در حال حاضر، فناوری لیزر فرصت های جدیدی را برای بهبود سیستم های ارتباطی، مکان یابی و کنترل رادیویی باز می کند. این قابلیت‌ها با بهره عظیم آنتن‌های نوری فرستنده همراه است که به دست آوردن نسبت سیگنال به نویز بالا در گیرنده در یک باند فرکانس وسیع با فرستنده‌های کم مصرف و با قابلیت استفاده از فرکانس بسیار گسترده را ممکن می‌سازد. باندها هنگام ارسال و دریافت سیگنال های نوری.

سیستم های انتقال اطلاعات لیزری دارای مزایای زیر نسبت به سیستم های رادیویی هستند.

قابلیت انتقال اطلاعات با سرعت بسیار بالا با قدرت فرستنده نسبتا کم و ابعاد کلی کوچک آنتن. امروزه خطوط ارتباطی لیزری می توانند انتقال اطلاعات را با سرعت 102 گیگابیت بر ثانیه و بیشتر فراهم کنند. با مالتی پلکس تقسیم زمانی، می توان نرخ تکرار پالس حاصل بیش از 100 گیگاهرتز را در یک خط ارتباطی چند کانالی به دست آورد که از کل پهنای باند طیف فرکانس رادیویی مورد استفاده امروز فراتر می رود.

مخفی بودن انتقال اطلاعات و محافظت در برابر تداخل سازمان یافته (به دلیل الگوهای آنتن بسیار باریک آنتن های فرستنده و گیرنده که واحدهای ثانیه زاویه ای را تشکیل می دهند).

با این حال، معایبی نیز وجود دارد که اصلی ترین آنها عبارتند از: وابستگی کار به شرایط آب و هوایی و نیاز به استفاده از راهنماهای نور (کوارتز، الیاف شیشه).

چشم اندازهای واقعی برای سیستم های ارتباطی لیزری در سیستم های ارتباطی فضایی "AES-AES" به دلیل عدم وجود جو باز می شود. در چنین سیستم هایی، اطلاعات پهنای باند و باند باریک از فضاپیمای LEO از طریق خطوط ارتباطی لیزری به ماهواره های ثابت و از آنها به ایستگاه های زمینی منتقل می شود. سامانه های ارتباطی ماهواره ای «زمین به زمین» از طریق تکرارکننده ماهواره با خطوط ارتباطی لیزری از اهمیت بالایی برخوردار خواهند بود.

محاسبات نشان می دهد که در چنین کانال ارتباطی، نرخ انتقال اطلاعات بیش از 1 مگابیت بر ثانیه از منطقه مریخ قابل تحقق است. برای مقایسه، می توان گفت که در خطوط رادیویی تله متری موجود برای ارتباط با فضاپیما در منطقه مریخ، سرعت انتقال اطلاعات از 10 بیت در ثانیه تجاوز نمی کند.

قبل از بحث در مورد موضوع انتخاب یک سیستم برای ارتباطات فضایی، اجازه دهید مزایا و معایب سیستم های مورد استفاده را ارزیابی کنیم:

با تشخیص مستقیم (شکل 8، a).

با یک گیرنده هتروداین (شکل 8، ب).

برنج. 8

توجه داشته باشید که مصونیت نویز هر دو سیستم تقریباً یکسان است و برای فرکانس یکسان و همان سطح توسعه فناوری لیزر، سیستم اول دارای مزایای واضحی است که به شرح زیر است:

دارای یک دستگاه گیرنده ساده تر.

غیر حساس به تغییر فرکانس داپلر، که نیاز به جستجوی سیگنال بر اساس فرکانس در گیرنده را از بین می برد (همانطور که در سیستم دوم وجود دارد).

غیر حساس به اعوجاج جبهه موج (که در یک جو متلاطم رخ می دهد)، بنابراین آنتن های زمینی ساده با دیافراگم بزرگ امکان پذیر است. در یک گیرنده هتروداین، تلاطم جوی اندازه آنتن گیرنده را محدود می کند و برای افزایش آن (مساحت آنتن) لازم است از یک آرایه آنتن متشکل از چندین آنتن با دستگاهی برای ترکیب سیگنال های خروجی استفاده شود.

دارای یک آنتن گیرنده که الزامات کیفیت نوری بالایی ندارد، که امکان اجرای آنتن های هوابرد سبک تر و ارزان تر را فراهم می کند.

اجازه می دهد تا روش های کارآمدتری را برای اشاره متقابل آنتن های ارسال و دریافت (در مقایسه با اسکن شطرنجی یک مرحله ای در سیستم دوم) اجرا کند.

تنها مزیت سیستم های دارای گیرنده هتروداین، سرکوب پس زمینه موثرتر در گیرنده است (در مقایسه با اولی).

بیایید تحلیل کنیم تناسب فرکانس لیزرهابرای ارتباطات فضایی

به دلیل برد ارتباطی زیاد، فرستنده هایی با توان متوسط ​​از کسری تا چند وات مورد نیاز است. این لیزرها با راندمان قابل قبول در سه محدوده اصلی موجود می باشند:

10 میکرومتر - یک لیزر گاز CO2 با = 10.6 میکرومتر، در حالت تک حالته در P = 1 W = 10٪، t کار = 10 هزار ساعت کار مداوم (مناسب برای تجهیزات روی برد و به دلیل پایداری فرکانس بالا می تواند در یک سیستم با یک گیرنده هتروداین کار کند).

1 میکرومتر - لیزر گارنت ایتریوم-آلومینیوم حالت جامد (YAG)، فعال شده با نیودیموم (J-Al / Nd) = 1.06 میکرومتر، = 1.5 2٪، P max = n0.1 W (چنین لیزری می تواند با موفقیت در حالت ثابت کار کند. ماهواره ها، از آنجایی که پمپاژ توسط آرایه هایی از LED یا دستگاه های پمپاژ خورشیدی انجام می شود. در = 10٪ نتیجه = 10 LED دارای منبع طولانی تری هستند، اما قدرت آنها کم است و بنابراین فقط برای فرستنده های کم مصرف تا 0.1 W مناسب هستند. ;

0.5 میکرومتر - Nd امیدوارکننده: لیزر YAG که در حالت دوبرابر فرکانس کار می کند = 0.53 میکرومتر (سبز روشن) با راندمان مبدل نزدیک به واحد.

برای خطوط ارتباطی لیزری با سرعت پایین، لیزرهای گازی پالسی مبتنی بر بخارات فلزی امیدوارکننده هستند. در حالت پالسی، یک لیزر بخار مسی = 0.5106 و 0.5782 میکرومتر و = = 5٪ (در حالت سوئیچ Q) با توان متوسط ​​چند وات است.

قابلیت های فناوری گیرنده در این سه محدوده به شرح زیر است:

10.6 میکرون - آشکارسازهای نوری با راندمان کوانتومی بالا (40-50٪) زمانی که تا 77 100 K خنک شوند وجود دارد، اما از آنجایی که آشکارسازهای نوری تقویت داخلی ندارند، آنها برای سیستم هایی با تشخیص مستقیم مناسب نیستند.

1.06 میکرومتر - PMT یا فتودیودهای بهمنی را می توان برای سیستم هایی با تشخیص مستقیم استفاده کرد. اما راندمان کوانتومی PMT در این طول موج تنها 0.008 است، بنابراین این محدوده به طور قابل توجهی کمتر از اولین است.

از آنجایی که 0.53 میکرومتر در حالت تشخیص مستقیم محدوده قابل قبول تری است شاخص های آن به دلیل افزایش کارایی PMT به طور قابل توجهی بالاتر است.

بنابراین، دو سیستم ارتباطی فضایی وجود دارد:

با تشخیص سیگنال مستقیم در طول موج 0.53 میکرومتر.

با گیرنده هتروداین IR 10.6 میکرومتر.

علاوه بر این، سیستم با = 10.6 میکرومتر دارای:

سطح پایین‌تری از نویز کوانتومی (از آنجایی که چگالی طیفی نویز کوانتومی با مقدار hf متناسب است، پس در 10.6 میکرومتر 20 برابر کمتر از 0.53 میکرومتر است).

راندمان فرستنده لیزری در محدوده 10.6 میکرومتر بیشتر از 0.53 میکرومتر است.

دو ویژگی اول سیستم امکان استفاده از الگوهای تابشی گسترده تر فرستنده ها را در مقایسه با سیستم برد مرئی فراهم می کند که سیستم هدایت را ساده می کند.

معایب آن مانند روش هتروداین است.

سیستم محدوده مرئی = 0.53 میکرون، با داشتن سطح بالاتر نویز کوانتومی، بازده کمتر فرستنده، می تواند الگوی آنتن آنتن فرستنده را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. بنابراین، اگر دیافراگم آنتن های فرستنده یکسان باشد (در 0.53 = و 10.6 میکرون)، آنتن فرستنده در 0.53 میکرون = 400 برابر بیشتر از 10.6 میکرون = 10.6 میکرون خواهد بود که با یک حاشیه معایب فوق را جبران می کند. . پرتوهای باریک آنتن های فرستنده سیستم اشاره متقابل آنتن های فرستنده و گیرنده را پیچیده می کند، با این حال، استفاده از روش های موثر جستجوی چند مرحله ای می تواند زمان ورود به ارتباطات را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. علاوه بر این، در یک گیرنده هتروداین، تنها اسکن شطرنجی ساده هنگام جستجوی سیگنال امکان پذیر است و زمان جستجو به دلیل نیاز به جستجوی همزمان سیگنال بر اساس فرکانس به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

مزیت مهم آنتن برد مرئی، امکان ساخت یک سیستم ارتباطی ماهواره ای برای دسترسی چندگانه است. در این حالت، چندین گیرنده تشخیص مستقیم ساده (با توجه به تعداد خطوط ارتباطی) روی AES-RRS قرار می گیرند. برای سیستم‌هایی در محدوده 10.6 میکرومتر، به دلیل پیچیدگی گیرنده‌های هترودین با دستگاه‌های خنک‌کننده فوتومیکسر حجیم، این عملاً غیرممکن است.

بنابراین، با توجه به سطح فنی موجود، سیستم های با تشخیص مستقیم (= 0.53 میکرومتر) مزایای قابل توجهی دارند:

برای ارتباطات فضایی از راه دور "KA-Earth" از طریق جو؛

برای یک سیستم ماهواره ای با دسترسی چندگانه

برای یک سیستم ارتباطی ماهواره ای، زمانی که پرتو گیرنده (یا فرستنده) تکرار کننده ماهواره طبق برنامه از مشترکی به مشترک دیگر پرتاب می شود، یک سیستم ارتباطی با پهنای باند بالا در = 0.53 و 10.6 میکرومتر دارای ویژگی های قابل مقایسه در اطلاعات است. سرعت انتقال تا چند صد مگابیت در ثانیه. سرعت انتقال داده بالاتر (بیش از 10 گیگابیت بر ثانیه) در سیستمی با 10.6 میکرون = به سختی قابل درک است، در حالی که در محدوده مرئی می توان آنها را به سادگی به دلیل تقسیم زمانی چندگانه کانال ها ارائه کرد.

نمونه ای از پیاده سازی یک سیستم ارتباطی برای سه ماهواره سنکرون (شکل 9):

طول موج فرستنده = 0.53 میکرومتر (تشخیص مستقیم).

مدولاسیون توسط یک مدولاتور الکترواپتیکال انجام می شود و سیگنال مدولاسیون یک حامل فرعی مایکروویو با فرکانس مرکزی m = 3 گیگاهرتز و باند جانبی از حداقل = 2.5 10 9 تا حداکثر = 3.5 10 9 هرتز (یعنی = 10 9 هرتز است. )

برنج. 9

یک مدولاتور الکترواپتیکال (کریستال) در حالت عرضی با ضریب الکترواپتیکی r 4 · 10 -11 در ثابت دی الکتریک مایکروویو = 55 0 کار می کند. حداکثر عمق مدولاسیون - Г m = / 3;

اندازه عدسی های کولیمینگ و دریافت کننده 10 سانتی متر است.

نسبت سیگنال به نویز در خروجی تقویت کننده پس از PMT 10 است.

اجازه دهید قدرت کل منبع جریان مستقیمی را که ماهواره باید با آن تامین شود تا الزامات تکلیف طراحی را برآورده کند، تعیین کنیم (ابتدا سطح توان نوری تابش ارسالی و سپس توان مدولاسیون مورد نیاز برای کار را تعیین می کنیم).

راه حل: یک ماهواره سنکرون دارای دوره مداری 24 ساعته است. فاصله زمین تا ماهواره بر اساس برابری نیروهای گریز از مرکز و گرانش تعیین می شود

mV 2 / R ES = mg (R Earth) 2 / (R ES) 2،

که در آن V سرعت ماهواره است. متر جرم آن؛ g - شتاب گرانشی در سطح زمین. R ES فاصله مرکز زمین تا ماهواره است. R Earth - شعاع زمین.

نرخ چرخش مداری همزمان (24 ساعت) به شما امکان می دهد تعیین کنید

V / R ES = 2 / (246060)، سپس R ES = 42 222 کیلومتر.

فاصله بین ماهواره ها R = 73 12 کیلومتر با جدایی 120 O.

P R = P T (R / T).

پرتو نوری ارسالی (شکل 35) با زاویه واگرایی پرتو پراش می شود که با بیان مربوط به حداقل شعاع پرتو 0 است.

پرتو = / 0.

زاویه جامد متناظر T = (پرتو) 2.

اگر 0 را برابر با شعاع dt عدسی فرستنده بگیریم، آنگاه

زاویه جامد گیرنده است

R = d 2 R / R 2،

R فاصله بین فرستنده و گیرنده است.

از (42)، (44)، (45) داریم

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

اجازه دهید نسبت سیگنال به نویز را در خروجی PMT که در حالت محصور شدن کوانتومی کار می کند بنویسیم (یعنی زمانی که منبع اصلی نویز نویز شات خود سیگنال است):

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

که در آن Р R توان نوری است، G بهره جریان، i d جریان تاریک است. در = 0.53 میکرومتر، = 0.2 بازده تبدیل توان است، = 10 9 هرتز s / w = 10 3، Р R 2 · 10 -6 را دریافت می کنیم. در این حالت توان مورد نیاز مطابق با (46) در R = 7.5 · 10 4 m P t 3 W خواهد بود.

از اواسط قرن بیستم، تحقیقات فعال در مورد امواج مایکروویو آغاز شد. فیزیکدان آمریکایی چارلز تاونز تصمیم گرفت تا شدت پرتو مایکروویو را افزایش دهد. پس از برانگیختن مولکول‌های آمونیاک به سطح انرژی بالا با گرم کردن یا تحریک الکتریکی، دانشمند یک پرتو مایکروویو ضعیف را از طریق آنها ارسال کرد. نتیجه یک تقویت کننده مایکروویو قدرتمند بود که تاونز در سال 1953 آن را "میزر" نامید. در سال 1958، تاونز و آرتور شاولوف قدم بعدی را برداشتند: به جای امواج مایکروویو، سعی کردند نور مرئی را تقویت کنند. بر اساس این آزمایشات، میمن اولین لیزر را در سال 1960 ایجاد کرد.

ایجاد لیزر امکان حل طیف گسترده ای از مشکلات را فراهم کرد که به توسعه چشمگیر علم و فناوری کمک کرد. این امر در پایان قرن بیستم، آغاز قرن بیست و یکم، دستیابی به پیشرفت هایی مانند: خطوط ارتباطی فیبر نوری، لیزرهای پزشکی، پردازش لیزری مواد (عملیات حرارتی، جوشکاری، برش، حکاکی و غیره)، لیزر را ممکن کرد. راهنمایی و تعیین هدف، چاپگرهای لیزری، بارکدخوان ها و موارد دیگر. همه این اختراعات مانند زندگی یک فرد معمولی بسیار ساده شد و امکان توسعه راه حل های فنی جدید را فراهم کرد.

این مقاله به سوالات زیر پاسخ خواهد داد:

1) ارتباط لیزری بی سیم چیست؟ چگونه انجام می شود؟

2) شرایط استفاده از ارتباطات لیزری در فضا چیست؟

3) چه تجهیزاتی برای ارتباط لیزری مورد نیاز است؟

تعریف ارتباط لیزری بی سیم، روشهای اجرای آن.

ارتباط لیزری بی سیم نوعی از ارتباطات نوری است که از امواج الکترومغناطیسی در محدوده نوری (نور) منتقل شده از طریق جو یا خلاء استفاده می کند.

اتصال لیزری دو جسم فقط از طریق اتصال نقطه به نقطه انجام می شود. این فناوری مبتنی بر انتقال داده های مادون قرمز مدوله شده از طریق جو است. فرستنده یک دیود لیزر نیمه هادی قدرتمند است. اطلاعات وارد ماژول فرستنده گیرنده می شود، که در آن با کدهای مختلف ضد پارگی کدگذاری می شود، که توسط یک فرستنده لیزری نوری مدوله شده و توسط سیستم نوری فرستنده به یک پرتو لیزر باریک همسو شده متمرکز شده و به جو منتقل می شود.

در سمت دریافت، سیستم نوری سیگنال نوری را روی یک فتودیود بسیار حساس (یا فتودیود بهمنی) متمرکز می کند که پرتو نوری را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند. علاوه بر این، هرچه فرکانس بالاتر (تا 1.5 گیگاهرتز) باشد، مقدار اطلاعات ارسالی بیشتر است. سپس سیگنال دمودوله شده و به سیگنال های رابط خروجی تبدیل می شود.

طول موج در اکثر سیستم های اجرا شده بین 700 تا 950 نانومتر یا 1550 نانومتر بسته به دیود لیزر مورد استفاده متغیر است.

از موارد فوق، چنین استنباط می شود که عناصر ابزاری کلیدی برای ارتباطات لیزری یک دیود لیزر نیمه هادی و یک فتودیود با حساسیت بالا (فتودیو بهمنی) هستند. بیایید با کمی جزئیات بیشتر اصل عملکرد آنها را در نظر بگیریم.

دیود لیزر - یک لیزر نیمه هادی مبتنی بر دیود. کار آن بر اساس ظهور جمعیت های معکوس در ناحیه اتصال p-n پس از تزریق حامل های بار است. نمونه ای از دیود لیزری مدرن در شکل 1 نشان داده شده است.

فتودیودهای بهمنی دستگاه های نیمه هادی بسیار حساسی هستند که نور را از طریق اثر فوتوالکتریک به سیگنال الکتریکی تبدیل می کنند. آنها را می توان به عنوان آشکارسازهای نوری در نظر گرفت که تقویت داخلی را از طریق اثر ضرب بهمن ارائه می کنند. از نقطه نظر عملکردی، آنها آنالوگ حالت جامد فتومولتیپلایرها هستند. فتودیودهای بهمنی نسبت به سایر ردیاب های نور نیمه هادی حساس تر هستند، که امکان استفاده از آنها را برای ثبت قدرت های نور کم (≲ 1 nW) فراهم می کند. نمونه ای از فتودیود مدرن بهمن در شکل 2 نشان داده شده است.

شرایط استفاده از ارتباطات لیزری در فضا.

یکی از جهت‌گیری‌های امیدوارکننده در توسعه سیستم‌های ارتباطی فضایی، سیستم‌های مبتنی بر انتقال اطلاعات از طریق یک کانال لیزری هستند، زیرا این سیستم‌ها می‌توانند پهنای باند بیشتری را با مصرف انرژی، ابعاد کلی و وزن تجهیزات فرستنده گیرنده کمتر از رادیو مورد استفاده فعلی ارائه دهند. سیستم های ارتباطی

به طور بالقوه، سیستم های ارتباطی لیزری فضایی می توانند سرعت بسیار بالایی از جریان اطلاعات را ارائه دهند - از 10-100 مگابیت در ثانیه تا 1-10 گیگابیت در ثانیه و بالاتر.

با این حال، تعدادی از مشکلات فنی وجود دارد که باید برای اجرای کانال های ارتباطی لیزری بین فضاپیما (SC) و زمین حل شود:

• دقت بالای هدایت و ردیابی متقابل در فواصل از نیم هزار تا ده ها هزار کیلومتر و زمانی که حامل ها با سرعت کیهانی حرکت می کنند مورد نیاز است.
• اصول دریافت و انتقال اطلاعات از طریق کانال لیزری بسیار پیچیده است.
• تجهیزات اپتوالکترونیک پیچیده تر می شوند: اپتیک دقیق، مکانیک دقیق، لیزرهای نیمه هادی و فیبر، گیرنده های بسیار حساس.

آزمایش‌هایی بر روی اجرای ارتباطات لیزر فضایی

آزمایش‌های مربوط به پیاده‌سازی سیستم‌های ارتباطی لیزری برای انتقال مقادیر زیادی اطلاعات توسط روسیه و ایالات متحده آمریکا انجام می‌شود.

سیستم ارتباط لیزری (SLS) RF

در سال 2013، اولین آزمایش روسی برای انتقال اطلاعات با استفاده از سیستم های لیزری از زمین به بخش روسی ایستگاه فضایی بین المللی (ISS RS) و بالعکس انجام شد.

آزمایش فضایی "SLS" با هدف آزمایش و نمایش فناوری و تجهیزات روسی برای دریافت و انتقال اطلاعات از طریق خط ارتباطی لیزری فضایی انجام شد.

اهداف آزمایش عبارتند از:

• آزمایش در شرایط پرواز فضایی در ایستگاه فضایی بین‌المللی RS راه‌حل‌های فنی و طراحی اصلی که در تجهیزات استاندارد سیستم انتقال اطلاعات لیزری بین‌ماهواره‌ای گنجانده شده است.
• توسعه فناوری دریافت و انتقال اطلاعات با استفاده از خط ارتباطی لیزری؛
• بررسی امکان و شرایط کارکرد خطوط ارتباطی لیزری «هیئت فضاپیما – نقطه زمین» در شرایط مختلف جو.

این آزمایش قرار است در دو مرحله انجام شود.

در مرحله اول، سیستم دریافت و انتقال اطلاعات از طریق خطوط «ISS RS-Earth» (3، 125، 622 مگابیت بر ثانیه) و خطوط «ISS RS Earth-to-board» (3 مگابیت بر ثانیه) جریان دارد. در حال آزمایش

در مرحله دوم، برنامه ریزی شده است که یک سیستم هدایت با دقت بالا و سیستمی برای انتقال اطلاعات از طریق خط "تخته ISS RS - ماهواره رله" توسعه یابد.

سیستم ارتباط لیزری در مرحله اول آزمایش SLS شامل دو زیر سیستم اصلی است:

• یک ترمینال ارتباطی لیزری روی برد (BTLS) نصب شده در بخش روسی ایستگاه فضایی بین المللی (شکل 3).
• یک پایانه لیزری زمینی (NLT) نصب شده در ایستگاه رصد نوری آرخیز در قفقاز شمالی (شکل 4).

اهداف تحقیق در مرحله اول CE:

• تجهیزات پایانه ارتباطی لیزری (BTLN)؛
• تجهیزات ترمینال زمینی برای ارتباطات لیزری (NLT)؛
• کانال انتشار تشعشع اتمسفر

شکل 4. ترمینال لیزر زمینی: آستروپاویلیون با واحد نوری-مکانیکی و تلسکوپ تراز

سیستم ارتباط لیزری (SLS) - مرحله 2.

مرحله دوم آزمایش پس از اتمام موفقیت آمیز مرحله اول و آماده شدن فضاپیمای تخصصی از نوع "لوچ" در GSO با ترمینال داخلی سیستم انتقال اطلاعات لیزری بین ماهواره ای انجام می شود. متأسفانه، اطلاعاتی در مورد اینکه آیا مرحله دوم انجام شده است یا خیر، در منابع باز یافت نشد. شاید نتایج آزمایش طبقه بندی شده باشد یا مرحله دوم هرگز انجام نشده است. طرح انتقال اطلاعات در شکل 5 نشان داده شده است.

پروژه OPALS USA

تقریباً همزمان، آژانس فضایی آمریکا، ناسا، استقرار سیستم لیزری OPALS (Optic Payload for Lasercomm Science) را آغاز می کند.

مایکل کوکوروفسکی، مدیر پروژه OPALS و آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا (جت پیشرانه) گفت: "سیستم OPALS اولین پلت فرم آزمایشی برای توسعه فناوری های ارتباطات فضایی لیزری است و ایستگاه فضایی بین المللی به عنوان یک زمین آزمایشی برای سیستم OPALS عمل خواهد کرد." آزمایشگاه، JPL)، "سیستم‌های ارتباطات لیزری آینده که با فناوری‌های OPALS توسعه خواهند یافت، می‌توانند مقادیر زیادی از اطلاعات را مبادله کنند، که گلوگاهی را که در برخی موارد مانع تحقیقات علمی و شرکت‌های تجاری می‌شود، از بین می‌برد."

سیستم OPALS یک ظرف مهر و موم شده است که وسایل الکترونیکی در آن قرار دارند و از طریق یک کابل نوری به یک دستگاه دریافت کننده لیزر متصل می شوند (شکل 6). این دستگاه شامل یک کولیماتور لیزری و یک دوربین ردیاب است که بر روی یک پلت فرم متحرک نصب شده است. نصب OPALS روی فضاپیمای دراگون به ایستگاه فضایی بین‌المللی فرستاده می‌شود که دسامبر امسال به فضا می‌رود. پس از تحویل، کانتینر و فرستنده در خارج از ایستگاه نصب می شود و برنامه آزمایش میدانی 90 روزه برای سیستم آغاز می شود.

اصل کار OPALS:

از زمین، متخصصان آزمایشگاه تلسکوپ ارتباطات نوری پرتوی از نور لیزر را به سمت ایستگاه فضایی می فرستند که به عنوان یک فانوس دریایی عمل می کند. تجهیزات سیستم OPALS با گرفتن این سیگنال، با کمک درایوهای ویژه، فرستنده خود را به سمت تلسکوپ زمینی که به عنوان گیرنده عمل می کند، هدف گرفته و سیگنال پاسخ را ارسال می کند. در صورت عدم تداخل در مسیر انتشار پرتوهای نور لیزر، کانال ارتباطی برقرار و انتقال اطلاعات تصویری و تله متری از طریق آن آغاز می شود که برای اولین بار حدود 100 ثانیه به طول می انجامد.

سیستم رله داده اروپا (EDRS).

سیستم رله داده اروپا (EDRS) پروژه‌ای است که توسط آژانس فضایی اروپا برای ایجاد مجموعه‌ای از ماهواره‌های زمین‌ایستا مدرن برنامه‌ریزی شده است که اطلاعات را بین ماهواره‌ها، فضاپیماها، وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپادها) و ایستگاه‌های زمینی منتقل می‌کند و انتقال سریع‌تری را در مقایسه با سنتی ارائه می‌کند. سرعت داده را حتی در شرایط بلایای طبیعی و انسان‌ساخته روش‌ها می‌کند.

EDRS از فناوری جدید ترمینال ارتباط لیزری (LCT) استفاده خواهد کرد. ترمینال لیزری امکان انتقال اطلاعات را با سرعت 1.8 گیگابیت بر ثانیه فراهم می کند. فناوری LCT ماهواره‌های EDRS را قادر می‌سازد تا حدود 50 ترابایت داده در روز را تقریباً در زمان واقعی ارسال و دریافت کنند.

اولین ماهواره ارتباطی EDRS قرار است در اوایل سال 2016 از فضاپیمای بایکونور بر روی پرتابگر پروتون روسی به مدار زمین ثابت برود. هنگامی که ماهواره در مدار ژئوسنکرون بر فراز اروپا قرار گرفت، پیوندهای ارتباطی لیزری را بین چهار ماهواره سنتینل-1 و سنتینل-2 که تحت برنامه فضایی رصد زمین کوپرنیک، وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین و ایستگاه های زمینی در اروپا، آفریقا، آمریکای لاتین و خاورمیانه و سواحل شمال شرقی ایالات متحده.

دومین ماهواره مشابه در سال 2017 پرتاب خواهد شد و ماهواره سوم نیز در سال 2020 به فضا پرتاب خواهد شد. در مجموع، این سه ماهواره قادر خواهند بود تمام سیاره زمین را با ارتباطات لیزری پوشش دهند.

چشم انداز توسعه ارتباطات لیزری در فضا.

مزایای ارتباط لیزری نسبت به ارتباطات رادیویی:

• انتقال اطلاعات از راه دور
• نرخ انتقال بالا
• فشرده بودن و سبکی تجهیزات انتقال داده
• بهره وری انرژی

معایب ارتباط لیزری:

• نیاز به راهنمایی دقیق دستگاه های گیرنده و فرستنده
• مشکلات جوی (ابری، گرد و غبار و غیره)

ارتباط لیزری اجازه می دهد تا داده ها در فواصل بسیار بیشتری نسبت به ارتباطات رادیویی منتقل شوند، سرعت انتقال نیز به دلیل غلظت بالای انرژی و فرکانس حامل بسیار بالاتر (ترتیب های قدر) بالاتر است. راندمان انرژی، وزن کم و فشردگی نیز چندین برابر یا چند برابر بهتر است. مشکلات در قالب نیاز به راهنمایی دقیق دستگاه های گیرنده و فرستنده را می توان با ابزارهای فنی مدرن حل کرد. علاوه بر این، دستگاه های دریافت کننده زمینی را می توان در مناطقی از زمین قرار داد که تعداد روزهای ابری حداقل است.

علاوه بر مشکلات ارائه شده در بالا، مشکل دیگری وجود دارد - واگرایی و تضعیف پرتو لیزر هنگام عبور از جو. این مشکل به ویژه زمانی تشدید می شود که پرتو از لایه هایی با چگالی متفاوت عبور کند. هنگام عبور از سطح مشترک بین رسانه ها، پرتو نور، از جمله پرتو لیزر، انکسار، پراکندگی و تضعیف شدیدی را تجربه می کند. در این حالت، ما می توانیم نوعی نقطه نورانی را مشاهده کنیم که درست هنگام عبور از چنین رابط بین رسانه ها به دست می آید. چندین چنین مرزی در جو زمین وجود دارد - در ارتفاع حدود 2 کیلومتری (لایه جوی فعال هوا)، در ارتفاع حدود 10 کیلومتری و در ارتفاع حدود 80-100 کیلومتری، یعنی در حال حاضر در مرز. از فضا ارتفاع لایه ها برای عرض های جغرافیایی میانی برای دوره تابستان داده شده است. برای سایر عرض‌های جغرافیایی و سایر فصول سال، ارتفاعات و تعداد رابط‌های بین رسانه‌ها می‌تواند بسیار متفاوت از آنچه توضیح داده شد، باشد.

بنابراین، با ورود به جو زمین، پرتو لیزر که قبلاً بدون هیچ تلفاتی میلیون‌ها کیلومتر را بدون هیچ تلفاتی (شاید یک تغییر تمرکز جزئی) طی کرده بود، سهم بزرگی از قدرت خود را در طول چند ده کیلومتر تاسف بار از دست می‌دهد. با این حال، ما می توانیم این واقعیت را که در نگاه اول بد است، به نفع خود تبدیل کنیم. از آنجایی که این واقعیت به ما امکان می دهد بدون هدف گیری جدی پرتو به گیرنده انجام دهیم. به عنوان یک گیرنده، یا بهتر است بگوییم یک گیرنده اولیه، ما فقط می توانیم از همین رابط های بین لایه ها، رسانه ها استفاده کنیم. ما می‌توانیم تلسکوپ را به سمت نقطه نوری به دست آمده نشانه بگیریم و اطلاعات را از آن بخوانیم. البته این امر به میزان قابل توجهی بر میزان تداخل افزوده و سرعت انتقال داده را کاهش می دهد. و در طول روز آن را کاملا غیرممکن خواهد کرد. اما این امکان کاهش هزینه فضاپیما را به دلیل صرفه جویی در سیستم هدایت فراهم می کند. این امر به ویژه برای ماهواره هایی که در مدارهای غیر ثابت قرار دارند و همچنین برای فضاپیماها برای تحقیقات اعماق فضا بسیار مهم است.

در حال حاضر، اگر ارتباط "Earth-SC و SC-Earth" را در نظر بگیریم، راه حل بهینه، هم افزایی ارتباطات لیزری و رادیویی است. انتقال داده ها از فضاپیما به زمین با استفاده از ارتباطات لیزری و از زمین به فضاپیما توسط ارتباطات رادیویی بسیار راحت و امیدوارکننده است. این به دلیل این واقعیت است که ماژول دریافت لیزر یک سیستم نسبتاً حجیم است (اغلب یک تلسکوپ است) که تابش لیزر را می گیرد و آن را به سیگنال های الکتریکی تبدیل می کند که سپس با استفاده از روش های شناخته شده تقویت شده و به اطلاعات مفید تبدیل می شوند. نصب چنین سیستمی بر روی یک فضاپیما آسان نیست، زیرا اغلب الزامات فشردگی و وزن کم ایجاد می شود. در عین حال فرستنده سیگنال لیزری در مقایسه با آنتن های ارسال سیگنال رادیویی از اندازه و وزن کمی برخوردار است.

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 ارتباطاتی 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 با 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 20 دسی بل در کیلومتر در 6328 A درجه (طول موج لیزر He-Ne) از دست دادند. 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 انگلستان، 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 ناخالصی‌های مواد فیبر عناصر مناسب، به‌عنوان مثال اربیوم، و برانگیختن آنها با یک نور پمپ مناسب که از خود فیبر عبور می‌کند، می‌توان 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.