相干调制和自适应光学实现太空高速互联网的新发展

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通过卫星从太空连接互联网已成为人们感兴趣的话题。商业卫星网络，例如 SpaceX Starlink 和 Telesat LightspeedTM，旨在为传统通信技术无法使用的偏远和农村地区提供高速互联网。这项工作的一个主要挑战是在卫星和地面站之间从地球传输大量数据。其所需的数据速率为Tbit/s量级，由于带宽较低，当前的射频技术很难满足该数据速率。“自由空间光通信技术提供了一种潜在的解决方案，因为它们可以通过利用免许可的光带宽实现前所未有的高吞吐量，从而大大减少所需地面站的数量。” 雅尼克·霍斯特说，该研究的主要作者和苏黎世联邦理工学院 Leuthold 教授团队的研究员。然而，需要找到减轻大气湍流的光调制技术和方法，并且这是正在进行的研究的主题。

在《光：科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，来自苏黎世联邦理工学院、Thales Alenia Space 和 Onera 的团队展示了在单个光载波上 53.42 公里无线距离内每秒 1 太比特的线路速率，提高了五倍与之前的实验相比，数据速率和距离都有所提高。为了成功地进行这些实验，三个合作伙伴结合了他们的特定能力。法国航空航天公司泰雷兹阿莱尼亚航天公司开发了具有精确指向系统的太空终端。法国国家航空航天研究办公室 Onera 建造了光学地面站及其自适应光学系统，以减轻大气湍流并校正相位扰动的波前。

在这项研究中，他们测试了用于太空-地球应用的先进光学调制格式。研究发现，尽管大气中有湍流，仍可以高质量地接收先进的调制格式。根据天气条件，损失可能会很高。“当功率有限时，人们应该采用更强大的调制格式，因为它们提供更高的灵敏度”，Horst 解释道。

在这个问题上，Leuthold 的团队提出了星座调制作为一种解决方案，可以在信噪比较低的情况下传输高数据速率。该小组推出了一种名为 4D-BPSK(二进制相移键控)的新四维调制格式，该格式首先在本研究的通信链路中进行了测试。“利用 4D-BPSK，我们可以以 1∙10 -3的误码率 (BER) 传输灵敏度为每比特 4.3 个光子的信息”Horst 说道，“我们使用这种调制格式来展示在单载波内成功传输高达 210 Gbit/s 的信息。” 此外，在 BER 为 1∙ 时，其测量灵敏度分别比偏振复用 4 QAM(正交幅度调制)和偏振切换 (PS) 4 QAM 高 1.4 dB(1.7 dB 模拟)和 0.7 dB(0.75 dB 模拟) 10 -3。这是一个新颖之处，因为 PS 4 QAM 调制格式迄今为止被认为是相干调制系统中最节能的调制格式。

为了补偿湍流 53 km 自由空间信道中的高损耗，他们发现基于自适应光学的大气湍流缓解技术与简单的静态像差校正相比，可以将接收光功率提高高达 28 dB 和 7 dB或分别进行倾斜校正。最重要的是，自适应光学器件与复杂的调制格式兼容，其中信息被编码到光的幅度和相位上，而不会影响性能。

在未来的应用中，通过使用波分复用，可以将1通道每秒1太比特的传输轻松扩展到50通道传输链路。使用传统技术，这可能会导致每秒 > 50 太比特的空间链路。Leuthold 表示，该产品的商业化现在取决于工业合作伙伴。相反，苏黎世联邦理工学院的科学家们将继续努力通过新颖的调制技术和设备概念来推动互联网的发展。