Moussa N’Gom vom Rensselaer Polytechnic Institute, Assistenzprofessor für Physik, angewandte Physik und Astronomie, hat eine Methode entwickelt, um die Kommunikation zwischen Satelliten und dem Boden unabhängig vom Wetter effektiver zu gestalten. In einer kürzlich veröffentlichten Forschungsarbeit verwendeten N’Gom und sein Team ultraschnelle Femtosekundenlaser, um die Wolken und den Regen zu durchschneiden, die üblicherweise Verluste in der optischen Freiraumkommunikation (FSO) verursachen.
„Die von uns verwendeten Laser sind so energiereich, dass sie die Umgebung verändern, in der sie sich ausbreiten“, sagte N’Gom. „Die Umgebung beginnt, den Laser zu verändern, der sie verändert, und sie haben eine Licht-Materie-Wechselwirkung. Es wird zu einem Kaskadeneffekt, der einen langen Lichtfaden erzeugt.“
Der Lichtfaden wird von einer Stoßwelle begleitet, ähnlich einem Überschallknall. Das Laserfilament breitet sich durch Wolken aus und die begleitende Stoßwelle räumt den Raum um das Filament herum auf und bietet einen offenen Weg für sichtbares Licht. N’Gom verwendet strukturiertes Licht in Form einer Spirale mit einem Loch in der Mitte, um sich durch den Pfad auszubreiten.
„Der Laguerre-Gauß-Strahl wandert durch diesen leeren Raum, ohne mit dem Filament zu interagieren, und wird nicht von den Wolken behindert“, sagte N’Gom. „Normalerweise bewegt sich Licht in einer flachen Welle, aber das Licht, das wir erzeugen, bewegt sich in einer Spirale. Stellen Sie sich vor, Sie würden ein flaches Blatt Papier mit einer Schere kräuseln.“
Die Spiralform des Lichts erleichtert nicht nur die Übertragung durch Wolken, sondern ermöglicht auch die Übertragung von mehr Informationen.
Das Verfahren stellt einen erheblichen Fortschritt für das FSO dar, das bereits eine wesentlich höhere Kapazität als die Hochfrequenzkommunikation hat. Frühere Versuche, das hartnäckige Hindernis von Regen und Wolken zu überwinden, erforderten viel Energie, große Investitionen oder waren weniger effektiv.
„Dr. N’Goms innovative Forschung zeigt, wie eine grundlegende Barriere in der optischen Freiraumkommunikation überwunden werden kann“, sagte Curt Breneman, Dekan der Rensselaer School of Science. „Ich gehe davon aus, dass die optische Freiraum-Kommunikationstechnologie dieser Art eine sichere weltweite Quantenkommunikation mit Hypergeschwindigkeit ermöglichen wird.“
Die Forschung ist veröffentlicht in der Zeitschrift für Angewandte Physik.
Mehr Informationen:
Tianhong Wang et al, Strukturierte Lichtsignalübertragung durch Wolken, Zeitschrift für Angewandte Physik (2023). DOI: 10.1063/5.0129902