La spina dorsale di Internet – la cosiddetta backbone – è formata da una fitta rete di cavi in fibra ottica, ognuno dei quali trasporta 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 enormemente 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, questa spesa non sarà più necessaria. Gli scienziati del Politecnico di Zurigo hanno dimostrato la trasmissione ottica di dati terabit attraverso l’aria in un progetto europeo Horizon 2020, insieme a partner dell’industria spaziale. In futuro, questo renderà possibile stabilire connessioni dorsali molto più economiche e anche molto più veloci attraverso costellazioni satellitari vicine alla terra.
Condizioni difficili tra Jungfraujoch e Berna
Tuttavia, i partner del progetto non hanno testato il loro sistema laser con un satellite in orbita, ma con una trasmissione di oltre 53 chilometri da Jungfraujoch a Berna. “La nostra distanza di prova tra la Stazione di Ricerca Alpina sullo Jungfraujoch e l’Osservatorio Zimmerwald dell’Università di Berna è molto più impegnativa dal punto di vista di una trasmissione ottica di dati rispetto a quella tra un satellite e una stazione a terra”, spiega Yannik Horst, autore principale dello studio e ricercatore del Politecnico di Zurigo nell’Istituto per i Campi Elettromagnetici diretto dal Professor Jürg Leuthold.
Il raggio laser ha dovuto spostarsi attraverso l’atmosfera densa e vicina alla terra. Nel processo, le molteplici turbolenze dei gas dell’aria sopra le alte montagne innevate, la superficie dell’acqua del Lago di Thun, l’agglomerato densamente costruito 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, innescato da fenomeni termici, disturba il movimento uniforme della luce può essere visto a occhio nudo nelle calde giornate estive.
Internet via satellite utilizza una radio a microonde lenta
Le connessioni Internet via satellite non sono una novità. L’esempio attuale più noto è la costellazione Starlink di Elon Musk, che utilizza più di 2.000 satelliti in orbita vicino alla terra per portare Internet in quasi ogni angolo del mondo. Per trasmettere i dati tra i satelliti e le stazioni a terra, tuttavia, si utilizzano tecnologie radio molto meno potenti. Come la WLAN (Wireless Local Area Network) o la radio mobile, lavorano nella gamma delle microonde dello spettro di frequenza e quindi con lunghezze d’onda di pochi centimetri.
I sistemi laser ottici, invece, lavorano nella gamma della luce del vicino infrarosso, con lunghezze d’onda circa 10.000 volte più corte e di pochi micrometri. Di conseguenza, possono anche trasportare una quantità di informazioni corrispondente 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 dell’ordine di grandezza del fascio di luce ricevuto.
Laturbolenza annulla i segnali modulati
Per ottenere le più alte velocità di trasmissione dati possibili, l’onda luminosa del laser viene modulata in modo tale che un ricevitore possa rilevare diversi stati distinguibili per oscillazione. Ciò significa che è possibile trasmettere più di un bit di informazioni 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 simbolo informativo diverso. Con uno schema 4×4, si possono trasmettere 4 bit per oscillazione e con uno schema 8×8 6 bit.
La turbolenza mutevole delle particelle d’aria fa sì che le onde luminose viaggino a velocità diverse all’interno e ai bordi del cono di luce. Nel rilevatore della stazione ricevente, questo fa sì che le ampiezze e gli angoli di fase si sommino o si sottraggano a vicenda per ottenere valori errati.
Glispecchi correggono la fase dell’onda 1500 volte al secondo
Per evitare questi errori, il partner francese del progetto ha fornito un cosiddetto chip MEMS (sistema micro-elettro-meccanico) con una matrice di 97 specchi mobili. I movimenti degli specchi permettono di correggere lo spostamento di fase del fascio sulla sua superficie di taglio, lungo il gradiente attualmente misurato, 1500 volte al secondo.
Questo miglioramento 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 anche 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 basse potenze laser. Ciò si ottiene codificando abilmente i bit di informazione sulle 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 circa”, spiega Horst.
Nel complesso, le competenze specifiche di tre partner sono state necessarie per il successo del progetto. L’azienda aerospaziale francese Thales Alenia Space padroneggia il puntamento di precisione centimetrica con i laser su migliaia di chilometri nello spazio. Onera, un altro istituto di ricerca aerospaziale francese, possiede l’esperienza nell’ottica adattiva basata su MEMS, che ha eliminato in gran parte gli effetti dello sfarfallio dell’aria. E la modulazione più efficace dei segnali, essenziale per un’elevata velocità di trasmissione dei dati, è una delle specialità del gruppo di ricerca di Leuthold.
Facilmente espandibile fino a 40 terabit al secondo
I risultati dell’esperimento, presentati per la prima volta alla Conferenza Europea sulla Comunicazione Ottica (ECOC) di Basilea, stanno facendo scalpore in tutto il mondo, dice Leuthold: “Il nostro sistema rappresenta una svolta. Finora, era possibile collegare solo grandi distanze con larghezze di banda di pochi gigabit o brevi distanze di pochi metri con grandi larghezze di banda utilizzando i laser dello spazio libero”.
Inoltre, le prestazioni di 1 terabit al secondo sono state raggiunte 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.
Unulteriore potenziale per il nuovo formato di modulazione
Tuttavia, Leuthold e il suo team non si occuperanno più di questo. L’implementazione pratica in un prodotto commerciabile sarà affidata ai partner industriali. Tuttavia, gli scienziati dell’ETH continueranno a portare avanti una parte del loro lavoro. In futuro, il nuovo formato di modulazione che hanno sviluppato dovrebbe aumentare le larghezze di banda anche in altri processi di trasmissione dati, dove l’energia della radiazione può diventare un fattore limitante.
