L'expérience d'optique adaptative alpine ouvre la voie au térabit

Des chercheurs suisses ont transmis et reçu des données optiques à des débits supérieurs à 10 Tbit/s entre un sommet alpin et un observatoire de l'Université de Berne, soit une distance de 53 kilomètres. C'est plus de cinq fois plus que ce qui serait nécessaire pour établir une liaison de communication satellite-sol, et l'équipe affirme que la méthode pourrait être utilisée pour créer des connexions Internet plus rapides et plus rentables pour les constellations de satellites en orbite proche de la Terre. .

Les systèmes de constellation de satellites tels que Starlink de SpaceX (un réseau de plus de 2 000 satellites en orbite proche de la Terre) promettent d'apporter l'accès à Internet au monde via des communications laser spatiales. Le principe est que les zones qui n'ont pas accès à la technologie du câble à fibre optique, qui constitue l'épine dorsale de l'Internet moderne, pourraient être connectées au réseau optique via des satellites.

À l’heure actuelle, la transmission de données entre satellites et stations au sol repose principalement sur des technologies radiofréquences, qui fonctionnent dans la gamme des micro-ondes du spectre électromagnétique et ont des longueurs d’onde de l’ordre du centimètre. En revanche, les systèmes optiques laser fonctionnent dans le proche infrarouge et leurs longueurs d’onde à l’échelle du micron sont environ 10 000 fois plus courtes que les ondes radio. Cela leur permet de transporter plus de données dans le même laps de temps. En effet, plusieurs expériences antérieures ont montré que les technologies de communication optique en espace libre peuvent transmettre des données à des débits de 100 Gbits/s sur des distances allant jusqu'à 10 km et de 1 Tbit/s sur des distances allant jusqu'à 3 m dans un seul canal.

L’inconvénient est que ces systèmes s’appuient sur des formats avancés de modulation d’ordre élevé et nécessitent donc des rapports signal/bruit élevés, qui ne sont possibles que sur des distances relativement courtes. Les futures liaisons par satellite nécessiteront également des débits de données encore plus élevés, de l'ordre de 500 Gbits/s ou plus.

Dans le cadre de ces nouveaux travaux, des chercheurs dirigés par Juerg Leuthold, directeur du Département des technologies de l'information et du génie électrique (D-ITET) de l'ETH Zurich, ont établi une liaison de communication optique par satellite entre la station de recherche à haute altitude du Jungfraujoch et l'observatoire de Zimmerwald. près de Berne. Ce faisant, ils ont montré qu’un faisceau laser pouvait se propager efficacement à travers des turbulences atmosphériques qui auraient normalement un effet négatif sur le mouvement des ondes lumineuses et donc sur la transmission des données.

Les chercheurs ont réalisé cet exploit en modulant l'onde lumineuse du laser de manière à permettre au récepteur de détecter différents états codés dans un seul « symbole ». Cela signifie que chaque symbole peut transmettre plus d'un bit d'information. Par exemple, un schéma comprenant 16 états peut transmettre quatre bits à chaque oscillation de l'onde lumineuse, tandis qu'un schéma comprenant 64 états peut transmettre six bits.

"Plusieurs éléments clés ont permis ce succès", explique Yannik Horst, auteur principal de l'étude. Du côté de l'émetteur, il explique que l'équipe code les informations de manière économe en énergie en utilisant un format de modulation cohérent tel qu'une modulation d'amplitude en quadrature 64 quadrature multiplexée en polarisation (64-QAM). Ils l'envoient ensuite avec une très grande précision (quelques dizaines de micro-radians) en direction du récepteur de l'observatoire. Enfin, après que la lumière ait traversé 53 km d'atmosphère turbulente, un système d'optique adaptative installé à la station de réception corrige l'erreur de front de phase de l'onde électromagnétique.

"L'optique adaptative conduit à un signal environ 300 fois plus fort dans la fibre optique", explique Horst à Physics World. "L'amélioration vient également du bloc de construction optique doté d'une sensibilité de récepteur élevée : seuls quelques photons par bit sont nécessaires pour une transmission de données sans erreur."

Terre à terre

Horst et ses collègues affirment que leur nouvelle technique devrait nous rapprocher des liaisons de communication satellite-Terre et inter-satellites basées sur des technologies optiques capables d'atteindre des débits de données très élevés par canal – bien supérieurs à ce qui est possible pour les technologies radiofréquence. De telles liaisons pourraient un jour servir d’épine dorsale au réseau terrestre de fibre et, à terme, « connecter ceux qui ne sont pas connectés » dans des zones où le déploiement de technologies de communication traditionnelles telles que la fibre optique n’est pas réalisable.