Des chercheurs de l’ETH Zurich en collaboration avec des partenaires de l'industrie spatiale ont réussi à transmettre des données à très haut débit par laser optique dans l’air, malgré les turbulences atmosphériques. Cette technologie pourrait permettre de relier les continents par des satellites plutôt que par des câbles sous-marins, ce qui serait plus rapide et moins coûteux.L'épine dorsale de l'internet est constituée d'un réseau dense de câbles à fibres optiques, dont chacun transporte jusqu'à plus de 100 térabits de données par seconde (1 térabit = 1012*10^12 signaux numériques 1/0) entre les nœuds du réseau. Les connexions entre les continents se font par l'intermédiaire de réseaux en eaux profondes, ce qui représente une dépense énorme : un seul câble traversant l'Atlantique nécessite un investissement de plusieurs centaines de millions de dollars. TeleGeography, une société de conseil spécialisée, a annoncé qu'il y avait actuellement 530 câbles sous-marins actifs, et que ce nombre était en augmentation.
Bientôt, cependant, ces dépenses pourraient diminuer de manière substantielle. Dans le cadre d'un projet européen Horizon 2020, des scientifiques de l'ETH Zurich, en collaboration avec des partenaires de l'industrie spatiale, ont fait la démonstration d'une transmission optique de données de l'ordre du térabit par voie aérienne. À l'avenir, cela permettra des connexions dorsales beaucoup plus rentables et beaucoup plus rapides via des constellations de satellites proches de la terre.
Les chercheurs de l’ETH Zurich et d’autres institutions ont testé avec succès un système de transmission de données optiques par laser entre une station de haute montagne et une ville, sur une distance de 53 km. Ils ont dû faire face à de nombreuses perturbations atmosphériques qui affectent le faisceau laser, comme les turbulences, la chaleur et la réflexion. Ce test est une étape importante vers la communication optique par satellite.
Les lasers auraient l’avantage d’être plus directionnels, plus rapides et moins sensibles aux interférences. Les chercheurs ont testé leur système en utilisant deux cubesats équipés de lasers et de télescopes miniatures, qui ont réussi à établir une communication bidirectionnelle à une distance de 22 kilomètres. Cette démonstration ouvre la voie à la création d’un réseau de satellites LEO reliés par des lasers, qui pourrait fournir un accès internet à haut débit à des régions éloignées ou mal desservies par les infrastructures terrestres.
L’internet par satellite basé sur les micro-ondes serait lent et limité car elles ont des longueurs d’onde relativement longues alors que Les lasers optiques, en revanche, ont des longueurs d’onde beaucoup plus courtes, ce qui leur permet de transporter plus d’informations par unité de temps. Pour que le signal laser soit assez fort à l’arrivée, il faut utiliser des télescopes de grande taille pour émettre et recevoir le faisceau de lumière.
« Pour la transmission de données optiques, notre route d'essai entre la station de recherche de haute altitude sur le Jungfraujoch et l'observatoire Zimmerwald de l'université de Berne est beaucoup plus difficile qu'entre un satellite et une station terrestre », explique Yannik Horst, auteur principal de l'étude et chercheur à l'Institut des champs électromagnétiques de l'ETH Zurich, sous la direction du professeur Jürg Leuthold.
Le projet de recherche vise à améliorer la transmission de données par laser entre des stations au sol ou dans l’espace. Il existe des difficultés techniques liées à la modulation du signal laser et aux turbulences atmosphériques, ainsi que les solutions développées par les partenaires du projet. Notamment l’utilisation de miroirs adaptatifs, de nouveaux formats de modulation de la lumière et d’un ciblage précis des lasers.
Les connexions internet par satellite ne sont pas une nouveauté. L'exemple le plus connu aujourd'hui est Starlink d'Elon Musk, un réseau de plus de 2 000 satellites en orbite proche de la Terre qui fournit un accès à l'internet dans pratiquement tous les coins du monde. Toutefois, la transmission de données entre les satellites et les stations terrestres fait appel à des technologies radio, qui sont nettement moins puissantes. Comme le réseau local sans fil (WLAN) ou les communications mobiles, ces technologies opèrent dans la gamme des micro-ondes du spectre et ont donc des longueurs d'onde de plusieurs centimètres.
Les systèmes optiques laser, en revanche, fonctionnent dans le proche infrarouge avec des longueurs d'onde de quelques micromètres, soit environ 10 000 fois plus courtes. Ils peuvent donc transporter plus d'informations par unité de temps.
Les turbulences annulent les signaux modulés
Pour atteindre les débits de données les plus élevés possibles, l'onde lumineuse du laser est modulée de manière à ce qu'un récepteur puisse détecter différents états codés sur un seul symbole. Cela signifie que chaque symbole transmet plus d'un bit d'information. En pratique, cela implique différentes amplitudes et différents angles de phase de l'onde lumineuse. Chaque combinaison d'angle de phase et d'amplitude forme alors un symbole d'information différent qui peut être encodé dans un symbole transmis. Ainsi, avec un schéma comprenant 16 états (16 QAM), chaque oscillation peut transmettre 4 bits, et avec un schéma comprenant 64 états (64 QAM), 6 bits.
La turbulence fluctuante des particules d'air entraîne une variation de la vitesse des ondes lumineuses à l'intérieur et sur les bords du cône de lumière. Par conséquent, lorsque les ondes lumineuses arrivent au détecteur de la station de réception, les amplitudes et les angles de phase s'additionnent ou s'annulent, produisant des valeurs erronées.
Les miroirs corrigent la phase des ondes 1 500 fois par seconde
Pour éviter ces erreurs, l'ONERA, partenaire du projet basé à Paris, a déployé une puce à système microélectromécanique (MEMS) dotée d'une matrice de 97 minuscules miroirs réglables. Les déformations des miroirs corrigent le déphasage du faisceau sur sa surface d'intersection le long du gradient actuellement mesuré 1 500 fois par seconde, améliorant ainsi les signaux d'un facteur d'environ 500.
Cette amélioration a été essentielle pour atteindre une largeur de bande de 1 térabit par seconde sur une distance de 53 kilomètres, souligne Horst. Pour la première fois, de nouveaux formats robustes de modulation de la lumière ont été démontrés. Cela a permis d'augmenter considérablement la sensibilité de détection et donc d'obtenir des débits de données élevés, même dans les pires conditions météorologiques ou avec une faible puissance laser.
Cette augmentation est obtenue en codant intelligemment les bits d'information dans les propriétés de l'onde lumineuse, telles que l'amplitude, la phase et la polarisation. « Avec notre nouveau format de modulation 4D à déplacement de phase binaire (BPSK), un bit d'information peut être correctement détecté par le récepteur même avec un très petit nombre - environ quatre - de particules de lumière », explique Horst.
Au total, les compétences spécifiques de trois partenaires ont été nécessaires à la réussite du projet. La société spatiale française Thales Alenia Space est experte dans le ciblage de lasers avec une précision centimétrique sur des milliers de kilomètres dans l'espace. L'ONERA, également français, est un institut de recherche aérospatiale spécialisé dans l'optique adaptative à base de MEMS, qui a largement éliminé les effets de scintillement dans l'air. La méthode la plus efficace de modulation des signaux, essentielle pour les débits de données élevés, est une spécialité du groupe de recherche de l'ETH Zurich de Leuthold. Cette amélioration était essentielle pour atteindre une largeur de bande de 1 térabit par seconde sur une distance de 53 kilomètres, poursuit Horst.
Les résultats d’une expérience de transmission de données par laser entre des stations au sol ou dans l’espace atteignent un débit de 1 térabit par seconde avec une seule longueur d’onde. Le système peut être facilement extensible à 40 térabits par seconde avec 40 canaux, et le nouveau format de modulation développé par les chercheurs de l’ETH Zurich peut être utilisé dans d’autres méthodes de transmission de données.
Source : ETH Zurich
Et vous ?
Les résultats des travaux des chercheurs de l'ETH Zurich sont-ils pertinents ? Quelles peuvent être les limites de la transmission de données par laser dans l’air ? Quels seraient les risques de sécurité ou d’interférence liés à cette technologie ? Quel peut être selon vous l’impact environnemental de l’utilisation de lasers spatiaux ? Quelles sont les implications éthiques ou politiques de la connexion des continents par des satellites ?Voir aussi :
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