Ookeanikaablitele leiti asendus: laseriga saab andmeid saata suurel kiirusel pika maa taha

Teadlastel õnnestus üle saada optilise side probleemidest halva ilmaga: Jungfrau ja Berni vahel saadeti suurtel kiirustel andmeid laseriga rohkem kui 53 kilomeetri kaugusele. See lahendus võib tuua läbimurde juhtmevabas andmesides pikkade vahemaade taha. Foto: ETH Zurich

Maailma internet püsib tervel hulgal ookeanide all kulgevatel valguskaablitel, mis on kallid, keerulise hooldusega ja kujutavad endast ka turvaohtu. ETH Zurichi teadlased tegid katse uutmoodi laseriga, millega saadeti kiirelt andmeid rohkem kui 50 kilomeetri taha ja mis võiks olla tulevikus pikkade maa- ja merekaablite asendajaks.

Kui seni on takistanud optilist andmesidet üle õhu igasugused segavad ilmastikunähtused nagu udu, vihm ja lumi, siis Šveitsi teadlaste lahenduses olevat see probleem kõrvaldatud. Optilised andmesidelaserid suudavad vaatamata õhu turbulentsile ja veepiiskadele edastada juba praegu mitukümmend terabitti sekundis.

ETH Zürichi tiim ja nende partnerid mujalt Euroopast demonstreerisid seda võimsust laseriga andmeid Jungfrau mäetipust Berni linna saates. Vahemaa nende kahe punkti vahel on linnulennult 53 km.

Ookeanikaablite asendamiseks ei hakata siiski maapinna kohal linke tekitama, vaid loodetakse luua madalal orbiidil asuv satelliitide võrgustik, mis tagab pea sama kiire ja püsiva ühenduse, kui veealused optilised kaablid. 

«Optilise andmeedastuse jaoks toimus meie katse Jungfraujochi kõrgmäestiku uurimisjaama ja Berni ülikooli Zimmerwaldi observatooriumi vahel palju keerulisemates tingimustes, kui oleks satelliidi ja maapealse jaama vahel,» selgitas teadustöö juhtiv autor Yannik Horst. Tema sõnul liigub laserikiir läbi tiheda atmosfääri maapinna lähedal, saades mõjutusi valguslaineid segavast turbulentsist õhus kõrgete lumega kaetud mägede kohal, segab isegi Thuni järve veepind ning tihedalt hoonestatud Thuni linnapiirkond. Soojusnähtustest tekkiv silmalegi nähtav õhu virvendamine häirib ka valguse ühtlast liikumist, mis on optilise andmeside seni suurim probleem.

Nii võiksid tulevikus satelliidid tagada ookeanikaablite asemel ühenduse erinevate mandrite vahel. See on palju odavam ja töökindlam, kui kaablite vedamine. Foto: Enea Ingellis / ETH Zurich

Praegu kasutatav satelliit-internet saavutab ka juba üsna korralikke kiirusi, kuid jääb maapealsetele kaablitele mitmeid suurusjärke alla, kuna kasutatakse millimeeterlaineid. Kõige tuntum näide on muidugi Elon Muski Starlink, mis koosneb enam kui 2000 Maa lähedal tiirlevast satelliidist, kuid reaalsed ühenduskiirused jäävad seal pigem sadadesse megabittidesse sekundis.

Seevastu teadlaste kasutatud laseroptilised süsteemid töötavad infrapuna-lähedases vahemikus mõnemikromeetrise lainepikkusega, mis on umbes 10 000 korda lühem lainepikkus. Nii saab ajaühiku kohta palju rohkem andmeid transportida.

Selles sagedusalas tekkivate probleemide kõrvaldamiseks suurima võimaliku kiiruse saavutamisel moduleeritakse laseri valguslainet nii, et vastuvõtja suudab tuvastada ühele sümbolile kodeeritud erinevaid olekuid. Lihtsamalt lahti seletades tähendab see, et iga sümbol edastab rohkem kui ühe biti teavet, kasutades valguslaine erinevaid amplituude ja faasinurki. Iga faasinurga ja amplituudi kombinatsioon moodustab erineva andmesümboli. Seega 16 olekut (16 QAM) sisaldava skeemi puhul saab iga võnkumisega edastada 4 bitti ja 64 olekut (64 QAM) sisaldava skeemi puhul 6 bitti.

Õhuosakeste turbulents aga põhjustab valguslainete häireid nii laseri valguskoonuse sees kui selle servades. Vastuvõtujaama detektorisse jõudes on seega juba muutunud nii laserkiire amplituudid kui faasid.

Nende vigade vältimiseks võttis Pariisis asuv projektipartner ONERA kasutusele 97 väikesest reguleeritavast peeglist koosneva maatriksiga mikroelektromehaanilise süsteemi (MEMS) kiibi. Peeglid korrigeerivad kiire faasinihet selle ristumispinnal 1500 korda sekundis, parandades signaali umbes 500 korda.

See täiustus andiski terabitise andmeedastuskiiruse 53 kilomeetri pikkusel katsel, märkis Horst. Isegi kõige halvemate ilmastikutingimuste või väikese laseri võimsuse korral olid tulemused head.

Baselis Euroopa optilise kommunikatsiooni konverentsil (ECOC) esimest korda esitletud katsetulemused tekitasid pehmelt öeldes sensatsiooni, kuna seni on olnud võimalik ainult kaks võimalust: kas suurte vahemaade katmine väikese mõnegigabitise kiirusega saatjatega või lühemad vahemaad suuremate ribalaiustega, mis nõuab rohkem vahejaamu.

Tulevastes praktilistes rakendustes saab teadlaste katsetatud uut süsteemi standardtehnoloogiate abil hõlpsasti laiendada kuni 40 kanalini ja seega pole probleemiks saata andmeid pikkade vahemaade taha kiirusega kuni 40 terabitti sekundis. See oleks juba arvestatav alternatiiv praegustele ookeanikaablitele.

Teadustööd täispikkuses saab lugeda siit: doi.org/10.1038/s41377-023-01201-7.