Meniu
AcasăPrograme

Sisteme de comunicații cu laser. Pentru prima dată, informațiile în bandă largă au fost transmise de la bordul ISS printr-un canal laser către o stație la sol

De la apariția vieții pe Pământ, capacitatea de a transmite mesaje unul altuia (sau, după cum se spune acum, informații) a ocupat unul dintre principalele locuri în comunicarea umană. ÎN Grecia antică De exemplu, informațiile au fost transmise cu ajutorul undelor luminoase, pentru care s-au aprins focuri pe turnuri speciale, anunțând locuitorii despre un eveniment important. Telegraful optic a fost inventat în Franța. Omul de știință rus Schelling a propus un telegraf cu fir electric, care a fost ulterior îmbunătățit de americanul Morse. Un cablu electric a conectat Europa cu America. T. Edison a dublat capacitatea liniei telegrafice. A. Popov a descoperit posibilitatea de a transmite mesaje telegrafice fără fir - folosind unde electromagnetice. Tehnologia radio a cunoscut o dezvoltare rapidă. Au început să transmită pe diferite lungimi de undă: lungă, medie, scurtă. Undele au devenit aglomerate.

Care este viteza și cantitatea de informații transmise? Se știe că viteza maximă de transmisie este determinată de durata unei perioade de oscilație a undelor utilizate. Cu cât perioada este mai scurtă, cu atât viteza de transmitere a mesajului este mai rapidă. Acest lucru este valabil și pentru transmiterea de mesaje folosind codul Morse, folosind comunicare telefonică, comunicații radio, prin televiziune. Astfel, canalul de comunicație (emițătorul, receptorul și linia care le conectează) poate transmite mesaje cu o viteză nu mai mare decât frecvența naturală a întregului canal. Dar nu este încă condiție suficientă. Pentru a caracteriza un canal de comunicație, este necesar încă un parametru - lățimea de bandă a canalului, adică intervalul de frecvență care este utilizat în acest canal de comunicație. Cu cât viteza de transmisie este mai mare, cu atât banda de frecvență pe care ar trebui să fie transmisă este mai largă. Ambii acești parametri obligă pe cineva să stăpânească frecvențe din ce în ce mai mari ale oscilațiilor electromagnetice. Într-adevăr, odată cu creșterea frecvenței, crește nu numai viteza de transmisie pe un canal, ci și numărul de canale de comunicație.

Tehnologia comunicațiilor a început să se miște la lungimi de undă din ce în ce mai scurte, folosind mai întâi unde decimetru, apoi metru și în final centimetri. Și apoi a fost o oprire din cauza faptului că nu era

o sursă adecvată de oscilații electromagnetice purtătoare. Sursele existente anterior produceau un spectru larg cu o putere foarte mică per frecvență individuală de oscilație. Undele luminoase nu erau coerente, iar acest lucru a împiedicat utilizarea lor pentru transmiterea de semnale complexe care necesită modularea radiației. Situația s-a schimbat dramatic odată cu apariția laserelor. Coerența și natura monocromatică a radiației laser permite ca fasciculul să fie modulat și detectat în așa fel încât să fie utilizată întreaga lățime a intervalului optic. Partea optică a spectrului este mult mai largă și mai încăpătoare decât partea undelor radio. Să arătăm acest lucru cu un calcul simplu. Să calculăm câtă informație poate fi transmisă simultan printr-un canal de comunicație optic cu o lungime de undă de 0,5 microni (corespunzător cu Hz). De exemplu, să luăm un oraș ca Moscova. Să fie 1.500.000 de telefoane, 100 de posturi de radio transmise și 5 canale de televiziune. Pentru calcule, presupunem că banda de frecvență a unui canal telefonic este Hz, un canal radio, un canal de televiziune - Hz. Să luăm un factor de siguranță egal cu 100. Vom face calcule folosind formula

unde c este viteza luminii, K este lungimea de undă a vibrației electromagnetice, banda de frecvență ocupată de un canal de televiziune, banda de frecvență a unei stații de emisie, banda de frecvență a unui canal telefonic, numărul de canale de televiziune, numărul de canale radio, numărul de telefoane, k este factorul de siguranță.

Înlocuind valorile pentru exemplul nostru, obținem, prin urmare, putem concluziona că componenta de înaltă frecvență a oscilației electromagnetice, egală cu aproximativ Hz, permite (în principiu) într-un singur fascicul laser să se asigure simultan transmiterea de informații către un. mii de orașe precum Moscova. Cu toate acestea, pentru a realiza această posibilitate fundamentală, este necesar să se rezolve o serie de probleme. Ele sunt asociate cu modulația, demodularea și trecerea radiațiilor în atmosferă. Pentru a înțelege acest lucru, luați în considerare o linie de comunicație optică (Fig. 27).

Orez. 27. Linie de comunicație optică folosind laser

Linia de comunicație este formată din dispozitive de transmitere și recepție. Dispozitivul de transmisie include un laser care produce un purtător de înaltă frecvență; un modulator care asigură suprapunerea informației transmise pe purtătorul de lumină; sistem optic, necesar pentru focalizarea radiației într-un fascicul îngust, care oferă o rază lungă de acțiune și imunitate ridicată la zgomot; microfon cu amplificator și dispozitiv de direcționare. Dispozitivul de recepție constă dintr-un sistem optic de intrare, un receptor de radiații, un demodulator, un amplificator, un difuzor și un dispozitiv pentru țintirea (legarea) receptorului de transmițător. Linia de comunicare funcționează așa. Semnalul sub formă de frecvență audio este trimis la microfon. Aici este transformat în energie electrică și furnizat unui modulator prin care trece radiația laser. Se dovedește a fi modulat în conformitate cu mesajul vocal. Fasciculul modulat intră în sistemul optic. Această radiație, folosind un dispozitiv de ochire (ochire), iradiază locul în care se află sistemul de recepție. Sistemul optic de recepție colectează fasciculul laser și îl direcționează către receptor și amplificator. După care se duce la un demodulator, a cărui sarcină este să separe frecvența audio originală de frecvența purtătoare. Trece printr-un amplificator audio și merge la un difuzor.

Tabelul 15 (vezi scanare) Caracteristicile modulatorilor

Deoarece frecvența de modulație la transmiterea unui semnal audio nu depășește 104 Hz, majoritatea modulatoarelor și demodulatoarelor dezvoltate până în prezent sunt potrivite pentru implementarea acestuia. Cea mai utilizată este modularea în amplitudine. Potrivit pentru implementarea sa elemente optice, care își schimbă transparența sub influența tensiunii aplicate acestora. Acest tip de modulator include și o celulă Kerr, constând dintr-un dielectric lichid și plăci metalice. Când un câmp electric este aplicat plăcilor, dielectricul lichid devine birefringent. Ca urmare, planul de polarizare al undei de lumină care trece se va roti cu un unghi

unde B este constanta Kerr, este lungimea traseului și intensitatea câmpului. În acest caz, câmpul polarizat plan

trecând prin analizor, acesta își modifică intensitatea în conformitate cu legea câmpului electric. Astfel, folosind un modulator, o frecvență audio este introdusă în fasciculul laser. Să ne uităm la tabelul care arată caracteristicile diverse tipuri modulatoare și să încercăm să-l alegem pe cel potrivit pentru sistemul nostru de comunicații.

Să folosim un laser cu gaz heliu-neon ca sursă de radiație. Pentru transfer mesaj audio Este necesară modularea până la 20 kHz. Acest lucru este cel mai bine satisfăcut de un cristal de germaniu (Tabelul 15). Are o adâncime bună de modulare de 50%. Cu toate acestea, acest modulator nu poate fi utilizat deoarece transparența sa spectrală se află în intervalul 1,8...25 µm, adică este opac la radiația de 0,6328 µm emisă de un laser cu heliu-neon. Cristalul ADP sau KDP este potrivit pentru domeniul spectral și are o marjă bună pentru frecvența de modulație. Cu un astfel de modulator, este posibilă modularea radiației optice în mai multe intervale de frecvență, ceea ce face posibilă, în principiu, introducerea mai multor canale telefonice într-un singur fascicul. Dar este imposibil să introduceți mai multe canale de televiziune în fasciculul laser folosind un astfel de modulator, deoarece este necesară o bandă de frecvență de Hz pentru a transmite o imagine de televiziune. Un singur program TV poate fi transmis. Avem nevoie de modulatoare cu o gamă foarte mare de frecvențe de modulație. Să ne uităm la masă. Modulatorul de unde ultrasonice are un interval de la 5 la 30 MHz. Limita sa superioară este cea mai mare, nu există alte modulatoare. Să comparăm acest interval în Hz cu domeniul de frecvență al unui laser cu gaz. Se poate observa că diferă cu șapte ordine de mărime, adică de zece milioane de ori. Prin urmare, purtătorul laser de înaltă frecvență nu este utilizat în forță deplină capacitățile tale. Și nu este folosit pentru că nu există încă modulatoare cu o gamă de frecvență de până la Hz. O imagine similară apare și pentru receptorii de radiații. Ele ar trebui, de asemenea, selectate pe baza intervalului spectral în care operează. Și pe baza intervalului de frecvențe pe care sunt capabili să le perceapă. Cele mai preferate sunt fotomultiplicatoarele care au o bandă de frecvență de ordinul a 100 MHz, dar nu mai mult. În consecință, există o problemă aici care necesită o soluție.

Orez. 28. Schema funcțională a primei instalații de televiziune cu laser

Cea mai ușoară cale a fost construirea unei linii de comunicație telefonică, deoarece erau disponibile toate elementele necesare pentru aceasta: o sursă de radiații, un modulator și un receptor de radiații. Astfel de linii au fost create pentru a evalua eficacitatea funcționării lor. Una dintre ele a conectat centrala telefonică automată, situată în Piața Sholokhov, cu clădirea Universității de Stat din Moscova de pe Dealurile Lenin. Prin conectarea cu fascicul laser centrale telefonice, a fost posibil să se conducă simultan câteva zeci convorbiri telefonice. O altă linie a fost creată în Armenia. A făcut legătura între Erevan și Observatorul Astrofizic Byurokan, situat la 50 km depărtare pe Muntele Aragats.

Aplicarea laserelor în televiziune

ÎN în ultima vreme Au fost dezvoltate mai multe sisteme în care imaginile de televiziune sunt transmise printr-un canal optic. Cel mai simplu sistem de televiziune a fost realizat din componente și piese gata făcute. Schema funcțională a acestui sistem este prezentată în Fig. 28. Include un laser industrial, două televizoare industriale, un amplificator standard și un amplificator video. În plus, au fost utilizate sisteme optice de recepție și transmisie, un modulator de radiații optice și un filtru optic. Semnalele de televiziune primite de la primul televizor sunt amplificate și trimise către modulator (semnalele video sunt preluate de la una dintre etapele canalului video al receptorului de televiziune). Modulator situat la ieșirea radiației

laser, oferă modulația de amplitudine flux radiant. Această radiație este formată într-un fascicul îngust folosind un sistem optic și îndreptată către dispozitivul de recepție. De asemenea, are un sistem optic de recepție de tip oglindă (cu două oglinzi), un filtru optic cu bandă îngustă și o diafragmă. Apoi radiația intră în fotomultiplicator. Această combinație a ultimelor trei elemente asigură o bună selecție a semnalului de recepție, ceea ce permite ca sistemul să fie utilizat în condiții de iluminare solară. Semnalul de la fotomultiplicator se transformă de la optic la electric, trece printr-un amplificator video și este alimentat la tubul de imagine al unui al doilea televizor. În ciuda prezenței zgomotului introdus de laser și a fundalului intens în timpul zilei când instalația de televiziune funcționa în lumina soarelui, imaginea de pe ecranul celui de-al doilea televizor a fost destul de satisfăcătoare. Mai mult, claritatea imaginii a fost ridicată, ceea ce ne-a permis să concluzionam că caracteristica de transfer modulator și înrudit dispozitive electronice. Nu a fost detectată nicio „cădere de zăpadă” în sistem, ceea ce indică un raport semnal-zgomot suficient.

Am observat mai devreme că modulatorul este elementul principal al sistemului de comunicații de televiziune. Aici a fost folosită o celulă Pockels, în care se aplică cristalului o tensiune de modulație în direcția fluxului de lumină. Acest modulator oferă o adâncime bună de modulare și are o lățime de bandă suficientă, dar are două dezavantaje semnificative: primul este că este necesară o tensiune de până la câțiva kilovolți pentru a controla modulația, iar al doilea este că celula trebuie să fie răcită.

Deja în modificările ulterioare ale echipamentelor au fost aplicate soluții pentru eliminarea acestor neajunsuri. Celula Pockels a fost înlocuită cu un cristal KDP, care are o bună transparență optică în acest interval de lungimi de undă, iar pentru a reduce tensiunea de modulare, a fost utilizată îngustarea suplimentară a fasciculului folosind un sistem de colimare. Acest lucru a făcut posibilă îngustarea fasciculului la 1 mm. Pentru a asigura rezistența mecanică, cristalul a fost plasat într-o carcasă metalică. Aceste îmbunătățiri au redus consumul de energie cu două ordine de mărime. Modulatorul a funcționat la o tensiune de 18 V și a consumat un curent de 50 mA.

Orez. 29. Schema unei camere de transmisie laser

După ceva timp, au apărut mostre de sisteme de televiziune în care cinci imagini diferite de televiziune au fost transmise printr-un fascicul laser. În aceste sisteme, a fost folosit ca sursă de radiație un laser cu gaz care funcționează la o lungime de undă de 0,6328 μm cu o putere emisă de numai 8 mW. Dispozitivul de recepție folosea o fotodiodă de siliciu. Transmisia imaginilor s-a realizat pe canalele 66...7B, 76...82, 182...186, 198..204, 210...216 MHz.

Diagrama funcțională a celei de-a treia versiuni a camerei TV cu transmisie laser este prezentată în Fig. 29. Acest sistem asigura transmiterea unui program de televiziune printr-un fascicul laser, precum și program muzicalŞi informatii digitale. Elementele principale ale dispozitivului au fost: un laser cu gaz argon cu un sistem de scanare a fasciculului în spațiu, un receptor format dintr-un filtru cu bandă îngustă cu o bandă de trecere de 90 de angstromi, un fotomultiplicator și preamplificator. Al treilea bloc component a fost sistemul de sincronizare a liniilor și a cadrelor. Particularitatea este că se folosește un fascicul laser cu scanare rapidă și în loc de camera de televiziune- fotomultiplicator. O imagine de televiziune este obținută prin iradierea unui obiect cu radiație laser continuă, care este rotit în spațiu de-a lungul a două axe perpendiculare folosind prisme rotative. Scanarea orizontală este asigurată de o prismă cu 16 fețe care se rotește cu

viteza 60.000 rpm. În acest caz, viteza verticală a fasciculului este asigurată de o prismă cu 26 de laturi care se rotește cu o viteză de 150 rpm. Aceste două scanări dau 60 de cadre pe secundă. Radiația laser, reflectată de obiectul, a cărui imagine urmează să fie obținută, intră în dispozitivul de recepție, de la ieșirea căruia semnal amplificat este adusă la televizorul de control și imaginea obiectului este recreată pe ecranul acestuia. Pentru a sincroniza scanarea televizorului de control cu ​​scanarea fasciculului laser în spațiu, sunt prevăzute două elemente. Unul dintre ele realizează sincronizarea liniilor, iar celălalt - sincronizarea cadrelor. Fotocelulele circuitelor de sincronizare orizontală și verticală sunt instalate, respectiv, de-a lungul căii de scanare orizontală și verticală a fasciculului laser. Semnalele de ieșire ale fotocelulelor, amplificate la valoarea cerută, asigură sincronizarea necesară. O calitate pozitivă a unei astfel de camere de televiziune cu laser este calitatea sa ridicată a imaginii. În plus, poate funcționa pe întuneric și este capabil să transmită imagini prin ceață mult mai bine decât orice alt dispozitiv cu un scop similar. Dezavantajele sistemului includ pierderi semnificative de energie la scanarea fasciculului în spațiu și prezența elementelor care se rotesc rapid.


Undele radio nu sunt singurele mijloace de comunicare cu civilizațiile extraterestre. Există și alte moduri, cum ar fi semnalele luminoase. Deoarece semnalul luminos va trebui să parcurgă o distanță uriașă, trebuie să aibă proprietățile necesare: au suficientă energie pentru a depăși această cale. Este ușor de observat că proiectoarele optice nu sunt potrivite pentru transmiterea unor astfel de semnale luminoase. Ele creează raze de lumină divergente. Prin urmare, cu cât mai departe de lumina reflectoarelor, cu atât fasciculul devine mai larg. Pe distanțe mari, este și foarte mare. Aceasta înseamnă că energia pe unitatea de suprafață este foarte mică.

Dacă utilizați cel mai modern reflector optic, care creează un fascicul de lumină (fascicul) lățime de doar o jumătate de grad, atunci deja la o distanță de 50 de kilometri punctul de lumină creat de reflector va fi de 450 de metri. Un astfel de reflector instalat pe Pământ va crea un punct luminos cu un diametru de 3000 de kilometri pe Lună! Este clar că în acest caz energia luminoasă este disipată de suprafata mare iar iluminarea suprafeței devine mult mai mică decât dacă acest punct ar fi la doar 10 sau 100 de metri distanță. Pata formată de reflectorul pământului pe suprafața Lunii nu poate fi detectată. Dar Luna este lângă noi. Ce rămâne din densitatea de energie la distanțe de sute de ani lumină? Aproape nimic. Prin urmare, nu are rost să luăm în considerare mai departe o astfel de sursă trivială de semnale luminoase. Dar semnalele optice necesare pot fi create folosind lasere, care au fost întruchiparea ideilor lui Alexei Tolstoi (hiperboloidul inginerului Garin) și H. Wells (raza de căldură a marțienilor).

În ceea ce privește radiația laser ca mijloc de comunicare cu extratereștrii, două dintre proprietățile sale sunt importante aici. Prima este capacitatea de a emite un fascicul de lumină practic nedivergent (fascicul), care, după cum am văzut, nu poate fi realizat folosind reflectoare convenționale. A doua este capacitatea de a crea semnale luminoase puternice care pot ajunge la stelele aflate la sute și mii de ani lumină distanță.

O proprietate importantă a radiației laser este monocromaticitatea sa (literalmente „o singură culoare”). Din punct de vedere fizic, aceasta înseamnă că radiația are o lungime de undă strict constantă și, prin urmare, culoare. În același timp, există lasere care emit o lungime de undă strict definită, a cărei valoare este determinată de „substanța de lucru” a laserului. O astfel de substanță poate fi gazoasă, lichidă sau solidă. La început, a fost folosit în principal cristal de rubin sintetic. Când se utilizează sticlă activată cu neodim, lungimea de undă a radiației este de 1,06 microni. Substanța de lucru folosită este, în special, dioxid de carbon CO2 și multe alte substanțe. Laserele lichide permit emiterea la diferite lungimi de undă (într-un interval dat). Radiația are loc alternativ, în fiecare moment de timp este emisă o lungime de undă strict definită.

De asemenea, este important ca sistemele laser să permită emiterea de impulsuri de lumină foarte scurte. Acest lucru este foarte important pentru transmiterea informațiilor (prin secvențe de impulsuri). Lungimea impulsului poate fi atât de mică încât până la o mie de miliarde de impulsuri pot fi „stivuite” într-o secundă. În timpul emisiei, impulsurile se succed cu o anumită întârziere. Laserele moderne fac posibilă primirea impulsurilor putere mare. Așadar, chiar și impulsurile atât de scurte precum cele prezentate mai sus pot avea o energie mai mare de 10 jouli! Cu cât pulsul este mai lung, cu atât este mai mare energia pe care o conține. În modul „generare liberă”, când laserul însuși reglează lungimea impulsurilor emise și este de ordinul unei miimi de secundă, energia fiecărui impuls poate ajunge la câteva mii de jouli. Laserele fac posibilă emiterea nu numai de impulsuri scurte de lumină, ci și în mod continuu. De exemplu, laserele cu gaz alimentate cu dioxid de carbon pot funcționa în modul laser continuu. În acest caz, radiația este caracterizată nu de energia fiecărui impuls (deoarece nu există impulsuri individuale), ci de energia pe unitatea de timp sau, cu alte cuvinte, puterea. Astfel, puterea laserelor care funcționează pe dioxid de carbon ajunge la câteva zeci de kilowați.

Radiația laser este, de asemenea, împrăștiată, dar mult mai puțin decât cea a spoturilor. Acest lucru este determinat de dimensiunea substanței de lucru. Radiația de la suprafața substanței de lucru are loc strict cu aceeași fază (în fază) pe întreaga sa suprafață. Prin urmare, lățimea fasciculului trimis de laser depinde de dimensiunea blocului „substanță de lucru”, adică cu cât suprafața este mai mare, cu atât fasciculul de lumină emis este mai îngust. Dependența lățimii fasciculului de lungimea de undă este directă: cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât fasciculul transmis de laser este mai larg. Dar chiar și cu laserele obișnuite, în care dimensiunea substanței de lucru este de aproximativ 1 centimetru, unghiul fasciculului de lumină este de 200 de ori mai mic decât cel al unui reflector. Este de 10 secunde de arc. Există, desigur, lasere cu unghiuri semnificativ mai mici de emisie de lumină.

Pentru a scăpa de divergența fasciculelor, este necesar să folosiți un sistem optic, cum ar fi un telescop, care direcționează traseul fasciculelor. Dacă un fascicul de radiație laser este trecut printr-o lentilă a cărei distanță focală este egală cu diametrul său, atunci imaginea reală a fasciculului în planul focal va avea dimensiuni egale cu lungimea de undă. Apoi, în locul în care a fost obținută această imagine reală a fasciculului, plasăm focalizarea unei alte lentile (sau oglinzi), al cărei diametru este mult mai mare decât primul. Pentru al doilea obiectiv, distanța focală poate fi mai mare decât diametrul său, dar poate fi și egală cu aceasta (ca și în cazul primului obiectiv). Această combinație de două lentile duce la faptul că din a doua lentilă mare (oglindă) va ieși un fascicul al cărui unghi de divergență va scădea (comparativ cu cel inițial care intră în telescop) de atâtea ori cât diametrul celui de-al doilea obiectiv. (oglindă) este mai mare decât lungimea undei emise. Astfel, este foarte posibil să se reducă unghiul de divergență al fasciculului laser cât se dorește.

Pentru a comunica cu extratereștrii, pot fi folosite atât sistemele de comunicații construite pe un singur laser, cât și cele construite pe un întreg sistem (baterie) de lasere. Dacă utilizați un laser cu emisie continuă cu o putere de 10 kilowați și o oglindă suplimentară mare cu un diametru de 5 metri, puteți îngusta unghiul fasciculului la 0,02 arcsec.

Puteți folosi nu o oglindă mare, ci un anumit număr de oglinzi cu un diametru mic (să zicem, 10 centimetri). Atunci sistemul trebuie să conțină atâtea lasere câte oglinzi există. Toate acestea trebuie să fie foarte rigid orientate. Dacă luați 25 de lasere, puteți obține un unghi de fascicul egal cu o secundă de arc.

Avantajul sistemelor laser (baterii) pentru comunicațiile spațiale este că în timpul funcționării acestuia poate fi exclusă influența atmosferei terestre. Dacă lucrați cu un singur laser, atunci din cauza perturbărilor atmosferice, unghiul fasciculului devine semnificativ mai mare decât în ​​absența unei astfel de influențe. Această influență poate fi ocolită dacă sistemul laser este plasat astfel încât fasciculul laser să nu treacă prin atmosferă, adică este plasat pe o platformă de satelit artificial. În acest caz, nu este nevoie să folosiți o baterie de sisteme laser.

Pentru prima dată, posibilitatea comunicării cu civilizațiile extraterestre folosind un fascicul laser a fost analizată științific în 1961 de către laureatul Premiului Nobel C.H. Townsom și R.I. Schwartz. De atunci, tehnologia laser din lume s-a îmbunătățit și condițiile de implementare comunicare cu laser devenit mai favorabil. Principalul lucru pe care trebuie să-l ofere această tehnică este puterea de radiație suficientă și capacitatea de a separa radiația laser trimisă nouă de extratereștri de radiația stelelor. Cum separă lumina laser de lumina stelelor? Această întrebare nu este deloc simplă și poate fi rezolvată numai datorită proprietății speciale a radiației laser - monocromaticitatea sa ridicată. O stea (cum ar fi Soarele) emite lumină la diferite lungimi de undă. Laserul emite doar la o lungime de undă strict definită, să zicem 0,5 microni. La această lungime de undă Soarele emite cea mai mare energie. Cu toate acestea, radiația laser este de 25 de ori mai mare decât cea a Soarelui sau a unei alte stele similare. Desigur, acest lucru se aplică numai la acea lungime de undă specială. La alte lungimi de undă (cum ar fi regiunile ultraviolete și infraroșii ale spectrului) acest raport ar fi și mai mare, deoarece la aceste lungimi de undă Soarele emite mai puțin decât lumina verde aproape (0,5 µm).

Astfel, chiar și tehnologia laser modernă face posibilă crearea de radiații a căror intensitate la o anumită lungime de undă este suficientă pentru a fi izolată de toate radiațiile stelare. Pentru a obține o eliberare și mai bună a radiației laser, trebuie să „lucrați” în apropierea liniilor de absorbție ale Soarelui (sau a unei alte stele), adică în domeniul în care o parte din radiația solară este absorbită și interferează mai puțin cu eliberarea radiației laser. . Dacă laserul funcționează la o lungime de undă de 0,15 microni, atunci intensitatea sa spectrală poate fi de zeci de mii de ori mai mare decât intensitatea radiației solare la această lungime de undă, deoarece se află în regiunea de absorbție a radiației solare. Desigur, o astfel de instalație laser trebuie să fie amplasată în afara atmosferei pământului, altfel radiația laser va fi absorbită de gazul atmosferic. Astfel, atunci când înregistrăm și analizăm lumina de la stelele îndepărtate, trebuie să ținem cont de faptul că radiațiile laser trimise de civilizațiile extraterestre pot fi detectate pe fondul acestei radiații. Va apărea ca o linie îngustă. Dar pentru aceasta este necesar să se analizeze radiația stelelor folosind spectrografe de înaltă calitate. Se pot folosi și filtre cu bandă foarte îngustă. Desigur, aceste dispozitive optice trebuie să fie de foarte înaltă calitate: rezoluția spectrografului trebuie să fie de 0,03 A pentru a obține un contrast de 10% al liniei laser deasupra fundalului. Modern tehnologie optică vă permite să faceți acest lucru. Prin urmare, acum putem începe să surprindem linii de emisie aparținând celor mai puternice telescoape dispozitive laser civilizații extraterestre.

Am discutat în mod repetat diverse aspecte ale efectului Doppler asupra radiației unei surse în mișcare. ÎN în acest caz, trebuie luat în considerare și acest efect, deoarece din cauza mișcării receptorilor de radiație în direcția radiației în sine, ar trebui să apară o schimbare (deplasare Doppler) a frecvenței radiației într-o direcție sau alta. Pentru a detecta această radiație cu o frecvență decalată, este necesar să existe spectrografe cu rezoluția corespunzătoare.

Astfel, chiar și nivelul modern al tehnologiei laser face posibilă primirea semnalelor laser de la stelele din apropiere și trimiterea lor înapoi. Dar încă o întrebare, poate cea mai importantă, rămâne: unde să trimiți semnale și unde să le primești? În ambele cazuri, trebuie să ne îndreptăm telescoapele undeva și cu o precizie foarte mare. Același lucru se cere corespondenților noștri din spațiu. Dacă se află pe cele mai apropiate stele (planetele lor), atunci vor observa orbita pământului la un unghi de o secundă de arc. Pentru ca raza lor laser să lovească Pământul, ei trebuie să îl îndrepte cu o rezoluție unghiulară de 0,02 secunde de arc. O astfel de precizie este acum disponibilă astronomilor noștri. Prin urmare, credem că este realizabil și pentru civilizațiile extraterestre, caută legături cu noi.

Este logic să ne imaginăm că extratereștrii, în căutarea comunicării cu noi, vor „cotrobăi” cu o rază laser în Sistemul Solar. Dacă fac lățimea fasciculului laser (razei) mai mare, atunci acesta va ilumina Pământul tot timpul și poate fi înregistrat relativ ușor. Dar cu cât fasciculul este mai larg, cu atât trebuie emisă mai multă energie, astfel încât să fie suficientă pentru a acoperi întreaga suprafață pe care o luminează, pentru a putea fi înregistrată. Dar s-ar putea crede că această dificultate pentru extratereștri nu va fi insolubilă. Cel puțin în laboratoarele terestre, creșterea puterii radiației laser are loc foarte rapid.

Comunicarea cu laser poate fi folosită în mod deosebit de eficient în cadrul Sistemului Solar. Folosind un fascicul laser, este posibil să se creeze un punct pe Marte cu un diametru de 5-7 kilometri, care va străluci de aproximativ 10 ori mai luminos decât Venus atunci când este observat de pe Pământ. Un fascicul laser poate transporta orice informație: intensitatea sa poate fi modificată în timp conform oricărei legi (cu alte cuvinte, radiația laser poate fi modulată în consecință). Suprafața Lunii a fost iluminată de un fascicul laser. Pe partea neluminată a Lunii de Soare se obține o pată luminoasă cu diametrul de 40 de metri. Este iluminat de 100 de ori mai puțin decât în ​​cazul razelor directe ale soarelui.

În prezent, tehnologia laser deschide noi oportunități pentru îmbunătățirea sistemelor de comunicație, localizare și control radio. Aceste capacități sunt asociate cu câștigul enorm al transmisiei antene optice, ceea ce face posibilă obținerea unui raport semnal-zgomot mare în receptor pe o bandă largă de frecvență cu emițătoare de putere redusă și cu posibilitatea de a utiliza benzi de frecvență foarte largi la transmiterea și primirea semnalelor optice.

Sistemele de transmitere a informațiilor cu laser au următoarele avantaje față de sistemele radio.

Capacitatea de a transmite informații la viteze foarte mari, cu o putere relativ scăzută a emițătorului și mici dimensiunile de gabarit antene. Astăzi, liniile de comunicație cu laser pot oferi transmisie de informații la viteze de până la 102 Gbit/s sau mai mult. Cu compactarea temporară a canalelor, este posibil să linie multicanal comunicații pentru a obține o rată de repetiție a pulsului rezultată de peste 100 GHz, care depășește întreaga bandă a spectrului de frecvență radio utilizată astăzi.

Secretul transmiterii informațiilor și protecția împotriva interferențelor organizate (datorită modelelor de radiații foarte înguste ale antenelor de transmisie și recepție, în valoare de unități de secunde de arc).

Există însă și dezavantaje, dintre care principalele sunt: ​​dependența operațiunii de condițiile meteorologice și necesitatea folosirii ghidurilor de lumină (cuarț, fibre de sticlă).

Perspective reale pentru sistemele de comunicații cu laser se deschid în sistemele de comunicații spațiale satelit-satelit din cauza absenței unei atmosfere. În astfel de sisteme, informațiile în bandă largă și în bandă îngustă de la navele spațiale pe orbită joasă vor fi transmise prin linii de comunicație laser către sateliții staționari și de la aceștia către stațiile terestre. Sistemele de comunicații prin satelit Pământ-Pământ printr-un repetor de satelit cu linii de comunicație cu laser vor fi importante.

Calculele arată că într-un astfel de canal de comunicație se poate realiza o viteză de transmitere a informațiilor de peste 1 Mbit/s din regiunea Marte. Pentru comparație, putem spune că în legăturile radio de telemetrie existente pentru comunicarea cu navele spațiale din regiunea Marte, viteza de transmitere a informațiilor nu depășește 10 biți/s.

Înainte de a discuta problema alegerii unui sistem pentru comunicații spațiale, să evaluăm avantajele și dezavantajele sistemelor utilizate:

cu detecție directă (Fig. 8, a);

cu un receptor heterodin (Fig. 8, b).

Orez. 8

Rețineți că imunitatea la zgomot a ambelor sisteme este aproximativ aceeași, iar pentru aceeași frecvență și același nivel de dezvoltare a tehnologiei laser, primul sistem are avantaje clare, care sunt următoarele:

Are un dispozitiv de recepție mai simplu;

Insensibil la deplasarea frecvenței Doppler, care elimină necesitatea căutării unui semnal după frecvență în receptor (cum este cazul celui de-al doilea sistem);

Insensibil la distorsiunea frontului de undă a semnalului (care are loc în atmosfere turbulente), deci sunt posibile antene simple la sol cu ​​deschidere mare. Într-un receptor heterodin, turbulența atmosferică limitează dimensiunea antenei de recepție și pentru a o mări (zona antenei), este necesar să se utilizeze o matrice de antene formată din multe antene cu un dispozitiv de combinare a semnalelor de ieșire;

Are o antenă de recepție care nu necesită o calitate optică înaltă, ceea ce face posibilă implementarea de antene la bord mai ușoare și mai ieftine;

Vă permite să implementați mai mult metode eficiente orientarea reciprocă a antenelor de transmisie și recepție (comparativ cu scanarea raster într-o singură etapă în cel de-al doilea sistem).

Singurul avantaj al sistemelor cu un receptor heterodin este o suprimare mai eficientă a fundalului în receptor (comparativ cu primul).

Să analizăm adecvarea frecvenței laserelor pentru comunicațiile spațiale.

Datorită razei mari de comunicare, sunt necesare transmițătoare cu o putere medie de fracțiuni până la câțiva wați. Astfel de lasere cu eficiență acceptabilă sunt disponibile în trei game principale:

10 µm - Laser cu gaz CO 2 s = 10,6 µm, în modul monomod la P = 1 W = 10%, t slave = 10 mii de ore de funcționare continuă (potrivit pentru echipamentul de bord și datorită stabilității de înaltă frecvență) poate funcționa într-un sistem cu un receptor heterodin);

1 µm - laser cu stare solidă pe granat de ytriu-aluminiu (YAG) activat de niodim (J-Al/Nd) = 1,06 µm, = 1,5 2%, P max = n0,1 W (un astfel de laser poate funcționa cu succes pe staționar sateliți artificiali, deoarece pomparea este efectuată de matrice LED sau dispozitive de pompare solară. În acest din urmă caz, colectorul de energie solară concentrează energia de pompare pe tija laser printr-un filtru optic, asigurând excitarea acestuia cu lămpi de pompare cu potasiu-rubidiu care asigură o funcționare. timp de până la 5 mii de ore la = 10%. Rezultat = 10 LED-uri au o durată de viață mai lungă, dar puterea lor este mică și, prin urmare, sunt potrivite doar pentru emițătoare de putere redusă de până la 0,1 W);

0,5 µm - un laser Nd:YAG promițător care funcționează în modul de dublare a frecvenței = 0,53 µm (culoare verde strălucitoare), cu o eficiență a convertorului aproape de unitate, este promițător aici.

Laserele cu gaz cu vapori metalici pulsați sunt promițătoare pentru liniile de comunicație cu laser de viteză redusă. În modul pulsat, un laser cu vapori de cupru are = 0,5106 și 0,5782 μm și = = 5% (în modul Q-switching) cu o putere medie de un watt.

Capacitățile de recepție a echipamentelor din aceste trei game sunt următoarele:

10,6 microni - există fotodetectoare cu eficiență cuantică ridicată (40-50%) când sunt răcite la 77.100 K, dar din moment ce fotodetectoarele nu au amplificare internă și nu sunt potrivite pentru sistemele de detecție directă;

1,06 µm - pentru sistemele cu detecție directă, pot fi utilizate PMT-uri sau fotodiode de avalanșă. Dar eficiența cuantică a fotomultiplicatorului la această lungime de undă este de numai 0,008, deci acest interval este semnificativ inferior celui dintâi;

0,53 µm se dovedește a fi un interval mai acceptabil în modul de detectare directă, deoarece performanța sa este semnificativ mai mare datorită creșterii eficienței fotomultiplicatoarelor.

Deci, există două sisteme de comunicații spațiale:

Cu detecție directă a semnalului la o lungime de undă de 0,53 µm;

Cu un receptor heterodin în domeniul IR la 10,6 microni.

Mai mult, sistemul cu = 10,6 μm are:

Nivel mai scăzut al zgomotului cuantic (deoarece densitatea spectrală a zgomotului cuantic este proporțională cu valoarea hf, atunci la = 10,6 μm este de 20 de ori mai mică decât la = 0,53 μm);

Eficiența transmițătorului laser pentru intervalul = 10,6 µm este mai mare decât pentru = 0,53 µm.

Primele două proprietăți ale sistemului permit utilizarea unor modele de emițător mai largi în comparație cu sistemul de rază vizibilă, ceea ce simplifică sistemul de ghidare.

Dezavantajele aici sunt aceleași cu cele ale metodei heterodine.

Un sistem de rază vizibilă = 0,53 µm, având un nivel de zgomot cuantic mai mare, eficiență mai scăzută a transmițătorului, poate avea modele de antenă de transmisie reduse semnificativ. Deci, dacă deschiderile antenelor de transmisie sunt aceleași (la = 0,53 și 10,6 µm), atunci antena de transmisie la = 0,53 µm va avea un câștig de 400 de ori mai mare decât la = 10,6 µm, ceea ce compensează cu o marjă dezavantajele menționate. mai sus. Fasciculele mai înguste ale antenelor de transmisie complică sistemul de ghidare reciprocă a antenelor de transmisie și recepție, cu toate acestea, utilizarea unor metode eficiente de căutare în mai multe etape poate reduce semnificativ timpul de stabilire a comunicării. Mai mult, într-un receptor heterodin, doar scanarea raster simplă este posibilă atunci când se caută un semnal, iar timpul de căutare crește semnificativ datorită necesității de a căuta simultan un semnal după frecvență.

Un avantaj important al antenei cu rază vizibilă este capacitatea de a construi sistem prin satelit comunicații cu acces multiplu. În acest caz, la bordul satelitului RRS sunt amplasate mai multe (în funcție de numărul de linii de comunicație) receptoare simple de detectare directă. Pentru sistemele în intervalul de 10,6 µm, acest lucru este practic imposibil din cauza complexității receptoarelor heterodine cu dispozitive de răcire voluminoase pentru fotomixer.

Astfel, așa cum este nivel tehnic sistemele cu detecție directă (= 0,53 µm) au avantaje semnificative:

pentru comunicarea spațială la distanță lungă „SC-Pământ” prin atmosferă;

pentru un sistem de acces multiplu prin satelit.

Pentru un sistem de comunicații prin satelit, atunci când fasciculul de recepție (sau de transmisie) al unui repetor de satelit este „aruncat” de la un abonat la altul conform programului, un sistem de comunicații cu debit mare la = 0,53 și 10,6 μm are caracteristici comparabile la transmiterea informațiilor viteze de până la câteva sute de megabiți pe secundă. Rate mai mari de transmisie a informațiilor (mai mult de 10 Gbit/s) într-un sistem cu = 10,6 μm sunt greu de implementat, în timp ce în domeniul vizibil pot fi realizate pur și simplu prin multiplexarea în timp a canalelor.

Un exemplu de implementare a unui sistem de comunicații pentru trei sateliți sincroni (Fig. 9):

lungime de undă emițător = 0,53 µm (detecție directă);

modulația este efectuată de un modulator electro-optic, iar semnalul de modulație este un subpurtător de microunde cu o frecvență centrală m = 3 GHz și o bandă laterală de la min = 2,5 10 9 până la max = 3,5 10 9 Hz (adică = 10 9 Hz ) ;


Orez. 9

Modulatorul electro-optic (cristal) funcționează în mod transversal cu un coeficient electro-optic r 4·10 -11 la o constantă dielectrică de microunde = 55 0 . Adâncime maximă modulație - Г m = /3;

lentilele colimatoare și receptoare măsoară 10 cm;

raportul semnal-zgomot la ieșirea amplificatorului după PMT este 10

Să determinăm puterea totală a sursei de curent continuu care trebuie să fie furnizată satelitului pentru a satisface cerințele specificației de proiectare (vom determina mai întâi nivelul de putere optică a radiației transmise, apoi puterea de modulație necesară pentru funcționare ).

Soluţie: Un satelit sincron are o perioadă orbitală de 24 de ore. Distanța de la Pământ la satelit este determinată din egalitatea forțelor centrifuge și gravitaționale

mV 2 /R ES = mg(R Pământ) 2 /(R ES) 2,

unde V este viteza satelitului; m masa sa; g - accelerația gravitațională la suprafața Pământului; R ES - distanta de la centrul Pamantului la satelit; R Pământ - raza Pământului.

Frecvența de rotație orbitală sincronă (24 de ore) vă permite să determinați

V/R ES = 2/(246060), apoi R ES = 42.222 km.

Distanța dintre sateliți este R = 73 12 km cu o separare de 120 O. Dacă un semnal optic cu putere P T este transmis în unghi T solid și deschiderea recepționată furnizează unghi R solid, atunci puterea recepționată.

P R = P T (R / T).

Fasciculul optic transmis (Fig. 35) difractează cu un unghi de divergență a fasciculului, care este legat de raza minimă a fasciculului 0 prin expresie

ciorchine = / 0 .

Unghiul solid corespunzător este T = (fascicul)2.

Dacă luăm 0 egal cu raza dt a lentilei de transmisie, atunci

Unghiul solid al receptorului este

R = d 2 R / R 2,

R este distanța dintre emițător și receptor.

Din (42), (44), (45) avem

P T = P R R 22 / 22 T 2 R .

Să notăm raportul semnal-zgomot la ieșirea unui PMT care funcționează în modul de limitare cuantică (adică, atunci când sursa principală de zgomot este zgomotul de împușcare al semnalului însuși):

s/w = 2 (P R e/h) 2 G 2 /G 2 ei d = P R /h,

unde P R este puterea optică, G este câștigul de curent, i d este curentul de întuneric. La = 0,53 μm, = 0,2 - randamentul conversiei puterii, = 10 9 Hz s/w = 10 3 se obține Р R 2·10 -6. În acest caz, puterea necesară în conformitate cu (46) la R = 7,5·10 4 m va fi Р t 3 W.

Alexander Lobinsky

În ultimul număr al SR am experimentat o nouă metodă de prezentare a știrilor „cu discuții și comentarii” și se pare că inițiativa le-a plăcut cititorilor noștri. De data aceasta, materialul publicat pe cunoscutul portal de știri ZDNet despre sistemele de comunicații cu laser intră din nou sub control. Și un specialist de la compania belarusă Belana vă împărtășește părerile sale despre acest subiect.

publicație pe ZDNet:

Laserele rezolvă problema lățimii de bandă


Operatorii de telecomunicații și producătorii de echipamente testează tehnologia de câteva luni transmisie de mare viteză date pentru întreprinderi, denumite „lasere în spațiu deschis” sau „comunicații optice wireless”, care până de curând au rămas subiect de dezbateri teoretice, dezvoltări științifice și proiecte pilot.
Terabeam și FSONA Communications intenționează să introducă în viitorul apropiat primele produse și servicii comerciale bazate pe această tehnologie. „Este deja clar că este gata de utilizare pe scară largă”, spune analistul independent al industriei de telecomunicații Jeff Kagan. „Este timpul să-l oferim pieței și să vedem cum iese. Este clar că nu va fi fără probleme, dar dacă funcționează, putem conta pe un succes uriaș.

Laserele din gama optică invizibilă sunt inofensive pentru ochiul uman și fac posibilă asigurarea accesului de mare viteză la Internet și la rețelele corporative printr-un fascicul care trece printr-o fereastră de birou.
Tehnologia oferă performanțe mai rapide decât rețelele wireless existente și este mai ieftină decât comunicațiile cu fibră optică, care necesită ca cablurile să fie așezate peste străzi. Laserele au potențialul de a rezolva o problemă importantă cu care se confruntă industria telecomunicațiilor.

În timp ce rețele mari la nivel național există deja, construcția și modernizarea rețelelor intracity este abia la început. Prin urmare, întreprinderile trebuie adesea să aștepte luni de zile înainte de a li se asigura acces la internet sau comunicare cu un birou la distanță. Cu toate acestea, succesul tehnologiei laser nu este nicidecum garantat. În primul rând, fasciculul laser este afectat de ceață densă, care poate interfera cu propagarea și poate reduce fiabilitatea comunicării. În plus, analiștii spun că comunicațiile cu laser se vor confrunta cu provocări, cum ar fi scepticismul pieței și aplicațiile limitate, în comparație cu radioul de linie fixă ​​și legăturile directe de fibră optică.

concurent periculos


Cu toate acestea, directorii companiilor care lucrează cu tehnologia laser cred că este pregătită să concureze cu aceasta prin mijloace alternative transfer de date. „Simțim că este timpul să facem publicitatea”, spune CEO-ul Terabeam, Dan Hesse, care a părăsit un loc de muncă bine plătit la AT&T Wireless pentru a conduce compania de lasere. Terabeam oferă viteze de date de până la 1 Gbps în Seattle și se pregătește să lanseze o campanie de marketing majoră în luna viitoare. Terabeam deservește doi clienți locali - agenția de publicitate digitală Avenue A și Simpson Investment - cu un al treilea care urmează să se alăture în zilele următoare. Până la sfârșitul anului, este planificată să înceapă vânzarea de servicii în alte cinci orașe din SUA. „Alte tehnologii necesită autorizații și cabluri lungi.

Putem trimite un semnal optic direct prin geam, care de obicei este transmis prin cabluri groase. Vedem tehnologia noastră ca pe o extensie a fibrei optice”, spune Hesse.
Strategia companiei este diferită prin faptul că intenționează să opereze atât ca furnizor de servicii, cât și ca producător de echipamente laser. AT&T a urmat aceeași strategie în primii săi ani, când a funcționat atât ca operator, cât și ca producător de echipamente telefonice. Tera-beam a semnat un acord pentru dezvoltarea hardware-ului împreună cu Lucent Technologies. Lucent deține un pachet de 30% din Terabeam Labs, o societate mixtă de hardware ai cărei directori speră să se dizolve și să devină propria sa companie în câțiva ani. FSONA plănuiește să anunțe primele produse laser pentru operatorii de telecomunicații la săptămâna viitoare.
În aprilie, compania va începe să vândă sistemul său laser SONAbeam 155-2, capabil să transmită date la 155 Mbps pe distanțe de până la 2 km, la un preț de 20.000 USD pentru echipamente de transmisie și recepție. „Vom lansa primul produs de comunicații optice fără fir produs în serie”, spune inginerul șef al FSONA, Stephen Mecherle. „Ar trebui să devină o piatră de încercare pentru această tehnologie.”
FSONA și-a triplat recent capacitatea de producție prin dezvoltare clădire nouăîn Vancouver, cu o suprafață de aproximativ 27 de mii de metri pătrați. m.
Intenționând să se extindă în continuare, compania a purtat negocieri preliminare cu potențiali parteneri de peste mări. Anul acesta intenționează să lanseze o versiune mai ieftină a sistemului laser de 155 Mbit/s, care operează pe distanțe mai scurte, precum și un sistem cu un throughput de 622 Mbit/s.

Mulți analiști laudă meritele tehnologiei, dar nu sunt siguri de fiabilitatea acesteia. FSONA estimează că rata de funcționare este de 99%, ceea ce nu este suficient de bun pentru standardele industriei de telecomunicații. Dar compania intenționează să ofere sisteme de backup suplimentare pentru a crește fiabilitatea la 99,9%.
Directorii Terabeam cred că rețeaua lor poate oferi timp de funcționare 99,9% din timp, ceea ce înseamnă aproximativ o zi de oprire pe an.
Capacitățile tehnologiei laser și fiabilitatea acesteia au fost suficiente pentru a-l interesa pe Lucent. Avenue A a fost, de asemenea, mulțumit de serviciul Terabeam până acum, mai ales de cât de repede l-a primit compania în comparație cu timpii de așteptare pentru a se conecta la serviciile companiei de telefonie și la alte servicii de rețea precum WorldCom și Sprint. „Trebuie să aștepți pentru totdeauna canalele”, spune directorul tehnologia de informație Avenue A Jamie Marra. - „Când auziți despre perioada de 90 de zile, nu veți mai dori să contactați acești furnizori de servicii.” Avenue A se întoarse spre Terabeam. „Din momentul în care am întrebat „Ce poți oferi?” și până la momentul în care echipamentul a fost instalat, au fost doar trei săptămâni”, spune Marra. - „Am primit serviciul rapid și la un preț comparabil cu prețurile companiei de telefonie”.
Terabeam și FSONA nu sunt singurele în căutarea pieței de telecomunicații. Alți furnizori de servicii de comunicații cu laser includ AirFiber, care a semnat acorduri cu Nortel Networks, Optical Access (soluțiile acestei companii au fost discutate în detaliu în numărul precedent al CP - nota editorului) și LightPointe Communications.

Toate aceste companii ar putea reprezenta o amenințare serioasă pentru furnizorii de servicii de radio fix și gigabit Ethernet. Cu capacitatea de a străluci un fascicul laser direct printr-o fereastră, furnizorii de servicii pot evita achiziționarea de licențe costisitoare de frecvență radio și negocierea cu proprietarii de proprietăți cu privire la drepturile de acces pe acoperiș. „Acest grad de libertate competitivă poate face să fie nervoși pe Teligent, Winstar și alți furnizori de servicii radio de telefonie fixă”, spune Pat Brogan, director asociat la firma de cercetare The Precursor Group.
Această opinie este împărtășită de alți analiști. Tehnologia de rețea laser, spun ei, ar putea deveni populară dacă aceste exemple timpurii de utilizare a acesteia se dovedesc fiabile și atrăgătoare pentru clienți. „Dacă această tehnologie funcționează conform promisiunii, poate fi un succes”, spune Kagan. „Cu rate ridicate de transfer de date, timpi scurti de instalare și fără a vă deranja cu permisiuni, acest lucru este foarte posibil.”
Corey Grice, ZDNet

Discuția articolului: părerea unui specialist Velana


„Ideea de a transmite informații folosind un fascicul laser nu este deloc nouă La sfârșitul anilor 80, pe când eram încă școlar, am văzut o instalație experimentală la BSUIR (pe atunci MRTI), în care se folosea un fascicul laser pentru a transmite vocea. . Încercările de a utiliza sisteme similare (t .n. „laser atmosferic”) pentru transmiterea datelor au loc de când există rețele de transmisie a datelor , s-a dovedit a fi foarte controversat.
Unii susțin că tehnologia „atmosferică” este foarte promițătoare, dar necesită îmbunătățiri, alții spun că este o pierdere de timp și bani. Aici exemplu tipic atitudine sceptică: „Da... Foarte tare Canalul a căzut.
Motive posibile- vantul bate frunzele, este smog in curte (un KRAZ a trecut pe sub geam), ploaie, zapada, femeia de la curatenie nu a spalat geamul de mult timp, o sinucidere care zbura pe geam a traversat grinda :), pe stradă a fost atârnat un afiș, păsările zboară. Conexiune excelentă, de încredere, nimic de adăugat. Vă rog, puneți cablul pentru mine.

În plus, „laserele optice invizibile sunt inofensive pentru ochiul uman” este o prostie. Faptul că conurile oculare nu răspund la radiații sub o anumită frecvență nu înseamnă că țesuturile ochiului nu absorb radiațiile.
Dimpotrivă, radiațiile invizibile sunt periculoase, deoarece trece ceva timp înainte ca o persoană să simtă că ceva nu este în regulă. Îți poți pierde cu ușurință ochii. În ceea ce privește setările, la o distanță de 100 de metri (10.000 cm), o perturbare unghiulară de 10/10.000 = 0,001 rad este suficientă pentru a devia fasciculul cu 10 cm. Nu îmi imaginez cum să asigur o asemenea stabilitate.”
În principiu, opinia prezentată nu este lipsită de logică, la fel ca și cea optimistă prezentată în articolul în discuție.
Să încercăm totuși să ne dăm seama. Faptul că sistemele optice fără fir nu au primit încă acceptarea în masă (absența necesității de a pune linii scumpe de fibră optică le face foarte atractive din punct de vedere economic) se explică printr-o serie de motive. Să încercăm să le analizăm.

1. Tehnologia luată în considerare este eficientă numai la transmiterea datelor pe distanțe lungi. La distanțe scurte (zeci de metri), se folosește tehnologia infraroșu nedirecțională și foarte eficient. Sistemul laser este cu un ordin de mărime inferior acestuia atât ca cost, cât și ca flexibilitate. La distanțe mari, tehnologia laser întâmpină dificultăți cu mediul de transmisie a datelor - atmosfera, care, din păcate, nu este întotdeauna transparentă, mai ales în mediile urbane. Depășirea acestei probleme este de a crește puterea laserului.
În urmă cu câțiva ani, această soluție a dus la crearea unor dispozitive care consumau multă energie, costau mulți bani și semănau cu pistoalele turbolaser din Star Wars. Astăzi această problemă a fost în mare măsură rezolvată, deoarece au fost inventate noi tipuri de emițătoare laser compacte, puternice și ieftine.

2. Fasciculul poate fi întrerupt de tot felul de obiecte în mișcare, precum păsări, avioane care zboară jos, frunze, picături etc. În zori tehnologii de rețea chiar și o întrerupere pe termen scurt a fasciculului a provocat o întrerupere a canalului de transmisie a datelor, ceea ce a contribuit la acordarea titlului de „extrem de instabil” comunicațiilor laser. În zori, dar nu astăzi.
De atunci, au fost dezvoltate o serie întreagă de protocoale de nivel de legătură, concepute pentru comunicații fără fir și capabile să restabilească automat canalul după o întrerupere pe termen scurt. Iar continuitatea fluxurilor de date este asigurată mai mult de protocoale nivel înalt(de exemplu TCP/IP).
Astfel, mitul despre instabilitatea comunicației cu laser poate fi infirmat astăzi.

3. Sistemul de comunicare cu laser este dificil de configurat. Într-adevăr, cu un diametru al fasciculului de câțiva milimetri (sau chiar fracțiuni de milimetru), vibrațiile spotului luminos cu o amplitudine de câțiva centimetri pot complica serios întreaga procedură de îndreptare către receptor. Aceasta este una dintre cele mai grave probleme tehnice în comunicarea cu laser atmosferic astăzi. Adevărat, recent au început să apară rapoarte despre dezvoltarea senzorilor optici extrem de sensibili care funcționează în intervale spectrale înguste, ceea ce face posibilă crearea de panouri relativ ieftine cu o suprafață de câteva zeci de centimetri pătrați, insensibile la iluminarea zilei și, prin urmare, permițând recepția stabilă a fasciculului.


Mă îndoiesc că tehnologia de comunicare cu laser atmosferică va fi suficient de ieftină pentru a fi folosită acasă în curând (și nu toată lumea locuiește în clădiri înalte, unde linia vizuală poate fi asigurată).
Cu toate acestea, această tehnologie poate deveni un concurent demn pentru comunicațiile radio fixe rețele corporative transfer de date. Cu aproximativ același cost al echipamentului, tehnologia laser nu va necesita proceduri dureroase (și foarte costisitoare) pentru izolarea canalelor de frecvență radio, efectuarea lucrărilor la instalarea la mare altitudine a echipamentelor grele și voluminoase și, după cum am menționat mai devreme, se dovedește a fi mai puțin dăunătoare sănătății altora.

Cercetarea activă a microundelor a început la mijlocul secolului al XX-lea. Fizicianul american Charles Townes a decis să mărească intensitatea fasciculului cu microunde. După ce a excitat moleculele de amoniac la niveluri ridicate de energie prin căldură sau stimulare electrică, omul de știință a trecut apoi un fascicul slab de microunde prin ele. Rezultatul a fost amplificator puternic radiația cu microunde, pe care Townes a numit-o „maser” în 1953. În 1958, Townes și Arthur Schawlow au făcut următorul pas: În loc să folosească cuptoarele cu microunde, au încercat să amplifice lumina vizibilă. Pe baza acestor experimente, Maiman a creat primul laser în 1960.

Crearea laserului a făcut posibilă rezolvarea unei game largi de probleme care au contribuit la evoluții semnificative în știință și tehnologie. Ceea ce a făcut posibilă la sfârșitul secolului XX și începutul secolului XXI obținerea unor astfel de dezvoltări precum: linii de comunicație cu fibră optică, lasere medicale, prelucrare cu laser a materialelor (tratare termică, sudură, tăiere, gravare etc.), laser îndrumarea și desemnarea țintei, imprimante laser, cititoare de coduri de bare și multe altele. Toate aceste invenții au făcut viața mult mai ușoară, la fel ca viața. persoană obișnuităși ne-a permis să dezvoltăm noi soluții tehnice.

Acest articol va răspunde la următoarele întrebări:

1) Ce este comunicarea laser fără fir? Cum s-a realizat?

2) Care sunt condițiile de utilizare a comunicațiilor laser în spațiu?

3) Ce echipament este necesar pentru implementarea comunicațiilor cu laser?

Definirea comunicației laser wireless, metode de implementare a acesteia.

Comunicarea laser wireless este un tip de comunicare optică care utilizează unde electromagnetice în domeniul optic (lumina) transmise prin atmosferă sau vid.

Comunicarea laser între două obiecte se realizează numai printr-o conexiune punct la punct. Tehnologia se bazează pe transmisia de date folosind radiații modulate în partea infraroșie a spectrului prin atmosferă. Emițătorul este o diodă laser semiconductoare puternică. Informațiile intră în modulul transceiver, în care sunt codificate cu diverse coduri rezistente la zgomot, modulate de un emițător optic laser și focalizate de sistemul optic al emițătorului într-un fascicul laser îngust colimat și transmise în atmosferă.

La capătul de recepție, sistemul optic concentrează semnalul optic pe o fotodiodă foarte sensibilă (sau fotodiodă de avalanșă), care transformă fasciculul optic într-un semnal electric. Mai mult, cu cât frecvența este mai mare (până la 1,5 GHz), cu atât este mai mare volumul de informații transmise. Semnalul este apoi demodulat și convertit în semnale de interfață de ieșire.

Lungimea de undă în majoritatea sistemelor implementate variază între 700-950 nm sau 1550 nm, în funcție de aplicație dioda laser.

Din cele de mai sus rezultă că elementele cheie ale instrumentului pentru comunicarea cu laser sunt o diodă laser cu semiconductor și o fotodiodă foarte sensibilă (fotodiodă de avalanșă). Să ne uităm puțin mai detaliat la principiul funcționării lor.

Dioda laser este un laser semiconductor construit pe baza unei diode. Lucrarea sa se bazează pe apariția inversării populației în p-n zone tranziție la injectarea purtătorilor de sarcină. Un exemplu de diodă laser modernă este oferit în Figura 1.

Fotodiode de avalanșă - foarte sensibile dispozitive semiconductoare, transformând lumina într-un semnal electric datorită efectului fotoelectric. Ele pot fi considerate fotodetectoare care asigură amplificare internă prin efectul de multiplicare a avalanșei. Din punct de vedere funcțional, aceștia sunt analogi în stare solidă ai fotomultiplicatorilor. Fotodiodele de avalanșă au o sensibilitate mai mare în comparație cu alte fotodetectoare cu semiconductor, ceea ce le permite să fie utilizate pentru înregistrarea puterilor luminoase scăzute (≲ 1 nW). Un exemplu de fotodiodă modernă pentru avalanșă este oferit în Figura 2.


Condiții de utilizare a comunicațiilor laser în spațiu.

Una dintre zonele promițătoare pentru dezvoltarea sistemelor de comunicații spațiale sunt sistemele bazate pe transmiterea informațiilor printr-un canal laser, deoarece aceste sisteme pot oferi un randament mai mare, cu un consum mai mic de energie, dimensiuni generale și greutatea echipamentelor transceiver decât sistemele de comunicații radio utilizate în prezent.

Potenţial, sistemele de comunicaţii laser spaţiale pot oferi excepţionale de mare viteză fluxul de informații – de la 10-100 Mbit/s la 1-10 Gbit/s și mai mult.

Cu toate acestea, există o serie de probleme tehnice care trebuie rezolvate pentru a implementa canale de comunicație cu laser între nava spațială (SC) și Pământ:

  • necesar mare precizie ghidare și urmărire reciprocă la distanțe de la jumătate de mie la zeci de mii de kilometri și atunci când transportatorii se deplasează la viteze cosmice.
  • Principiile de primire și transmitere a informațiilor prin intermediul unui canal laser devin semnificativ mai complicate.
  • Echipamentele opto-electronice devin din ce în ce mai complexe: optică de precizie, mecanică de precizie, lasere cu semiconductor și fibră, receptoare foarte sensibile.

Experimente privind implementarea comunicațiilor laser spațiale

Experimentele privind implementarea sistemelor de comunicații cu laser pentru transmiterea unor cantități mari de informații sunt efectuate atât de Rusia, cât și de Statele Unite ale Americii.

Sistem de comunicare cu laser RF (SLS)

În 2013, a fost efectuat primul experiment rusesc pentru a transmite informații folosind sisteme laser de pe Pământ către segmentul rusesc al Stației Spațiale Internaționale (RS ISS) și înapoi.

Experimentul spațial SLS a fost realizat cu scopul de a testa și demonstra tehnologia și echipamentul rusesc pentru primirea și transmiterea informațiilor printr-o linie de comunicație laser spațială.

Obiectivele experimentului sunt:

  • testarea, în condiții de zbor spațial pe ISS RS, a principalelor soluții tehnologice și de proiectare încorporate în dotarea standard a sistemului de transmisie a informațiilor laser intersatelit;
  • dezvoltarea tehnologiei de recepție și transmitere a informațiilor folosind o linie de comunicație laser;
  • studiul posibilității și condițiilor de funcționare a liniilor de comunicație laser „la bordul navei spațiale - punct de sol» în diferite condiţii atmosferice.

Experimentul este planificat să fie realizat în două etape.

În prima etapă, un sistem de recepție și transmitere a informațiilor circulă pe liniile „la bordul RS ISS-Earth” (3, 125, 622 Mbit/s) și „Earth-on-board RS ISS” (3 Mbit/s). s) este în curs de dezvoltare.

În a doua etapă, este planificată dezvoltarea unui sistem de ghidare de înaltă precizie și a unui sistem de transmitere a informațiilor de-a lungul liniei „la bordul satelitului ISS RS – releu”.

Sistemul de comunicare cu laser din prima etapă a experimentului SLS include două subsisteme principale:

  • terminal de comunicații laser de bord (BTLS), instalat pe segmentul rus al Stației Spațiale Internaționale (Figura 3);
  • terminal laser la sol (GLT) instalat la stația de observare optică Arkhyz din Caucazul de Nord (Figura 4).

Obiecte de studiu la etapa 1 a FE:

  • echipament terminal de comunicații laser de bord (BTLN);
  • echipamente terminale de comunicații laser la sol (GLT);
  • canal de propagare a radiației atmosferice.


Figura 4. Terminal laser la sol: pavilion astro cu unitate optic-mecanică și telescop de aliniere

Sistem de comunicare cu laser (LCS) - etapa 2.

A doua etapă a experimentului va fi efectuată după finalizarea cu succes a primei etape și pregătirea unei nave spațiale specializate de tip „Luch” pe GEO cu un terminal la bord al sistemului de transmitere a informațiilor laser inter-sateliți. Din păcate, informații despre dacă a doua etapă a fost efectuată sau nu nu au putut fi găsite în sursele deschise. Poate că rezultatele experimentului au fost clasificate sau a doua etapă nu a fost niciodată efectuată. Schema de transfer de informații este prezentată în Figura 5.

Proiect OPALS SUA

Aproape simultan, agenția spațială americană NASA începe să implementeze sistemul laser OPALS (Optical Payload for Lasercomm Science).

„OPALS reprezintă primul loc experimental pentru dezvoltarea tehnologiilor de comunicații spațiale cu laser, iar Stația Spațială Internațională va servi drept loc de testare pentru OPALS”, a declarat Michael Kokorowski, manager de proiect OPALS și membru al Laboratorului de propulsie cu reacție (JPL) al NASA. Jet Propulsion Laboratory, JPL, „Viitoarele sisteme de comunicații cu laser care vor fi dezvoltate pe baza tehnologiilor OPALS vor putea face schimb de volume mari de informații, eliminând blocajul care a împiedicat în unele cazuri cercetarea și întreprinderea comercială”.

Sistemul OPALS este un container sigilat care conține componente electronice conectate printr-un cablu optic la un dispozitiv de transmitere și recepție laser (Figura 6). Acest dispozitiv include un colimator laser și o cameră de urmărire montată pe o platformă în mișcare. Instalația OPALS va fi trimisă la ISS la bordul navei spațiale Dragon, care va fi lansată în spațiu în decembrie anul acesta. Odată livrate, containerul și transmițătorul vor fi instalate în afara stației și va începe un program de testare pe teren de 90 de zile pentru sistem.

Principiul de funcționare al OPALS:

De pe Pământ, specialiștii de la Laboratorul Telescopului de Comunicații Optice vor trimite un fascicul de lumină laser către stația spațială, care va acționa ca un far. Echipamentul sistemului OPALS, care a captat acest semnal, folosind unități speciale, își va îndrepta emițătorul către un telescop de la sol, care va servi drept receptor și va transmite un semnal de răspuns. Dacă nu există interferențe în calea fasciculelor de lumină laser canal de comunicare va fi instalat și va începe transmiterea informațiilor video și telemetrice, care pentru prima dată va dura aproximativ 100 de secunde.

European Data Relay System abreviat EDRS.

Sistemul European de Releu de Date (EDRS) este un proiect planificat de Agenția Spațială Europeană pentru a crea o constelație de sateliți geostaționari moderni care vor transmite informații între sateliți, nave spațiale, vehicule aeriene fără pilot (UAV) și stații terestre, oferind o transmisie mai rapidă decât metodele tradiționale. . Viteza datelor, chiar și în condiții de dezastre naturale și provocate de om.

EDRS va folosi noua tehnologie de comunicații laser Laser Communication Terminal (LCT). Terminalul laser va permite transmiterea informațiilor la o viteză de 1,8 Gbit/s. Tehnologia LCT va permite sateliților EDRS să transmită și să primească aproximativ 50 de terabytes de date pe zi aproape în timp real.

Primul satelit de comunicații EDRS este programat să se lanseze pe orbită geostaționară la începutul anului 2016 de la Cosmodromul Baikonur pe un vehicul rusesc de lansare Proton. Odată ajuns pe orbita geosincronă deasupra Europei, satelitul va transporta legături de comunicații laser între cei patru sateliți Copernicus de observare a Pământului Sentinel-1 și Sentinel-2, vehicule aeriene fără pilot și stații terestre din Europa, Africa, America Latină, Orientul Mijlociu și coasta de nord-est a Statelor Unite.

Un al doilea satelit similar va fi lansat în 2017, iar lansarea unui al treilea satelit este planificată pentru 2020. Împreună, acești trei sateliți vor putea acoperi întreaga planetă cu comunicații laser.

Perspective pentru dezvoltarea comunicațiilor laser în spațiu.

Avantajele comunicației cu laser în comparație cu comunicațiile radio:

  • transmiterea de informații pe distanțe mari
  • viteză mare de transmisie
  • compactitatea și ușurința echipamentelor de transmisie a datelor
  • eficienta energetica

Dezavantajele comunicării cu laser:

  • necesitatea punctării precise a dispozitivelor de recepție și transmisie
  • probleme atmosferice (înnorire, praf etc.)

Comunicarea cu laser vă permite să transmiteți date pe distanțe mult mai mari în raport cu comunicația radio, viteza de transmisie datorită concentrației mari de energie și multe altele frecventa inalta purtător (după ordine de mărime) este de asemenea mai mare. Eficiența energetică, greutatea redusă și compactitatea sunt, de asemenea, de câteva ori sau ordine de mărime mai bune. Dificultățile sub forma necesității de ghidare precisă a dispozitivelor de recepție și transmisie pot fi rezolvate cu mijloace tehnice moderne. În plus, dispozitivele de recepție la sol pot fi amplasate în zone ale Pământului în care numărul de zile înnorate este minim.

Pe lângă problemele prezentate mai sus, mai există o problemă - divergența și atenuarea fasciculului laser la trecerea prin atmosferă. Problema se agravează mai ales când fasciculul trece prin straturi cu densități diferite. Când trece prin interfața dintre medii, un fascicul de lumină, inclusiv un fascicul laser, experimentează refracții deosebit de puternice, împrăștiere și atenuare. În acest caz, putem observa un fel de spot luminos rezultat tocmai din trecerea unei astfel de interfețe între medii. Există mai multe astfel de limite în atmosfera Pământului - la o altitudine de aproximativ 2 km (stratul atmosferic de vreme activă), la o altitudine de aproximativ 10 km și la o altitudine de aproximativ 80-100 km, adică deja la limita spațiului. . Înălțimile straturilor sunt date pentru latitudini medii vara. Pentru alte latitudini și alte anotimpuri, înălțimile și chiar numărul de interfețe dintre medii pot diferi foarte mult de cele descrise.

Astfel, la intrarea în atmosfera Pământului, un fascicul laser, care a parcurs cu calm milioane de kilometri fără pierderi (cu excepția poate o ușoară defocalizare), își pierde partea leului din puterea sa în câteva zeci de kilometri nefericite. Cu toate acestea, putem transforma acest fapt, rău la prima vedere, în avantajul nostru. Deoarece acest fapt ne permite să facem fără nicio țintire serioasă a fasciculului către receptor. Pentru că, ca atare receptor, sau mai degrabă un receptor primar, putem folosi tocmai aceste limite între straturi și media. Putem îndrepta telescopul spre punctul de lumină rezultat și putem citi informații din acesta. Desigur, acest lucru va crește semnificativ cantitatea de interferență și va reduce rata de transfer de date. Și va face totul imposibil în timpul zilei. Dar acest lucru va face posibilă reducerea costului navei spațiale prin economisirea sistemului de ghidare. Acest lucru este valabil mai ales pentru sateliții pe orbite non-staționare, precum și pentru navele spațiale pentru cercetarea în spațiul profund.

În momentul de față, dacă luăm în considerare comunicațiile Pământ-navă și nave spațiale-Pământ, soluția optimă este sinergia comunicațiilor laser și radio. Este destul de convenabil și promițător să transmiteți date de la navă spațială pe Pământ folosind comunicații laser și de la Pământ la navă spațială folosind comunicații radio. Acest lucru se datorează faptului că modulul de recepție laser este un sistem destul de voluminos (cel mai adesea un telescop), care captează radiația laser și o convertește în semnale electrice, care sunt apoi amplificate folosind metode cunoscute și convertite în informatii utile. Un astfel de sistem nu este ușor de instalat pe o navă spațială, deoarece cel mai adesea cerințele sunt compactitatea și greutatea redusă. În același timp, transmițătorul de semnal laser este mic ca dimensiune și greutate în comparație cu antenele pentru transmiterea semnalelor radio.