Experimento de óptica adaptativa alpina abre caminho para terabit

Investigadores na Suíça transmitiram e receberam dados ópticos a taxas superiores a 10 Tbit/s entre um pico alpino e um observatório na Universidade de Berna – a uma distância de 53 quilómetros. Isto é mais de cinco vezes maior do que seria necessário para estabelecer um link de comunicação satélite-solo, e a equipe diz que o método poderia ser usado para criar conexões de Internet mais rápidas e econômicas para constelações de satélites em órbita próxima à Terra. .

Sistemas de constelação de satélites como o Starlink da SpaceX (uma rede de mais de 2.000 satélites orbitando perto da Terra) prometem levar o acesso à Internet ao mundo através de comunicações a laser baseadas no espaço. O princípio é que as áreas que não têm acesso à tecnologia de cabos de fibra óptica, que constitui a espinha dorsal da Internet moderna, possam, em vez disso, ficar ligadas à rede óptica através de satélites.

Actualmente, a transmissão de dados entre satélites e estações terrestres depende principalmente de tecnologias de radiofrequência, que operam na faixa de microondas do espectro electromagnético e têm comprimentos de onda de centímetros. Os sistemas ópticos a laser, por outro lado, operam na faixa do infravermelho próximo e seus comprimentos de onda em escala micrométrica são cerca de 10.000 vezes mais curtos que as ondas de rádio. Isso permite que eles transportem mais dados no mesmo período de tempo. Na verdade, vários experimentos anteriores mostraram que as tecnologias de comunicação óptica em espaço livre podem transmitir dados a taxas de 100 Gbits/s em distâncias de até 10 km e 1 Tbits/s em distâncias de até 3 m em um único canal.

A desvantagem é que tais sistemas dependem de formatos avançados de modulação de alta ordem e, portanto, exigem altas relações sinal-ruído, o que só é possível em distâncias relativamente curtas. As futuras ligações por satélite também exigirão taxas de dados ainda mais elevadas, da ordem de 500 Gbits/s ou mais.

No novo trabalho, pesquisadores liderados por Juerg Leuthold, chefe do Departamento de Tecnologia da Informação e Engenharia Elétrica (D-ITET) da ETH Zurique, estabeleceram um link de comunicações ópticas por satélite entre a Estação de Pesquisa de Alta Altitude em Jungfraujoch e o Observatório Zimmerwald. perto de Berna. Ao fazer isso, eles mostraram que um feixe de laser poderia se propagar eficientemente através da turbulência atmosférica que normalmente afetaria negativamente o movimento das ondas de luz e, portanto, a transmissão de dados.

Os pesquisadores conseguiram esse feito modulando a onda de luz do laser de uma forma que permitiu ao receptor detectar diferentes estados codificados em um único “símbolo”. Isso significa que cada símbolo pode transmitir mais de um bit de informação. Por exemplo, um esquema composto por 16 estados pode transmitir quatro bits a cada oscilação da onda de luz, enquanto um esquema com 64 estados pode transmitir seis bits.

“Vários componentes-chave permitiram esse sucesso”, diz o principal autor do estudo, Yannik Horst. No lado do transmissor, ele explica que a equipe codifica as informações de maneira eficiente em termos de energia, usando um formato de modulação coerente, como uma modulação de amplitude de 64 quadraturas multiplexada por polarização (64-QAM). Eles então o enviam com altíssima precisão (algumas dezenas de microrradianos) na direção do receptor no observatório. Finalmente, após a luz passar por 53 km de atmosfera turbulenta, um sistema óptico adaptativo na estação receptora corrige o erro de fase frontal da onda eletromagnética.

“A óptica adaptativa leva a um sinal cerca de 300 vezes mais forte na fibra óptica”, disse Horst à Physics World. “A melhoria também vem graças ao bloco de construção óptico que possui uma alta sensibilidade do receptor – apenas alguns fótons por bit são necessários para uma transmissão de dados sem erros.”

Com os pés no chão

Horst e colegas dizem que a sua nova técnica deverá aproximar-nos um passo mais das ligações de comunicação satélite-Terra e inter-satélites baseadas em tecnologias ópticas que podem atingir taxas de data muito elevadas por canal - muito mais altas do que é possível para tecnologias de radiofrequência. Tais ligações poderão um dia funcionar como a espinha dorsal da rede de fibra terrestre e, em última análise, “conectar os não conectados” em áreas onde a implantação de tecnologias de comunicação convencionais, como a fibra óptica, não é viável.