I laser rendono possibile la dorsale Internet via satellite

La spina dorsale di Internet è costituita da una fitta rete di cavi in fibra ottica, ognuno dei quali può trasportare fino a più di cento terabit di dati al secondo (1 terabit = 10¹² segnali digitali 1/0) tra i nodi della rete. I continenti sono collegati attraverso le profondità marine e questo è estremamente costoso: un singolo cavo attraverso l'Atlantico richiede investimenti di diverse centinaia di milioni di dollari. La società di consulenza specializzata Telegeography conta attualmente 530 cavi sottomarini attivi. E la tendenza è in aumento.

Presto, però, questo sforzo potrebbe non essere più necessario. Gli scienziati dell'ETH di Zurigo, insieme a partner dell'industria aerospaziale, hanno dimostrato la trasmissione ottica di dati a terabit attraverso l'aria nell'ambito di un progetto europeo Horizon 2020. Ciò consentirà in futuro connessioni dorsali molto più economiche e veloci attraverso costellazioni di satelliti vicini alla Terra.

Condizioni difficili tra lo Jungfraujoch e Berna

Tuttavia, i partner del progetto non hanno testato il loro sistema laser con un satellite in orbita, ma trasmettendolo per 53 chilometri dallo Jungfraujoch a Berna. "Il nostro percorso di prova tra la Stazione di ricerca alpina sullo Jungfraujoch e l'Osservatorio di Zimmerwald dell'Università di Berna è molto più impegnativo dal punto di vista della trasmissione ottica dei dati rispetto a quello tra un satellite e una stazione a terra", spiega Yannik Horst, autore principale dello studio e ricercatore dell'Istituto per i campi elettromagnetici dell'ETH di Zurigo, diretto dal professore Jürg Leuthold.

Il raggio laser ha dovuto attraversare la densa atmosfera vicino al suolo. Le diverse turbolenze dei gas atmosferici sopra le alte montagne innevate, la superficie dell'acqua del lago di Thun, il centro urbano densamente edificato di Thun e la pianura dell'Aare hanno influenzato il movimento delle onde luminose e quindi anche la trasmissione delle informazioni. La misura in cui questo tremolio dell'aria causato da fenomeni termici disturba il movimento uniforme della luce può essere osservata a occhio nudo nelle calde giornate estive.

Internet via satellite utilizza la radio a microonde lenta

Le connessioni Internet via satellite non sono di per sé una novità. L'esempio più noto è la costellazione Starlink di Elon Musk, che porta Internet in quasi ogni angolo del mondo grazie a Chi siamo, in orbita vicino alla Terra. Tuttavia, per trasmettere i dati tra i satelliti e le stazioni a terra si utilizzano tecnologie radio molto meno potenti. Come la WLAN (Wireless Local Area Network) o la telefonia mobile, operano nella gamma delle microonde dello spettro di frequenza e quindi con lunghezze d'onda di pochi centimetri.

I sistemi laser ottici, invece, operano nella gamma di luce del vicino infrarosso con lunghezze d'onda di pochi micrometri, circa 10.000 volte più brevi. Di conseguenza, sono in grado di trasportare una quantità di informazioni maggiore per unità di tempo.

Per ottenere un segnale sufficientemente forte al ricevitore su lunghe distanze, le onde luminose parallelizzate del laser vengono inviate attraverso un telescopio, che può avere un diametro di diverse decine di centimetri. Questo ampio fascio di luce deve poi essere puntato con la massima precisione possibile su un telescopio del ricevitore, il cui diametro è dello stesso ordine di grandezza del fascio di luce ricevuto.

La turbolenza annulla i segnali modulati

Per ottenere la massima velocità di trasmissione dei dati, l'onda luminosa del laser viene modulata in modo tale che il ricevitore possa rilevare diversi stati distinguibili per oscillazione. In questo modo è possibile trasmettere più di un bit di informazione per oscillazione. In pratica, si utilizzano diverse altezze (ampiezze) e spostamenti dell'angolo di fase dell'onda luminosa. Ogni combinazione di angolo di fase e altezza di ampiezza definisce quindi un diverso simbolo di informazione. Con uno schema 4x4 si possono trasmettere 4 bit per oscillazione e con uno schema 8x8 6 bit.

La turbolenza variabile delle particelle d'aria fa sì che le onde luminose all'interno e ai margini del cono di luce viaggino a velocità diverse. Nel rilevatore della stazione ricevente, le ampiezze e gli angoli di fase si sommano o si sottraggono a vicenda formando valori errati.

Gli specchi correggono la fase delle onde 1500 volte al secondo

Per evitare questi errori, il partner francese del progetto ha fornito un cosiddetto chip MEMS (sistema meccanico) con una matrice di 97 specchi mobili. I movimenti degli specchi consentono di correggere lo sfasamento del fascio sulla sua superficie di intersezione lungo il gradiente attualmente misurato 1500 volte al secondo.

Il risultato è che i segnali sono migliorati di circa 500 volte, il che era essenziale per raggiungere una larghezza di banda di 1 terabit al secondo su una distanza di 53 chilometri, come sottolinea Horst.

Nel progetto sono stati utilizzati per la prima volta nuovi e robusti formati di modulazione della luce. Questi aumentano in modo massiccio la sensibilità del rilevamento e consentono quindi di ottenere elevate velocità di trasmissione dei dati anche nelle peggiori condizioni atmosferiche o con una bassa potenza del laser. Questo risultato si ottiene codificando abilmente i bit di informazione in base alle proprietà dell'onda luminosa, come l'ampiezza, la fase e la polarizzazione. "Con il nostro nuovo formato di modulazione 4D-BPSK (Binary Phase-Shift Keying), un bit di informazione può essere riconosciuto correttamente dal ricevitore anche con un numero molto ridotto di sole quattro particelle di luce", spiega Horst.

Nel complesso, il successo del progetto ha richiesto le competenze specifiche di tre partner. L'azienda aerospaziale francese Thales Alenia Space è in grado di eseguire un puntamento preciso al centimetro con laser a migliaia di chilometri nello spazio. Onera, un altro istituto di ricerca aerospaziale francese, ha deciso di sviluppare un'ottica adattiva basata su MEMS, che elimina in larga misura gli effetti dello sfarfallio in volo. La modulazione più efficace possibile dei segnali, essenziale per un'elevata velocità di trasmissione dei dati, è uno degli ambiti specialistici del gruppo di ricerca di Leuthold.

Facilmente espandibile a 40 terabit al secondo

I risultati dell'esperimento, presentati per la prima volta alla Conferenza europea sulle comunicazioni ottiche (ECOC) di Basilea, hanno fatto scalpore in tutto il mondo, secondo Leuthold: "Il nostro sistema rappresenta una svolta. In precedenza, era possibile collegare solo lunghe distanze con larghezze di banda di pochi gigabit o brevi distanze di pochi metri con larghezze di banda elevate utilizzando laser a campo libero.

Inoltre, è stata raggiunta la prestazione di 1 terabit al secondo con una sola lunghezza d'onda. In una futura applicazione pratica, il sistema può essere facilmente scalato fino a 40 canali e quindi a 40 terabit al secondo utilizzando tecnologie standard.

Ulteriori potenzialità del nuovo formato di modulazione

Tuttavia, Leuthold e il suo team non si occuperanno più di questo. L'implementazione pratica in un prodotto commerciabile sarà realizzata dai partner industriali. Tuttavia, gli scienziati dell'ETH continueranno a portare avanti una parte del lavoro. Il nuovo formato di modulazione che hanno sviluppato dovrebbe aumentare in futuro la larghezza di banda anche in altri metodi di trasmissione dati, dove l'energia della radiazione può diventare un fattore limitante.