Российские ученые предложили новый, более простой и надежный способ увеличить пропускную способность и устойчивость свободно-пространственной оптической связи, которая используется для передачи данных между спутниками в космосе. Они научились управлять структурой и составом так называемой световой «гребенки», в которую входят вихревые лазерные пучки. Каждый из этих пучков работает как отдельный канал передачи информации, что позволяет передавать данные быстрее и с меньшим количеством сбоев. Об этом «Жуковский.Life» рассказали в пресс-службе ИТМО.
Свободно-пространственная оптическая связь действует по принципу оптического Wi-Fi: информация кодируется в лазерный пучок и передаётся получателю на большом расстоянии — без использования оптоволоконных кабелей.
Такая технология удобна тем, что ее легко и быстро можно развернуть практически в любых условиях.
Однако у нее до сих пор есть ограничения: скорость передачи данных не превышает 20 Гбит/с, а устойчивость связи сильно зависит от внешних факторов вроде облачности и атмосферной пыли. Для сравнения: классические волоконно-оптические линии способны обеспечивать скорость передачи до 100 Тбит/с.
Ученые ищут новые решения, чтобы повысить надёжность и скорость таких линий связи. Одно из них — использование так называемых «закрученных» или вихревых световых пучков. В отличие от обычного лазерного луча, вихрь обладает не только частотой и амплитудой, но и особой характеристикой — проекцией орбитального углового момента.
Это открывает возможность формировать несколько независимых каналов передачи информации в одном пучке по аналогии с разными радиочастотами. Такой подход позволяет вплотную приблизиться к созданию более надежных и сверхскоростных оптических каналов для связи между спутниками.
Технология световой «орбитальной гребенки» позволяет запускать сразу много вихревых пучков с разными проекциями.
Обычно гребенки генерируют с помощью сложных устройств — специальных модуляторов и оптических поверхностей, но ученые из Нового физтеха ИТМО совместно с коллегами из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН и Национального исследовательского университета «МИЭТ» разработали более доступный и управляемый способ.
В новой методике лазерный луч проходит через специальную дифракционную решётку с топологическим дефектом и превращается в вихревой пучок, который выглядит как «бублик» и приобретает дополнительный параметр — проекцию орбитального углового момента. После преобразования в первом конвертере и прохождения через нелинейный кристалл форма этого светового «бублика» изменяется, преобразуясь в набор упорядоченных точек. Частота пучка при этом удваивается, а внутри него растет количество независимых компонентов. Затем структура фиксируется и становится устойчивой к искажениям. Последующее преобразование превращает набор этих точек в орбитальную гребенку — комбинацию точных вихревых каналов, в которых каждая проекция отвечает за передачу собственной части информации.
Авторы отмечают, что ключевой особенностью их подхода стала возможность точно управлять амплитудой каждого составляющего пучка, что значительно повышает качество передачи данных.
Благодаря этому новому методу можно не только повысить пропускную способность оптических каналов связи между космическими объектами, но и сделать такие системы более устойчивыми к помехам и внешним воздействиям.
Новая математическая модель поможет точнее измерять параметры внешней среды. Используя декартову систему координат, учёные рассчитали поле деформаций мембраны и его влияние на сигнал, регистрируемый сенсором.