Optička vlakna i laserske komunikacije. Laserska komunikacija u svemiru

Radio talasi nisu jedini lek veze sa vanzemaljskim civilizacijama. Postoje i drugi načini, na primjer svjetlosni signali. Budući da će svjetlosni signal morati prijeći veliku udaljenost, mora imati potrebna svojstva: imati dovoljno energije da savlada ovaj put. Lako je uočiti da optički projektori nisu pogodni za slanje ovakvih svjetlosnih signala. Oni stvaraju divergentne zrake svjetlosti. Stoga, što je dalje od reflektora, snop postaje širi. Na velikim udaljenostima je takođe veoma velika. To znači da je energija po jedinici površine vrlo mala.

Ako koristite najmoderniji optički reflektor, koji stvara snop svjetlosti (snop) širok samo pola stepena, tada će već na udaljenosti od 50 kilometara svjetlosna tačka koju stvara reflektor biti 450 metara. Takav reflektor postavljen na Zemlji stvorit će svijetlu tačku prečnika 3000 kilometara na Mjesecu! Jasno je da se u ovom slučaju svjetlosna energija raspršuje na velikoj površini i osvijetljenost površine postaje mnogo manja nego da je ovo mjesto udaljeno samo 10 ili 100 metara. Tačka koju je formirao zemaljski reflektor na površini Mjeseca ne može se otkriti. Ali Mjesec je pored nas. Šta ostaje od gustine energije na udaljenostima stotinama svjetlosnih godina? Skoro nista. Stoga, nema smisla dalje razmatrati tako trivijalni izvor svjetlosnih signala. Ali neophodni optički signali mogu se stvoriti pomoću lasera, koji su bili oličenje ideja Alekseja Tolstoja (hiperboloid inženjera Garina) i H. Wellsa (toplotni zrak Marsovaca).

Što se tiče laserskog zračenja kao sredstva komunikacije sa vanzemaljcima, ovdje su bitna dva njegova svojstva. Prvi je sposobnost emitiranja praktički nedivergentnog snopa svjetlosti (snopa), što se, kao što smo vidjeli, ne može učiniti pomoću konvencionalnih reflektora. Drugi je sposobnost stvaranja moćnih svjetlosnih signala koji mogu doći do zvijezda udaljenih stotinama i hiljadama svjetlosnih godina.

Važna osobina laserskog zračenja je njegova monohromatičnost (bukvalno „jedna boja“). Fizički, to znači da zračenje ima striktno konstantnu talasnu dužinu, a samim tim i boju. Istovremeno, postoje laseri koji emituju jednu strogo definiranu valnu dužinu, čija je vrijednost određena "radnom tvari" lasera. Takva supstanca može biti gasovita, tečna ili čvrsta. U početku se uglavnom koristio sintetički kristal rubina. Kada se koristi neodimijumsko aktivirano staklo, talasna dužina zračenja je 1,06 mikrona. Radna tvar koja se koristi je posebno ugljični dioksid CO2 i mnoge druge tvari. Tečni laseri omogućavaju emitovanje na različitim talasnim dužinama (u datom opsegu). Zračenje se javlja naizmjenično, u svakom trenutku se emituje jedna strogo određena talasna dužina.

Takođe je važno da laserski sistemi omogućavaju emitovanje vrlo kratkih impulsa svetlosti. Ovo je veoma važno za prenošenje informacija (po nizovima impulsa). Dužina impulsa može biti toliko mala da se do hiljadu milijardi impulsa može "složiti" u jednoj sekundi. Tokom emisije, impulsi slijede jedan za drugim sa određenim zakašnjenjem. Savremeni laseri omogućavaju primanje impulsa velike snage. Dakle, čak i tako kratki impulsi kao što su oni gore navedeni mogu imati energiju veću od 10 džula! Što je puls duži, više energije sadrži. U režimu „slobodne generacije“, kada laser sam reguliše dužinu emitovanih impulsa i ona je reda veličine hiljaditi deo sekunde, energija svakog impulsa može dostići nekoliko hiljada džula. Laseri omogućavaju emitovanje ne samo kratkih impulsa svjetlosti, već i kontinuirano. Na primjer, plinski laseri napajani ugljičnim dioksidom mogu raditi u kontinuiranom laserskom modu. U ovom slučaju, zračenje se ne karakteriše energijom svakog impulsa (pošto nema pojedinačnih impulsa), već energijom po jedinici vremena ili, drugim riječima, snagom. Dakle, snaga lasera koji rade na ugljičnom dioksidu doseže nekoliko desetina kilovata.

Lasersko zračenje je takođe raspršeno, ali mnogo manje nego kod reflektora. To je određeno veličinom radne tvari. Zračenje s površine radne tvari odvija se striktno u istoj fazi (u fazi) na cijeloj njenoj površini. Dakle, širina zraka koji šalje laser ovisi o veličini bloka "radne tvari", odnosno što je veća površina, to je snop emitirane svjetlosti uži. Zavisnost širine snopa od talasne dužine je direktna: što je talasna dužina kraća, to je širi snop koji šalje laser. Ali čak i kod običnih lasera, u kojima je veličina radne tvari oko 1 centimetar, kut svjetlosnog snopa je 200 puta manji od ugla reflektora. To je 10 lučnih sekundi. Postoje, naravno, laseri sa znatno manjim uglovima svetlosnog zračenja.

Da biste se riješili divergencije zraka, trebate koristiti optički sistem vrsta teleskopa koji usmjerava putanju zraka. Ako se snop laserskog zračenja prođe kroz sočivo čija je žižna daljina jednaka njegovom prečniku, onda će stvarna slika zraka u fokalnoj ravni imati dimenzije jednake talasnoj dužini. Zatim, na mjesto gdje je dobijena ova stvarna slika zraka, postavljamo fokus drugog sočiva (ili ogledala), čiji je promjer mnogo veći od prvog. Za drugo sočivo žižna daljina može biti veća od njegovog prečnika, ali može biti i jednaka (kao kod prvog sočiva). Ova kombinacija dva sočiva dovodi do činjenice da će iz drugog velikog sočiva (ogledala) izaći snop, čiji će se ugao divergencije smanjiti (u odnosu na početni koji ulazi u teleskop) onoliko puta koliko je prečnik drugog sočiva. (ogledalo) je veća od dužine emitovanog talasa. Dakle, sasvim je moguće smanjiti ugao divergencije laserskog snopa koliko god želite.

Za komunikaciju sa vanzemaljcima, i komunikacijski sistemi izgrađeni na jednom laseru i oni izgrađeni na njima cijeli sistem(baterija) lasera. Ako koristite laser koji kontinuirano emituje snage 10 kilovata i dodatno veliko ogledalo prečnika 5 metara, možete suziti ugao snopa na 0,02 lučnih sekundi.

Možete koristiti ne jedno veliko ogledalo, već određeni broj ogledala malog prečnika (recimo, 10 centimetara). Tada sistem mora sadržavati onoliko lasera koliko ima ogledala. Sve to mora biti veoma rigidno orijentisano. Ako uzmete 25 lasera, možete postići ugao snopa jednak jednoj lučnoj sekundi.

Prednost laserskih sistema (baterija) za svemirske komunikacije je u tome što se tokom njegovog rada može isključiti uticaj zemljine atmosfere. Ako radite s jednim laserom, tada zbog atmosferskih poremećaja kut snopa postaje znatno veći nego u nedostatku takvog utjecaja. Ovaj uticaj se može zaobići ako se laserski sistem postavi tako da laserski snop ne prolazi kroz atmosferu, odnosno postavi se na vještačku satelitsku platformu. U ovom slučaju nema potrebe za korištenjem baterije laserskih sistema.

Po prvi put, mogućnost komunikacije sa vanzemaljskim civilizacijama pomoću laserskog snopa naučno je analizirao 1961. godine nobelovac C.H. Townsom i R.I. Schwartz. Od tada se laserska tehnologija u svijetu poboljšala, a uslovi za lasersku komunikaciju postali su povoljniji. Glavna stvar koju ova tehnika mora pružiti je dovoljna snaga zračenja i sposobnost odvajanja laserskog zračenja koje nam šalju vanzemaljci od zračenja zvijezda. Kako odvojiti lasersku svjetlost od svjetlosti zvijezda? Ovo pitanje nipošto nije jednostavno, a može se riješiti samo zahvaljujući posebnom svojstvu laserskog zračenja - njegovoj visokoj monokromatičnosti. Zvezda (kao što je Sunce) emituje svetlost na različitim talasnim dužinama. Laser emituje samo na strogo definisanoj talasnoj dužini, recimo 0,5 mikrona. Na ovoj talasnoj dužini Sunce emituje najviše energije. Ipak, lasersko zračenje je 25 puta veće od zračenja Sunca ili druge slične zvijezde. Naravno, ovo se odnosi samo na tu određenu talasnu dužinu. Na drugim talasnim dužinama (kao što su ultraljubičasta i infracrvena područja spektra) ovaj odnos bi bio čak i veći, jer na ovim talasnim dužinama Sunce emituje manje od oko zelene svetlosti (0,5 µm).

Dakle, čak i moderna laserska tehnologija omogućava stvaranje zračenja čiji je intenzitet na datoj talasnoj dužini dovoljan da se izoluje od svih zvezdanih zračenja. Da biste postigli još bolje oslobađanje laserskog zračenja, morate “raditi” u blizini apsorpcionih linija Sunca (ili neke druge zvijezde), odnosno u rasponu gdje se dio sunčevog zračenja apsorbira i manje ometa oslobađanje laserskog zračenja. . Ako laser radi na talasnoj dužini od 0,15 mikrona, tada njegov spektralni intenzitet može biti desetine hiljada puta veći od intenziteta sunčevog zračenja na ovoj talasnoj dužini, budući da se nalazi u području apsorpcije sunčevog zračenja. Naravno, takva laserska instalacija mora biti smještena izvan zemljine atmosfere, inače će lasersko zračenje biti apsorbirano atmosferskim plinom. Stoga, kada snimamo i analiziramo svjetlost udaljenih zvijezda, moramo imati na umu da se lasersko zračenje koje šalju vanzemaljske civilizacije može detektirati na pozadini ovog zračenja. Pojavit će se kao uska linija. Ali za to je potrebno analizirati zračenje zvijezda pomoću visokokvalitetnih spektrografa. Mogu se koristiti i vrlo uskopojasni filteri. Naravno, precizirano optički uređaji mora biti vrlo visokog kvaliteta: rezolucija spektrografa mora biti 0,03 A da bi se dobio 10% kontrast laserske linije iznad pozadine. Moderna optička tehnologija to omogućava. Stoga sada možemo početi hvatati linije zračenja koje pripadaju laserskim uređajima vanzemaljskih civilizacija koristeći najmoćnije teleskope.

Više puta smo raspravljali o različitim aspektima Doplerovog efekta na zračenje pokretnog izvora. IN u ovom slučaju ovaj efekat se takođe mora uzeti u obzir, jer bi usled pomeranja prijemnika zračenja u pravcu samog zračenja trebalo da dođe do pomeranja (Doplerov pomak) frekvencije zračenja u jednom ili drugom smeru. Za detekciju ovog zračenja sa pomaknutom frekvencijom potrebno je imati spektrografe odgovarajuće rezolucije.

Dakle, čak savremenom nivou Laserska tehnologija vam omogućava da primate laserske signale od obližnjih zvijezda i šaljete ih nazad. Ali ostaje još jedno, možda najvažnije, pitanje: gdje slati signale i gdje ih primati? U oba slučaja, moramo negdje usmjeriti naše teleskope, i to sa velikom preciznošću. Isto se traži i od naših dopisnika u svemiru. Ako se nalaze na najbližim zvijezdama (njihovim planetama), tada će promatrati Zemljinu orbitu pod uglom od jedne lučne sekunde. Da bi njihov laserski snop pogodio Zemlju, moraju ga usmjeriti s ugaonom rezolucijom od 0,02 lučne sekunde. Takva preciznost je sada dostupna našim astronomima. Stoga vjerujemo da je to ostvarivo i za vanzemaljske civilizacije koje traže komunikaciju s nama.

Logično je zamisliti da će vanzemaljci, u potrazi za komunikacijom s nama, "prekapati" laserskim snopom unutar Solarni sistem. Ako učine širinu laserskog snopa (snopa) većom, onda će on cijelo vrijeme osvjetljavati Zemlju i može se relativno lako snimiti. Ali što je širi snop, to više energije treba emitovati da bi bila dovoljna da pokrije cijelu površinu koju osvjetljava, kako bi se mogla registrirati. Ali moglo bi se pomisliti da ova poteškoća za vanzemaljce neće biti nerešiva. Barem u zemaljskim laboratorijama, povećanje snage laserskog zračenja događa se vrlo brzo.

Laserska komunikacija može se posebno efikasno koristiti unutar Sunčevog sistema. Koristeći laserski zrak, moguće je stvoriti mrlju na Marsu prečnika 5-7 kilometara, koja će sijati oko 10 puta jače od Venere kada se posmatra sa Zemlje. Laserski snop može nositi bilo koju informaciju: njegov intenzitet se može mijenjati u vremenu prema bilo kojem zakonu (drugim riječima, lasersko zračenje se može modulirati u skladu s tim). Površina Mjeseca bila je obasjana laserskim snopom. Na strani Mjeseca koja nije obasjana Suncem, dobija se svijetleća tačka prečnika 40 metara. Osvijetljen je 100 puta manje nego u slučaju direktnog sunčevog svjetla.

Od nastanka života na Zemlji, sposobnost međusobnog prenošenja poruka (ili, kako sada kažu, informacija) zauzima jedno od glavnih mjesta u ljudskoj komunikaciji. IN Ancient Greece, na primjer, informacije su se prenosile pomoću svjetlosnih valova, zbog čega su paljene vatre na posebnim tornjevima, obavještavajući stanovnike o bilo kakvom važan događaj. Optički telegraf je izumljen u Francuskoj. Ruski naučnik Schelling je predložio električni žičani telegraf, koji je kasnije poboljšao američki Morse. Električni kabl je povezao Evropu sa Amerikom. T. Edison je udvostručio kapacitet telegrafske linije. A. Popov je otkrio mogućnost prenošenja telegrafskih poruka bežičnim putem - pomoću elektromagnetnih vibracija. Radio tehnologija je doživjela brzi razvoj. Počeli su da emituju na različitim talasnim dužinama: dugim, srednjim, kratkim. Eter je postao prepun.

Kakva je veza između brzine i količine? prenesene informacije? Poznato je da je maksimalna brzina prenosa određena trajanjem jednog perioda oscilovanja korišćenih talasa. Što je kraći period, veća je brzina prenosa poruke. To vrijedi i za prijenos poruka korištenjem Morzeove azbuke, korištenjem telefonskih komunikacija, radio komunikacija i televizije. Dakle, komunikacijski kanal (predajnik, prijemnik i linija koja ih povezuje) može prenositi poruke brzinom koja nije veća od prirodne frekvencije cijelog kanala. Ali to još nije dovoljan uslov. Za karakterizaciju komunikacijskog kanala potreban je još jedan parametar - propusni opseg kanala, odnosno opseg frekvencija koji se koristi u ovom komunikacijskom kanalu. Što je veća brzina prenosa, širi je frekventni opseg preko kojeg treba da se prenosi. Oba ova parametra tjeraju čovjeka da ovlada sve višim frekvencijama elektromagnetnih oscilacija. Zaista, sa povećanjem frekvencije, povećava se ne samo brzina prijenosa preko jednog kanala, već i broj komunikacijskih kanala.

Komunikaciona tehnologija je počela da se kreće ka sve kraćim talasnim dužinama, koristeći prvo decimetarske, zatim metarske i na kraju centimetarske talase. A onda je došlo do zaustavljanja zbog činjenice da nije bilo

pogodan izvor nosioca elektromagnetnih oscilacija. Raniji izvori su dali širok raspon sa vrlo malom snagom po pojedinačnoj frekvenciji oscilovanja. Svjetlosni talasi nisu bili koherentni, što je onemogućavalo njihovu upotrebu za prenos složeni signali, što zahtijeva modulaciju zračenja. Situacija se dramatično promijenila pojavom lasera. Koherentnost i monohromatska priroda laserskog zračenja omogućavaju modulaciju i detekciju zraka na takav način da se koristi čitava širina optičkog opsega. Optički dio spektra je mnogo širi i prostraniji od radiotalasnog dijela. Pokažimo to jednostavnom računicom. Izračunajmo koliko se informacija može istovremeno prenijeti optičkim komunikacijskim kanalom s talasnom dužinom od 0,5 mikrona (što odgovara Hz). Na primjer, uzmimo grad kao što je Moskva. Neka bude 1.500.000 telefona, 100 predajnih radio stanica i 5 televizijski kanali. Za proračune pretpostavljamo da je frekvencijski opseg telefonskog kanala Hz, radio kanala, televizijskog kanala - Hz. Uzmimo faktor sigurnosti jednak 100. Izračunat ćemo pomoću formule

gdje je c brzina svjetlosti, K je talasna dužina elektromagnetne oscilacije, frekvencijski opseg koji zauzima jedan televizijski kanal, frekvencijski opseg jedne emisione stanice, frekvencijski opseg jednog telefonskog kanala, broj televizijskih kanala, broj radio kanala, broj telefona, k - faktor sigurnosti.

Zamjenom vrijednosti za naš primjer, dobijamo. Otuda možemo zaključiti da visokofrekventna komponenta elektromagnetne oscilacije, jednaka približno Hz, omogućava (u principu) u jednom laserskom snopu da istovremeno osigura prijenos informacija do hiljadu gradova kao što je Moskva. Međutim, da bi se ova fundamentalna mogućnost ostvarila, potrebno je riješiti niz problema. Povezuju se sa modulacijom, demodulacijom i prolaskom zračenja u atmosferu. Da biste ovo razumjeli, razmotrite optičku komunikacijsku liniju (slika 27).

Rice. 27. Optička linija laserska komunikacija

Komunikacioni vod se sastoji od predajnih i prijemnih uređaja. Predajni uređaj uključuje laser koji proizvodi visokofrekventni nosač; modulator koji osigurava da se prenesena informacija nadograđuje na svjetlosni nosač; optički sistem neophodan za fokusiranje zračenja u uski snop, koji obezbeđuje veliki domet i visoku otpornost na buku; mikrofon sa pojačalom i uređajem za ciljanje. Prijemni uređaj se sastoji od ulaznog optičkog sistema, prijemnika zračenja, demodulatora, pojačala, zvučnika i uređaja za nišanjenje (vezivanje) prijemnika za predajnik. Komunikacija radi ovako. Signal u obliku audio frekvencije šalje se mikrofonu. Ovdje se pretvara u električnu energiju i dovodi do modulatora kroz koji prolazi lasersko zračenje. Ispada da je moduliran u skladu s govornom porukom. Modulirani snop ulazi u optički sistem. Uz pomoć nišanskog (nišanskog) uređaja, ovo zračenje ozrači mjesto gdje se prijemni sistem. Prijemni optički sistem prikuplja laserski snop i usmjerava ga na prijemnik i pojačalo. Nakon toga ide na demodulator, čiji je zadatak da odvoji izvornu audio frekvenciju od frekvencije nosioca. Prolazi kroz audio pojačalo i ide do zvučnika.

Tabela 15 (vidi skeniranje) Karakteristike modulatora

Budući da je frekvencija modulacije tokom prijenosa zvučni signal ne prelazi 104 Hz, tada je većina modulatora i demodulatora razvijenih do danas pogodna za njegovu implementaciju. Najšire korištena je amplitudna modulacija. Za njegovu implementaciju pogodni su optički elementi koji mijenjaju svoju transparentnost pod utjecajem napona koji se na njih primjenjuje. Ovaj tip modulatora također uključuje Kerrovu ćeliju, koja se sastoji od tekućeg dielektrika i metalnih ploča. Kada se na ploče primijeni električno polje, tekući dielektrik postaje dvostruko lomljiv. Kao rezultat toga, ravnina polarizacije prolaznog svjetlosnog vala će se rotirati za ugao

gdje je B Kerrova konstanta, dužina putanje i jačina polja. U ovom slučaju, polje polarizovano u ravni

prolazeći kroz analizator, mijenja svoj intenzitet u skladu sa zakonom električnog polja. Tako se pomoću modulatora audio frekvencija uvodi u laserski snop. Pogledajmo tabelu u kojoj su predstavljene karakteristike različitih tipova modulatora i pokušajmo odabrati onaj koji je prikladan za naš komunikacijski sistem.

Koristimo helijum-neonski gasni laser kao izvor zračenja. Za prijenos audio poruke potrebna je modulacija do 20 kHz. Ovo najbolje zadovoljavaju kristali germanijuma (tabela 15). Ima dobru dubinu modulacije od 50%. Međutim, ovaj modulator se ne može koristiti jer je njegova spektralna transparentnost u rasponu od 1,8...25 µm, odnosno neproziran je za zračenje od 0,6328 µm koje emituje helijum-neonski laser. ADP ili KDP kristal je pogodan za spektralni opseg i ima dobru marginu za frekvenciju modulacije. Sa takvim modulatorom moguće je modulirati optičko zračenje u nekoliko frekvencijskih opsega, što u principu omogućava uvođenje više telefonskih kanala u jedan snop. Ali nemoguće je uvesti nekoliko televizijskih kanala u laserski snop pomoću takvog modulatora, jer je za prijenos televizijske slike potreban frekvencijski pojas od Hz. Može se emitovati samo jedan TV program. Potrebni su nam modulatori sa vrlo velikim rasponom modulacijskih frekvencija. Pogledajmo tabelu. Ultrazvučni modulator talasa ima opseg od 5 do 30 MHz. Njegova gornja granica je najveća, nema drugih modulatora. Uporedimo ovaj opseg u Hz sa frekvencijskim opsegom gasnog lasera. Vidi se da se razlikuju za sedam redova veličine, odnosno deset miliona puta. Shodno tome, laserski visokofrekventni nosilac nije iskorišten u potpunosti. I ne koristi se jer još ne postoje modulatori sa frekvencijskim opsegom do Hz. Slična slika se javlja i za prijemnike zračenja. Također ih treba odabrati na osnovu spektralnog raspona u kojem djeluju. I na osnovu opsega frekvencija koje su u stanju da percipiraju. Najpoželjniji su fotomultiplikatori koji imaju frekvencijski opseg reda veličine 100 MHz, ali ne više. Shodno tome, ovdje postoji problem koji zahtijeva rješenje.

Rice. 28. Funkcionalni dijagram prvog lasera televizijska instalacija

Najlakši način je bio izgraditi telefonsku komunikacijsku liniju, jer su za to bili dostupni svi potrebni elementi: izvor zračenja, modulator i prijemnik zračenja. Takve linije su kreirane kako bi se ocijenila efektivnost njihovog funkcionisanja. Jedna od njih je povezivala automatsku telefonsku centralu, koja se nalazi na trgu Šolohov, sa zgradom Moskovskog državnog univerziteta na Lenjinovim brdima. Koristeći laserski snop koji povezuje telefonske centrale, bilo je moguće istovremeno voditi nekoliko desetina telefonskih razgovora. Druga linija je stvorena u Jermeniji. Povezao je Jerevan i astrofizičku opservatoriju Byurokan, koja se nalazi 50 km dalje na planini Aragats.

Primena lasera u televiziji

IN U poslednje vreme Razvijeno je nekoliko sistema u kojima se televizijske slike prenose optičkim kanalom. Najjednostavniji televizijski sistem napravljen je od gotovih komponenti i dijelova. Funkcionalni dijagram ovog sistema prikazan je na sl. 28. Uključuje industrijski laser, dva industrijska televizora, standardno pojačalo i video pojačalo. Osim toga, korišteni su optički sistemi za prijem i prijenos, optički modulator zračenja i optički filter. Televizijski signali primljeni od prve televizije se pojačavaju i šalju u modulator (video signali se preuzimaju iz jedne od faza video kanala televizijskog prijemnika). Modulator se nalazi na izlazu zračenja

laser, pruža amplitudna modulacija radiant flow. Ovo zračenje se pomoću optičkog sistema formira u uski snop i usmerava prema prijemnom uređaju. Takođe ima optički prijemni sistem tipa ogledala (sa dva ogledala), uskopojasni optički filter i dijafragmu. Tada zračenje ulazi u fotomultiplikator. Ova kombinacija posljednja tri elementa omogućava dobar odabir prijemnog signala, što omogućava korištenje sistema u uvjetima solarnog osvjetljenja. Signal na fotomultiplikatoru se pretvara iz optičkog u električni, prolazi kroz video pojačalo i dovodi se na cijev drugog TV-a. Uprkos prisutnosti buke koju je unosio laser i intenzivnoj dnevnoj pozadini kada je televizijska instalacija radila na suncu, slika na ekranu drugog televizora bila je sasvim zadovoljavajuća. Štaviše, jasnoća slike je bila visoka, što sugerira dobre karakteristike prijenosa modulatora i povezanih elektronskih uređaja. U sistemu nije detektovana „snežna padavina“, što ukazuje na dovoljan odnos signal-šum.

Ranije smo napomenuli da je modulator glavni element televizijskog komunikacionog sistema. Ovdje je korištena Pockelsova ćelija u kojoj se modulacijski napon primjenjuje na kristal u smjeru svjetlosni tok. Ovaj modulator pruža dobru dubinu modulacije i ima dovoljan propusni opseg, ali ima dva značajna nedostatka: prvi je da je za kontrolu modulacije potreban napon do nekoliko kilovolti, a drugi je da se ćelija mora hladiti.

Već u kasnijim modifikacijama opreme primijenjena su rješenja za otklanjanje ovih nedostataka. Pockelsova ćelija je zamijenjena KDP kristalom, koji ima dobru optičku transparentnost u ovom opsegu talasnih dužina, a da bi se smanjio modulirajući napon, korišćeno je dodatno sužavanje snopa pomoću kolimacionog sistema. To je omogućilo da se snop suzi na 1 mm. Kako bi se osigurala mehanička čvrstoća, kristal je postavljen metalno kućište. Ova poboljšanja su smanjila potrošnju energije za dva reda veličine. Modulator je radio na naponu od 18 V i trošio struju od 50 mA.

Rice. 29. Šema laserske predajne komore

Nakon nekog vremena pojavili su se uzorci televizijskih sistema u kojima je pet različitih televizijskih slika prenošeno laserskim snopom. U ovim sistemima kao izvor zračenja korišćen je gasni laser koji radi na talasnoj dužini od 0,6328 μm sa emitovanom snagom od samo 8 mW. Prijemni uređaj koristio je silicijumsku fotodiodu. Prenos slike je vršen na kanalima 66...7B, 76...82, 182...186, 198..204, 210...216 MHz.

Funkcionalni dijagram treće verzije laserske TV kamere prikazan je na Sl. 29. Ovaj sistem je omogućavao prenos televizijskog programa putem laserskog zraka, kao i muzički program I digitalne informacije. Glavni elementi uređaja bili su: argon gasni laser sa sistemom za skeniranje zraka u svemiru, prijemnik koji se sastoji od uskopojasnog filtera sa propusnim opsegom od 90 angstroma, fotomultiplikator i preamp. Treći komponentni blok bio je sistem za sinhronizaciju linija i okvira. Posebnost je u tome što se koristi laserski snop brzog skeniranja, a umjesto televizijska kamera- fotomultiplikator. Televizijska slika se dobija zračenjem objekta kontinuiranim laserskim zračenjem, koji se rotira u prostoru duž dve okomite ose pomoću rotirajućih prizmi. Horizontalno skeniranje omogućava 16-strana prizma koja rotira sa

brzina 60.000 o/min. U ovom slučaju, vertikalnu brzinu zraka osigurava 26-strana prizma koja rotira brzinom od 150 o/min. Ova dva skeniranja daju 60 sličica u sekundi. Lasersko zračenje, reflektovano od objekta čija se slika želi dobiti, ulazi u prijemni uređaj, sa čijeg se izlaza pojačani signal dovodi do kontrolne televizije i slika objekta se rekreira na njegovom ekranu. Za sinhronizaciju skeniranja kontrolnog TV-a sa skeniranjem laserskog snopa u prostoru predviđena su dva elementa. Jedan od njih vrši linijsku sinhronizaciju, a drugi - sinhronizaciju okvira. Fotoćelije horizontalnog i vertikalnog kola sinhronizacije su postavljene duž horizontalne i vertikalne putanje skeniranja laserskog zraka. Izlazni signali fotoćelija, pojačani na traženu vrijednost, obezbjeđuju potrebnu sinhronizaciju. Pozitivna kvaliteta takve laserske televizijske kamere je njena visoka kvaliteta slike. Osim toga, može raditi u mraku i sposoban je prenijeti slike kroz maglu mnogo bolje od bilo kojeg drugog uređaja slične namjene. Nedostaci sistema uključuju značajne gubitke energije prilikom skeniranja zraka u prostoru i prisustvo brzo rotirajućih elemenata.

E. N. Chepusov, S. G. Sharonin

Danas je nemoguće zamisliti naš život bez kompjutera i mreža zasnovanih na njima. Čovječanstvo stoji na pragu novog svijeta u kojem je samac informacioni prostor. U ovom svijetu komunikaciju više neće ometati fizičke granice, vrijeme ili udaljenost.

Sada postoji po cijelom svijetu velika količina mreže rade razne funkcije i rješavanje mnogih različitih problema. Prije ili kasnije, uvijek dođe vrijeme kada je kapacitet mreže iscrpljen i potrebno je postaviti nove komunikacione linije. To je relativno lako učiniti unutar zgrade, ali poteškoće počinju pri povezivanju dvije susjedne zgrade. Potrebne su posebne dozvole, saglasnosti, dozvole za izvođenje radova, kao i za izvođenje niza složenih tehnički zahtjevi i zadovoljavanje značajnih finansijskih zahtjeva organizacija koje upravljaju zemljištem ili kanalizacijom. U pravilu, odmah postaje jasno da najkraći put između dvije zgrade nije prava linija. I uopće nije potrebno da dužina ove staze bude uporediva s udaljenosti između ovih zgrada.

Naravno, svi znaju bežično rješenje bazirano na različitoj radio opremi (radio modemi, mali kanali radio relejne linije, mikrovalna digitalni predajnici). Ali broj poteškoća se ne smanjuje. Talasi su prezasićeni i dobijanje dozvole za korištenje radio opreme je vrlo teško, a ponekad čak i nemoguće. A propusnost ove opreme značajno ovisi o njenoj cijeni.

Nudimo vam da iskoristite prednost novog ekonomskog oblika bežičnu komunikaciju, koji je nastao sasvim nedavno, je laserska komunikacija. Ova tehnologija je dobila najveći razvoj u SAD-u, gdje je i razvijena. Laserske komunikacije pružaju isplativo rješenje za problem pouzdanih, brzih komunikacija kratkog dometa (1,2 km) koji mogu nastati pri povezivanju telekomunikacionih sistema iz različitih zgrada. Njegova upotreba će omogućiti integraciju lokalne mreže sa globalnom, integracijom udaljeni prijatelj jedni od drugih lokalnih mreža, te također obezbjeđuju potrebe digitalna telefonija. Laserska komunikacija podržava sve interfejse potrebne za ove svrhe - od RS-232 do ATM-a.

Kako se ostvaruje laserska komunikacija?

Laserska komunikacija vs. GSM komunikacije omogućava veze od tačke do tačke sa brzinama prenosa informacija do 155 Mbit/s. U kompjuterskim i telefonskim mrežama, laserska komunikacija osigurava razmjenu informacija u punom dupleksu. Za aplikacije koje ne zahtijevaju visoke brzine prijenosa (na primjer, video i kontrolni signali u procesnim i televizijskim sistemima zatvorenog kruga), dostupno je posebno, isplativo poludupleksno rješenje. Kada treba da kombinujete ne samo računar, već i telefonske mreže, modeli se mogu koristiti laserski uređaji sa ugrađenim multiplekserom za istovremeni prenos LAN saobraćaja i tokova digitalne grupne telefonije (E1/ICM30).

Laserski uređaji mogu prenositi bilo koji mrežni tok koji im se isporučuje pomoću optičkih vlakana ili bakrenog kabla u smjeru naprijed i nazad. Predajnik se pretvara električni signali u modulirano lasersko zračenje u infracrvenom opsegu sa talasnom dužinom od 820 nm i snagom do 40 mW. Laserska komunikacija koristi atmosferu kao medij za širenje. Laserski snop tada pogađa prijemnik koji ima maksimalnu osjetljivost unutar opsega valnih dužina zračenja. Prijemnik pretvara lasersko zračenje u signale sa električnog ili optičkog interfejsa koji se koristi. Ovako se komunikacija ostvaruje pomoću laserskih sistema.

Porodice, modeli i njihove karakteristike

U ovom odeljku želimo da vas upoznamo sa tri porodice najpopularnijih laserskih sistema u SAD - LOO, OmniBeam 2000 i OmniBeam 4000 (Tabela 1). Porodica LOO je osnovna i omogućava prijenos podataka i glasa na udaljenosti do 1000 m. Porodica OmniBeam 2000 ima slične mogućnosti, ali radi na duža udaljenost(do 1200 m) i može prenositi video slike i kombinaciju podataka i glasa. Porodica OmniBeam 4000 može da obezbedi prenos podataka velike brzine: od 34 do 52 Mbit/s na udaljenostima do 1200 m i od 100 do 155 Mbit/s do 1000 m. Postoje i druge porodice laserskih sistema na tržištu, ali ili pokrivaju kraće udaljenosti ili podržavaju manje protokola.

Tabela 1.

Svaka porodica uključuje skup modela koji podržavaju različite komunikacijske protokole (Tabela 2). Porodica LOO uključuje ekonomične modele koji obezbeđuju daljine prenosa do 200 m (slovo "S" na kraju naziva).

Tabela 2.

Nesumnjiva prednost laserskih komunikacionih uređaja je njihova kompatibilnost sa većinom telekomunikacione opreme različite namene (hubovi, ruteri, repetitori, mostovi, multiplekseri i PBX-ovi).

Ugradnja laserskih sistema

Važna faza u kreiranju sistema je njegova instalacija. Stvarno uključivanje traje zanemarljivo vrijeme u odnosu na instalaciju i konfiguraciju laserske opreme, koja traje nekoliko sati ako ga obavljaju dobro obučeni i opremljeni stručnjaci. Istovremeno, kvalitet rada samog sistema zavisiće od kvaliteta ovih operacija. Stoga, prije nego što predstavimo tipične opcije uključivanja, željeli bismo obratiti pažnju na ova pitanja.

Kada su postavljeni na otvorenom, primopredajnici se mogu instalirati na krovne ili zidne površine. Laser se montira na poseban čvrsti nosač, najčešće metalni, koji je pričvršćen za zid zgrade. Nosač također pruža mogućnost podešavanja ugla nagiba i azimuta grede.

U ovom slučaju, radi lakše montaže i održavanja sistema, njegovo povezivanje se vrši preko razvodnih kutija (RK). Kablovi za povezivanje su obično optički za kola za prenos podataka i bakarni kablovi za strujna i upravljačka kola. Ako oprema nema optičko sučelje podataka, tada je moguće koristiti model s električnim sučeljem ili vanjski optički modem.

Jedinica napajanja (PSU) primopredajnika je uvijek instalirana u zatvorenom prostoru i može se montirati na zid ili u stalak koji se koristi za LAN opremu ili strukturirane kablovske sisteme. U blizini se može postaviti i monitor stanja koji služi za daljinski upravljač funkcionisanje primopredajnika iz familija OV2000 i OV4000. Njegova upotreba omogućava dijagnostiku laserskog kanala, indikaciju veličine signala, kao i petljanje signala za njegovu provjeru.

Prilikom interne instalacije laserskih primopredajnika, potrebno je imati na umu da se snaga laserskog zračenja smanjuje pri prolasku kroz staklo (najmanje 4% na svakom staklu). Drugi problem su kapljice vode koje se slijevaju niz vanjsku stranu stakla kada pada kiša. Djeluju kao sočiva i mogu uzrokovati raspršivanje zraka. Da biste smanjili ovaj efekat, preporučuje se da se oprema instalira blizu vrha stakla.

Da obezbedi kvalitetnu komunikaciju Moraju se uzeti u obzir neki osnovni zahtjevi.

Najvažniji od njih, bez kojih će komunikacija biti nemoguća, jeste da zgrade moraju biti u vidnom polju, te da na putu širenja zraka ne bi trebalo biti neprozirnih prepreka. Osim toga, s obzirom da laserski snop u zoni prijemnika ima prečnik od 2 m, neophodno je da se primopredajnici nalaze iznad pješaka i saobraćaja na visini od najmanje 5 m. To je zbog osiguranja sigurnosnih propisa. Transport je takođe izvor gasova i prašine, koji utiču na pouzdanost i kvalitet prenosa. Snop se ne smije projektovati u neposrednoj blizini ili prelaziti dalekovode. Neophodno je uzeti u obzir mogući rast drveća, pomeranje njihovih kruna za vreme naleta vetra, kao i uticaj padavina i moguće poremećaje usled letećih ptica.

Ispravan izbor primopredajnika garantuje stabilan rad kanala u čitavom rasponu klimatskih uslova u Rusiji. Na primjer, veći promjer grede smanjuje vjerovatnoću kvarova povezanih s padavinama.

Laserska oprema nije izvor elektromagnetnog zračenja (EMR). Međutim, ako se postavi u blizini uređaja sa EMR, elektronika lasera će pokupiti ovo zračenje, što može uzrokovati promjenu signala i u prijemniku i u predajniku. To će uticati na kvalitet komunikacije, pa se ne preporučuje postavljanje laserske opreme u blizini EMR izvora kao što su moćne radio stanice, antene itd.

Prilikom ugradnje lasera preporučljivo je izbjegavati orijentirane laserske primopredajnike u smjeru istok-zapad, jer nekoliko dana u godini sunčevi zraci mogu blokirati lasersko zračenje na nekoliko minuta, a prijenos će postati nemoguć, čak i sa posebnim optičkim filterima u prijemnik. Znajući kako se sunce kreće po nebu u određenom području, lako možete riješiti ovaj problem.

Vibracije mogu uzrokovati pomicanje laserskog primopredajnika. Da biste to izbjegli, ne preporučuje se postavljanje laserskih sistema u blizini motora, kompresora itd.

Slika 1. Postavljanje i povezivanje laserskih primopredajnika.

Nekoliko tipičnih metoda uključivanja

Laserska komunikacija će pomoći u rješavanju problema komunikacije kratkog dometa u vezama od točke do točke. Kao primjere, pogledajmo nekoliko tipičnih opcija ili metoda uključivanja. Dakle, imate centralnu kancelariju (CO) i filijalu (F), od kojih svaka ima računarsku mrežu.

Na slici 2 prikazana je varijanta organizovanja komunikacionog kanala za slučaj kada je potrebno kombinovati F i CO, koristeći kao mrežni protokol Ethernet, ali kao fizičko okruženje- koaksijalni kabl (debeo ili tanak). U CO se nalazi LAN server, au F se nalaze računari koji se moraju povezati na ovaj server. Sa laserskim sistemima kao što su modeli LOO-28/LOO-28S ili OB2000E, možete lako riješiti ovaj problem. Most je instaliran u centralnom centru, a repetitor u F. Ako most ili repetitor ima optički interfejs, onda optički minimodem nije potreban. Laserski primopredajnici su povezani preko dvostrukih optičkih vlakana. Model LOO-28S omogućit će vam komunikaciju na udaljenosti do 213 m, a LOO-28 - do 1000 m sa "pouzdanim" uglom prijema od 3 mrad. Model OB2000E pokriva razdaljinu do 1200 m sa “pouzdanim” uglom prijema od 5 mrad. Svi ovi modeli rade u punom dupleksu i pružaju brzinu prijenosa od 10 Mbit/s.

Slika 2. Daljinska veza LAN segment Ethernet baziran koaksijalni kabl.

Slična opcija za kombiniranje dvije Ethernet mreže koristeći upredeni par(10BaseT) prikazan je na slici 3. Njegova razlika je u tome što se umjesto mosta i repetitora koriste koncentratori (hubovi) koji imaju potreban broj 10BaseT konektora i jedan AUI ili FOIRL interfejs za povezivanje laserskih primopredajnika. U tom slučaju potrebno je ugraditi laserski primopredajnik LOO-38 ili LOO-38S koji osigurava potrebnu brzinu prijenosa u full duplex modu. Model LOO-38 može podržati komunikacijske udaljenosti do 1000 m, a LOO-38S model može komunicirati do 213 m.

Slika 3. Povezivanje udaljenog Ethernet LAN segmenta zasnovanog na upredenoj parici.

Slika 4 prikazuje varijantu kombinovanog prenosa podataka između dva LAN-a (Ethernet) i grupnog digitalnog toka E1 (PCM30) između dva PBX-a (u CO i F). Za rješavanje ovog problema prikladan je model OB2846 koji omogućava prijenos podataka i glasa brzinom od 12 (10+2) Mbit/s na udaljenosti do 1200 m. LAN je povezan na primopredajnik pomoću dvostrukog optičkog vlakna preko standardnog SMA konektora, a telefonski saobraćaj se prenosi preko 75 Ohm koaksijalnog kabla preko BNC konektora. Treba napomenuti da nije potrebno multipleksiranje tokova podataka i govora dodatna oprema a izvode ga primopredajnici bez smanjenja propusnosti svakog od njih pojedinačno.

Slika 4. Integracija računarske i telefonske mreže.

Embodiment prijenos velike brzine podaci između dva LAN-a (LAN "A" u CO i LAN "B" u F) koristeći ATM prekidače i laserske primopredajnike prikazani su na slici 5. Model OB4000 će riješiti problem brze komunikacije kratkog dometa u optimalan način. Imaćete priliku da prenosite E3, OC1, SONET1 i ATM52 tokove potrebnim brzinama na udaljenosti do 1200 m, i 100 Base-VG ili VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX ili Fast Ethernet (802.3) , FDDI, TAXI 100/ 140, OC3, SONET3 i ATM155 sa potrebnim brzinama - na udaljenosti do 1000 m. Preneseni podaci se isporučuju do laserskog primopredajnika pomoću standardnog dvostrukog optičkog vlakna povezanog preko SMA konektora.

Slika 5. Konsolidacija brzih telekomunikacionih mreža.

Navedeni primjeri nisu iscrpni moguće opcije korišćenje laserske opreme.

Šta je isplativije?

Pokušajmo odrediti mjesto laserske komunikacije među ostalim žičnim i bežičnim rješenjima, ukratko procijenivši njihove prednosti i nedostatke (Tablica 3).

Tabela 3.

30. januara u orbitu je lansiran satelit Eutelsat 9B. Postao je prvi satelit opremljen EDRS (European Data Relay System) sistemom. Želeći da sazna više o novoj tehnologiji, dopisnik Mediasata otišao je u ured programera EDRS modula, Tesat, koji se nalazi u malom njemačkom gradiću Backnang. Šef odjela laserske tehnologije Mathias Motsigemba nam je napravio obilazak poduzeća i govorio o laserskoj komunikacijskoj tehnologiji, koja je još uvijek malo poznata u svijetu.

Uz podršku Njemačke svemirske agencije, Tesat je razvio Laser Communications Terminal (LCT), koji pruža podršku za prijenos podataka velike brzine između niske Zemljine orbite (LEO) i Geostacionarne Zemljine (GEO) satelita. Terminal ima moguć transfer podatke brzinom od 1,8 Gbps na udaljenosti do 45.000 kilometara. Ovi LCT terminali bi trebali postati osnova glavnih kanala za prijenos podataka u EDRS sistemu, koji bi trebali osigurati prijenos podataka između LEO i GEO satelita.

Mathias Motsigemba: „Sada imamo priliku da pružamo usluge Visoka kvaliteta u režimu bliskom realnom vremenu. Ovo čini ogromnu razliku! LEO satelit snima sliku i šalje je GEO satelitu, koji je zauzvrat šalje na zemlju putem radio frekvencije. Laserski snop je odlično rješenje u vakuumu, ali u atmosferskim uvjetima nije najbolji izbor, jer oblaci mogu stvarati smetnje. Za čuvara TV signal možete koristiti visoke brzine podataka i optičku tehnologiju bez smetnji u dovodnoj liniji. Pojava laserske komunikacijske tehnologije može se usporediti s početkom upotrebe optičkih vlakana umjesto bakra.”

Teleport Sistema za posmatranje Zemlje može biti strana služba koja koristi zemaljske neobezbeđene linije.
Usluga optičkih podataka (LEO do GEO i GEO do zemaljske prijenosne stanice).
Zemaljska stanica može se nalaziti u svojoj zemlji unutar vidnog polja GEO satelita.
S/C – suverenitet vaše informacijske imovine.

Potreba za razvojem ove tehnologije bila je diktirana rastućom potražnjom za kapacitetom prijenosa podataka za civilne i vojne satelite za nadzor, HALE misije. Ideju o stvaranju EDRS sistema iznijela je Evropska komisija, koja je već uključena u satelitsku konstelaciju Sentinel, program Copernicus. Sljedeći korak bi trebao biti stvaranje međusatelitskih komunikacijskih kanala. Eutelsat je ponudio kapacitet za komunikacijski modul na satelitu Eutelsat 9B. Nakon sedam godina razvoja prve i druge generacije LCT-a, LCT sistem je lansiran na Alphasatu u julu 2013. godine. LCT sistem na satelitu Sentinel-1A uspješno je integrisan u decembru 2013. U decembru 2014. lansiran je i pušten u rad satelit Sentinel 1A. U novembru 2014. godine Evropska svemirska agencija i Tesat održali su zajedničku prezentaciju u live, tokom kojeg je sa radara na satelitu Sentinel-1A preko Alphasata poslana slika skoro u realnom vremenu na udaljenosti od 41.700 kilometara do zemaljske stanice.

“Tehnički, ne postoji razlika između laserske komunikacijske opreme instalirane na Alphasatu i slične opreme na Eutelsat 9B. Alphasat je demonstrirao tehničke mogućnosti projekta, dok je EDRS sistem na satelitu Eutelsat 9 B komercijalna usluga koju nudi Airbus Defence and Space. Obično satelit za posmatranje Zemlje ima 10 minuta da kontaktira zemaljsku stanicu i 90 minuta da kruži oko Zemlje. To znači da možete koristiti samo 10% svemirske imovine, a u slučaju vanredne situacije ili prirodne katastrofe, previše vremena se troši na čekanje na kontakt sa stanicom za praćenje tla. Sada, na primjer, dok promatrate brodove, možete otkriti problem u roku od 15 minuta.” , kaže Mathias Motsigemba.

Ključni element linije proizvoda je LCT-135 (135 mm teleskop) za GEO/LEO međusatelitsku vezu. Kao i kod prethodnog modela, LCT-125, uređaj kombinuje u jednoj jedinici sve optičke, mehaničke i električne podmodule terminala, kao što su sistem za distribuciju energije, ugrađeni procesor, moduli za praćenje i akviziciju podataka i sistem za obradu podataka . Podaci sa satelitskih AOCS senzora se lako prenose na LCT putem standardni interfejs– LIAU (Jedinica za prilagođavanje laserskog interfejsa).

LCT parametri:

• Domet – 45.000 km.
• Težina: 53 kg.
• Brzina prijenosa podataka (pun dupleks):
  za EDRS – 1,8 Gbit/s, za ostale misije – 5,65 Gbit/s.
• Snaga prijenosa: 2.2W
• Maksimalna potrošnja energije: 160W
• Dimenzije: 0,6 x 0,6 x 0,7 m.

Optička vlakna i laserske komunikacije

Od antike, svjetlost se koristila za prenošenje poruka. U Kini, Egiptu i Grčkoj koristili su dim danju i vatru noću za prenos signala. Među prvim istorijskim dokazima optičke komunikacije možemo se sjetiti opsade Troje. U svojoj tragediji "Agamemnon" Eshil daje detaljan opis lanca signalnih svjetala na vrhovima planina Ida i Antos. Masisto, Egiplanto i Araknea, kao i na liticama Lemna i Kifare, da prenesu Argu vijest o zauzeću Troje od strane Ahejaca.

U kasnijim, ali starim vremenima, rimski car Tiberije, dok je bio na Kapriju, koristio je svjetlosne signale za komunikaciju s obalom.

Na Kapriju se još uvijek mogu vidjeti ruševine drevnog "Fara" (svjetlo) u blizini vile cara Tiberija na brdu Tiberio.

U Sjevernoj Americi, jedan od prvih optičkih komunikacionih sistema instaliran je prije oko 300 godina u koloniji Nova Francuska (danas provincija Kvebek u Kanadi). Regionalna vlada, plašeći se mogućnosti napada engleske flote, uspostavila je brojne svjetionike u mnogim selima duž rijeke St. Lawrence. U ovom lancu, koji je započeo na Ile Verteu, nekih 200 km nizvodno od Kvebeka, nije bilo manje od 13 tačaka. Od ranih 1700-ih. u svakom od ovih sela, svake noći plovidbenog perioda, bila je straža čiji je zadatak bio da posmatra signal koji se šalje nizvodno iz sela i prenosi ga dalje. Sa takvim sistemom, izvještaji o britanskom napadu 1759. stigli su do Quebeca prije nego što je bilo prekasno.

Godine 1790. francuski inženjer Claude Chappe izumio je semafore (optički telegraf), smještene na kulama postavljenim u vidokrugu jedna drugoj, što je omogućilo slanje poruka s jedne kule na drugu. Godine 1880, Alexander Graham Bell (1847-1922) dobio je patent za "fotofon", uređaj koji koristi reflektiranu sunčevu svjetlost za prijenos zvuka do prijemnika. Intenzitet reflektirane svjetlosti bio je moduliran oscilacijama reflektirajuće membrane postavljene na kraju cijevi u koju je Bell govorio. Svjetlost je prešla udaljenost od oko 200 m i pogodila selensku ćeliju (fotodetektor) spojenu na telefon. Iako je Bell smatrao da je fotofon njegov najvažniji izum, njegova upotreba je bila ograničena vremenskim uvjetima. Međutim, ova okolnost nije spriječila Bella da piše svom ocu:

“Čuo sam razumljiv govor proizveden od sunčeve svjetlosti!... Može se zamisliti da ovaj izum ima zagarantovanu budućnost!... Moći ćemo razgovarati uz pomoć svjetlosti na bilo kojoj udaljenosti unutar vidokruga bez ikakvih žica... U ratu pod uslovima da takva komunikacija ne može biti prekinuta ili presretnuta.”

Pronalazak lasera podstakao je povećano interesovanje za optičke komunikacije. Međutim, ubrzo se pokazalo da Zemljina atmosfera iskrivljuje širenje laserske svjetlosti na nepoželjne načine. Razmatrano razni sistemi, kao što su cijevi s plinskim sočivima i dielektrični valovodi, ali su svi oni napušteni kasnih 1960-ih kada su razvijena optička vlakna s malim gubicima.

Razumijevanje da tanka staklena vlakna mogu provoditi svjetlost kroz potpunu unutrašnju refleksiju je bila stara ideja, poznat od 19. veka. zahvaljujući engleskom fizičaru Johnu Tyndallu (1820-1893) i koristi se u instrumentima i rasvjeti. Međutim, 1960-ih godina. Čak su i najbolja stakla imala veliko slabljenje svjetlosti koja se prenosi kroz vlakno, što je uvelike ograničavalo dužinu širenja. U to vrijeme, tipična vrijednost slabljenja bila je jedan decibel po metru, što znači da je nakon putovanja od 1 m prijenosna snaga smanjena do 80%. Stoga je bilo moguće samo širenje duž vlakna dugog nekoliko desetina metara, a jedina primjena bila je medicina, poput endoskopa. Godine 1966. Charles Kao i George Hockham iz Standard Telecommunications Laboratory (UK) objavili su temeljni rad koji pokazuje da ako se nečistoće u topljenom silicijum dioksidu pažljivo uklone i vlakno bude okruženo omotačem s nižim indeksom prelamanja, slabljenje bi se moglo smanjiti na -20 dB/km. To znači da se nakon putovanja dužine od 1 km snaga snopa smanjuje na stoti dio ulazne snage. Iako je ovo vrlo mala vrijednost, prihvatljiva je za brojne primjene.

Kao što je to često slučaj u takvim situacijama, u Velikoj Britaniji, Japanu i SAD-u počeli su intenzivni napori da se dobiju vlakna poboljšanih karakteristika. Prvi uspjeh postigli su 1970. E. P. Capron, Donald Keck i Robert Mayer iz kompanije Corning Glass. Proizveli su vlakna koja su imala gubitak od 20 dB/km na talasnoj dužini od 6328 A° (valna dužina He-Ne lasera). Iste godine, I. Hayashi i saradnici prijavili su lasersku diodu koja radi na sobnoj temperaturi.

Godine 1971. I. Jacobs je imenovan za direktora Laboratorije digitalne komunikacije u AT&T Bell Laboratories (Holmdel, New Jersey, SAD) i bio je zadužen za razvoj sistema za prijenos informacija velike brzine. Njegovi šefovi, W. Danielson i R. Kompfner, premjestili su dio osoblja u drugu laboratoriju, na čijem je čelu bio S. Miller, kako bi "držali na oku" šta se dešava u oblasti optičkih vlakana. Tri godine kasnije, Danielson i Kompfner naručili su Jacobsa da formira istraživačku grupu za proučavanje izvodljivosti optičkih komunikacija. Bilo je jasno da je najekonomičnija, početna primjena sistema koji koriste svjetlo bila u komunikaciji telefonskih centrala u velikim gradovima. Tada su se za to koristili kablovi, na koje su se prenosile informacije digitalni oblik, kodiranjem sa nizom impulsa. Vlakna, sa svojom sposobnošću da prenose ogromne količine informacija, činila su se kao idealna zamjena za električne kablove. Kancelarije i telefonske centrale u velikim gradovima nalaze se na udaljenosti od nekoliko kilometara jedna od druge, a i tada su se mogle bez problema povezati, čak i korišćenjem vlakana sa relativno velikim gubicima.

Dakle, sredinom 1976. godine u Atlanti je napravljen preliminarni eksperiment sa optičkim kablovima postavljenim u cijevi redovnim kablovima. Početni uspjeh ovih napora doveo je do stvaranja sistema koji je povezao dvije telefonske centrale u Čikagu. Na osnovu ovih početnih rezultata, u jesen 1977. Bell Labs je odlučio da razvije optički sistem za široku upotrebu. 1983. uspostavljena je komunikacija između Washingtona i Bostona, iako je to bilo povezano s mnogim poteškoćama. Ovaj komunikacioni sistem je radio pri brzini prenosa od 90 Mbit/s. Koristio je višemodno vlakno na talasnoj dužini od 825 nm.

U međuvremenu, NTTC (japanska telegrafska i telefonska kompanija) bila je u stanju da povuče vlakna sa gubicima od samo 0,5 dB/km na talasnim dužinama od 1,3 i 1,5 mikrona, a Lincoln Laboratory na MIT-u demonstrirao je rad InGaAsP-a laserska dioda, sposoban za kontinuirani rad u rasponu između 1,0 i 1,7 µm na sobnoj temperaturi. Upotreba vlakana sa malim gubicima od 1,3 mikrona omogućila je stvaranje naprednijih sistema. Sistemi su izgrađeni sa propusnošću od 400 Mbit/s u Japanu i 560 Mbit/s u Evropi. Evropski sistem je mogao istovremeno da obrađuje 8.000 telefonskih kanala. Više od 3,5 miliona kilometara vlakana proizvedeno je u Sjedinjenim Državama. Jedini dio koji još uvijek koristi bakrenu žicu je veza između kuće i telefonska centrala. Ova "posljednja milja", kako je počela da se naziva, također postaje fokus optičkih komunikacija.

Prvi transatlantski telegrafski kabl pušten je u rad 1858. Gotovo sto godina kasnije, 1956. godine, prvi telefonski kabl, pod nazivom TAT-1. Godine 1988. počela je sa radom prva generacija transatlantskih kablova koji koriste optička vlakna (postali su poznati kao TAT-8). Oni rade na talasnoj dužini od 1,3 mikrona i povezuju Evropu, Severnu Ameriku i istočni Pacifik. Godine 1991. započela je instalacija druge generacije optičkih komunikacija TAT-9, koja radi na 1,3 mikrona i povezuje SAD i Kanadu sa UK, Francuskom i Španijom. Druga linija prometuje između SAD-a i Kanade i Japana.

Postoji niz drugih optičkih linija širom svijeta. Na primjer, optička podmorska veza između Engleske i Japana pokriva 27.300 km u Atlantskom okeanu, Sredozemnom moru, Crvenom moru, Indijskom okeanu, Tihom okeanu i ima 120.000 međupojačala po paru vlakana. Poređenja radi, prvi transatlantski telefonski kabl 1956. koristio je 36 pretvarača, a prvi optički kabl položen je preko Atlantik, korišteno 80.000.

Danas, nakon 30 godina istraživanja, optička vlakna su dostigla svoje fizičke granice. Kvarcna vlakna mogu prenositi infracrvene impulse na talasnoj dužini od 1,5 mikrona sa minimalnim gubitkom od 5% po kilometru. Ovi gubici se ne mogu smanjiti zbog fizičkih zakona širenja svjetlosti (Maxwellovih zakona) i fundamentalne prirode stakla.

Međutim, postoji jedan napredak koji bi mogao radikalno poboljšati situaciju. To je sposobnost direktnog pojačavanja optičkih signala u vlaknu, tj. bez potrebe da ih prethodno izvadite iz vlakana. Dopiranjem vlaknastog materijala sa odgovarajućim elementima nečistoća, kao što je erbij, i njihovim pobuđivanjem odgovarajućom svjetlošću pumpe koja prolazi kroz samo vlakno, moguće je dobiti inverziju populacije između dva nivoa erbija sa prijelazom koji tačno odgovara 1,5 μm. Rezultat je da se svjetlosni impuls na toj talasnoj dužini može pojačati dok se širi kroz vlakno. Komad takvog aktivnog vlakna stavlja se između dva kraja vlakana kroz koje se signal širi. Koristeći optičku spojnicu, zračenje pumpe se također usmjerava u ovaj komad. Na izlazu, ostatak zračenja pumpe izlazi, a pojačani signal nastavlja da se širi u vlaknu. Koristeći ovaj pristup, mogu se eliminisati srednja elektronska pojačala. Na starijim sistemima elektronskih pojačivača svetlost je izašla iz vlakna, detektovala je fotoelektrični prijemnik, signal je pojačan i pretvoren u svetlost, koja je nastavila da se širi u sledeći deo vlakna.