Способ быстрой передачи данных в космосе придумали в ИТМО

Российские ученые придумали простой и эффективный способ повысить пропускную способность и надежность передачи данных свободно-пространственной оптической связи в космосе. Они научились управлять структурой и составом световой «гребенки» из вихревых пучков лазера. Каждый пучок при этом работает как отдельный канал передачи информации, сообщили в пресс-службе ИТМО.

Для передачи информации между космическими спутниками используется свободно-пространственная оптическая связь. Ее устройство похоже на оптический Wi-Fi: информация кодируется в лазерный пучок, и он транслируется получателю. Технология не требует оптоволоконного кабеля, поэтому ее можно быстро и просто развернуть в любом месте. Но пока пропускная способность свободно-пространственной оптической связи скорости до 20 Гбит/с (волоконно-оптические системы связи могут скорость передачи данных до 100 Тбит/с), а на стабильность оптического сигнала влияют внешние факторы, например, облака и пыль.

Создать надежное высокоскоростное соединение могут «закрученные» световые пучки — вихри. В отличие от «незакрученного» света, они обладают не только частотой и амплитудой (интенсивность свечения), но и проекцией орбитального углового момента. Она представляет дополнительный параметр, который позволяет создать несколько независимых каналов передачи данных, подобных разным частотам в радиосвязи. Чем больше проекций, тем больше информации можно закодировать в один луч. При этом проекции не смешиваются — это гарантирует надежную передачу данных.

Вихревые световые пучки с проекцией орбитального углового момента можно создавать с помощью технологии световой «орбитальной гребенки». Она генерирует сразу множество «закрученных» пучков, каждый со своим уникальным значением проекции орбитального углового момента. Однако саму «орбитальную гребенку» обычно формируют с помощью технически сложных устройств — специальных модуляторов света, метаповерхностей и других продвинутых оптических элементов.

Ученые Нового физтеха ИТМО разработали более простой и надежный способ получения набора вихревых пучков с разными значениями проекций орбитального углового момента. Особенность разработки в том, что исследователи могут не просто создать световую «гребенку», а управлять ею и таким образом влиять на каждый отдельный вихревой пучок. 

Это позволит более надежно кодировать и передавать информацию, увеличивая пропускную способность и стабильность оптических каналов связи. В исследовании также приняли участие ученые Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН и Национального исследовательского университета «МИЭТ».

Световая «гребенка» создается в несколько этапов. Лазерный луч от фемтосекундного лазера проходит через специальную дифракционную решетку с топологическим дефектом, становится вихревым пучком и приобретает новый параметр — проекцию орбитального углового момента. Получившийся пучок похож не на сплошное круглое пятно, а на «бублик». Затем он меняет тип моды (состояния электромагнитного поля) в первом конвертере и проходит через нелинейный кристалл. 

Благодаря этим двум преобразованиям форма «бублика» плавно переходит в набор упорядоченных точек, как будто их прочесали расческой, частота вихревого пучка удваивается, и одновременно с этим в пучке увеличивается количество компонентов с проекцией орбитального углового момента. В этот момент структура пучка фиксируется и становится устойчивой к искажениям. Последний конвертер преобразует набор точек в настоящую световую «орбитальную гребенку», напоминающую свиной пятачок, с разными значениями проекций орбитального момента. Они не взаимодействуют друг с другом, и каждая проекция передает свою часть информации независимо.

«Наш подход — это сильная нелинейность, которую мы используем в качестве оптического преобразования для записи информации. Мы преобразуем исходный вихревой пучок с помощью тонкого кристалла бета бората бария в набор вихревых состояний — “орбитальную гребенку”. Первый конвертер позволяет нам регулировать, какие именно амплитуды входят в состав пучка после нелинейного кристалла. Меняя параметры исходного пучка с его помощью, мы кодируем информацию в амплитудную структуру гребенки. 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», — объяснил один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО Станислав Батурин.

Новый способ создания световой «гребенки» потенциально можно использовать для настройки надежной и быстрой оптической связи в космосе. В перспективе ученые планируют разработать методы, которые помогут передавать сигнал не только в вакууме, но и воздухе.

«Следующим этапом станет разработка демодулятора — устройства, способного "разложить" полученный оптический сигнал на отдельные каналы по орбитальному угловому моменту. В сочетании с генератором орбитальной гребенки это позволит создать полноценную систему передачи данных, где передатчик и приемник будут работать как оптический аналог многоканальной радиосвязи: передатчик формирует несколько независимых каналов в одном пучке света, а демодулятор выделяет каждый канал для дальнейшей обработки», — рассказал первый автор исследования, аспирант физического факультета ИТМО Даниил Литвинов.

Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда, опубликованы в журнале Nano Letters.