В России придумали надежный способ передачи больших данных в космосе
Команда российских ученых, куда вошли специалисты Университета ИТМО, предложила простой способ повысить пропускную способность и надежность передачи данных свободно-пространственной оптической связи в космосе. Они научились управлять структурой и составом световой «гребенки» из вихревых пучков лазера. Каждый пучок при этом работает как отдельный канал передачи информации.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nano Letters. Для передачи информации между космическими спутниками используется свободно-пространственная оптическая связь. Ее устройство похоже на оптический Wi-Fi: информация кодируется в лазерный пучок, и он транслируется получателю. Технология не требует оптоволоконного кабеля, поэтому ее можно быстро и просто развернуть в любом месте. Но пока пропускная способность свободно-пространственной оптической связи достигает скорости до 20 Гбит/с (волоконно-оптические системы связи могут поддерживать скорость передачи данных до 100 Тбит/с), а на стабильность оптического сигнала влияют внешние факторы, например, облака и пыль.
Создать надежное высокоскоростное соединение могут «закрученные» световые пучки — вихри. В отличие от «незакрученного» света, они обладают не только частотой и амплитудой (интенсивность свечения), но и проекцией орбитального углового момента. Она представляет дополнительный параметр, который позволяет создать несколько независимых каналов передачи данных, подобных разным частотам в радиосвязи. Чем больше проекций, тем больше информации можно закодировать в один луч. При этом проекции не смешиваются — это гарантирует надежную передачу данных.
Вихревые световые пучки с проекцией орбитального углового момента можно создавать с помощью технологии световой «орбитальной гребенки». Она генерирует сразу множество «закрученных» пучков, каждый со своим уникальным значением проекции орбитального углового момента. Однако саму «орбитальную гребенку» обычно формируют с помощью технически сложных устройств — специальных модуляторов света, метаповерхностей и других продвинутых оптических элементов.
Ученые Нового физтеха ИТМО разработали более простой и надежный способ получения набора вихревых пучков с разными значениями проекций орбитального углового момента. Особенность разработки в том, что исследователи могут не просто создать световую «гребенку», а управлять ею и таким образом влиять на каждый отдельный вихревой пучок. Это позволит более надежно кодировать и передавать информацию, увеличивая пропускную способность и стабильность оптических каналов связи. В исследовании также приняли участие ученые Института общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН и Национального исследовательского университета «МИЭТ».
Световая «гребенка» создается в несколько этапов. Лазерный луч от фемтосекундного лазера проходит через специальную дифракционную решетку с топологическим дефектом, становится вихревым пучком и приобретает новый параметр — проекцию орбитального углового момента. Получившийся пучок похож не на сплошное круглое пятно, а на «бублик». Затем он меняет тип моды (состояния электромагнитного поля) в первом конвертере и проходит через нелинейный кристалл. Благодаря этим двум преобразованиям форма «бублика» плавно переходит в набор упорядоченных точек, как будто их прочесали расческой, частота вихревого пучка удваивается, и одновременно с этим в пучке увеличивается количество компонентов с проекцией орбитального углового момента. В этот момент структура пучка фиксируется и становится устойчивой к искажениям. Последний конвертер преобразует набор точек в настоящую световую «орбитальную гребенку», напоминающую свиной пятачок, с разными значениями проекций орбитального момента. Они не взаимодействуют друг с другом, и каждая проекция передает свою часть информации независимо.
«Наш подход — это сильная нелинейность, которую мы используем в качестве оптического преобразования для записи информации. Мы преобразуем исходный вихревой пучок с помощью тонкого кристалла бета бората бария в набор вихревых состояний — «орбитальную гребенку». Первый конвертер позволяет нам регулировать, какие именно амплитуды входят в состав пучка после нелинейного кристалла. Меняя параметры исходного пучка с его помощью, мы кодируем информацию в амплитудную структуру гребенки. Эта структура устойчива к линейным искажениям, и без внешнего сильного нелинейного воздействия также остается стабильной при передаче данных. Поэтому мы можем кодировать большие объемы данных и передавать их, например, от спутника к спутнику, не боясь что-то потерять», — объяснил один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник физического факультета ИТМО Станислав Батурин.
Новый способ создания световой «гребенки» потенциально можно использовать для настройки надежной и быстрой оптической связи в космосе. В перспективе ученые планируют разработать методы, которые помогут передавать сигнал не только в вакууме, но и воздухе.
«Следующим этапом станет разработка демодулятора — устройства, способного «разложить» полученный оптический сигнал на отдельные каналы по орбитальному угловому моменту. В сочетании с генератором орбитальной гребенки это позволит создать полноценную систему передачи данных, где передатчик и приемник будут работать как оптический аналог многоканальной радиосвязи: передатчик формирует несколько независимых каналов в одном пучке света, а демодулятор выделяет каждый канал для дальнейшей обработки», — рассказал первый автор исследования, аспирант физического факультета ИТМО Даниил Литвинов.
Исследование поддержано программой «Приоритет 2030» и грантами Российского научного фонда.
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно