stati (16 QAM), ogni oscillazione può trasmettere 4 bit, e con uno schema comprendente 64 stati (64 QAM), 6 bit.

La turbolenza fluttuante delle particelle d’aria si traduce in velocità variabili delle onde luminose sia all’interno che ai bordi del cono di luce. Di conseguenza, quando le onde luminose arrivano al rivelatore della stazione ricevente, le ampiezze e gli angoli di fase si sommano o si annullano a vicenda, producendo valori falsi.

Specchia la fase dell’onda corretta 1.500 volte al secondo

Per prevenire questi errori, ONERA, partner del progetto con sede a Parigi, ha utilizzato un chip MEMS (microelectromechanical system) con una matrice di 97 minuscoli specchi regolabili.

Le deformazioni degli specchi correggono lo sfasamento del raggio sulla sua superficie di intersezione lungo il gradiente attualmente misurato 1.500 volte al secondo, migliorando infine i segnali di un fattore di circa 500.

Questo miglioramento è stato essenziale per ottenere una larghezza di banda di 1 terabit al secondo su una distanza di 53 chilometri, sottolinea Horst.

Per la prima volta sono stati dimostrati nuovi robusti formati di modulazione della luce. Ciò ha consentito un enorme aumento della sensibilità di rilevamento e quindi un’elevata velocità dei dati, anche nelle peggiori condizioni meteorologiche o con una bassa potenza del laser. Questo aumento si ottiene codificando in modo intelligente i bit di informazione nelle proprietà dell’onda luminosa come ampiezza, fase e polarizzazione.

“Con il nostro nuovo formato di modulazione BPSK (binary phase-shift keying) 4D, un bit di informazione può ancora essere rilevato correttamente nel ricevitore anche con un numero molto piccolo, circa quattro, di particelle di luce”, spiega Horst.

Tutto sommato, per il successo del progetto erano necessarie le competenze specifiche di tre partner. La società spaziale francese Thales Alenia Space è esperta nel puntare i laser con precisione centimetrica su migliaia di chilometri nello spazio. ONERA, anch’esso francese, è un istituto di ricerca aerospaziale con esperienza nell’ottica adattiva basata su MEMS, che ha in gran parte eliminato gli effetti del luccichio nell’aria.

Il metodo più efficace di modulazione del segnale, essenziale per velocità di trasferimento dati elevate, è una specialità del gruppo di ricerca ETH di Zurigo di Leuthold.

Facilmente espandibile fino a 40 terabit al secondo

I risultati dell’esperimento, presentati per la prima volta alla Conferenza europea sulla comunicazione ottica (ECOC) di Basilea, stanno facendo scalpore in tutto il mondo.

Leuthold afferma: “Il nostro sistema rappresenta una svolta. Finora erano possibili solo due opzioni: collegare grandi distanze con piccole larghezze di banda di pochi gigabit o brevi distanze di pochi metri con grandi larghezze di banda utilizzando laser nello spazio libero”.

Inoltre, le prestazioni di 1 terabit al secondo sono state raggiunte con una singola lunghezza d’onda. Nelle future applicazioni pratiche, il sistema può essere facilmente scalato fino a 40 canali e quindi a 40 terabit al secondo utilizzando tecnologie standard.

Potenziale aggiuntivo per il nuovo formato di modulazione

Tuttavia, il ridimensionamento non è qualcosa di cui Leuthold e il suo team si occuperanno; l’implementazione pratica del concetto in un prodotto commerciabile sarà effettuata dai partner del settore.

Tuttavia, c’è una parte del lavoro che gli scienziati dell’ETH di Zurigo continueranno a portare avanti: in futuro, il nuovo formato di modulazione che hanno sviluppato probabilmente aumenterà le larghezze di banda in altri metodi di trasmissione dati in cui l’energia del raggio può diventare un fattore limitante .

Fonte: ETH Zurigo