互联网的主干是由密集的光纤网络构成的，每条光纤在网络节点之间每秒传输高达100TB的数据。大陆之间的连接是通过深海网络实现的，这是一笔巨大的开支：一条横跨大西洋的电缆需要数亿美元的投资。据专业咨询公司TeleGeography介绍，目前有530条活跃的海底电缆，而且这个数字还在上升。
然而，这笔费用可能很快会大幅下降。苏黎世联邦理工学院的科学家与航天工业的合作伙伴合作，在欧洲地平线2020项目中展示了太比特光学数据的空中传输。未来，这将通过近地卫星星座实现更具成本效益和更快的骨干连接。
少女峰和伯尔尼之间具有挑战性的条件
为了实现这一里程碑，项目合作伙伴通过在阿尔卑斯山少女峰和瑞士伯尔尼市之间进行的成功测试，在建立卫星光通信链路方面取得了重大飞跃。尽管激光系统没有直接用轨道卫星进行测试，但它们在53公里的自由空间距离上完成了高数据传输。该研究的主要作者、苏黎世联邦理工学院电磁场研究所研究员Yannik Horst解释道：“对于光学数据传输，我们在少女峰高海拔研究站和伯尔尼大学齐美尔瓦尔德天文台之间的测试路线比卫星和地面站之间的测试路线更具挑战性”。
激光束穿过靠近地面的稠密大气层。在这个过程中，许多因素影响光波的运动，从而影响数据的传输，如：高雪上空的各种湍流-群山叠嶂，图恩湖水面，层层叠叠-向上图恩都市区和阿勒平面等。热现象引发的空气波光粼粼，扰乱了光的均匀运动，在炎热的夏天可以用肉眼看到。
卫星互联网使用慢速微波传输
通过卫星连接互联网并不是什么新鲜事。当今最好的例子是埃隆·马斯克的星链，这是一个由2000多颗卫星组成的靠近地球运行的网络，几乎为世界的每个角落提供互联网接入。然而，在卫星和地面站之间传输数据使用的是无线电技术，其功能要弱得多。像无线局域网或移动通信一样，这种技术在频谱的微波范围内工作，因此具有几厘米的波长。
相比之下，激光光学系统在近红外范围内工作，波长只有几微米，大约短10,000倍。因此，它们可以在单位时间内传输更多信息。
为了确保信号到达远处接收器时信号足够强，激光的平行光波通过直径可达数十厘米的望远镜发送。这束宽光束必须精确瞄准接收望远镜，其直径与到达时发射光束的宽度处于同一数量级。
湍流抵消了调制信号
为了实现尽可能高的数据速率，对激光器的光波进行调制，使接收器可以检测编码到单个符号上的不同状态。这意味着每个符号传输多于一位的信息。实际上，这涉及光波的不同振幅和相位角。然后，相位角和幅度的每个组合形成可以被编码到发射符号中的不同信息符号。因此，对于包括16个状态的方案，每个振荡可以传输4比特，并且对于包括64个状态的方案，每个振荡可以传输6个比特。
空气粒子的波动湍流导致光锥内部和边缘的光波速度发生变化。结果，当光波到达接收站的检测器时，振幅和相位角要么加在一起，要么相互抵消，从而产生错误的值。
每秒校正波相位1500次
为了防止这些错误，总部位于巴黎的项目合作伙伴ONERA部署了一个微机电系统芯片，该芯片具有一个由97个微型可调镜组成的矩阵。反射镜的变形以每秒1500次的当前测量梯度校正光束在其交叉面上的相移，最终将信号提高约500倍。
Horst指出，这一改进对于在53公里的距离内实现每秒1TB的带宽至关重要。
首次展示了新的鲁棒光调制格式。这使得即使在最恶劣的天气条件下或在低激光功率下，检测灵敏度也能大幅提高，从而实现高数据率。这种增加是通过巧妙地将信息比特编码为光波的特性来实现的。Horst解释道：“利用新的4D二进制相移键控调制格式，即使使用非常少量的光粒子，仍然可以在接收器处正确检测到信息位”。
可轻松扩展至每秒40太比特
该实验结果在巴塞尔举行的欧洲光通信会议上首次公布，引起了全世界的轰动。Leuthold说：“我们的系统代表了一项突破。到目前为止，只有两种选择：要么使用几千兆比特的小带宽连接长距离，要么使用自由空间激光器连接几米的短距离和大带宽。”
此外，利用单个波长实现了每秒1太比特的性能。在未来的实际应用中，该系统可以使用标准技术轻松地扩展到40个信道，从而扩展到每秒40太比特。
新调制格式的额外潜力
然而，扩大规模并不是Leuthold和他的团队所关心的事情。行业合作伙伴将在适销对路的产品中实际实施这一概念。尽管如此，苏黎世联邦理工学院的科学家们仍将继续开展一项工作：未来，他们开发的新调制格式可能会增加其他数据传输方法的带宽，而光束的能量可能成为限制因素。
这项研究于6月20日发表在《Light: Science & Applications》期刊上。
DOI：10.1038/s41377-023-01201-7
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