فیبرهای نوری و ارتباطات لیزری ارتباط لیزری در فضا

امواج رادیویی تنها وسیله ارتباطی با تمدن های فرازمینی نیستند. راه های دیگری مانند سیگنال های نوری وجود دارد. از آنجایی که سیگنال نور باید مسافت زیادی را طی کند، باید ویژگی های لازم را داشته باشد: انرژی کافی برای غلبه بر این مسیر را داشته باشد. به راحتی می توان دریافت که پروژکتورهای نوری برای ارسال چنین سیگنال های نوری مناسب نیستند. آنها پرتوهای متفاوت نور ایجاد می کنند. بنابراین، هر چه از نورافکن دورتر باشد، پرتو عریض تر می شود. همچنین در فواصل دور بسیار بزرگ است. این بدان معناست که انرژی در واحد سطح بسیار کم است.

اگر از مدرن ترین نورافکن نوری استفاده کنیم که یک پرتو نور (پرتو) تنها به عرض نیم درجه ایجاد می کند، در حال حاضر در فاصله 50 کیلومتری نقطه نوری ایجاد شده توسط نورافکن 450 متر خواهد بود. چنین نورافکنی که روی زمین نصب شده است، نقطه درخشانی به قطر 3000 کیلومتر در ماه ایجاد می کند! واضح است که در این حالت انرژی نور در یک منطقه بزرگ پراکنده می شود و روشنایی سطح بسیار کمتر از زمانی است که این نقطه فقط 10 یا 100 متر باشد. شناسایی نقطه ای که توسط نورافکن زمین در سطح ماه ایجاد شده است غیرممکن است. اما ماه کنار ماست. چه چیزی از چگالی انرژی در فواصل صدها سال نوری باقی خواهد ماند؟ تقریبا هیچی. بنابراین، منطقی نیست که چنین منبع بی اهمیتی از سیگنال های نور را بیشتر در نظر بگیریم. اما سیگنال‌های نوری لازم را می‌توان با کمک لیزرهایی که تجسم ایده‌های الکسی تولستوی (هیپربولوئید مهندس گارین) و اچ. ولز (پرتو حرارتی مریخی‌ها) بود، ایجاد کرد.

در مورد تابش لیزر به عنوان وسیله ای برای ارتباط با بیگانگان، دو ویژگی آن در اینجا مهم است. اولین مورد، توانایی انتشار یک پرتوی نوری غیر واگرا (پرتو) است که، همانطور که دیدیم، با پروژکتورهای معمولی قابل انجام نیست. دومی توانایی ایجاد سیگنال های نوری قدرتمندی است که قادر به رسیدن به ستارگان واقع در فواصل صدها و هزاران سال نوری هستند.

یکی از ویژگی های مهم تابش لیزر تک رنگ بودن آن است (به معنای واقعی کلمه "یک رنگ"). از نظر فیزیکی، این بدان معنی است که تابش یک طول موج کاملاً ثابت دارد و از این رو رنگ دارد. در عین حال، لیزرهایی وجود دارند که یک طول موج کاملاً مشخص را منتشر می کنند که مقدار آن توسط "ماده کار" لیزر تعیین می شود. چنین ماده ای می تواند گاز، مایع یا جامد باشد. در ابتدا، آنها عمدتا از یک کریستال یاقوت مصنوعی استفاده می کردند. هنگام استفاده از شیشه فعال شده توسط نئودیمیم، طول موج تابش 1.06 میکرومتر است. محیط کار، به ویژه، دی اکسید کربن CO2 و بسیاری از مواد دیگر است. لیزرهای مایع به شما این امکان را می دهند که در طول موج های مختلف (در یک محدوده مشخص) ساطع کنید. تابش به طور متناوب رخ می دهد، در هر لحظه از زمان یک طول موج کاملاً مشخص منتشر می شود.

همچنین مهم است که تاسیسات لیزر اجازه تابش پالس های نور بسیار کوتاه را بدهد. برای انتقال اطلاعات (با قطارهای پالس) این بسیار مهم است. طول ضربه می تواند به قدری کوچک باشد که تا هزار میلیارد تکانه را می توان در مدت زمان یک ثانیه "بسته" کرد. هنگام انتشار، پالس ها با تأخیر خاصی به دنبال یکدیگر می آیند. لیزرهای مدرن پالس هایی با قدرت بالا ارائه می دهند. بنابراین، حتی پالس هایی به کوتاهی آنهایی که در بالا داده شد، می توانند انرژی بیش از 10 ژول داشته باشند! هر چه طول پالس بیشتر باشد، انرژی بیشتری دارد. در حالت "تولید آزاد"، زمانی که لیزر خود طول پالس های ساطع شده را تنظیم می کند و در مرتبه یک هزارم ثانیه است، انرژی هر پالس می تواند به چندین هزار ژول برسد. لیزرها نه تنها پالس های کوتاه نور، بلکه به طور پیوسته را نیز ساطع می کنند. به عنوان مثال، لیزرهای گاز دی اکسید کربن می توانند به طور مداوم کار کنند. در این مورد، تابش نه با انرژی هر پالس (از آنجایی که پالس جداگانه وجود ندارد)، بلکه با انرژی در واحد زمان، یا به عبارت دیگر، با قدرت مشخص می شود. بدین ترتیب قدرت لیزرهای دی اکسید کربن به چند ده کیلووات می رسد.

تابش لیزر نیز پراکنده است، اما به طور غیر قابل مقایسه ای کمتر از نورهای نورافکن. این با اندازه ماده کار تعیین می شود. تابش از سطح ماده کار دقیقاً با همان فاز (در فاز) در کل سطح آن رخ می دهد. بنابراین، عرض پرتو ارسال شده توسط لیزر به اندازه بلوک "ماده کار" بستگی دارد، یعنی هر چه سطح بزرگتر باشد، پرتو نور ساطع شده بیشتر است. وابستگی عرض پرتو به طول موج مستقیم است: هر چه طول موج کوتاهتر باشد، پرتوی که توسط لیزر ارسال می شود گسترده تر است. اما حتی برای لیزرهای معمولی که در آنها ابعاد ماده کاری در حد 1 سانتی متر است، زاویه باز شدن پرتو نور 200 برابر کمتر از نورافکن است. 10 ثانیه قوس است. البته لیزرهایی با زوایای تابش نور بسیار کوچکتر وجود دارد.

برای رهایی از واگرایی پرتوها باید از یک سیستم نوری مانند تلسکوپ استفاده کرد که مسیر پرتوها را هدایت می کند. اگر پرتو لیزر از عدسی که فاصله کانونی آن برابر با قطر آن است عبور داده شود، تصویر واقعی پرتو در صفحه کانونی ابعادی برابر با طول موج خواهد داشت. در مرحله بعد، در محلی که این تصویر واقعی از پرتو به دست آمده است، فوکوس یک لنز (یا آینه) دیگر را قرار می دهیم که قطر آن بسیار بزرگتر از اولین است. برای لنز دوم، فاصله کانونی می تواند بزرگتر از قطر آن باشد، اما همچنین می تواند برابر آن باشد (مانند لنز اول). این ترکیب دو عدسی منجر به این واقعیت می شود که یک پرتو از عدسی بزرگ دوم (آینه) خارج می شود که در آن زاویه واگرایی (در مقایسه با عدسی اولیه وارد شده به تلسکوپ) به اندازه قطر عدسی دوم کاهش می یابد. (آینه) بزرگتر از طول موج ساطع شده است. بنابراین، کاهش زاویه واگرایی پرتو لیزر به اندازه دلخواه کاملاً واقع بینانه است.

برای ارتباط با بیگانگان، می توان از هر دو سیستم ارتباطی ساخته شده بر روی یک لیزر و ساخته شده بر روی یک سیستم کامل (باتری) لیزر استفاده کرد. اگر از لیزری با تابش مداوم با توان 10 کیلووات و یک آینه بزرگ اضافی با قطر 5 متر استفاده می کنید، می توانید زاویه باز شدن پرتو را از قوس به 0.02 کاهش دهید.

شما می توانید نه یک آینه بزرگ، بلکه از تعداد معینی آینه با قطر کوچک (مثلاً 10 سانتی متر) استفاده کنید. سپس سیستم باید به تعداد آینه لیزر داشته باشد. همه آنها باید به صورت بسیار سفت و سختی جهت گیری شوند. اگر 25 لیزر بگیرید، می توانید به زاویه باز شدن پرتو برابر با یک ثانیه قوس برسید.

مزیت سیستم های لیزری (باتری ها) برای ارتباطات فضایی این است که در طول عملیات آن می توان تأثیر جو زمین را حذف کرد. اگر با یک لیزر کار کنیم، به دلیل اختلال جو، زاویه باز شدن پرتو بسیار بزرگتر از عدم وجود چنین تأثیری می شود. اگر سیستم لیزر طوری قرار گیرد که پرتو لیزر از جو عبور نکند، یعنی روی یک سکوی ماهواره ای مصنوعی قرار گیرد، می توان این تأثیر را دور زد. در این صورت نیازی به استفاده از باتری دستگاه های لیزر نیست.

برای اولین بار امکان ارتباط با تمدن های فرازمینی با استفاده از پرتو لیزر در سال 1961 توسط برنده جایزه نوبل Ch.Kh. تاونسوم و آر.آی. شوارتز از آن زمان، فناوری لیزر در جهان بهبود یافته و شرایط برای اجرای ارتباطات لیزری مساعدتر شده است. اصلی‌ترین چیزی که این تکنیک باید ارائه دهد، قدرت تابش کافی و توانایی جدا کردن تابش لیزری است که توسط بیگانگان به ما ارسال می‌شود از تابش ستارگان. چگونه نور لیزر را از نور ستاره جدا کنیم؟ این سوال به هیچ وجه ساده نیست و تنها به دلیل خاصیت ویژه تابش لیزر - تک رنگی بالای آن قابل حل است. یک ستاره (مانند خورشید) نور را در طول موج های مختلف ساطع می کند. از سوی دیگر، لیزر فقط در یک طول موج کاملاً مشخص، مثلاً 0.5 میکرون، ساطع می‌کند. در این طول موج، خورشید بیشترین انرژی را ساطع می کند. با این وجود، تابش لیزر 25 برابر بیشتر از خورشید یا ستاره های مشابه دیگر است. البته این فقط برای آن طول موج خاص صدق می کند. در طول موج های دیگر (به عنوان مثال، در مناطق ماوراء بنفش و مادون قرمز طیف)، این نسبت حتی بیشتر خواهد بود، زیرا در این طول موج ها، خورشید نور کمتری نسبت به نور سبز نزدیک (0.5 میکرون) ساطع می کند.

بنابراین، حتی فناوری لیزر مدرن، ایجاد تشعشعاتی را ممکن می‌سازد که شدت آن در یک طول موج معین برای جدا کردن آن از کل تابش ستاره‌ها کافی است. برای دستیابی به جدایی حتی بهتر از تابش لیزر، لازم است در نزدیکی خطوط جذب خورشید (یا ستاره دیگر) "کار" کرد، یعنی در محدوده ای که بخشی از تابش خورشید جذب می شود و تداخل کمتری با آن ایجاد می کند. انتشار تابش لیزر اگر لیزر در طول موج 0.15 میکرون کار کند، شدت طیفی آن می تواند ده ها هزار بار بیشتر از شدت تابش خورشیدی در این طول موج باشد، زیرا در ناحیه جذب تابش خورشیدی است. البته چنین نصب لیزری باید خارج از جو زمین قرار گیرد، در غیر این صورت تابش لیزر توسط گاز اتمسفر جذب می شود. بنابراین، هنگام ثبت و تجزیه و تحلیل نور از ستارگان دور، باید در نظر داشته باشیم که تابش لیزر ارسال شده توسط تمدن های فرازمینی را می توان در پس زمینه این تابش تشخیص داد. به صورت یک خط باریک ظاهر می شود. اما برای این کار لازم است تابش ستارگان با استفاده از طیف نگارهای با کیفیت بالا تجزیه و تحلیل شود. از فیلترهای باند بسیار باریک نیز می توان استفاده کرد. البته، این دستگاه های نوری باید کیفیت بسیار بالایی داشته باشند: وضوح طیف نگار باید 0.03 A باشد تا کنتراست 10٪ از خط لیزر بالای پس زمینه به دست آید. فناوری نوری مدرن این امکان را فراهم می کند. بنابراین، در حال حاضر، می‌توانیم از قوی‌ترین تلسکوپ‌ها برای گرفتن خطوط تشعشع متعلق به دستگاه‌های لیزری تمدن‌های فرازمینی استفاده کنیم.

ما بارها جنبه های مختلف اثر داپلر بر تابش یک منبع متحرک را مورد بحث قرار داده ایم. در این مورد، این اثر نیز باید در نظر گرفته شود، زیرا به دلیل حرکت گیرنده های تابش در جهت خود تابش، یک تغییر (تغییر داپلر) فرکانس تابش باید در یک جهت یا جهت دیگر رخ دهد. برای ثبت این تابش با فرکانس جابجا شده، باید طیف نگارهایی با وضوح مناسب داشت.

بنابراین، حتی پیشرفته ترین فناوری لیزر امکان دریافت سیگنال های لیزری از ستاره های نزدیک و ارسال آنها را فراهم می کند. اما یک سوال دیگر، شاید مهمترین، باقی می ماند: کجا سیگنال ها را ارسال کنیم و کجا آنها را دریافت کنیم؟ در هر صورت، باید تلسکوپ هایمان را به جایی و با دقت بسیار بالایی نشانه بگیریم. از خبرنگاران ما در فضا نیز همین خواسته است. اگر آنها در نزدیکترین ستاره ها (سیاره هایشان) باشند، مدار زمین را با زاویه یک قوس ثانیه رصد خواهند کرد. برای اینکه پرتو لیزر آنها به زمین برخورد کند، باید آن را با وضوح زاویه ای 0.02 ثانیه قوس هدایت کنند. اکنون چنین دقتی در اختیار اخترشناسان ما است. بنابراین، ما معتقدیم که برای تمدن های فرازمینی که به دنبال ارتباط با ما هستند، قابل دستیابی است.

منطقی است تصور کنیم که بیگانگانی که در جستجوی ارتباط با ما هستند، با پرتو لیزر در منظومه شمسی "لنگ می زنند". اگر عرض پرتو لیزر (پرتو) را بزرگتر کنند، زمین را همیشه روشن می کند و نسبتاً به راحتی قابل ثبت است. اما هرچه پرتو عریض‌تر باشد، نیاز به انتشار انرژی بیشتر است تا برای کل سطح روشن شده توسط آن کافی باشد تا بتوان آن را ثبت کرد. اما می توان فکر کرد که این سختی برای بیگانگان غیر قابل حل نخواهد بود. حداقل در آزمایشگاه های زمینی، افزایش قدرت تابش لیزر بسیار سریع اتفاق می افتد.

از ارتباطات لیزری می توان به ویژه در منظومه شمسی استفاده کرد. با استفاده از پرتو لیزر، می توانید نقطه ای به قطر 5-7 کیلومتر در مریخ ایجاد کنید که با مشاهده از زمین حدود 10 برابر درخشان تر از زهره می درخشد. یک پرتو لیزر می تواند هر اطلاعاتی را با خود حمل کند: شدت آن را می توان در طول زمان طبق هر قانونی تغییر داد (به عبارت دیگر، تابش لیزر را می توان بر این اساس مدوله کرد). سطح ماه توسط پرتو لیزر روشن شد. در سمت ماه که توسط خورشید روشن نشده است، یک نقطه نورانی به قطر 40 متر به دست می آید. 100 برابر کمتر از نور مستقیم خورشید روشن می شود.

از زمان ظهور حیات بر روی زمین، توانایی انتقال پیام به یکدیگر (یا همانطور که اکنون می گویند اطلاعات) یکی از مکان های اصلی در ارتباطات انسانی را اشغال کرده است. به عنوان مثال، در یونان باستان، اطلاعات با استفاده از امواج نور منتقل می شد، که برای آن آتش بر روی برج های ویژه افروخته می شد و ساکنان را از هر رویداد مهم مطلع می کردند. تلگراف نوری در فرانسه اختراع شد. دانشمند روسی شلینگ یک تلگراف با سیم الکتریکی را پیشنهاد کرد که بعداً با کد مورس آمریکایی بهبود یافت. کابل برق اروپا را به آمریکا متصل کرد. تی ادیسون ظرفیت خط تلگراف را دو برابر کرد. A. Popov امکان انتقال پیام های تلگراف بدون سیم - با استفاده از نوسانات الکترومغناطیسی را کشف کرد. مهندسی رادیو به سرعت توسعه یافته است. آنها شروع به انتقال در طول موج های مختلف کردند: بلند، متوسط، کوتاه. هوا شلوغ شد.

سرعت و میزان اطلاعات ارسالی مربوط به چه چیزی است؟ مشخص است که نرخ انتقال محدود با طول مدت یک دوره نوسان امواج استفاده شده تعیین می شود. هر چه مدت زمان کوتاه تر باشد، سرعت انتقال پیام بیشتر می شود. این همچنین برای انتقال پیام ها با استفاده از کد مورس، با استفاده از ارتباطات تلفنی، ارتباطات رادیویی، با استفاده از تلویزیون صادق است. بنابراین، کانال ارتباطی (فرستنده، گیرنده و خط اتصال آنها) می تواند پیام ها را با سرعتی بیش از فرکانس طبیعی کل کانال ارسال کند. اما این هنوز شرط کافی نیست. برای مشخص کردن کانال ارتباطی، یک پارامتر دیگر مورد نیاز است - پهنای باند کانال، یعنی محدوده فرکانسی که در این کانال ارتباطی استفاده می شود. هر چه سرعت انتقال بیشتر باشد، پهنای باند بیشتری برای انتقال دارد. هر دوی این پارامترها فرد را وادار می کنند تا بر فرکانس های بالاتر نوسانات الکترومغناطیسی مسلط شود. در واقع، با افزایش فرکانس، نه تنها سرعت انتقال از طریق یک کانال افزایش می یابد، بلکه تعداد کانال های ارتباطی نیز افزایش می یابد.

فن‌آوری ارتباطی شروع به صعود به ناحیه‌ای با موج کوتاه فزاینده کرد، با استفاده از امواج اول دسی‌متر، سپس متر و در نهایت، امواج سانتی‌متری. و سپس به دلیل عدم وجود توقف وجود داشت

منبع مناسب امواج الکترومغناطیسی حامل منابع از قبل موجود طیف گسترده ای با توان بسیار کم را ارائه می دهند که به فرکانس های نوسان فردی نسبت داده می شود. امواج نور منسجم نبودند، و این استفاده از آنها را برای انتقال سیگنال‌های پیچیده‌ای که نیاز به مدولاسیون تابش دارند را کنار گذاشت. با ظهور لیزر، وضعیت به طرز چشمگیری تغییر کرد. پیوستگی و تک رنگی تابش لیزر به پرتو اجازه می دهد تا به گونه ای مدوله و شناسایی شود که از کل پهنای باند نوری استفاده شود. بخش نوری طیف بسیار گسترده تر و جادارتر از موج رادیویی است. بیایید این را با یک محاسبه ساده نشان دهیم. بیایید محاسبه کنیم که چه مقدار اطلاعات می تواند به طور همزمان از طریق یک کانال ارتباطی نوری با طول موج 0.5 میکرومتر (مطابق با هرتز) منتقل شود. مثلا شهری مثل مسکو را در نظر بگیرید. بگذارید 1500000 تلفن، 100 ایستگاه رادیویی پخش و 5 کانال تلویزیونی داشته باشد. برای محاسبات، فرض می کنیم که باند فرکانسی کانال تلفن هرتز، کانال رادیویی، کانال تلویزیون هرتز است. بیایید ضریب ایمنی را برابر با 100 در نظر بگیریم. ما محاسبات را طبق فرمول انجام می دهیم

که در آن c سرعت نور است، K طول موج نوسان الکترومغناطیسی، باند فرکانسی اشغال شده توسط یک کانال تلویزیونی، باند فرکانسی یک ایستگاه پخش، باند فرکانسی یک کانال تلفن، تعداد کانال های تلویزیونی، تعداد از کانال های رادیویی، تعداد تلفن ها و k عامل ایمنی است.

با جایگزینی مقادیر برای مثال ما، می‌توانیم نتیجه بگیریم که جزء فرکانس بالای نوسانات الکترومغناطیسی، برابر با تقریباً هرتز، به یک پرتو لیزر اجازه می‌دهد (در اصل) به طور همزمان اطلاعات را به هزار شهر ارسال کند. به عنوان مسکو با این حال، برای تحقق این امکان اساسی، باید تعدادی از مشکلات را حل کرد. آنها با مدولاسیون، دمودولاسیون و انتقال تشعشعات در جو مرتبط هستند. برای درک این موضوع، یک خط ارتباطی نوری را در نظر بگیرید (شکل 27).

برنج. 27. خط ارتباط نوری با استفاده از لیزر

خط ارتباطی از یک دستگاه فرستنده و گیرنده تشکیل شده است. فرستنده شامل یک لیزر است که یک حامل فرکانس بالا تولید می کند. یک مدولاتور که اطلاعات ارسالی را روی حامل نور قرار می دهد. یک سیستم نوری لازم برای تمرکز تابش به یک پرتو باریک، که برد طولانی و ایمنی بالای نویز را فراهم می کند. میکروفون تقویت کننده و دستگاه هدف گیری. دستگاه گیرنده از یک سیستم نوری ورودی، یک گیرنده تشعشع، یک دمدولاتور، یک تقویت کننده، یک بلندگو و یک دستگاه برای هدف گیری (اتصال) گیرنده به فرستنده تشکیل شده است. خط ارتباطی به این صورت کار می کند. یک سیگنال صوتی به میکروفون ارسال می شود. در اینجا به الکتریکی تبدیل می شود و وارد مدولاتور می شود که تابش لیزر از آن عبور می کند. به نظر می رسد که مطابق با پیام گفتار تعدیل شده است. پرتو مدوله شده وارد سیستم نوری می شود. این تشعشع به کمک دستگاه رؤیت (دیدینگ) برای تابش مکانی که سیستم گیرنده قرار دارد استفاده می شود. سیستم نوری دریافت کننده شار تابشی لیزر را جمع آوری می کند و آن را به گیرنده و تقویت کننده هدایت می کند. سپس به دمودولاتور می رود که وظیفه آن استخراج فرکانس صوتی اصلی از فرکانس حامل است. از آمپلی فایر صدا می گذرد و به سمت بلندگو می رود.

جدول 15 (به اسکن مراجعه کنید) ویژگی های مدولاتور

از آنجایی که فرکانس مدولاسیون هنگام ارسال سیگنال صوتی از 104 هرتز تجاوز نمی کند، اکثر مدولاتورها و دمدولاتورهای توسعه یافته تا به امروز برای اجرای آن مناسب هستند. پرکاربردترین مدولاسیون دامنه است. برای اجرای آن، عناصر نوری مناسب هستند که تحت تأثیر ولتاژ اعمال شده به آنها، شفافیت خود را تغییر می دهند. سلول کر که از یک دی الکتریک مایع و صفحات فلزی تشکیل شده است نیز متعلق به این نوع مدولاتور است. هنگامی که یک میدان الکتریکی به صفحات اعمال می شود، مایع دی الکتریک تبدیل به دوشکستگی می شود. در نتیجه، صفحه قطبش موج نور ارسالی در یک زاویه می چرخد

جایی که B ثابت کر است، طول مسیر، قدرت میدان است. در این مورد، میدان قطبی شده با هواپیما،

با عبور از آنالایزر، شدت آن مطابق با قانون میدان الکتریکی تغییر می کند. بنابراین، با کمک یک مدولاتور، یک فرکانس صوتی به پرتو لیزر وارد می شود. بیایید به جدولی که ویژگی های انواع مختلف مدولاتورها را ارائه می دهد نگاه کنیم و سعی کنیم یکی را انتخاب کنیم که برای سیستم متصل ما مناسب است.

فرض کنید از لیزر گاز هلیوم-نئون به عنوان منبع تشعشع استفاده می کنیم. مدولاسیون تا 20 کیلوهرتز برای انتقال پیام صوتی مورد نیاز است. این به بهترین وجه توسط یک کریستال ژرمانیوم ارضا می شود (جدول 15). این دارای عمق مدولاسیون خوب 50٪ است. با این حال، این مدولاتور را نمی توان استفاده کرد، زیرا شفافیت طیفی آن در محدوده 1.8 ... 25 میکرون قرار دارد، یعنی برای تابش 0.6328 میکرون مات است که لیزر هلیوم-نئون ساطع می کند. یک کریستال ADP یا CDP در محدوده طیفی قرار می گیرد و حاشیه فرکانس مدولاسیون خوبی دارد. با چنین مدولاتوری امکان تعدیل تابش نوری در چندین بخش فرکانس وجود دارد که اصولاً امکان وارد کردن چندین کانال تلفن را به یک پرتو می دهد. اما وارد کردن چندین کانال تلویزیونی به پرتو لیزر با کمک چنین مدولاتور غیرممکن است، زیرا برای انتقال تصویر تلویزیونی به باند فرکانسی هرتز نیاز است. فقط یک برنامه تلویزیونی قابل پخش است. مدولاتورهایی با محدوده فرکانس مدولاسیون بسیار زیاد مورد نیاز است. ما به جدول نگاه می کنیم. مدولاتور اولتراسونیک دارای محدوده ای از 5 تا 30 مگاهرتز است. حد بالایی آن بزرگترین است؛ تعدیل کننده دیگری وجود ندارد. اجازه دهید این محدوده فرکانس را در هرتز با محدوده فرکانس لیزر گازی مقایسه کنیم. می توان دید که آنها هفت مرتبه قدر، یعنی ده میلیون بار با هم تفاوت دارند. در نتیجه، حامل RF لیزر از پتانسیل کامل خود استفاده نمی کند. و استفاده نمی شود زیرا هنوز تعدیل کننده ای با محدوده فرکانسی تا هرتز وجود ندارد. تصویر مشابهی برای آشکارسازهای تشعشع رخ می دهد. آنها همچنین باید بر اساس محدوده طیفی که در آن عمل می کنند انتخاب شوند. و بر اساس محدوده فرکانسی که آنها قادر به درک هستند. ترجیحاً PMT هایی هستند که دارای باند فرکانسی در حد 100 مگاهرتز هستند، اما نه بیشتر. در نتیجه، یک مشکل نیز در اینجا وجود دارد که باید حل شود.

برنج. 28. نمودار عملکردی اولین نصب تلویزیون لیزری

ساده ترین راه ساخت یک خط ارتباط تلفنی بود، زیرا تمام عناصر لازم برای آن در دسترس بود: یک منبع تشعشع، یک مدولاتور و یک گیرنده تشعشع. این خطوط به منظور ارزیابی اثربخشی عملکرد آنها ایجاد شد. یکی از آنها مرکز تلفن خودکار واقع در میدان شولوخوف را به ساختمان دانشگاه دولتی مسکو در تپه های لنین متصل کرد. یک پرتو لیزری که مبادلات تلفنی را به هم متصل می‌کند، می‌تواند به طور همزمان چندین مکالمه تلفنی را انجام دهد. خط دیگری در ارمنستان ایجاد شد. این رصدخانه ایروان و رصدخانه اخترفیزیکی بیوروکان را که در فاصله 50 کیلومتری کوه آراگاتس قرار دارد، به هم متصل کرد.

استفاده از لیزر در تلویزیون

اخیراً چندین سیستم توسعه یافته اند که در آنها یک تصویر تلویزیونی از طریق یک کانال نوری مخابره می شود. ساده ترین سیستم تلویزیون از مجموعه ها و قطعات آماده ساخته شده بود. نمودار عملکردی این سیستم در شکل 1 نشان داده شده است. 28. شامل یک لیزر صنعتی، دو تلویزیون صنعتی، یک آمپلی فایر استاندارد و یک تقویت کننده ویدئو بود. علاوه بر این، یک سیستم نوری گیرنده و فرستنده، یک مدولاتور تابش نوری و یک فیلتر نوری استفاده شد. سیگنال های تلویزیونی دریافت شده از اولین دستگاه تلویزیون تقویت شده و به مدولاتور تغذیه می شوند (سیگنال های ویدئویی از یکی از آبشارهای کانال ویدئویی گیرنده تلویزیون گرفته می شوند). تعدیل کننده در خروجی تشعشع

لیزر، مدولاسیون دامنه شار تابشی را فراهم می کند. این تابش با استفاده از یک سیستم نوری به یک پرتو باریک تبدیل شده و به سمت دستگاه گیرنده هدایت می شود. همچنین دارای سیستم نوری دریافت کننده آینه ای (دارای دو آینه)، فیلتر نوری با باند باریک و دیافراگم است. سپس تشعشع وارد PMT می شود. این ترکیب از سه عنصر آخر انتخاب خوبی از سیگنال دریافت کننده را فراهم می کند که به سیستم اجازه می دهد در شرایط نور خورشید استفاده شود. سیگنال به مولتی پلایر نوری از نوری به الکتریکی تبدیل می شود، از تقویت کننده ویدیو عبور می کند و به کینسکوپ تلویزیون دوم تغذیه می شود. علیرغم وجود نویز لیزر و پس‌زمینه شدید روز هنگام کار با تلویزیون در نور خورشید، تصویر روی صفحه تلویزیون دوم کاملاً رضایت‌بخش بود. علاوه بر این، وضوح تصویر بالا بود، که نتیجه‌گیری در مورد مشخصه انتقال خوب مدولاتور و دستگاه‌های الکترونیکی مرتبط را ممکن کرد. هیچ "بارش برفی" در سیستم شناسایی نشد که نشان دهنده نسبت سیگنال به نویز کافی است.

قبلاً اشاره کردیم که مدولاتور عنصر اصلی سیستم ارتباط تلویزیونی است. در اینجا از سلول Pockels استفاده شد که در آن ولتاژ مدولاسیون در جهت شار نور به کریستال اعمال می شود. این مدولاتور عمق مدولاسیون خوب و پهنای باند کافی را ارائه می دهد، اما دو ایراد قابل توجه دارد: اول اینکه برای کنترل مدولاسیون به ولتاژی تا چند کیلو ولت نیاز است و دومی به این دلیل است که سلول باید خنک شود. .

قبلاً در اصلاحات بعدی تجهیزات، راه حل هایی برای رفع این معایب اعمال شد. سلول Pockels با یک کریستال CDP جایگزین شد، که شفافیت نوری خوبی در این محدوده طول موج دارد، و باریک شدن اضافی پرتو با استفاده از یک سیستم همساز برای کاهش ولتاژ تعدیل کننده استفاده شد. این باعث شد که پرتو تا 1 میلی متر باریک شود. برای اطمینان از استحکام مکانیکی، کریستال در یک محفظه فلزی قرار داده شد. این بهبودها مصرف برق را تا دو مرتبه کاهش داده است. مدولاتور با ولتاژ 18 ولت کار می کرد و جریان 50 میلی آمپر را مصرف می کرد.

برنج. 29. نمودار دوربین انتقال دهنده لیزری

پس از مدتی، نمونه هایی از سیستم های تلویزیونی ظاهر شد که در آنها پنج تصویر تلویزیونی مختلف توسط پرتو لیزر مخابره می شد. در این سیستم‌ها، یک لیزر گازی با 0.6328 میکرومتر با توان ساطع شده تنها 8 مگاوات به عنوان منبع تابش استفاده شد. یک فتودیود سیلیکونی در دستگاه گیرنده استفاده شد. انتقال تصویر در کانال های 66 ... 7B, 76 ... 82, 182 ... 186, 198..204, 210 ... 216 مگاهرتز انجام شد.

نمودار عملکردی نسخه سوم دوربین تلویزیون فرستنده لیزری در شکل نشان داده شده است. 29. این سیستم قادر به انتقال یک برنامه تلویزیونی و همچنین یک برنامه موسیقی و اطلاعات دیجیتال از طریق پرتو لیزر بود. عناصر اصلی دستگاه عبارت بودند از: لیزر گاز آرگون با سیستم پرتو رفت و برگشت در فضا، گیرنده ای متشکل از یک فیلتر باند باریک با باند عبور 90 آنگستروم، یک لوله فتومولتیپلایر و یک پیش تقویت کننده. سومین بلوک ساختمانی سیستم همگام سازی خط و قاب بود. ویژگی در این واقعیت نهفته است که از یک پرتو لیزر اسکن سریع استفاده می شود و به جای دوربین تلویزیون از یک مولتی پلایر نوری استفاده می شود. یک تصویر تلویزیونی با تابش یک جسم با تابش لیزر پیوسته به دست می آید که با استفاده از منشورهای دوار در فضا در امتداد دو محور عمود بر هم باز می شود. اسکن افقی توسط یک منشور 16 وجهی که با آن می چرخد ​​ارائه می شود

سرعت 60000 دور در دقیقه در این حالت سرعت عمودی پرتو توسط یک منشور 26 وجهی که با سرعت 150 دور در دقیقه می چرخد ​​تامین می شود. این دو اسکن 60 فریم در ثانیه می دهند. تابش لیزری که توسط جسمی که قرار است تصویری از آن به دست آید منعکس می‌شود، روی دستگاه گیرنده می‌افتد که از خروجی آن سیگنال تقویت‌شده به تلویزیون کنترلی داده می‌شود و تصویر جسم روی صفحه نمایش آن بازسازی می‌شود. برای همگام سازی اسکن تلویزیون کنترلی با اسکن پرتو لیزر در فضا، دو عنصر ارائه شده است. یکی از آنها همگام سازی خط را انجام می دهد و دیگری - همگام سازی فریم. فتوسل های مدارهای همگام سازی افقی و عمودی به ترتیب در مسیر اسکن پرتو لیزر به صورت افقی و عمودی نصب می شوند. سیگنال های خروجی فتوسل ها که به مقدار مورد نیاز تقویت شده اند، همگام سازی لازم را فراهم می کنند. مزیت چنین دوربین تلویزیون لیزری کیفیت تصویر بالای آن است. علاوه بر این، می تواند در تاریکی کار کند و قادر است تصاویر را از طریق مه بسیار بهتر از هر دستگاه دیگری برای اهداف مشابه منتقل کند. معایب سیستم شامل تلفات انرژی قابل توجه هنگام جارو کردن پرتو در فضا و وجود عناصر با چرخش سریع است.

E. N. Chepusov، S. G. Sharonin

امروزه تصور زندگی ما بدون کامپیوترها و شبکه های مبتنی بر آنها غیرممکن است. بشریت در آستانه دنیای جدیدی است که در آن فضای اطلاعاتی واحدی ایجاد خواهد شد. در این دنیا، ارتباط دیگر با محدودیت های فیزیکی، زمان یا مسافت مانع نخواهد شد.

در حال حاضر در سراسر جهان تعداد زیادی شبکه وجود دارد که عملکردهای مختلفی را انجام می دهند و وظایف مختلفی را حل می کنند. دیر یا زود، اما همیشه لحظه ای فرا می رسد که پهنای باند شبکه تمام می شود و باید خطوط ارتباطی جدیدی ایجاد شود. انجام این کار در داخل ساختمان نسبتا آسان است، اما زمانی که دو ساختمان همسایه به هم متصل می شوند، مشکلات شروع می شود. مجوزهای ویژه، تاییدیه ها، مجوزها برای انجام کار و همچنین تحقق تعدادی از الزامات فنی پیچیده و برآوردن درخواست های مالی قابل توجه سازمان های مدیریت زمین یا سیستم های فاضلاب مورد نیاز است. به عنوان یک قاعده، بلافاصله مشخص می شود که کوتاه ترین مسیر بین دو ساختمان یک خط مستقیم نیست. و اصلاً لازم نیست که طول این مسیر با فاصله این ساختمان ها قابل مقایسه باشد.

البته، همه یک راه حل بی سیم مبتنی بر تجهیزات رادیویی مختلف (مودم های رادیویی، خطوط رله رادیویی با کانال پایین، فرستنده های دیجیتال مایکروویو) را می شناسند. اما از تعداد دشواری ها کاسته نمی شود. هوا بیش از حد اشباع شده است و گرفتن مجوز برای استفاده از تجهیزات رادیویی بسیار سخت و حتی گاهی غیرممکن است. و توان عملیاتی این تجهیزات به طور قابل توجهی به هزینه آن بستگی دارد.

ما پیشنهاد می کنیم از یک نوع اقتصادی جدید از ارتباطات بی سیم که اخیراً ظهور کرده است استفاده کنیم - ارتباطات لیزری. این فناوری بیشتر در ایالات متحده توسعه یافته است، جایی که توسعه یافته است. ارتباط لیزری یک راه حل مقرون به صرفه برای مشکل ارتباطات کوتاه برد قابل اعتماد و با سرعت بالا (1.2 کیلومتر) که می تواند هنگام اتصال سیستم های مخابراتی ساختمان های مختلف ایجاد شود، ارائه می دهد. استفاده از آن امکان ادغام شبکه‌های محلی با شبکه‌های جهانی، ادغام شبکه‌های محلی را که از یکدیگر دور هستند و همچنین برای رفع نیازهای تلفن دیجیتال فراهم می‌کند. ارتباطات لیزری از تمام رابط های لازم برای این اهداف - از RS-232 تا ATM پشتیبانی می کند.

ارتباط لیزری چگونه انجام می شود؟

ارتباط لیزری، برخلاف ارتباطات GSM، امکان اتصال نقطه به نقطه با سرعت انتقال اطلاعات تا 155 مگابیت بر ثانیه را فراهم می کند. در شبکه های کامپیوتری و تلفنی، ارتباطات لیزری تبادل اطلاعات را در حالت تمام دوبلکس فراهم می کند. برای کاربردهایی که به سرعت انتقال بالا نیاز ندارند (مثلاً برای انتقال سیگنال‌های ویدئویی و سیگنال‌های کنترلی در سیستم‌های صنعتی و دوربین‌های مداربسته)، یک راه‌حل ویژه مقرون‌به‌صرفه با ارتباط نیمه دوبلکس وجود دارد. هنگامی که لازم است نه تنها شبکه های کامپیوتری، بلکه شبکه های تلفن نیز ترکیب شوند، می توان از مدل های دستگاه های لیزری با مالتی پلکسر داخلی برای انتقال همزمان ترافیک LAN و جریان های تلفن گروهی دیجیتال (E1 / PCM30) استفاده کرد.

دستگاه های لیزری می توانند هر جریان شبکه ای را که با استفاده از فیبر یا کابل مسی به آنها تحویل داده می شود در جهت جلو و عقب انتقال دهند. فرستنده سیگنال های الکتریکی را به تابش لیزر مادون قرمز مدوله شده با طول موج 820 نانومتر و توان حداکثر 40 مگاوات تبدیل می کند. ارتباطات لیزری از جو به عنوان یک رسانه انتشار استفاده می کند. سپس پرتو لیزر به گیرنده برخورد می کند که حداکثر حساسیت را در محدوده طول موج تابش دارد. گیرنده تابش لیزر را به سیگنال های رابط الکتریکی یا نوری مورد استفاده تبدیل می کند. به این ترتیب ارتباط با استفاده از سیستم های لیزری انجام می شود.

خانواده ها، مدل ها و ویژگی های آنها

در این بخش، ما می خواهیم سه خانواده از محبوب ترین سیستم های لیزر در ایالات متحده - LOO، OmniBeam 2000 و OmniBeam 4000 را به شما معرفی کنیم (جدول 1). خانواده LOO پایه است و می تواند داده ها و پیام های صوتی را در فواصل 1000 متری منتقل کند. خانواده OmniBeam 2000 قابلیت های مشابهی دارد، اما در فاصله بیشتر (تا 1200 متر) کار می کند و می تواند تصاویر ویدیویی و ترکیبی از داده ها را انتقال دهد. و گفتار خانواده OmniBeam 4000 می توانند انتقال داده با سرعت بالا را ارائه دهند: از 34 تا 52 مگابیت در ثانیه برای مسافت های تا 1200 متر و از 100 تا 155 مگابیت در ثانیه - تا 1000 متر. خانواده های دیگری از سیستم های لیزر در بازار وجود دارند، اما آنها یا پوشش می دهند. یک فاصله کوتاه تر، یا از پروتکل های کمتری پشتیبانی می کند.

میز 1.

هر یک از خانواده ها شامل مجموعه ای از مدل هایی است که از پروتکل های ارتباطی مختلف پشتیبانی می کنند (جدول 2). خانواده LOO شامل مدل های اقتصادی است که فواصل انتقال تا 200 متر را ارائه می دهد (حرف "S" در انتهای نام).

جدول 2.

مزیت بدون شک دستگاه های ارتباط لیزری سازگاری آنها با اکثر تجهیزات مخابراتی برای اهداف مختلف (هاب ها، روترها، تکرار کننده ها، پل ها، مالتی پلکسرها و مبادلات تلفنی خودکار) است.

نصب و راه اندازی سیستم های لیزری

یک مرحله مهم در ایجاد سیستم نصب آن است. روشن شدن واقعی در مقایسه با نصب و تنظیم تجهیزات لیزری که چندین ساعت طول می کشد، به شرطی که توسط متخصصان مجرب و آموزش دیده انجام شود، زمان ناچیزی دارد. در عین حال، کیفیت خود سیستم به کیفیت این عملیات بستگی دارد. بنابراین، قبل از ارائه گزینه های معمولی گنجاندن، مایلیم کمی به این موارد توجه کنیم.

هنگامی که فرستنده و گیرنده در فضای باز قرار می گیرد، می توان آن را روی سطوح سقف یا دیوار نصب کرد. لیزر بر روی یک تکیه گاه سفت و سخت مخصوص، معمولاً فلزی، نصب می شود که به دیوار ساختمان متصل می شود. پشتیبانی همچنین قابلیت تنظیم شیب و آزیموت پرتو را فراهم می کند.

در این حالت، برای راحتی نصب و نگهداری سیستم، اتصال آن از طریق جعبه های اتصال (RK) انجام می شود. کابل های فیبر نوری برای مدارهای داده و کابل های مسی برای مدارهای برق و کنترل معمولاً به عنوان کابل های اتصال استفاده می شوند. اگر تجهیزات دارای رابط داده نوری نباشد، می توان از مدلی با رابط الکتریکی یا مودم نوری خارجی استفاده کرد.

واحد منبع تغذیه (PSU) فرستنده گیرنده همیشه در داخل خانه نصب می شود و می توان آن را بر روی دیوار یا رک نصب کرد که برای تجهیزات LAN یا مقطع سیستم های کابل کشی ساخت یافته استفاده می شود. یک مانیتور وضعیت همچنین می تواند در نزدیکی نصب شود که برای کنترل از راه دور عملکرد فرستنده گیرنده های خانواده OV2000 و OV4000 خدمت می کند. استفاده از آن امکان تشخیص کانال لیزر، نشان دادن مقدار سیگنال و همچنین حلقه بک سیگنال برای بررسی آن را فراهم می کند.

هنگام نصب فرستنده های لیزری به صورت داخلی، باید به خاطر داشت که قدرت تابش لیزر هنگام عبور از شیشه کاهش می یابد (حداقل 4٪ در هر شیشه). مشکل دیگر این است که هنگام بارندگی قطرات آب از بیرون شیشه سرازیر می شوند. آنها به عنوان عدسی عمل می کنند و می توانند منجر به پراکندگی پرتو شوند. برای کاهش این اثر، توصیه می شود تجهیزات را نزدیک بالای شیشه نصب کنید.

برای اطمینان از ارتباط خوب، برخی از الزامات اساسی باید در نظر گرفته شود.

مهمترین آنها که بدون آن ارتباط غیرممکن خواهد بود، این است که ساختمان ها باید در محدوده دید قرار داشته باشند و در مسیر انتشار پرتوها موانع غیر شفافی وجود نداشته باشد. علاوه بر این، از آنجایی که قطر پرتو لیزر در ناحیه گیرنده 2 متر است، لازم است فرستنده و گیرنده بالاتر از عابران پیاده بوده و در ارتفاع حداقل 5 متری تردد کنند که این امر به دلیل تامین ایمنی است. قوانین حمل و نقل همچنین منبع گاز و گرد و غبار است که بر قابلیت اطمینان و کیفیت انتقال تأثیر می گذارد. پرتو نباید در مجاورت یا عبور از خطوط برق حرکت کند. لازم است رشد احتمالی درختان، حرکت تاج آنها در هنگام وزش باد و همچنین تأثیر بارش جوی و اختلالات احتمالی در کار به دلیل پرواز پرندگان در نظر گرفته شود.

انتخاب صحیح فرستنده گیرنده عملکرد پایدار کانال را در کل محدوده شرایط آب و هوایی روسیه تضمین می کند. به عنوان مثال، قطر پرتو بزرگ احتمال اختلالات مربوط به بارش را کاهش می دهد.

تجهیزات لیزری تابش الکترومغناطیسی (EMI) ساطع نمی کنند. با این حال، اگر در نزدیکی دستگاه های EMP قرار گیرد، تجهیزات الکترونیکی لیزر این تشعشع را دریافت می کند که می تواند باعث تغییرات سیگنال در گیرنده و فرستنده شود. این بر کیفیت ارتباطات تأثیر می گذارد، بنابراین توصیه نمی شود تجهیزات لیزری را در نزدیکی منابع EMP مانند ایستگاه های رادیویی پرقدرت، آنتن ها و غیره قرار دهید.

هنگام نصب لیزر، توصیه می شود از جهت گیری فرستنده های لیزری در جهت شرقی-غربی خودداری شود، زیرا چندین روز در سال، اشعه خورشید می تواند تابش لیزر را برای چند دقیقه مسدود کند و حتی با فیلترهای نوری خاص، انتقال غیرممکن می شود. در گیرنده با دانستن نحوه حرکت خورشید در آسمان در یک منطقه خاص، می توانید به راحتی این مشکل را حل کنید.

لرزش می تواند باعث جابجایی گیرنده لیزری شود. برای جلوگیری از این امر، نصب سیستم های لیزر در نزدیکی موتور، کمپرسور و غیره توصیه نمی شود.

شکل 1. قرار دادن و اتصال فرستنده های لیزری.

چندین روش معمولی گنجاندن

ارتباط لیزری می تواند به حل مشکل ارتباط کوتاه برد در ارتباط نقطه به نقطه کمک کند. به عنوان مثال، چندین گزینه یا روش معمولی را در نظر بگیرید. بنابراین، شما یک دفتر مرکزی (CO) و یک شعبه (F) دارید که هر کدام دارای یک شبکه کامپیوتری هستند.

شکل 2 گونه ای از سازماندهی یک کانال ارتباطی را برای موردی نشان می دهد که در آن لازم است F و CO ترکیب شود، با استفاده از اترنت به عنوان یک پروتکل شبکه، و یک کابل کواکسیال (ضخیم یا نازک) به عنوان یک رسانه فیزیکی. در مرکز مرکزی یک سرور LAN وجود دارد و در F - کامپیوترهایی که باید به این سرور متصل شوند. با کمک سیستم های لیزری، به عنوان مثال، مدل های LOO-28 / LOO-28S یا ОВ2000Е، می توانید به راحتی این مشکل را حل کنید. پل در مرکز مرکزی نصب می شود و تکرار کننده در F نصب می شود. اگر پل یا تکرار کننده دارای یک رابط نوری باشد، حداقل مودم نوری مورد نیاز نیست. فرستنده های لیزری از طریق فیبر نوری دوگانه متصل می شوند. مدل LOO-28S به شما امکان می دهد تا در فاصله 213 متری و LOO-28 - تا 1000 متر با زاویه دریافت "مطمئن" 3 mrad ارتباط برقرار کنید. مدل ОВ2000Е مسافتی تا 1200 متر را با زاویه دریافت "اطمینان" 5 mrad پوشش می دهد. تمامی این مدل ها در حالت تمام دوبلکس کار می کنند و سرعت انتقال 10 مگابیت بر ثانیه را ارائه می دهند.

شکل 2. اتصال یک بخش راه دور از شبکه اترنت LAN بر اساس یک کابل کواکسیال.

یک نوع مشابه از ترکیب دو شبکه اترنت با استفاده از جفت به هم تابیده (10BaseT) به عنوان یک رسانه فیزیکی در شکل 3 نشان داده شده است. و یک رابط AUI یا FOIRL برای اتصال فرستنده های لیزری. در این مورد، نصب یک فرستنده گیرنده لیزری LOO-38 یا LOO-38S ضروری است که سرعت انتقال مورد نیاز را در حالت دوبلکس کامل فراهم می کند. مدل LOO-38 می تواند ارتباطات را تا فاصله 1000 متری و مدل LOO-38S تا 213 متری را پشتیبانی کند.

شکل 3. اتصال یک بخش شبکه اترنت جفت تابیده از راه دور.

شکل 4 یک نوع انتقال داده ترکیبی بین دو شبکه محلی (اترنت) و یک جریان دیجیتال گروهی E1 (PCM30) بین دو PBX (در CO و F) را نشان می دهد. برای حل این مشکل مدل ОВ2846 مناسب است که انتقال داده و صدا را با سرعت 12 (10 + 2) مگابیت بر ثانیه در فاصله تا 1200 متر کابل کواکسیال 75 اهم از طریق کانکتور BNC فراهم می کند. لازم به ذکر است که مالتی پلکس شدن جریان های داده و گفتار نیازی به تجهیزات اضافی ندارد و توسط فرستنده گیرنده ها بدون کاهش پهنای باند هر یک به صورت جداگانه انجام می شود.

شکل 4. ترکیب شبکه های کامپیوتری و تلفنی.

تجسمی از انتقال داده با سرعت بالا بین دو شبکه محلی (LAN "A" در CO و LAN "B" در F) با استفاده از سوئیچ های ATM و فرستنده گیرنده لیزری در شکل 5 نشان داده شده است. سرعت ارتباطات کوتاه برد به روشی بهینه شما قادر خواهید بود جریان های E3، OC1، SONET1 و ATM52 را با سرعت های مورد نیاز در فاصله 1200 متری و 100 Base-VG یا VG ANYLAN (802.12)، 100 Base-FX یا Fast Ethernet (802.3)، FDDI، انتقال دهید. TAXI 100 / 140، OC3، SONET3 و ATM155 با سرعت های مورد نیاز - تا 1000 متر داده های ارسال شده با استفاده از فیبر دوگانه استاندارد به فرستنده گیرنده لیزری تحویل داده می شود که از طریق یک کانکتور SMA متصل می شود.

شکل 5. ادغام شبکه های مخابراتی پرسرعت.

مثال های ارائه شده تمام کاربردهای احتمالی تجهیزات لیزر را کامل نمی کند.

چه چیزی سودآورتر است؟

بیایید سعی کنیم مکان ارتباط لیزری را در بین راه حل های سیمی و بی سیم دیگر تعیین کنیم و به طور خلاصه مزایا و معایب آنها را ارزیابی کنیم (جدول 3).

جدول 3.

در 30 ژانویه، ماهواره یوتلست 9B به مدار زمین پرتاب شد. این اولین ماهواره ای بود که به EDRS (سیستم داده اروپا) مجهز شد. خبرنگار Mediasat برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد فناوری جدید، به دفتر توسعه دهنده ماژول EDRS، Tesat، که در شهر کوچک آلمانی Backnang قرار دارد، رفت. رئیس بخش فناوری لیزر، ماتیاس موزیگمبا، ما را به بازدید از این شرکت برد و در مورد فناوری ارتباطات لیزری صحبت کرد که هنوز در جهان کمتر شناخته شده است.

با پشتیبانی آژانس فضایی آلمان، Tesat ترمینال ارتباطات لیزری (LCT) را توسعه داده است که از انتقال داده با سرعت بالا بین ماهواره‌های LEO و geostationary (GEO) پشتیبانی می‌کند. این ترمینال امکان انتقال داده ها را با سرعت 1.8 گیگابیت بر ثانیه در مسافت 45000 کیلومتری فراهم می کند. این ترمینال‌های LCT باید پایه اصلی کانال‌های انتقال داده در سیستم EDRS باشند که باید انتقال داده بین ماهواره‌های LEO و GEO را فراهم کنند.

ماتیاس موزیگمبا: اکنون ما توانایی ارائه خدمات با کیفیت بالا را در زمان واقعی داریم. این یک تفاوت بزرگ ایجاد می کند! ماهواره LEO یک عکس می گیرد و آن را به ماهواره GEO می فرستد، که به نوبه خود آن را در محدوده فرکانس رادیویی به زمین می فرستد. پرتو لیزر یک راه حل عالی در خلاء است، با این حال، در شرایط جوی بهترین انتخاب نیست زیرا ابرها می توانند تداخل داشته باشند. برای محافظت از سیگنال تلویزیون خود، می توانید از سرعت داده بالا و فناوری نوری بدون تداخل در خط تغذیه استفاده کنید. ظهور فناوری ارتباطات لیزری را می توان با استفاده از فیبر نوری به جای مس مقایسه کرد.

تله پورت رصد زمین ممکن است یک سرویس خارجی با استفاده از خطوط زمینی ناامن باشد.
سرویس انتقال داده های نوری (از LEO به GEO و از GEO به ایستگاه انتقال زمینی).
ایستگاه زمینی را می توان در کشور خود در خط دید ماهواره GEO قرار داد.
S / C حق حاکمیت دارایی های اطلاعاتی شما است.

نیاز به توسعه این فناوری توسط تقاضای رو به رشد برای ظرفیت های انتقال داده برای ماهواره های رصدی غیر نظامی و نظامی، ماموریت های HALE دیکته شد. ایده ایجاد یک سیستم EDRS توسط کمیسیون اروپا مطرح شد که در حال حاضر در صورت فلکی ماهواره سنتینل، برنامه کوپرنیک درگیر است. گام بعدی باید ایجاد کانال های ارتباطی بین ماهواره ای باشد. یوتلست ظرفیت هایی را برای ماژول ارتباطی در ماهواره یوتلست 9B ارائه کرده است. پس از هفت سال توسعه نسل اول و دوم LCTها، سیستم LCT در Alphasat در جولای 2013 راه اندازی شد. سیستم LCT در ماهواره Sentinel-1A در دسامبر 2013 با موفقیت یکپارچه شد. در دسامبر 2014، ماهواره Sentinel 1A پرتاب و راه اندازی شد. در نوامبر 2014، آژانس فضایی اروپا و تسات یک ارائه زنده مشترک برگزار کردند که تصویر راداری تقریباً بلادرنگ از ماهواره Sentinel-1A را از طریق Alphasat در فاصله 41700 کیلومتری به ایستگاه زمینی ارسال کرد.

از نظر فنی، هیچ تفاوتی بین تجهیزات ارتباطی لیزری نصب شده در Alphasat و تجهیزات مشابه در Eutelsat 9B وجود ندارد. آلفاسات قابلیت‌های فنی این پروژه را نشان داد، در حالی که سیستم EDRS در ماهواره یوتلست 9 B یک سرویس تجاری است که توسط Airbus Defense and Space ارائه می‌شود. به طور معمول، یک ماهواره رصد زمین 10 دقیقه برای تماس با یک ایستگاه زمینی و 90 دقیقه برای ایجاد یک انقلاب در اطراف زمین فرصت دارد. این بدان معنی است که شما فقط می توانید از 10٪ از دارایی فضایی استفاده کنید و در صورت وقوع یک بلایای طبیعی یا اضطراری، زمان زیادی طول می کشد تا منتظر تماس با یک ایستگاه مشاهده زمینی باشید. اکنون، برای مثال، هنگام مشاهده کشتی‌های دریایی، می‌توانید در عرض 15 دقیقه مشکل را تشخیص دهید. ماتیاس موزیگمبا می گوید.

یکی از عناصر کلیدی خط تولید، تلسکوپ LCT-135 (تلسکوپ پرتو 135 میلی‌متری) برای پیوند بین ماهواره‌ای GEO/LEO است. همانند مدل قبلی، LCT-125، این دستگاه تمامی زیرماژول های نوری، مکانیکی و الکتریکی ترمینال مانند سیستم توزیع برق، پردازنده داخلی، ماژول های ردیابی و جمع آوری داده ها و ... را در یک واحد ادغام می کند. سیستم پردازش داده ها داده های حسگرهای AOCS ماهواره به راحتی از طریق یک رابط استاندارد - LIAU (واحد سازگاری رابط لیزری) به LCT منتقل می شوند.

پارامترهای LCT:

• شعاع عمل 45000 کیلومتر است.
• وزن: 53 کیلوگرم.
• سرعت انتقال داده (فول دوبلکس):
  برای EDRS - 1.8 گیگابیت در ثانیه، برای ماموریت های دیگر - 5.65 گیگابیت در ثانیه.
• قدرت انتقال: 2.2 وات
• حداکثر توان مصرفی: 160 وات
• ابعاد: 0.6 x 0.6 x 0.7 متر.

فیبرهای نوری و ارتباطات لیزری

از دوران باستان، نور برای انتقال پیام استفاده می شده است. در چین، مصر و یونان از دود در روز و از آتش در شب برای انتقال سیگنال استفاده می کردند. از اولین شواهد تاریخی ارتباط نوری، می توان محاصره تروا را به یاد آورد. آیسخلوس در تراژدی خود آگاممنون شرح مفصلی از زنجیره چراغ های سیگنال در قله های کوه های آیدا و آنتوس ارائه می دهد. ماسیستو، مصرانتو و آراکنیا، و همچنین در صخره های لمنو و کیفرا، تا خبر تسخیر تروا توسط آخائیان را به آرگو برسانند.

در دوران بعد، اما در دوران باستان، امپراتور روم تیبریوس، زمانی که در کاپری بود، از سیگنال های نوری برای برقراری ارتباط با ساحل استفاده می کرد.

در کاپری، هنوز می‌توانید خرابه‌های باستانی «فارو» (نور) را در نزدیکی ویلای امپراتور تیبریوس در کوه تیبریو ببینید.

در آمریکای شمالی، یکی از اولین سیستم های ارتباطی نوری حدود 300 سال پیش در مستعمره نیوفرانس (اکنون استان کبک در کانادا) نصب شد. دولت منطقه از ترس احتمال حمله ناوگان بریتانیایی، تعدادی موقعیت فانوس دریایی در بسیاری از روستاهای کنار رودخانه سنت لارنس ایجاد کرده است. در این زنجیره حداقل 13 نقطه وجود داشت که از Il Verte در فاصله حدود 200 کیلومتری کبک در پایین دست شروع می شد. از آغاز دهه 1700. در هر یک از این روستاها، هر شب از دوره دریانوردی، نگهبانی وجود داشت که وظیفه آن مشاهده سیگنال ارسالی از روستا در پایین دست و ارسال آن به ادامه مسیر بود. با این سیستم، خبر حمله بریتانیا در سال 1759 قبل از اینکه دیر شود به کبک رسید.

در سال 1790، یک مهندس فرانسوی به نام کلود شاپ، سمافورها (تلگراف نوری) را اختراع کرد که بر روی برج هایی که در دید یکدیگر نصب شده بودند، امکان ارسال پیام از یک برج به برج دیگر را فراهم می کرد. در سال 1880، الکساندر گراهام بل (1847-1922) حق اختراع یک دستگاه "فتوفون" را دریافت کرد که از نور خورشید منعکس شده برای انتقال صدا به گیرنده استفاده می کرد. شدت نور منعکس شده با ارتعاش یک غشای بازتابنده که در انتهای لوله ای که بل در آن صحبت می کرد، تعدیل شد. نور مسافتی در حدود 200 متر را طی کرد و به سلول سلنیومی (فتودیکتور) متصل به تلفن برخورد کرد. اگرچه بل فتوفن را مهم ترین اختراع خود می دانست، اما استفاده از آن به دلیل شرایط آب و هوایی محدود بود. با این حال، این شرایط مانع از آن نشد که بل برای پدرش بنویسد:

من گفتار قابل فهمی را شنیدم که توسط نور خورشید تولید می شد!... می توان تصور کرد که این اختراع آینده ای تضمین شده دارد! جنگ چنین ارتباطی را نمی توان قطع یا رهگیری کرد.»

اختراع لیزر باعث افزایش علاقه به ارتباطات نوری شد. با این حال، به زودی نشان داده شد که جو زمین انتشار نور لیزر را به شیوه ای نامطلوب منحرف کرده است. سیستم‌های مختلفی مانند لوله‌های عدسی گاز و موجبرهای دی‌الکتریک در نظر گرفته شده‌اند، اما همه اینها در اواخر دهه 1960 و زمانی که فیبرهای نوری کم تلفات توسعه یافتند، کنار گذاشته شدند.

درک این موضوع که الیاف شیشه ای نازک می توانند نور را از طریق بازتاب داخلی کامل هدایت کنند، یک ایده قدیمی بود که قدمت آن به قرن نوزدهم بازمی گردد. با تشکر از فیزیکدان انگلیسی جان تیندال (1820-1893) و در ابزار و برای نور استفاده می شود. با این حال، در دهه 1960. حتی بهترین عینک ها دارای تضعیف زیادی در نور عبوری از فیبر بودند که طول انتشار را به شدت محدود می کرد. در آن زمان، مقدار تضعیف معمولی یک دسی بل بر متر بود، به این معنی که پس از گذشت 1 متر، توان ارسالی به 80٪ کاهش می یابد. بنابراین، تنها امکان تکثیر در امتداد فیبری به طول چند ده متر وجود داشت و تنها کاربرد آن پزشکی بود، مثلاً آندوسکوپ. در سال 1966، چارلز کائو و جورج هاکام از آزمایشگاه استاندارد ارتباطات از راه دور (بریتانیا) مقاله ای اساسی منتشر کردند که در آن نشان دادند اگر ناخالصی ها به دقت در سیلیس ذوب شده حذف شوند و فیبر با روکشی با ضریب شکست پایین تر احاطه شود، تضعیف می تواند به -20 دسی بل در کیلومتر کاهش می یابد. این بدان معناست که هنگام سفر به طول 1 کیلومتر، توان پرتو به یک صدم توان ورودی کاهش می یابد. اگرچه این مقدار بسیار کمی است، اما برای تعدادی از برنامه ها قابل قبول است.

همانطور که اغلب در چنین شرایطی اتفاق می افتد، تلاش های شدیدی در بریتانیا، ژاپن و ایالات متحده برای به دست آوردن عملکرد فیبر بهبود یافته آغاز شده است. اولین موفقیت در سال 1970 توسط E.P. Capron، Donald Keck و Robert Mayer از شرکت Corning Glass به دست آمد. آنها فیبرهایی ساختند که در طول موج 6328 A درجه (طول موج لیزر He-Ne) افت 20 دسی بل در کیلومتر داشتند. در همان سال، I. Hayashi و همکارانش گزارش دادند که یک دیود لیزر در دمای اتاق کار می کند.

در سال 1971، I. Jacobs به عنوان مدیر آزمایشگاه ارتباطات دیجیتال در AT&T Bell Laboratories (هولمدل، نیوجرسی، ایالات متحده آمریکا) منصوب شد و وظیفه توسعه سیستم هایی با نرخ انتقال اطلاعات بالا را بر عهده گرفت. روسای آن W. Danielson و R. Kompfner برخی از پرسنل را به آزمایشگاه دیگری به سرپرستی S. Miller منتقل کردند تا آنچه را که در زمینه فیبرهای نوری اتفاق می‌افتد تحت نظر داشته باشند. سه سال بعد، دانیلسون و کومپفنر به جیکوبز دستور دادند تا یک گروه تحقیقاتی را برای بررسی امکان سنجی ارتباطات فیبر تشکیل دهد. واضح بود که مقرون به صرفه ترین و اولیه ترین کاربرد سیستم های مبتنی بر نور، ارتباط مبادلات تلفنی در شهرهای بزرگ بود. سپس برای این کار از کابل ها استفاده شد و اطلاعات به صورت دیجیتالی و با رمزگذاری آن با یک سری پالس منتقل می شد. تصور می شد که فیبرها با توانایی خود در انتقال مقادیر بسیار زیاد اطلاعات، جایگزین ایده آلی برای کابل های برق باشند. دفاتر و مراکز تلفن در شهرهای بزرگ در فواصل چند کیلومتری از یکدیگر قرار دارند و قبلاً در آن زمان امکان اتصال آنها بدون مشکل حتی با استفاده از فیبرهایی با تلفات نسبتاً زیاد وجود داشت.

بنابراین، یک آزمایش مقدماتی در اواسط سال 1976 در آتلانتا با کابل‌های فیبر نوری که در لوله‌های کابل‌های معمولی قرار گرفته بودند انجام شد. موفقیت اولیه این تلاش ها منجر به ایجاد سیستمی شد که دو مرکز تلفن را در شیکاگو به هم متصل می کرد. بر اساس این اولین نتایج، در پاییز 1977، آزمایشگاه بل تصمیم گرفت یک سیستم نوری را برای استفاده عمومی توسعه دهد. در سال 1983، ارتباط بین واشنگتن و بوستون برقرار شد، اگرچه این امر با مشکلات زیادی همراه بود. این سیستم ارتباطی با سرعت انتقال 90 مگابیت بر ثانیه کار می کرد. از فیبر چند حالته در طول موج 825 نانومتر استفاده کرد.

در همین حال، NTTC (شرکت تلگراف و تلفن ژاپنی) قادر به کشیدن فیبرها با اتلاف 0.5 دسی بل در کیلومتر در طول موج های 1.3 و 1.5 میکرون بود و آزمایشگاه لینکلن در MIT عملکرد یک دیود لیزری InGaAsP را نشان داد که قادر به کار مداوم در محدوده بین 1.0 و 1.7 میکرومتر در دمای اتاق. استفاده از الیاف کم اتلاف 1.3 میکرون امکان ایجاد سیستم های پیچیده تری را فراهم کرده است. سیستم ها با سرعت 400 مگابیت در ثانیه در ژاپن و 560 مگابیت در ثانیه در اروپا ساخته شدند. سیستم اروپایی می تواند 8000 کانال تلفن را به طور همزمان مدیریت کند. بیش از 3.5 میلیون کیلومتر فیبر در ایالات متحده تولید شده است. تنها قسمتی که هنوز از سیم مسی استفاده می کند، رابط بین خانه و مرکز تلفن است. این «آخرین مایل»، همانطور که نامش را گذاشته‌اند، در حال تبدیل شدن به یک پیوند فیبر است.

اولین کابل تلگراف فرا اقیانوس اطلس در سال 1858 به بهره برداری رسید. تقریباً صد سال بعد، در سال 1956، اولین کابل تلفن به نام TAT-1 گذاشته شد. در سال 1988، اولین نسل از کابل های ترانس آتلانتیک روی فیبرهای نوری (که به TAT-8 معروف شدند) شروع به کار کردند. آنها در طول موج 1.3 میکرون عمل می کنند و اروپا، آمریکای شمالی و شرق اقیانوس آرام را به هم متصل می کنند. در سال 1991 استقرار نسل دوم ارتباطات فیبر نوری TAT-9 آغاز شد که در 1.3 میکرون کار می کند و ایالات متحده و کانادا را با بریتانیا، فرانسه و اسپانیا متصل می کند. خط دیگری بین ایالات متحده آمریکا و کانادا و ژاپن کار می کند.

تعدادی دیگر از خطوط فیبر نوری در سراسر جهان وجود دارد. به عنوان مثال، یک پیوند زیردریایی نوری بین انگلستان و ژاپن 27300 کیلومتر در اقیانوس اطلس، دریای مدیترانه، دریای سرخ، اقیانوس هند، اقیانوس آرام و دارای 120000 تقویت کننده میانی در هر جفت فیبر است. برای مقایسه، اولین کابل تلفن فراآتلانتیک در سال 1956 از 36 مبدل استفاده می کرد، در حالی که اولین کابل نوری در سراسر اقیانوس اطلس از 80000 مبدل استفاده می کرد.

امروزه پس از 30 سال تحقیق، فیبرهای نوری به محدودیت های فیزیکی خود رسیده اند. فیبرهای کوارتز می توانند پالس های مادون قرمز را در طول موج 1.5 میکرون با حداقل تلفات 5 درصد در هر کیلومتر انتقال دهند. کاهش این تلفات به دلیل قوانین فیزیکی انتشار نور (قوانین ماکسول) و ماهیت اساسی شیشه غیرممکن است.

با این حال، یک دستاورد وجود دارد که می تواند وضعیت را به شدت بهبود بخشد. این توانایی تقویت مستقیم سیگنال های نوری در فیبر است، یعنی. بدون اینکه ابتدا آنها را از الیاف جدا کنید. با افزودن ناخالصی های مواد فیبر عناصر مناسب، به عنوان مثال اربیوم، و تحریک آنها با یک نور پمپ مناسب که از خود فیبر عبور می کند، می توان یک وارونگی جمعیت بین دو سطح اربیوم با انتقالی به دست آورد که دقیقاً معادل 1.5 میکرومتر است. در نتیجه، با انتشار یک پالس نور در این طول موج، می‌توان به تقویت آن در فیبر دست یافت. تکه ای از چنین فیبر فعالی بین دو سر فیبرها قرار می گیرد که سیگنال از طریق آن منتشر می شود. با کمک یک کوپلر نوری تابش پمپ نیز به داخل این قطعه هدایت می شود. در خروجی، باقیمانده تابش پمپ به بیرون می رود و سیگنال تقویت شده به انتشار در فیبر ادامه می دهد. با این رویکرد می توان تقویت کننده های الکترونیکی میانی را حذف کرد. در سیستم‌های تقویت‌کننده الکترونیکی قدیمی‌تر، نور از فیبر آزاد می‌شد، توسط یک آشکارساز فوتوالکتریک شناسایی می‌شد، سیگنال تقویت می‌شد و به نور تبدیل می‌شد که در بخش بعدی فیبر به انتشار ادامه می‌داد.