Хватит ли одного лазера для всего космического интернета? Оказывается, да

Значит, так. У нас есть космос. Спутники, МКС, будущие лунные базы — всё это надо как-то связывать в единую сеть. Проводной интернет, сами понимаете, вариант так себе — кабель до Луны пока никто не прокинул.

Остаётся беспроводная оптическая связь. И на самом деле для связи между космическими аппаратами уже давно используют так называемую свободно-пространственную оптическую связь.

Если по-простому, это такой оптический Wi-Fi: один спутник стреляет в другой лазерным лучом, в котором закодирована информация. Кабель тянуть не надо — красота. Но есть нюанс, и даже не один.

Во-первых, скорость. Нынешние системы выжимают до 20 Гбит/с, в то время как земные оптоволоконные сети могут разгоняться до 100 Тбит/с. Разница космическая.

А во-вторых, стабильность — любая мелочь на пути луча, будь то облако космической пыли или просто легкая расфокусировка, может испортить весь сеанс связи. Нужно что-то принципиально новое. Или хотя бы очень умно переработанное старое.

И вот, кажется, учёные из питерского ИТМО придумали, как решить первую проблему и помочь со второй...

Закрученный свет

Чтобы понять суть, придётся на секунду забыть про обычный лазерный луч, который мы привыкли видеть в указках или фильмах. Оказывается, свет можно не только включать и выключать (это ноль и единица), ему можно придавать закрученность.

Так получаются вихревые пучками света, которые иначе зовутся орбитальным угловым моментом (ОАМ).

Фишка в том, что у такого света, помимо привычных нам яркости (амплитуды) и цвета (частоты), есть ещё один параметр — проекция этого самого ОАМ.

Тут самое главное то, что таких закруток может быть много разных, то есть в одном-единственном лазерном луче вы можете одновременно передавать не один поток данных, а сразу десять, двадцать или даже больше.

Причем эти потоки-каналы не будут мешать друг другу, как не мешаются разные радиостанции, работающие на разных частотах. А чем больше таких проекций у света, тем колоссальнее объем информации можно впихнуть в один луч.

Это и есть ключ к сверхбыстрой и, что важно, надёжной связи.

Для создания целого набора таких каналов используется технология световой «орбитальной гребёнки». Она, как можно догадаться из названия, генерирует сразу целый веер закрученных пучков, каждый со своим уникальным номером канала.

Проблема была только в том, чтобы создать эту самую гребёнку из вихрей. До этого всё было сложно, дорого и нестабильно. Требовались продвинутые модуляторы, метаповерхности и прочие штуки, которые в условиях космоса могут и не прижиться.

Но, как оказалось, есть путь проще.

Орбитальная гребёнка

Всё начинается с мощного, но короткого импульса от фемтосекундного лазера. Этот луч сначала попадает на специальную дифракционную решетку с небольшим дефектом. Этот дефект-то и закручивает свет, превращая его из обычного пятнышка в эдакий светящийся бублик. Так у луча появляется тот самый орбитальный угловой момент.

Дальше бублик отправляется в первый преобразователь (конвертер), а сразу после него пролетает через тонкий нелинейный кристалл бета бората бария. И вот тут — главное. Благодаря этим двум шагам происходит сразу несколько вещей.

Во-первых, частота света удваивается. В данном случае кристалл выступает в роли умножителя и преобразователя. Он не просто пропускает свет, а кардинально меняет его свойства. На выходе из кристалла бублик уже превращается в аккуратную структуру из нескольких светящихся точек. В этот момент структура луча становится невероятно устойчивой к внешним помехам.

Но это ещё не готовая гребёнка.

А чтобы она стала готовой, луч проходит через ещё один конвертер, который придает гребёнке окончательную форму, готовую для передачи данных. На выходе получается нечто, что сами учёные в шутку сравнивают со свиным пятачком — устойчивая комбинация множества световых вихрей.

Они все летят в одном луче, но при этом абсолютно независимы.

В чём прорыв-то?

Самое главное в работе питерских учёных даже не то, что они придумали более простой способ создавать эту гребёнку. Ключевое слово здесь — управлять. Их метод позволяет не просто получить набор каналов, а гибко контролировать, какие именно каналы будут в этом наборе и с какой интенсивностью.

Как объясняет один из авторов исследования, Станислав Батурин, они используют сильное нелинейное преобразование в кристалле как инструмент для записи информации. Меняя параметры самого первого, исходного пучка с помощью первого конвертера, они могут кодировать данные прямо в структуру получившейся гребенки.

Проще говоря, меняя яркость каждого вихря, можно записывать в луч нули и единицы. И всё это — одновременно и в одном луче.

Ну и? Ждать гигабит на Марсе?

Так, тут давайте не будем торопиться. Пока что у нас есть только половина уравнения — крутой передатчик.

А вот с приёмником, демодулятором, который сможет всю эту гребёнку поймать, идеально сориентировать и правильно расшифровать, ещё предстоит повозиться. И это мягко говоря.

Одно дело — собрать работающую установку в стерильной лаборатории на виброизолированном столе, и совсем другое — создать компактное, надёжное и отказоустойчивое устройство, которое переживет запуск на ракете и будет годами ловить луч с другого спутника, летящего со скоростью 8 км/с.

Ну а мечты про такой же интернет на Земле и вовсе упираются в стену. Точнее, в атмосферу. Любой дождь, туман, да даже просто потоки тёплого воздуха от раскалённого асфальта превратят этот идеально структурированный луч в бесполезную световую кашу. Так что в ближайшем будущем оптоволокно может спать спокойно.

Поэтому работа физиков из ИТМО — это не готовый продукт, который завтра уже можно ставить на спутники. Это, скорее, доказательство принципиальной возможности: «Смотрите, так можно было». Для инженеров это и вовсе открывает новое направление.

Но до того, как эта технология из научной статьи в модном журнале превратится в реальный стандарт космической связи, пройдет еще немало лет, полных той самой инженерной рутины, проб и бесконечных ошибок.

Но это уже совсем другая история.