L’esperimento di ottica adattiva alpina apre la strada al terabit

Ricercatori svizzeri hanno trasmesso e ricevuto dati ottici a velocità superiori a 10 Tbit/s tra una vetta alpina e un osservatorio dell'Università di Berna, una distanza di 53 chilometri. Si tratta di una cifra più di cinque volte superiore a quella necessaria per stabilire un collegamento di comunicazione satellite-terra e il team afferma che il metodo potrebbe essere utilizzato per creare connessioni Internet più veloci ed economiche per le costellazioni di satelliti in orbita vicino alla Terra. .

I sistemi di costellazione di satelliti come Starlink di SpaceX (una rete di oltre 2000 satelliti in orbita vicino alla Terra) promettono di portare l'accesso a Internet in tutto il mondo tramite comunicazioni laser spaziali. Il principio è che le zone che non hanno accesso alla tecnologia dei cavi in ​​fibra ottica, che costituisce la spina dorsale della moderna Internet, potrebbero invece essere collegate alla rete ottica tramite satelliti.

Attualmente la trasmissione dei dati tra satelliti e stazioni terrestri si basa principalmente su tecnologie a radiofrequenza, che operano nella gamma delle microonde dello spettro elettromagnetico e hanno lunghezze d'onda di centimetri. I sistemi ottici laser, al contrario, operano nella gamma del vicino infrarosso e le loro lunghezze d’onda su scala micrometrica sono circa 10.000 volte più corte delle onde radio. Ciò consente loro di trasportare più dati nello stesso lasso di tempo. Infatti, diversi esperimenti precedenti hanno dimostrato che le tecnologie di comunicazione ottica nello spazio libero possono trasmettere dati a velocità di 100 Gbit/s su distanze fino a 10 km e 1 Tbit/s su distanze fino a 3 m in un singolo canale.

Lo svantaggio è che tali sistemi si basano su formati di modulazione avanzati di ordine elevato e quindi richiedono rapporti segnale-rumore elevati, possibili solo su distanze relativamente brevi. I futuri collegamenti satellitari richiederanno anche velocità di trasmissione dati ancora più elevate, dell'ordine di 500 Gbit/s o più.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori guidati da Juerg Leuthold, capo del Dipartimento di informatica ed ingegneria elettrica (D-ITET) dell'ETH di Zurigo, hanno stabilito un collegamento di comunicazione ottica satellitare tra la stazione di ricerca in alta quota sullo Jungfraujoch e l'Osservatorio di Zimmerwald vicino a Berna. In tal modo, hanno dimostrato che un raggio laser può propagarsi in modo efficiente attraverso la turbolenza atmosferica che normalmente influenzerebbe negativamente il movimento delle onde luminose e quindi la trasmissione dei dati.

I ricercatori sono riusciti a raggiungere questo obiettivo modulando l'onda luminosa del laser in modo tale da consentire al ricevitore di rilevare diversi stati codificati in un unico “simbolo”. Ciò significa che ciascun simbolo può trasmettere più di un bit di informazione. Ad esempio, uno schema comprendente 16 stati può trasmettere quattro bit con ciascuna oscillazione dell'onda luminosa, mentre uno con 64 stati può trasmettere sei bit.

“Diversi componenti chiave hanno consentito questo successo”, afferma l’autore principale dello studio Yannik Horst. Dal lato del trasmettitore, spiega che il team codifica le informazioni in modo efficiente dal punto di vista energetico utilizzando un formato di modulazione coerente come una modulazione di ampiezza a 64 quadratura multiplexata con polarizzazione (64-QAM). Lo inviano poi con altissima precisione (poche decine di microradianti) in direzione del ricevitore dell'osservatorio. Infine, dopo che la luce ha attraversato 53 km di atmosfera turbolenta, un sistema di ottica adattiva presso la stazione ricevente corregge l'errore del fronte di fase dell'onda elettromagnetica.

"L'ottica adattiva porta a un segnale circa 300 volte più forte nella fibra ottica", dice Horst a Physics World. “Il miglioramento arriva anche grazie al componente ottico che ha un’elevata sensibilità del ricevitore: sono necessari solo pochi fotoni per bit per una trasmissione dei dati senza errori”.

I piedi per terra

Horst e colleghi affermano che la loro nuova tecnica dovrebbe portarci un passo avanti verso i collegamenti di comunicazione satellite-Terra e inter-satellite basati su tecnologie ottiche che possono raggiungere velocità di trasmissione dati per canale molto elevate, molto più elevate di quanto sia possibile per le tecnologie a radiofrequenza. Tali collegamenti potrebbero un giorno fungere da spina dorsale per la rete in fibra terrestre e, in definitiva, “connettere ciò che non è connesso” in aree in cui l’implementazione delle tecnologie di comunicazione tradizionali come la fibra ottica non è fattibile.