Lasers enable internet backbone via satellite, may soon eliminate need for deep-sea cables
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Les lasers activent la dorsale Internet via satellite et pourraient bientôt éliminer le besoin de câbles en haute mer
par Daniel Meierhans, ETH Zurich
PHOTO/transmission de données par laser sur 53 kilomètres du Jungfraujoch à Zimmerwald près de Berne. Crédit : ETH Zurich
Les lasers de communication de données optiques peuvent transmettre plusieurs dizaines de térabits par seconde, malgré une énorme quantité de turbulences atmosphériques perturbatrices. Les scientifiques de l'ETH Zurich et leurs partenaires européens ont démontré cette capacité avec des lasers entre le sommet de la montagne, le Jungfraujoch, et la ville de Berne en Suisse. Cela éliminera bientôt la nécessité de coûteux câbles sous-marins.
L'épine dorsale d'Internet est formée par un réseau dense de câbles à fibres optiques, chacun d'entre eux transportant jusqu'à plus de 100 térabits de données par seconde (1 térabit = 1012 signaux numériques 1/0) entre les nœuds du réseau. Les connexions entre les continents se font via des réseaux sous-marins, ce qui représente une dépense énorme : un seul câble à travers l'Atlantique nécessite un investissement de centaines de millions de dollars. TeleGeography, une société de conseil spécialisée, a annoncé qu'il existe actuellement 530 câbles sous-marins actifs et que ce nombre est en augmentation.
Bientôt, cependant, cette dépense pourrait baisser considérablement. Des scientifiques de l'ETH Zurich, en collaboration avec des partenaires de l'industrie spatiale, ont démontré la transmission de données optiques térabit dans les airs dans le cadre d'un projet européen Horizon 2020. À l'avenir, cela permettra des connexions dorsales beaucoup plus rentables et beaucoup plus rapides via des constellations de satellites proches de la Terre. Leurs travaux sont publiés dans la revue Light: Science & Applications.
Conditions difficiles entre le Jungfraujoch et Berne
Pour franchir cette étape, les partenaires du projet ont fait un bond en avant significatif en établissant une liaison de communication optique par satellite grâce à un test réussi mené entre le sommet alpin, le Jungfraujoch, et la ville suisse de Berne. Bien que le système laser n'ait pas été directement testé avec un satellite en orbite, ils ont réalisé une transmission de données élevée sur une distance en espace libre de 53 km (33 miles).
"Pour la transmission de données optiques, notre route d'essai entre la station de recherche à haute altitude sur le Jungfraujoch et l'observatoire de Zimmerwald à l'Université de Berne est beaucoup plus difficile qu'entre un satellite et une station au sol", explique Yannik Horst, auteur principal de l'étude et chercheur à l'Institut des champs électromagnétiques de l'ETH Zurich dirigé par le professeur Jürg Leuthold.
Le faisceau laser traverse l'atmosphère dense près du sol. Au cours de ce processus, de nombreux facteurs - diverses turbulences dans l'air au-dessus des hautes montagnes enneigées, la surface de l'eau du lac de Thoune, la zone métropolitaine de Thoune densément bâtie et le plan de l'Aar - influencent le mouvement des ondes lumineuses et par conséquent également la transmission des données. Le miroitement de l'air, déclenché par des phénomènes thermiques, perturbe le mouvement uniforme de la lumière et peut être vu à l'œil nu lors des chaudes journées d'été.
Internet par satellite utilise une transmission micro-ondes lente
Les connexions Internet par satellite ne sont pas nouvelles. L'exemple le plus connu aujourd'hui est Starlink d'Elon Musk, un réseau de plus de 2 000 satellites en orbite proche de la Terre qui fournit un accès Internet à pratiquement tous les coins du monde. Cependant, la transmission de données entre les satellites et les stations au sol utilise des technologies radio, qui sont considérablement moins puissantes. Comme un réseau local sans fil (WLAN) ou les communications mobiles, ces technologies fonctionnent dans la gamme des micro-ondes du spectre et ont donc des longueurs d'onde mesurant plusieurs centimètres.
Les systèmes optiques laser, en revanche, fonctionnent dans le proche infrarouge avec des longueurs d'onde de quelques micromètres, qui sont environ 10 000 fois plus courtes. En conséquence, ils peuvent transporter plus d'informations par unité de temps.
Pour assurer un signal suffisamment fort au moment où il atteint un récepteur éloigné, les ondes lumineuses parallèles du laser sont envoyées à travers un télescope pouvant mesurer plusieurs dizaines de centimètres de diamètre. Ce faisceau lumineux large doit être précisément dirigé vers un télescope récepteur dont le diamètre est du même ordre de grandeur que la largeur du faisceau lumineux transmis à l'arrivée.
Bientôt, les satellites pourraient remplacer les coûteux câbles en haute mer en tant que dorsale Internet. Crédit : ETH Zurich / Yannik Horst
La turbulence annule les signaux modulés
Pour atteindre les débits de données les plus élevés possibles, l'onde lumineuse du laser est modulée de manière à ce qu'un récepteur puisse détecter différents états codés sur un seul symbole. Cela signifie que chaque symbole transmet plus d'un bit d'information. En pratique, cela implique des amplitudes et des angles de phase différents de l'onde lumineuse. Chaque combinaison d'angle de phase et d'amplitude forme alors un symbole d'information différent qui peut être codé dans un symbole transmis. Ainsi, avec un schéma comportant 16 états (16 QAM), chaque oscillation peut transmettre 4 bits, et avec un schéma comportant 64 états (64 QAM), 6 bits.
La turbulence fluctuante des particules d'air entraîne des vitesses variables d'ondes lumineuses à la fois à l'intérieur et sur les bords du cône de lumière. Par conséquent, lorsque les ondes lumineuses arrivent sur le détecteur de la station de réception, les amplitudes et les angles de phase s'additionnent ou s'annulent, produisant de fausses valeurs.
Reflète la phase d'onde correcte 1 500 fois par seconde
Pour éviter ces erreurs, l'ONERA, partenaire du projet basé à Paris, a déployé une puce de système microélectromécanique (MEMS) avec une matrice de 97 minuscules miroirs réglables. Les déformations des miroirs corrigent le déphasage du faisceau sur sa surface d'intersection le long du gradient actuellement mesuré 1 500 fois par seconde, améliorant finalement les signaux d'un facteur d'environ 500.
Cette amélioration était essentielle pour atteindre une bande passante de 1 térabit par seconde sur une distance de 53 kilomètres, souligne Horst.
Pour la première fois, de nouveaux formats de modulation de lumière robustes ont été démontrés. Cela a permis une augmentation considérable de la sensibilité de détection et donc des débits de données élevés, même dans les pires conditions météorologiques ou à faible puissance laser. Cette augmentation est obtenue en codant intelligemment les bits d'information dans les propriétés de l'onde lumineuse telles que l'amplitude, la phase et la polarisation. "Avec notre nouveau format de modulation par déplacement de phase binaire 4D, ou BPSK, un bit d'information peut toujours être correctement détecté au niveau du récepteur, même avec un très petit nombre (environ quatre) de particules lumineuses", explique Horst.
Au total, les compétences spécifiques de trois partenaires ont été nécessaires à la réussite du projet. Société spatiale française, Thales Alenia Space est experte dans le ciblage des lasers avec une précision centimétrique sur des milliers de kilomètres dans l'espace. L'ONERA, également français, est un institut de recherche aérospatiale spécialisé dans l'optique adaptative basée sur les MEMS, qui a largement éliminé les effets de scintillement dans l'air. La méthode la plus efficace de modulation du signal, qui est essentielle pour les débits de données élevés, est une spécialité du groupe de recherche de l'ETH Zurich de Leuthold.
Facilement extensible à 40 térabits par seconde
Les résultats de l'expérience, présentés pour la première fois lors de la Conférence européenne sur la communication optique (ECOC) à Bâle, font sensation dans le monde entier. Leuthold déclare : « Notre système représente une percée. Jusqu'à présent, seules deux options étaient possibles : connecter soit de grandes distances avec de petites bandes passantes de quelques gigabits, soit de courtes distances de quelques mètres avec de grandes bandes passantes à l'aide de lasers en espace libre.
De plus, la performance de 1 térabit par seconde a été atteinte avec une seule longueur d'onde. Dans les futures applications pratiques, le système peut être facilement mis à l'échelle jusqu'à 40 canaux et donc jusqu'à 40 térabits par seconde en utilisant des technologies standard.
Cependant, la mise à l'échelle n'est pas quelque chose dont Leuthold et son équipe se préoccuperont; la mise en œuvre pratique du concept dans un produit commercialisable sera effectuée par les partenaires industriels. Néanmoins, il y a une partie du travail que les scientifiques de l'ETH Zurich poursuivront : à l'avenir, le nouveau format de modulation qu'ils ont développé est susceptible d'augmenter les bandes passantes dans d'autres méthodes de transmission de données où l'énergie du faisceau peut devenir un facteur limitant. .
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COMMENTAIRES
Je ssuis trés admiratifs devant ces résultats :maitriser l utilosation du laser fait partie de mes espérances de progrés scienfiques les plus pressantes .La recheche fondaùmentale touchant la fusion nucléaite maitriséé attend impatiament le développement des lasers de puissance a rayons x et pourquoi pas a des lasers à gamma rays ( théoriquemen envisageables )
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More information: Yannik Horst et al, Tbit/s line-rate satellite feeder links enabled by coherent modulation and full-adaptive optics, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01201-7
Journal information: Light: Science & Applications
Provided by ETH Zurich
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