Optička vlakna i laserska komunikacija. Laserska komunikacija u svemiru

Radio valovi nisu jedino sredstvo komunikacije s izvanzemaljskim civilizacijama. Postoje i drugi načini, poput svjetlosnih signala. Budući da će svjetlosni signal morati prijeći ogromnu udaljenost, mora imati potrebna svojstva: mora imati dovoljno energije da prevlada ovaj put. Lako je vidjeti da optički reflektori nisu prikladni za slanje takvih svjetlosnih signala. Oni stvaraju divergentne snopove svjetlosti. Stoga, što je dalje od reflektora, snop postaje širi. Na velikim udaljenostima, također je vrlo velik. To znači da je energija po jedinici površine vrlo mala.

Ako koristite najmoderniji optički projektor, koji stvara snop svjetlosti (snop) širok samo pola stupnja, tada će već na udaljenosti od 50 kilometara svjetlosna točka koju stvara projektor biti 450 metara. Takav reflektor, postavljen na Zemlji, stvorit će svijetlu točku na Mjesecu promjera 3000 kilometara! Jasno je da se u ovom slučaju svjetlosna energija raspršuje na velikom području i osvjetljenje površine postaje mnogo manje nego da je ovo mjesto udaljeno samo 10 ili 100 metara. Mjesta koju stvara zemaljski reflektor na površini Mjeseca ne može se otkriti. Ali mjesec je pored nas. Što će ostati od gustoće energije na udaljenostima stotinama svjetlosnih godina? Skoro ništa. Stoga nema smisla dalje razmatrati takav trivijalni izvor svjetlosnih signala. No, potrebni optički signali mogu se stvoriti uz pomoć lasera, koji su bili utjelovljenje ideja Alekseja Tolstoja (hiperboloidni inženjer Garin) i G. Wellsa (toplinski snop Marsovaca).

Što se tiče laserskog zračenja kao sredstva komunikacije s vanzemaljcima, ovdje su važna dva njegova svojstva. Prvi je sposobnost emitiranja praktički nedivergentnog snopa svjetlosti (snopa), što se, kao što smo vidjeli, ne može učiniti s konvencionalnim reflektorima. Druga je sposobnost stvaranja snažnih svjetlosnih signala koji su sposobni doseći zvijezde koje se nalaze na udaljenostima od stotina i tisuća svjetlosnih godina.

Važno svojstvo laserskog zračenja je njegova monokromatičnost (doslovno, "monokromatizam"). Fizički, to znači da zračenje ima striktno konstantnu valnu duljinu, a time i boju. Istodobno, postoje laseri koji emitiraju jednu strogo definiranu valnu duljinu, čija je vrijednost određena "radnom tvari" lasera. Takva tvar može biti plinovita, tekuća ili čvrsta. U početku se uglavnom koristio sintetički kristal rubina. Kada se koristi staklo aktivirano neodimijem, valna duljina zračenja je 1,06 µm. Kao radna tvar koristi se posebno ugljični dioksid CO2 i mnoge druge tvari. Tekući laseri omogućuju emitiranje na različitim valnim duljinama (u određenom rasponu). Zračenje se javlja naizmjenično, u svakom trenutku emitira se jedna strogo određena valna duljina.

Također je važno da laserske instalacije omogućuju emitiranje vrlo kratkih impulsa svjetlosti. Za prijenos informacija (putem pulsnih vlakova) to je vrlo važno. Duljina impulsa može biti toliko mala da se u jednoj sekundi može "upakirati" do tisuću milijardi impulsa. Kada se emitiraju, impulsi slijede jedan za drugim s određenim zakašnjenjem. Moderni laseri omogućuju dobivanje impulsa velike snage. Dakle, čak i tako kratki impulsi kao što su gore navedeni mogu imati energiju veću od 10 džula! Što je duljina impulsa duža, to je veća energija sadržana u njemu. U načinu "slobodne generacije", kada laser sam regulira duljinu emitiranih impulsa i ona je reda veličine tisućinke sekunde, energija svakog impulsa može doseći nekoliko tisuća džula. Laseri vam omogućuju emitiranje ne samo kratkih impulsa svjetlosti, već i kontinuirano. Na primjer, plinski laseri s ugljičnim dioksidom mogu raditi u cw modu. U ovom slučaju, zračenje nije karakterizirano energijom svakog impulsa (jer nema zasebnih impulsa), već energijom po jedinici vremena ili, drugim riječima, snagom. Dakle, snaga lasera koji rade na ugljičnom dioksidu doseže nekoliko desetaka kilovata.

Lasersko zračenje je također raspršeno, ali neusporedivo manje nego kod reflektora. To je određeno veličinom radne tvari. Zračenje s površine radne tvari događa se striktno s istom fazom (u fazi) na cijeloj njezinoj površini. Stoga širina snopa koje šalje laser ovisi o veličini bloka "radne tvari", odnosno što je površina veća, to je snop emitirane svjetlosti uži. Ovisnost širine snopa o valnoj duljini je izravna: što je valna duljina kraća, to je širi snop koji šalje laser. Ali čak i u običnim laserima, u kojima su dimenzije radne tvari oko 1 centimetar, kut svjetlosnog snopa je 200 puta manji od kuta reflektora. To je 10 lučnih sekundi. Postoje, naravno, laseri s puno manjim kutovima emisije svjetlosti.

Da bismo se riješili divergencije zraka, potrebno je koristiti optički sustav kao što je teleskop koji usmjerava tijek zraka. Ako se laserska zraka prođe kroz leću čija je žarišna duljina jednaka promjeru, tada će stvarna slika zrake u žarišnoj ravnini imati dimenzije jednake valnoj duljini. Zatim, na mjesto gdje je dobivena ova prava slika snopa, postavljamo fokus druge leće (ili zrcala), čiji je promjer mnogo veći od prvog. Za drugu leću žarišna duljina može biti veća od promjera, ali joj može biti i jednaka (kao kod prve leće). Takva kombinacija dviju leća dovodi do toga da će iz druge velike leće (zrcala) izaći snop za koji će se kut divergencije smanjiti (u odnosu na početni koji ulazi u teleskop) za onoliko puta koliko je promjera druga leća (ogledalo) veća je od duljine emitiranog vala. Stoga je sasvim realno proizvoljno smanjiti kut divergencije laserske zrake.

Za komunikaciju s vanzemaljcima mogu se koristiti i komunikacijski sustavi izgrađeni na jednom laseru i izgrađeni na cijelom sustavu (bateriji) lasera. Upotrijebimo li kontinuirano emitirajući laser snage 10 kilovata i dodatno veliko zrcalo promjera 5 metara, tada se kut otvaranja snopa može suziti na 0,02 lučne sekunde.

Možete koristiti ne jedno veliko zrcalo, već određeni broj zrcala s malim promjerom (recimo, 10 centimetara). Tada sustav mora sadržavati onoliko lasera koliko ima zrcala. Sve to mora biti vrlo kruto orijentirano. Ako uzmemo 25 lasera, tada možemo postići kut otvaranja snopa jednak jednoj lučnoj sekundi.

Prednost laserskih sustava (baterija) za svemirske komunikacije je u tome što je tijekom njegovog rada moguće isključiti utjecaj zemljine atmosfere. Ako se, pak, radi s jednim laserom, tada, zbog nemira atmosfere, kut otvaranja snopa postaje mnogo veći nego u odsutnosti takvog utjecaja. Taj se utjecaj može zaobići ako se laserski sustav postavi tako da laserska zraka ne prolazi kroz atmosferu, odnosno ako se postavi na satelit s umjetnom platformom. U ovom slučaju nema potrebe za korištenjem baterije laserskih sustava.

Prvi put mogućnost komunikacije s izvanzemaljskim civilizacijama pomoću laserske zrake znanstveno je analizirao 1961. godine nobelovac Ch.Kh. Townsom i R.I. Schwartz. Od tada se laserska tehnologija u svijetu poboljšala, a uvjeti za lasersku komunikaciju postali su povoljniji. Glavna stvar koju bi ova tehnika trebala osigurati je dovoljna snaga zračenja i sposobnost odvajanja laserskog zračenja koje nam šalju izvanzemaljci od zračenja zvijezda. Kako odvojiti lasersko svjetlo od zvjezdanog svjetla? Ovo pitanje nipošto nije jednostavno, a može se riješiti samo zahvaljujući posebnom svojstvu laserskog zračenja - njegovoj visokoj monokromatičnosti. Zvijezda (kao što je Sunce) emitira svjetlost na različitim valnim duljinama. Laser emitira samo na strogo definiranoj valnoj duljini, recimo 0,5 mikrona. Na ovoj valnoj duljini Sunce zrači najviše energije. Ipak, lasersko zračenje je 25 puta veće od zračenja Sunca ili druge slične zvijezde. Naravno, ovo se odnosi samo na ovu određenu valnu duljinu. Na drugim valnim duljinama (na primjer, u ultraljubičastom i infracrvenom području spektra), ovaj bi omjer bio još veći, budući da na tim valnim duljinama Sunce emitira manje od zelene svjetlosti (0,5 µm).

Dakle, čak i moderna laserska tehnologija omogućuje stvaranje zračenja čiji je intenzitet na zadanoj valnoj duljini dovoljan da ga odvoji od cjelokupnog zračenja zvijezda. Za još bolju emisiju laserskog zračenja potrebno je “raditi” u blizini apsorpcijskih linija Sunca (ili druge zvijezde), odnosno u području u kojem se dio sunčevog zračenja apsorbira i manje interferira s emisijom. laserskog zračenja. Ako laser radi na valnoj duljini od 0,15 μm, tada njegov spektralni intenzitet može biti nekoliko desetaka tisuća puta veći od intenziteta sunčevog zračenja na ovoj valnoj duljini, budući da se nalazi u području apsorpcije sunčevog zračenja. Naravno, takva laserska instalacija mora biti smještena izvan zemljine atmosfere, inače će lasersko zračenje apsorbirati atmosferski plin. Stoga, pri registraciji i analizi svjetlosti udaljenih zvijezda, moramo imati na umu da se na pozadini tog zračenja može detektirati lasersko zračenje koje šalju izvanzemaljske civilizacije. Pojavit će se kao uska linija. Ali za to je potrebno analizirati zračenje zvijezda uz pomoć visokokvalitetnih spektrografa. Također možete koristiti vrlo uskopojasne filtere. Naravno, ti optički uređaji moraju biti vrlo kvalitetni: rezolucija spektrografa mora biti 0,03 A kako bi se dobio 10% kontrast laserske linije iznad pozadine. Moderna optička tehnologija to omogućuje. Stoga već sada možemo početi hvatati emisione linije koje pripadaju laserskim uređajima izvanzemaljskih civilizacija pomoću najmoćnijih teleskopa.

Više puta smo raspravljali o različitim aspektima djelovanja Dopplerovog efekta na zračenje pokretanog izvora. U ovom slučaju se i ovaj učinak mora uzeti u obzir, jer bi zbog pomicanja prijemnika zračenja u smjeru samog zračenja trebao doći do pomaka (Dopplerov pomak) frekvencije zračenja u jednom ili drugom smjeru. Za registriranje ovog zračenja s pomaknutom frekvencijom potrebno je imati spektrografe odgovarajuće rezolucije.

Dakle, čak i moderna razina laserske tehnologije omogućuje primanje laserskih signala od obližnjih zvijezda i njihovo slanje natrag. Ali ostaje još jedno, možda najvažnije, pitanje: kamo slati signale i odakle ih primati? U oba slučaja moramo negdje usmjeriti svoje teleskope, i to s vrlo velikom točnošću. Isto se traži i od naših dopisnika u svemiru. Ako se nalaze na najbližim zvijezdama (njihovim planetima), tada će promatrati Zemljinu orbitu pod kutom od jedne lučne sekunde. Kako bi njihova laserska zraka pogodila Zemlju, moraju je usmjeriti s kutnom razlučivosti od 0,02 lučne sekunde. Takva je točnost sada dostupna našim astronomima. Stoga vjerujemo da je to ostvarivo i za izvanzemaljske civilizacije koje traže veze s nama.

Logično je zamisliti da će vanzemaljci, u potrazi za komunikacijom s nama, "petljati" s laserskom zrakom unutar Sunčevog sustava. Ako učine širinu laserske zrake (snopa) većom, tada će ona cijelo vrijeme osvjetljavati Zemlju i relativno lako se može snimiti. No, što je snop širi, to se više energije mora zračiti kako bi bila dovoljna za čitavu njome osvijetljenu površinu, kako bi se mogla registrirati. Ali moglo bi se pomisliti da ova poteškoća za vanzemaljce neće biti nepremostiva. Barem u zemaljskim laboratorijima, povećanje snage laserskog zračenja događa se vrlo brzo.

Posebno učinkovita laserska komunikacija može se koristiti unutar Sunčevog sustava. Laserskom zrakom možete stvoriti točku na Marsu promjera 5-7 kilometara, koja će svijetliti oko 10 puta jače od Venere kada se gleda sa Zemlje. Laserska zraka može nositi bilo koju informaciju: njezin se intenzitet može mijenjati u vremenu prema bilo kojem zakonu (drugim riječima, lasersko zračenje se može modulirati u skladu s tim). Mjesečeva površina bila je osvijetljena laserskom zrakom. Na strani Mjeseca koja nije osvijetljena Suncem, dobiva se svjetleća točka promjera 40 metara. Osvijetljen je 100 puta manje nego u slučaju izravne sunčeve svjetlosti.

Od nastanka života na Zemlji, mogućnost međusobnog prenošenja poruka (ili, kako sada kažu, informacija) zauzima jedno od glavnih mjesta u ljudskoj komunikaciji. U staroj Grčkoj, na primjer, informacije su se prenosile pomoću svjetlosnih valova, zbog čega su se palile krijesove na posebnim tornjevima kako bi se stanovnici informirali o nekom važnom događaju. Optički telegraf izumljen je u Francuskoj. Ruski znanstvenik Schelling predložio je električni žičani telegraf, koji je kasnije poboljšao američki Morse. Električni kabel povezao je Europu s Amerikom. T. Edison je udvostručio kapacitet telegrafske linije. A. Popov je otkrio mogućnost prijenosa telegrafskih poruka bez žica – uz pomoć elektromagnetskih oscilacija. Radio tehnologija se brzo razvijala. Počeli su emitirati na raznim valnim duljinama: dugim, srednjim, kratkim. Zrak je postao prepun.

Na što se odnosi brzina i količina prenesenih informacija? Poznato je da je maksimalna brzina prijenosa određena trajanjem jednog perioda osciliranja korištenih valova. Što je kraće razdoblje, to je veća brzina poruka. To vrijedi i za prijenos poruka korištenjem Morseove azbuke, korištenjem telefona, radija i televizije. Dakle, komunikacijski kanal (odašiljač, prijemnik i linija koja ih povezuje) može prenositi poruke brzinom koja nije veća od prirodne frekvencije cijelog kanala. Ali to još uvijek nije dovoljan uvjet. Za karakterizaciju komunikacijskog kanala potreban je još jedan parametar - širina pojasa kanala, tj. frekvencijski raspon koji se koristi u ovom komunikacijskom kanalu. Što je veća brzina prijenosa, širi je pojas preko kojeg se prenosi. Oba ova parametra čine nužnim ovladavanje sve višim frekvencijama elektromagnetskih oscilacija. Doista, s povećanjem frekvencije, povećava se ne samo brzina prijenosa preko jednog kanala, već i broj komunikacijskih kanala.

Komunikacijska tehnologija počela se penjati u sve više kratkovalno područje, koristeći prvo decimetarske, zatim metarske i, konačno, centimetrske valove. A onda je došlo do zaustavljanja zbog činjenice da nije bilo

prikladan izvor nositelja elektromagnetskih valova. Prethodno postojeći izvori davali su širok spektar s vrlo malo snage koja se može pripisati pojedinačnim frekvencijama vibracija. Svjetlosni valovi nisu bili koherentni, što je onemogućilo njihovu upotrebu za prijenos složenih signala koji zahtijevaju modulaciju zračenja. Situacija se dramatično promijenila pojavom lasera. Koherencija i monokromatičnost laserskog zračenja omogućavaju modulaciju i detekciju snopa na način da se koristi cjelokupna širina optičkog raspona. Optički dio spektra je mnogo širi i prostraniji od radiovalnog dijela. Pokažimo to jednostavnim izračunom. Izračunajmo koliko se informacija može istovremeno prenijeti optičkim komunikacijskim kanalom valne duljine 0,5 μm (što odgovara Hz). Uzmimo za primjer grad poput Moskve. Pretpostavimo da ima 1.500.000 telefona, 100 radio postaja i 5 televizijskih kanala. Za izračune pretpostavljamo da je frekvencijski pojas telefonskog kanala Hz, radio kanala, televizijskog kanala - Hz. Uzmimo faktor sigurnosti jednak 100. Proračuni će se izvršiti prema formuli

gdje je c brzina svjetlosti, K je valna duljina elektromagnetske oscilacije, frekvencijski pojas koji zauzima jedan televizijski kanal, frekvencijski pojas jedne radiodifuzne stanice, frekvencijski pojas jednog telefonskog kanala, broj televizijskih kanala, broj radio kanala, broj telefona, k je faktor sigurnosti.

Zamjenjujući vrijednosti za naš primjer, dobivamo Iz ovoga možemo zaključiti da visokofrekventna komponenta elektromagnetske oscilacije, jednaka približno Hz, omogućuje (u principu) u jednoj laserskoj zraki istovremeno prijenos informacija u tisuću takvih gradova kao Moskva. Međutim, da bi se ostvarila ova temeljna mogućnost, potrebno je riješiti niz problema. Povezuju se s modulacijom, demodulacijom i s prolaskom zračenja u atmosferu. Da biste to razumjeli, razmotrite optičku komunikacijsku liniju (slika 27).

Riža. 27. Optička komunikacijska linija pomoću lasera

Komunikacijski vod se sastoji od uređaja za odašiljanje i primanje. Odašiljač uključuje laser koji generira visokofrekventni nosač; modulator koji osigurava nametanje prenesene informacije na svjetlosni nosač; optički sustav neophodan za fokusiranje zračenja u uski snop, koji osigurava veliki domet i visoku otpornost na buku; mikrofon s pojačalom i uređaj za ciljanje. Prijemni uređaj se sastoji od ulaznog optičkog sustava, prijamnika zračenja, demodulatora, pojačala, zvučnika i uređaja za usmjeravanje (vezivanje) prijamnika na odašiljač. Komunikacija radi ovako. Audio signal se šalje na mikrofon. Ovdje se pretvara u električnu energiju i dovodi u modulator, kroz koji prolazi lasersko zračenje. Ispada da je moduliran u skladu s govornom porukom. Modulirana zraka ulazi u optički sustav. Ovim zračenjem, uz pomoć nišanske (nišanske) naprave, ozrači se mjesto gdje se nalazi prijamni sustav. Prijamni optički sustav prikuplja lasersku zraku i usmjerava je na prijemnik i pojačalo. Nakon toga ulazi u demodulator, čija je zadaća izolirati izvornu audio frekvenciju od frekvencije nosača. Prolazi kroz pojačalo audio frekvencije i ide do zvučnika.

Tablica 15 (vidi skeniranje) Karakteristike modulatora

Budući da frekvencija modulacije tijekom prijenosa audio signala ne prelazi 104 Hz, većina do sada razvijenih modulatora i demodulatora prikladna je za njegovu implementaciju. Najraširenija amplitudna modulacija. Za njegovu provedbu prikladni su optički elementi koji mijenjaju svoju prozirnost pod utjecajem napona koji se na njih primjenjuje. Ovoj vrsti modulatora pripada i Kerrova ćelija, koja se sastoji od tekućeg dielektrika i metalnih ploča. Kada se na ploče primijeni električno polje, tekući dielektrik postaje dvoloman. Kao rezultat toga, ravnina polarizacije propuštenog svjetlosnog vala će se rotirati pod kutom

gdje je B Kerrova konstanta, duljina puta, jačina polja. U ovom slučaju, ravno polarizirano polje,

prolazeći kroz analizator, mijenja svoj intenzitet u skladu sa zakonom električnog polja. Tako se uz pomoć modulatora audio frekvencija uvodi u lasersku zraku. Pogledajmo tablicu koja prikazuje karakteristike raznih vrsta modulatora, te pokušajmo odabrati onaj koji odgovara našem komunikacijskom sustavu.

Upotrijebimo plinski helij-neonski laser kao izvor zračenja. Za prijenos audio poruke potrebna je modulacija do 20 kHz. To najbolje zadovoljava kristal germanija (tablica 15). Ima dobru dubinu modulacije - 50%. Međutim, ovaj modulator se ne može koristiti, jer je njegova spektralna transparentnost u rasponu od 1,8 ... 25 μm, tj. neproziran je za zračenje od 0,6328 μm, koje emitira helij-neonski laser. Kristal ADP ili KDP prikladan je za spektralni raspon i ima dobru marginu frekvencije modulacije. S takvim modulatorom moguće je modulirati optičko zračenje u više frekvencijskih dionica, što načelno omogućuje uvođenje više telefonskih kanala u jedan snop. Ali nemoguće je uvesti nekoliko televizijskih kanala u lasersku zraku pomoću takvog modulatora, jer je za prijenos televizijske slike potreban Hz frekvencijski pojas. Može se prenositi samo jedan TV program. Potrebni su nam modulatori s vrlo velikim rasponom modulacijskih frekvencija. Gledamo u stol. Ultrazvučni modulator valova ima raspon od 5 do 30 MHz. Njegova gornja granica je najveća, nema drugih modulatora. Usporedimo ovaj raspon u Hz s frekvencijskim rasponom plinskog lasera. Vidi se da se razlikuju za sedam redova veličine, odnosno deset milijuna puta. Posljedično, visokofrekventni laserski nosač nije iskorišten u potpunosti. I ne koristi se jer još ne postoje modulatori s frekvencijskim rasponom do Hz. Slična se slika događa i za prijemnike zračenja. Također ih treba odabrati na temelju spektralnog raspona u kojem djeluju. I na temelju frekvencijskog raspona koji su u stanju percipirati. Najpoželjniji PMT imaju frekvencijski pojas od oko 100 MHz, ali ne više. Dakle, ovdje postoji problem koji treba riješiti.

Riža. 28. Funkcionalni dijagram prve laserske televizijske instalacije

Najlakše je bilo izgraditi telefonsku komunikacijsku liniju, jer je imala sve potrebne elemente: izvor zračenja, modulator i prijamnik zračenja. Takve linije stvorene su kako bi se ocijenila učinkovitost njihova funkcioniranja. Jedna od njih povezala je automatsku telefonsku centralu, smještenu na Šolohovom trgu, sa zgradom Moskovskog državnog sveučilišta na Lenjinovim brdima. Nekoliko desetaka telefonskih razgovora moglo se obaviti istovremeno pomoću laserske zrake koja povezuje telefonske centrale. Još jedna linija stvorena je u Armeniji. Povezala je Erevan i astrofizičku opservatorij Bureaukan, koji se nalazi na udaljenosti od 50 km na planini Aragats.

Upotreba lasera na televiziji

Nedavno je razvijeno nekoliko sustava u kojima se televizijska slika prenosi preko optičkog kanala. Najjednostavniji televizijski sustav izrađen je od gotovih komponenti i dijelova. Funkcionalni dijagram ovog sustava prikazan je na sl. 28. Uključuje industrijski laser, dva industrijska televizora, standardno pojačalo i video pojačalo. Osim toga, korišteni su optički sustavi za prijam i prijenos, optički modulator zračenja i optički filtar. Televizijski signali primljeni s prvog TV-a se pojačavaju i šalju u modulator (video signali se preuzimaju iz jednog od stupnjeva video kanala televizijskog prijamnika). Modulator na izlazu zračenja

laser, osigurava amplitudnu modulaciju toka zračenja. Ovo zračenje se pomoću optičkog sustava oblikuje u uski snop i usmjerava prema prijemnom uređaju. Također ima zrcalni prijemni optički sustav (s dva zrcala), uskopojasni optički filtar i dijafragmu. Tada zračenje ulazi u PMT. Ova kombinacija posljednja tri elementa omogućuje dobar odabir prijemnog signala, što omogućuje korištenje sustava u uvjetima sunčeve svjetlosti. Signal do PMT-a se pretvara iz optičkog u električni, prolazi kroz video pojačalo i dovodi do kineskopa drugog TV-a. Unatoč prisutnosti buke koju je unio laser i intenzivnoj dnevnoj pozadini kada je TV prijemnik radio na suncu, slika na ekranu drugog televizora bila je sasvim zadovoljavajuća. Štoviše, jasnoća slike bila je visoka, što je omogućilo zaključak da modulator i pripadajući elektronički uređaji imaju dobru prijenosnu karakteristiku. Sustav nije otkrio "snježne padaline", a to ukazuje na dovoljan omjer signala i šuma.

Ranije smo primijetili da je modulator glavni element televizijskog komunikacijskog sustava. Ovdje je korištena Pockelsova ćelija u kojoj se modulacijski napon primjenjuje na kristal u smjeru svjetlosnog toka. Ovaj modulator pruža dobru dubinu modulacije i dovoljnu širinu pojasa, ali ima dva značajna nedostatka: prvi je da je za kontrolu modulacije potreban napon do nekoliko kilovolti, a drugi zbog činjenice da se ćelija mora hladiti.

Već u kasnijim modifikacijama opreme primijenjena su rješenja za otklanjanje ovih nedostataka. Pockelsovu ćeliju zamijenio je CDP kristal, koji ima dobru optičku prozirnost u zadanom rasponu valnih duljina, a radi smanjenja modulirajućeg napona snop je dodatno sužen kolimirajućim sustavom. To je omogućilo sužavanje snopa na 1 mm. Kako bi se osigurala mehanička čvrstoća, kristal je stavljen u metalno kućište. Ova poboljšanja su smanjila potrošnju energije za dva reda veličine. Modulator je radio na naponu od 18 V i trošio je struju od 50 mA.

Riža. 29. Shema laserske odašiljačke kamere

Nakon nekog vremena pojavili su se uzorci televizijskih sustava u kojima se preko laserske zrake prenosilo pet različitih televizijskih slika. U tim sustavima kao izvor zračenja korišten je plinski laser koji radi na valnoj duljini od 0,6328 μm sa snagom zračenja od samo 8 mW. U prijamnom uređaju korištena je silikonska fotodioda. Prijenos slike izveden je 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 sustav je omogućavao prijenos televizijskog programa uzduž laserske zrake, kao i glazbenog programa i digitalnih informacija. Glavni elementi uređaja bili su: plinski argonski laser sa sustavom pomicanja snopa u svemiru, prijemnik koji se sastoji od uskopojasnog filtera širine pojasa od 90 angstroma, fotomultiplikatora i pretpojačala. Treća komponenta bio je sustav horizontalne i vertikalne sinkronizacije. Originalnost je u tome što se koristi brzo skenirajuća laserska zraka, a umjesto televizijske kamere koristi se fotomultiplikator. Televizijska slika se dobiva zračenjem objekta kontinuiranim laserskim zračenjem, koji se rotira u prostoru duž dvije okomite osi pomoću rotirajućih prizmi. Horizontalno skeniranje osigurava 16-strana prizma koja rotira s

brzina 60.000 o/min. U ovom slučaju, okomitu brzinu snopa osigurava 26-strana prizma koja se okreće brzinom od 150 o/min. Ova dva zamaha daju 60 sličica u sekundi. Lasersko zračenje reflektirano od objekta, čija se slika želi dobiti, pada na prijamni uređaj, s čijeg se izlaza pojačani signal dovodi do upravljačkog TV-a i slika objekta se rekreira na njegovom ekranu. Predviđena su dva elementa za sinkronizaciju skeniranja kontrolnog TV-a sa skeniranjem laserske zrake u prostoru. Jedan od njih obavlja horizontalnu, a drugi - sinkronizaciju okvira. Fotoćelije horizontalnog i vertikalnog sinkronizacijskog kruga postavljene su na putanju laserske zrake koja skenira horizontalno i okomito. Izlazni signali fotoćelija, pojačani na traženu vrijednost, osiguravaju potrebnu sinkronizaciju. Pozitivna kvaliteta takve laserske televizijske kamere je visoka kvaliteta slike. Osim toga, može raditi u mraku i sposoban je prenijeti sliku kroz maglu puno bolje od bilo kojeg drugog uređaja slične namjene. Nedostaci sustava uključuju značajne gubitke energije tijekom pomicanja snopa u prostoru i prisutnost brzo rotirajućih elemenata.

E. N. Čepušov, S. G. Šaronjin

Danas je nemoguće zamisliti naš život bez računala i mreža koje se temelje na njima. Čovječanstvo je na pragu novog svijeta u kojem će se stvoriti jedinstveni informacijski prostor. U ovom svijetu komunikacija više neće biti ograničena fizičkim granicama, vremenom ili udaljenosti.

Sada diljem svijeta postoji ogroman broj mreža koje obavljaju različite funkcije i rješavaju mnoge različite probleme. Prije ili kasnije, ali uvijek dođe trenutak kada je propusnost mreže iscrpljena i potrebno je postaviti nove komunikacijske linije. Unutar zgrade to je relativno lako napraviti, ali već kada se spoje dvije susjedne zgrade počinju poteškoće. Potrebne su posebne dozvole, suglasnosti, dozvole za izvođenje radova, ispunjavanje niza složenih tehničkih zahtjeva i zadovoljavanje značajnih financijskih zahtjeva organizacija koje upravljaju zemljištem ili kanalizacijom. U pravilu se odmah ispostavi da najkraći put između dvije zgrade nije ravna linija. I uopće nije nužno da će duljina ove staze biti usporediva s udaljenosti između ovih zgrada.

Naravno, svima je poznato bežično rješenje koje se temelji na raznim radijskim uređajima (radio modemi, niskokanalne radio-relejne linije, mikrovalni digitalni odašiljači). Ali složenost se ne smanjuje. Zrak je prezasićen i dobivanje dozvole za korištenje radio opreme je vrlo teško, a ponekad čak i nemoguće. A propusnost ove opreme značajno ovisi o njezinoj cijeni.

Predlažemo korištenje nove isplative vrste bežične komunikacije koja se pojavila nedavno - laserske komunikacije. Ova tehnologija je najrazvijenija u SAD-u, gdje je i razvijena. Laserske komunikacije pružaju isplativo rješenje za problem pouzdanih, brzih komunikacija kratkog dometa (1,2 km) koji se mogu pojaviti pri međusobnom povezivanju telekomunikacijskih sustava u zgradama. Njegovo korištenje omogućit će integraciju lokalnih mreža s globalnim, integraciju lokalnih mreža udaljenih jedna od druge, te zadovoljiti potrebe digitalne telefonije. Laserska komunikacija podržava sva sučelja potrebna za ove namjene - od RS-232 do ATM-a.

Kako se provodi laserska komunikacija?

Laserska komunikacija, za razliku od GSM komunikacije, omogućuje povezivanje točka-točka sa brzinama prijenosa informacija do 155 Mbit/s. U računalnim i telefonskim mrežama laserska komunikacija osigurava razmjenu informacija u full duplex načinu. Za aplikacije koje ne zahtijevaju velike brzine prijenosa (primjerice za prijenos video i kontrolnih signala u tehnološkim i CCTV sustavima) postoji posebno isplativo rješenje s poludupleksnom razmjenom. Kada je potrebno kombinirati ne samo računalne, već i telefonske mreže, modeli laserskih uređaja s ugrađenim multiplekserom mogu se koristiti za istovremeni prijenos LAN prometa i digitalnih multicast telefonskih tokova (E1 / PCM30).

Laserski uređaji mogu odašiljati bilo koji mrežni tok koji im se isporučuje pomoću vlakna ili bakrenog kabela u naprijed i natrag. Odašiljač pretvara električne signale u modulirano lasersko zračenje u infracrvenom rasponu valne duljine 820 nm i snage do 40 mW. Laserska komunikacija koristi atmosferu kao medij za širenje. Tada laserska zraka ulazi u prijemnik koji ima najveću osjetljivost u području valne duljine zračenja. Prijemnik pretvara lasersko zračenje u signale korištenog električnog ili optičkog sučelja. Ovako se komunikacija provodi pomoću laserskih sustava.

Obitelji, modeli i njihove značajke

U ovom dijelu želimo vas upoznati s tri obitelji najpopularnijih laserskih sustava u SAD-u - LOO, OmniBeam 2000 i OmniBeam 4000 (Tablica 1). Obitelj LOO je osnovna obitelj i omogućuje prijenos podataka i glasa do 1000 m. Obitelj OmniBeam 2000 ima slične mogućnosti, ali djeluje na većoj udaljenosti (do 1200 m) i može prenositi video slike i kombinaciju podataka i govora . Obitelj OmniBeam 4000 može obavljati prijenos podataka velike brzine: od 34 do 52 Mbps do 1200 m i od 100 do 155 Mbps do 1000 m. Postoje i druge obitelji laserskih sustava na tržištu, ali pokrivaju kraće udaljenosti ili podržavaju manje protokola.

Stol 1.

Svaka od obitelji uključuje skup modela koji podržavaju različite komunikacijske protokole (tablica 2). Obitelj LOO uključuje ekonomične modele koji omogućuju prijenosne udaljenosti do 200 m (slovo "S" na kraju naziva).

Tablica 2.

Nedvojbena prednost laserskih komunikacijskih uređaja je njihova kompatibilnost s većinom telekomunikacijske opreme različite namjene (hubovi, usmjerivači, repetitori, mostovi, multiplekseri i automatske telefonske centrale).

Ugradnja laserskih sustava

Važan korak u stvaranju sustava je njegova instalacija. Stvarno uključivanje traje zanemarivo vrijeme u odnosu na instalaciju i postavljanje laserske opreme, koja traje nekoliko sati, pod uvjetom da ih izvode dobro obučeni i opremljeni stručnjaci. Istodobno, o kvaliteti tih operacija ovisit će i kvaliteta samog sustava. Stoga, prije nego što predstavimo tipične opcije uključivanja, željeli bismo obratiti pozornost na ova pitanja.

Kada su postavljeni na otvorenom, primopredajnici se mogu postaviti na površinu krovova ili zidova. Laser se montira na poseban kruti nosač, obično metalni, koji je pričvršćen na zid zgrade. Oslonac također pruža mogućnost podešavanja kuta nagiba i azimuta snopa.

U ovom slučaju, radi lakše instalacije i održavanja sustava, njegovo povezivanje se provodi preko razvodnih kutija (RK). Kao spojni kabeli, optičko vlakno se obično koristi za krugove prijenosa podataka, a bakreni kabel za strujne i upravljačke krugove. Ako oprema nema optičko podatkovno sučelje, tada se može koristiti model s električnim sučeljem ili vanjski optički modem.

Jedinica napajanja (PSU) primopredajnika uvijek je instalirana u zatvorenom prostoru i može se montirati na zid ili u stalak koji se koristi za LAN opremu ili strukturirano kabliranje. U blizini se može postaviti i statusni monitor koji služi za daljinsko upravljanje radom primopredajnika obitelji OB2000 i OV4000. Njegova uporaba omogućuje dijagnosticiranje laserskog kanala, označavajući vrijednost signala, kao i petlju signala za provjeru.

Prilikom interne ugradnje laserskih primopredajnika, treba imati na umu da snaga laserskog zračenja pada pri prolasku kroz staklo (najmanje 4% na svakom staklu). Drugi problem su kapljice vode koje teku niz vanjsku stranu stakla kada pada kiša. Oni igraju ulogu leća i mogu dovesti do raspršenja zraka. Kako bi se smanjio ovaj učinak, preporuča se instalirati opremu blizu vrha stakla.

Kako bi se osigurala kvalitetna komunikacija, potrebno je uzeti u obzir neke osnovne zahtjeve.

Najvažniji od njih, bez kojih će komunikacija biti nemoguća, jest da zgrade moraju biti unutar vidnog polja, a da na putu snopa ne smije biti neprozirnih prepreka. Osim toga, budući da laserska zraka u području prijemnika ima promjer od 2 m, potrebno je da primopredajnici budu iznad pješaka i prometa na visini od najmanje 5 m. To je zbog sigurnosnih propisa. Promet je također izvor plinova i prašine, koji utječu na pouzdanost i kvalitetu prijenosa. Snop se ne smije širiti u neposrednoj blizini dalekovoda niti ih prelaziti. Potrebno je uzeti u obzir mogući rast stabala, pomicanje njihovih krošnji za vrijeme naleta vjetra, kao i utjecaj oborina i moguće kvarove zbog letećih ptica.

Ispravan izbor primopredajnika jamči stabilan rad kanala u cijelom rasponu klimatskih uvjeta u Rusiji. Na primjer, s velikim promjerom grede smanjuje se vjerojatnost kvarova povezanih s oborinama.

Laserska oprema nije izvor elektromagnetskog zračenja (EMR). Međutim, ako se postavi u blizini uređaja s EMI, tada će elektronička oprema lasera pokupiti ovo zračenje, što može uzrokovati promjenu signala i u prijemniku i u odašiljaču. To će utjecati na kvalitetu komunikacije, stoga se ne preporuča postavljanje laserske opreme u blizinu izvora elektromagnetskih zračenja kao što su moćne radio stanice, antene itd.

Prilikom ugradnje lasera poželjno je izbjegavati orijentaciju laserskih primopredajnika u smjeru istok-zapad, jer nekoliko dana u godini sunčeve zrake mogu blokirati lasersko zračenje na nekoliko minuta, a prijenos će postati nemoguć čak i uz posebne optičke filtere. u prijemniku. Znajući kako se sunce kreće po nebu na određenom području, lako možete riješiti ovaj problem.

Vibracije mogu uzrokovati pomak laserskog primopredajnika. Kako biste to izbjegli, ne preporučuje se postavljanje laserskih sustava u blizini motora, kompresora itd.

Slika 1. Postavljanje i spajanje laserskih primopredajnika.

Nekoliko tipičnih načina uključivanja

Laserska komunikacija pomoći će riješiti problem komunikacije kratkog dometa u povezivanju točka-točka. Kao primjere, razmotrite nekoliko tipičnih opcija ili metoda uključivanja. Dakle, imate središnji ured (CO) i podružnicu (F), od kojih svaka ima računalnu mrežu.

Slika 2 prikazuje varijantu organizacije komunikacijskog kanala za slučaj u kojem je potrebno kombinirati F i CO, koristeći Ethernet kao mrežni protokol i koaksijalni kabel (debeo ili tanak) kao fizički medij. CO ugošćuje LAN poslužitelj, a PC hostira računala koja se trebaju spojiti na ovaj poslužitelj. Uz pomoć laserskih sustava, na primjer modela LOO-28/LOO-28S ili OB2000E, ovaj problem možete jednostavno riješiti. Most je instaliran u CO, a repetitor u F. Ako most ili repetitor ima optičko sučelje, tada optički minimodem nije potreban. Laserski primopredajnici su povezani putem dvostrukog optičkog vlakna. Model LOO-28S omogućit će vam komunikaciju na udaljenosti do 213 m, a LOO-28 - do 1000 m s "pouzdanim" kutom prijema od 3 mrad. Model OB2000E pokriva udaljenosti do 1200 m uz "dobri" kut prijema od 5 mrad. Svi ovi modeli rade u punom duplex modu i pružaju brzinu prijenosa od 10 Mbps.

Slika 2. Povezivanje udaljenog Ethernet LAN segmenta na temelju koaksijalnog kabela.

Slična opcija za kombiniranje dvije Ethernet mreže koristeći upleteni par (10BaseT) kao fizički medij prikazana je na slici 3. Njena razlika je u tome što se umjesto mosta i repetitora koriste čvorišta koja imaju potreban broj od 10BaseT konektori i jedan AUI ili FOIRL za spajanje laserskih primopredajnika. U tom slučaju potrebno je ugraditi laserski primopredajnik LOO-38 ili LOO-38S koji osigurava potrebnu brzinu prijenosa u full duplex načinu rada. Model LOO-38 može komunicirati do 1000m, a LOO-38S do 213m.

Slika 3. Povezivanje udaljenog Ethernet LAN segmenta s upredenim paricama.

Slika 4 prikazuje varijantu kombiniranog prijenosa podataka između dva LAN-a (Ethernet) i multicast digitalnog toka E1 (PCM30) između dva PBX-a (u CO i F). Za rješavanje ovog problema prikladan je model OB2846 koji omogućuje prijenos podataka i glasa brzinom od 12 (10 + 2) Mbps na udaljenosti do 1200 m. Koaksijalni kabel od 75 ohma preko BNC konektora. Valja napomenuti da multipleksiranje tokova podataka i govora ne zahtijeva dodatnu opremu i obavlja se od strane primopredajnika bez smanjenja propusnosti svakog od njih posebno.

Slika 4. Objedinjavanje računalne i telefonske mreže.

Izvedba prijenosa podataka velike brzine između dva LAN-a (LAN "A" u CO i LAN "B" u F) pomoću ATM prekidača i laserskih primopredajnika prikazana je na slici 5. Model OB4000 riješit će problem visoke ubrzati komunikaciju kratkog dometa na optimalan način. Moći ćete prenositi E3, OS1, SONET1 i ATM52 streamove potrebnim brzinama na udaljenosti do 1200 m, te 100 Base-VG ili VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX ili Fast Ethernet (802.3), FDDI, TAXI 100/ 140, OC3, SONET3 i ATM155 na potrebnim brzinama do 1000 m. Preneseni podaci se isporučuju na laserski primopredajnik pomoću standardnog dvostrukog optičkog vlakna spojenog preko SMA konektora.

Slika 5. Agregacija brzih telekomunikacijskih mreža.

Navedeni primjeri ne iscrpljuju sve moguće primjene laserske opreme.

Što je isplativije?

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

Tablica 3

30. siječnja u orbitu je lansiran satelit Eutelsat 9B. Postao je prvi satelit opremljen sustavom EDRS (European Data Communication System). Želeći saznati više o novoj tehnologiji, dopisnik Mediasata otišao je u ured developera EDRS modula, Tesat, koji se nalazi u malom njemačkom gradiću Backnang. Voditelj odjela za lasersku tehnologiju, Matthias Motsigemba, razgledao je tvrtku i govorio o laserskoj komunikacijskoj tehnologiji, koja je još uvijek malo poznata u svijetu.

Uz potporu Njemačke svemirske agencije, Tesat je razvio Laser Communications Terminal (LCT), koji pruža podršku za prijenos podataka velike brzine između niske orbite (LEO) i geostacionarnih (GEO) satelita. Terminal omogućuje prijenos podataka brzinom od 1,8 Gbit/s na udaljenosti do 45.000 kilometara. Ovi LCT terminali trebali bi postati osnova glavnih kanala prijenosa podataka u EDRS sustavu, koji bi trebali osigurati prijenos podataka između LEO i GEO satelita.

Matthias Motsigemba: “Sada imamo priliku pružiti visokokvalitetne usluge u načinu koji je blizu stvarnom vremenu. Jako je bitno! LEO satelit snima sliku i šalje je GEO satelitu, koji je zauzvrat šalje na tlo u radiofrekvencijskom rasponu. Laserska zraka je izvrsno rješenje u vakuumu, ali u atmosferskim uvjetima nije najbolji izbor, jer oblaci mogu ometati. Za zaštitu TV signala možete koristiti visoke brzine prijenosa podataka i optičku tehnologiju protiv smetnji u dovodnoj liniji. Pojava laserske komunikacijske tehnologije može se usporediti s početkom korištenja optičkih vlakana umjesto bakra.”

Teleport sustava za promatranje Zemlje mogao bi biti strana služba koja koristi nezaštićene zemaljske linije.
Optička podatkovna usluga (LEO do GEO i GEO do zemaljske prijenosne stanice).
Zemaljska stanica može se nalaziti u svojoj zemlji u vidokrugu GEO satelita.
S/C je suverenitet vaše informacijske imovine.

Potrebu za razvojem ove tehnologije diktirala je sve veća potražnja za kapacitetima prijenosa podataka za civilne i vojne satelite za nadzor, misije HALE. Ideju o stvaranju EDRS sustava iznijela je Europska komisija, koja je već angažirana na satelitskoj konstelaciji Sentinel, programu Copernicus. Sljedeći korak trebao bi biti stvaranje međusatelitskih komunikacijskih kanala. Eutelsat je ponudio kapacitete za komunikacijski modul na satelitu Eutelsat 9B. Nakon sedam godina razvoja prve i druge generacije LCT-a, LCT sustav na Alphasatu pokrenut je u srpnju 2013. godine. LCT sustav na satelitu Sentinel-1A uspješno je integriran u prosincu 2013. U prosincu 2014. lansiran je i pušten u rad satelit Sentinel 1A. U studenom 2014. Europska svemirska agencija i Tesat održali su zajedničku prezentaciju uživo tijekom koje je radarska slika u gotovo realnom vremenu sa satelita Sentinel-1A poslana preko Alphasata na udaljenosti od 41.700 kilometara do zemaljske stanice.

“Tehnički ne postoji razlika između laserske komunikacijske opreme instalirane na Alphasatu i iste opreme na Eutelsatu 9B. Alphasat je demonstrirao tehničke mogućnosti projekta, dok je EDRS sustav na satelitu Eutelsat 9 B komercijalna usluga koju nudi Airbus Defense and Space. Obično satelit za promatranje Zemlje ima 10 minuta da uspostavi kontakt sa zemaljskom stanicom i 90 minuta da kruži oko Zemlje. To znači da možete koristiti samo 10% svemirske imovine, a u slučaju nužde ili prirodne katastrofe previše vremena se troši na čekanje na kontakt sa zemaljskom stanicom za promatranje. Sada, na primjer, promatrajući morska plovila, možete otkriti problem u roku od 15 minuta. , kaže Matthias Motsigemba.

Ključni element linije proizvoda je LCT-135 (135 mm Beam Telescope) za GEO/LEO međusatelitsku vezu. Kao iu slučaju prethodnog modela, LCT-125, uređaj integrira sve optičke, mehaničke i električne podmodule terminala, kao što su sustav distribucije energije, ugrađeni procesor, moduli za praćenje i prikupljanje podataka te sustav za obradu podataka u jedna jedinica. Podaci sa satelitskih AOCS senzora lako se prenose na LCT putem standardnog sučelja - LIAU (Laser Interface Adaptation Unit).

LCT parametri:

• Domet - 45.000 km.
• Težina: 53 kg.
• Brzina prijenosa podataka (puni duplex):
  za EDRS - 1,8 Gbps, za ostale misije - 5,65 Gbps.
• Snaga prijenosa: 2,2W
• Maksimalna potrošnja energije: 160W
• Dimenzije: 0,6 x 0,6 x 0,7 m.

Optička vlakna i laserska komunikacija

Od antike se svjetlo koristilo za prenošenje poruka. Kina, Egipat i Grčka koristile su dim danju i vatru noću za prijenos signala. Među prvim povijesnim dokazima optičke komunikacije možemo se prisjetiti opsade Troje. U svojoj tragediji "Agamemnon" Eshil daje detaljan opis lanca signalnih svjetala na vrhovima planina Ida, Anthos. Masisto, Egiplanto i Aracnea, kao i na liticama Lemna i Kifare, da prenesu Argu vijest o zauzeću Troje od strane Ahejaca.

U kasnija, ali antička vremena, rimski car Tiberije, dok je bio u Capriju, koristio je svjetlosne signale za komunikaciju s obalom.

Na Capriju se još uvijek mogu vidjeti ruševine antičkog "Fara" (svjetlo) u blizini vile cara Tiberija na planini Tiberio.

U Sjevernoj Americi, jedan od prvih optičkih komunikacijskih sustava instaliran je prije oko 300 godina u koloniji Nova Francuska (danas pokrajina Quebec u Kanadi). Regionalna vlada, u strahu od mogućnosti napada engleske flote, postavila je brojne svjetionike u mnogim selima uz rijeku St. Lawrence. U ovom krugu, koji je započeo u Il Verteu, oko 200 km nizvodno od Quebeca, bilo je najmanje 13 točaka. Od početka 1700-ih. u svakom od ovih sela, svake noći plovidbenog razdoblja, bila je straža čija je zadaća bila promatrati signal poslan iz sela nizvodno i prenositi ga dalje. S takvim je sustavom poruka o britanskom napadu 1759. stigla u Quebec prije nego što je bilo prekasno.

Godine 1790. francuski inženjer Claude Chappe izumio je semafore (optički telegraf) postavljene na tornjeve postavljene u vidokrugu jedan drugome, omogućujući slanje poruka s jednog tornja na drugi. Godine 1880. Alexander Graham Bell (1847-1922) dobio je patent za "fotofon" uređaj koji koristi reflektiranu sunčevu svjetlost za prijenos zvuka do prijemnika. Reflektirano svjetlo je modulirano u intenzitetu vibriranjem 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 fotofon smatrao svojim najvažnijim izumom, njegova je upotreba bila ograničena vremenskim prilikama. Međutim, ova okolnost nije spriječila Bella da svom ocu napiše:

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

Izum lasera potaknuo je povećan interes za optičke komunikacije. Međutim, ubrzo se pokazalo da Zemljina atmosfera na nepoželjan način iskrivljuje širenje laserske svjetlosti. Razmatrani su različiti sustavi, poput cijevi s plinskim lećama i dielektričnih valovoda, ali svi su napušteni kasnih 1960-ih kada su razvijena optička vlakna s malim gubicima.

Shvaćanje da tanka staklena vlakna mogu provoditi svjetlost kroz potpunu unutarnju refleksiju bila je stara ideja poznata još od 19. stoljeća. zahvaljujući engleskom fizičaru Johnu Tyndallu (1820-1893) i koristi se u alatima i za rasvjetu. Međutim, šezdesetih godina 20. stoljeća. čak su i najbolja stakla imala veliko slabljenje svjetlosti koja se prenosi kroz vlakno, što je ozbiljno ograničavalo duljinu širenja. Tada je tipična vrijednost prigušenja bila jedan decibel po metru, što znači da se nakon 1 m puta prijenosna snaga smanjuje na 80%. Stoga je bilo moguće samo širenje duž vlakna dugog nekoliko desetaka metara, a jedina primjena bila je medicina, poput endoskopa. Godine 1966. Charles Kao i George Hockham iz Standard Telecommunications Laboratory (UK) objavili su temeljno djelo u kojem su pokazali da ako se nečistoće pažljivo eliminiraju u topljenom silicij dioksidu, a vlakno je okruženo omotačem s nižim indeksom loma, tada dolazi do slabljenja može se smanjiti na -20 dB/km. To znači da se pri prolasku duljine od 1 km snaga snopa slabi na stoti dio ulazne snage. Iako je to vrlo mala vrijednost, prihvatljiva je za brojne primjene.

Kao što je to često slučaj u takvim situacijama, u Velikoj Britaniji, Japanu i SAD-u započeli su intenzivni napori za proizvodnju vlakana s poboljšanim performansama. Prvi uspjeh postigli su 1970. E. P. Capron, Donald Keck i Robert Mayer iz tvrtke Corning Glass. Napravili su vlakna koja su imala gubitak od 20 dB/km na valnoj duljini od 6328 A° (valna duljina He-Ne lasera). Iste godine I. Hayashi i suradnici izvijestili su o laserskoj diodi koja radi na sobnoj temperaturi.

Godine 1971. I. Jacobs imenovan je direktorom Laboratorija za digitalne komunikacije u AT&T Bell Laboratories (Holmdel, New Jersey, SAD) i bio je zadužen za razvoj sustava s visokim brzinama prijenosa informacija. Njegovi šefovi W. Danielson i R. Kompfner premjestili su dio osoblja u drugi laboratorij, na čelu sa S. Millerom, kako bi "držali na oku" što se događa na području optičkih vlakana. Tri godine kasnije, Danielson i Kompfner naručili su Jacobsa da oformi istraživačku skupinu za proučavanje izvedivosti komunikacije temeljene na vlaknima. Bilo je jasno da je najekonomičnija, početna primjena sustava koji koriste svjetlo bila komunikacija telefonskih centrala u velikim gradovima. Zatim su za to korišteni kabeli, a informacije su se prenosile u digitalnom obliku, kodiranjem ih nizom impulsa. Činilo se da su vlakna, sa svojom sposobnošću prijenosa golemih količina informacija, idealna zamjena za električne kabele. Uredi i telefonske centrale u velikim gradovima nalaze se na udaljenosti od nekoliko kilometara jedan od drugog, a i tada su se mogli bez problema spojiti, čak i pomoću vlakana s relativno velikim gubicima.

Tako je sredinom 1976. godine u Atlanti napravljen preliminarni eksperiment s optičkim kabelima smještenim u cijevi od konvencionalnih kabela. Početni uspjeh ovih pokušaja rezultirao je sustavom koji je povezivao dvije telefonske centrale u Chicagu. Na temelju ovih prvih rezultata, u jesen 1977. Bell Labs je odlučio razviti optički sustav za opću upotrebu. Godine 1983. uspostavljena je veza između Washingtona i Bostona, iako je to bilo povezano s mnogim poteškoćama. Ovaj komunikacijski sustav radio je brzinom prijenosa od 90 Mbps. Koristio je višemodno vlakno na valnoj duljini od 825 nm.

U međuvremenu, NTTC (japanska telegrafska i telefonska kompanija) uspjela je povući vlakna s gubitkom od samo 0,5 dB/km na valnim duljinama od 1,3 i 1,5 mikrona, a Lincoln Laboratory na MIT-u pokazao je rad InGaAsP laserske diode sposobne za kontinuirani rad u rasponu između 1,0 i 1,7 µm na sobnoj temperaturi. Upotreba vlakana s malim gubicima na 1,3 µm dovela je do naprednijih sustava. Sustavi su izgrađeni s propusnošću od 400 Mbps u Japanu i 560 Mbps u Europi. Europski sustav mogao bi odašiljati 8000 telefonskih kanala istovremeno. U SAD-u je proizvedeno više od 3,5 milijuna kilometara vlakana. Jedini dio koji još uvijek koristi bakrenu žicu je veza između kuće i telefonske centrale. Ova "posljednja milja", kako su je počeli nazivati, također postaje meta optičkih komunikacija.

Prvi transatlantski telegrafski kabel pušten je u rad 1858. Gotovo stotinu godina kasnije, 1956. godine, položen je prvi telefonski kabel nazvan TAT-1. Godine 1988. počela je s radom prva generacija transatlantskih kabela na optička vlakna (počeli su se zvati TAT-8). Djeluju na valnoj duljini od 1,3 mikrona i povezuju Europu, Sjevernu 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 s UK, Francuskom i Španjolskom. Druga linija prometuje između SAD-a i Kanade i Japana.

U svijetu postoji niz drugih optičkih linija. Na primjer, optička podmorska veza između Engleske i Japana pokriva 27.300 km u Atlantskom oceanu, Sredozemnom moru, Crvenom moru, Indijskom oceanu, Tihom oceanu i ima 120.000 međupojačala po paru vlakana. Za usporedbu, prvi transatlantski telefonski kabel 1956. koristio je 36 pretvarača, dok je prvi optički kabel položen preko Atlantskog oceana koristio 80.000.

Danas, nakon 30 godina istraživanja, optička su vlakna dosegla svoje fizičke granice. Silikatna vlakna mogu prenositi infracrvene impulse na valnoj duljini od 1,5 mikrona s minimalnim gubitkom od 5% po kilometru. Ti se gubici ne mogu smanjiti zbog fizikalnih zakona širenja svjetlosti (Maxwellovi zakoni) i temeljne prirode stakla.

Međutim, postoji jedno postignuće koje može radikalno poboljšati situaciju. To je sposobnost izravnog pojačanja optičkih signala u vlaknu, t.j. a da ih prethodno ne treba izvaditi iz vlakana. Dodavanjem prikladnih elementarnih nečistoća kao što je erbij u materijal vlakana i njihovim pobuđivanjem odgovarajućom svjetlošću pumpe kroz samo vlakno, može se dobiti inverzija populacije između dvije razine erbija s prijelazom koji iznosi točno 1,5 µm. Kao rezultat, moguće je dobiti pojačanje svjetlosnog impulsa na ovoj valnoj duljini dok se širi kroz vlakno. Komad takvog aktivnog vlakna stavlja se između dva kraja vlakana kroz koja se širi signal. Uz pomoć optičke spojnice, zračenje pumpe se također usmjerava na ovaj komad. Na izlazu, ostatak zračenja pumpe izlazi, a pojačani signal nastavlja se širiti kroz vlakno. Koristeći ovaj pristup, mogu se eliminirati srednja elektronička pojačala. U starijim sustavima elektroničkih pojačala, svjetlost je izlazila iz vlakna, bilježila se fotoelektričnim prijemnikom, signal je pojačan i pretvoren u svjetlost koja se nastavila širiti u sljedećem dijelu vlakna.