«Причесали» свет: ученые ИТМО нашли способ увеличить скорость передачи данных в космосе

Разработку представили специалисты Университета ИТМО, Национального исследовательского университета «МИЭТ» и Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН. Результаты исследования, проведенного в рамках программы «Приоритет 2030» и за счет гранта Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Nano Letters. 

Как сообщили в пресс-службе ИТМО, в основе технологии лежит использование свободно-пространственной оптической связи, которая работает по принципу, похожему на оптический Wi-Fi: данные кодируются в лазерный пучок и передаются получателю через открытое пространство без необходимости в оптоволоконном кабеле. Однако современные возможности такой технологии связи, достигающие скоростей около 20 Гбит/с, серьезно уступают наземным оптоволоконным сетям, которые могут передавать информацию со скоростью до 100 Тбит/с. Кроме того, они подвержены влиянию внешних помех, в том числе облаков и пыли.

Решить проблему специалисты предложили за счет так называемых «закрученных» световых пучков. В отличие от обычного света, они обладают таким свойством, как проекция орбитального углового момента. Это своеобразный параметр, которое позволяет использовать один луч для создания множества независимых каналов передачи данных. Каждый такой канал может нести отдельный поток информации, не смешиваясь с соседними, что гарантирует нежность передачи данных. Чем больше проекций, тем больше информации можно закодировать в один луч.

Вихревые световые пучки с проекцией орбитального углового момента создаются с помощью технологии световой «орбитальной гребенки». В результате получается сразу несколько «закрученных» пучков. Однако для генерации самой «гребенки» требуются сложные устройства — специальные модуляторы света, метаповерхности и другие оптические элементы.

Исследователи предложили более простое и эффективное решение для получения наборов вихревых пучков. Их метод заключается в последовательном преобразовании луча фемтосекундного лазера. Сначала он проходит через дифракционную решетку с топологическим дефектом, закручиваясь и приобретая форму «бублика». Затем, пройдя через первый конвертер и нелинейный кристалл бета бората бария, эта структура плавно трансформируется в упорядоченный набор точек — стабильную «гребенку». На финальном этапе по форме она напоминает свиной пятачок, с разными значениями проекций орбитального момента, которые не взаимодействуют друг с другом и передают свою часть информации независимо.

Ключевое преимущество метода — возможность управлять амплитудной структурой «гребенки» на этапе первого конвертера, то есть гибко кодировать в нее информацию. «Эта структура устойчива к линейным искажениям, и без внешнего сильного нелинейного воздействия также остается стабильной при передаче данных. Поэтому мы можем кодировать большие объемы данных и передавать их, например, от спутника к спутнику, не боясь что-то потерять», — пояснил ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО Станислав Батурин.

Следующим этапом станет создание демодулятора — устройства-приемника, способного «разделить» полученный оптический сигнал обратно на отдельные независимые каналы. В перспективе сочетание двух методов позволит создать полноценную систему связи, где передатчик будет формировать несколько независимых каналов в одном пучке света, а демодулятор — отделять каждый канал для дальнейшей обработки.

Предложенный способ создания световой «гребенки» можно будет использовать для обеспечения оптической связи между спутниками в космосе. В планах ученых — разработать методы, которые помогут передавать сигнал не только в космическом вакууме, но и воздухе.

Ранее российские операторы спутниковых группировок поделили между собой радиочастоты, чтобы не создавать друг другу помех при передаче данных. Теперь подготовленный документ ждет обсуждения в Государственной комиссии по радиочастотам.