Trenutno, laserska tehnologija otvara nove mogućnosti za poboljšanje komunikacijskih sustava, lociranja i radio kontrole. Ove su mogućnosti povezane s ogromnim dobitkom odašiljačkih optičkih antena, što omogućuje postizanje visokog omjera signal-šum u prijemniku u širokom frekvencijskom pojasu s odašiljačima male snage i uz mogućnost korištenja vrlo široke frekvencije. pojasevi pri prijenosu i primanju optičkih signala.

Laserski sustavi za prijenos informacija imaju sljedeće prednosti u odnosu na radijske sustave.

Sposobnost prijenosa informacija vrlo velikom brzinom uz relativno malu snagu odašiljača i male ukupne dimenzije antene. Danas laserske komunikacijske linije mogu osigurati prijenos informacija brzinama do 102 Gbps i više. Uz multipleksiranje s vremenskom podjelom, moguće je dobiti rezultantnu brzinu ponavljanja impulsa veću od 100 GHz u višekanalnoj komunikacijskoj liniji, što premašuje cjelokupnu širinu frekvencijskog spektra koji se danas koristi.

Tajnost prijenosa informacija i zaštita od organiziranih smetnji (zbog vrlo uskih antenskih dijagrama odašiljačkih i prijamnih antena, koje čine jedinice kutnih sekundi).

Međutim, postoje i nedostaci, od kojih su glavni: ovisnost rada o vremenskim uvjetima i potreba za korištenjem svjetlosnih vodiča (kvarc, staklena vlakna).

U svemirskim komunikacijskim sustavima "AES-AES" otvaraju se realni izgledi za laserske komunikacijske sustave zbog nepostojanja atmosfere. U takvim će se sustavima širokopojasne i uskopojasne informacije iz LEO letjelica prenositi putem laserskih komunikacijskih linija do stacionarnih satelita i od njih do zemaljskih stanica. Satelitski komunikacijski sustavi "Zemlja-Zemlja" preko satelitskog repetitora s laserskim komunikacijskim linijama bit će od velike važnosti.

Proračuni pokazuju da je u takvom komunikacijskom kanalu ostvariva brzina prijenosa informacija veća od 1 Mbit/s iz područja Marsa. Za usporedbu, možemo reći da u postojećim telemetrijskim radijskim linijama za komunikaciju sa svemirskim letjelicama u području Marsa brzina prijenosa informacija ne prelazi 10 bita/s.

Prije rasprave o pitanju odabira sustava za svemirske komunikacije, procijenimo prednosti i nedostatke korištenih sustava:

s izravnim otkrivanjem (slika 8, a);

s heterodinskim prijemnikom (slika 8, b).

Riža. 8

Imajte na umu da je otpornost na buku oba sustava približno jednaka, a za istu frekvenciju i istu razinu razvoja laserske tehnologije, prvi sustav ima jasne prednosti, a to su:

Ima jednostavniji prijemni uređaj;

Neosjetljiv na Dopplerov pomak frekvencije, što eliminira potrebu traženja signala po frekvenciji u prijamniku (kao što je slučaj u drugom sustavu);

Neosjetljiva na izobličenje valnog fronta (koja se događa u turbulentnoj atmosferi), pa su moguće jednostavne zemaljske antene s velikim otvorima. U heterodinskom prijamniku atmosferska turbulencija ograničava veličinu prijamne antene, a za njeno povećanje (područje antene) potrebno je koristiti antenski niz koji se sastoji od više antena s uređajem za kombiniranje izlaznih signala;

Ima prijamnu antenu koja nema visoke zahtjeve optičke kvalitete, što omogućuje implementaciju lakših i jeftinijih antena u zraku;

Omogućuje implementaciju učinkovitijih metoda međusobnog usmjeravanja odašiljačkih i prijemnih antena (u usporedbi s jednostupanjskim rasterskim skeniranjem u drugom sustavu).

Jedina prednost sustava s heterodinskim prijamnikom je učinkovitije potiskivanje pozadine u prijemniku (u usporedbi s prvim).

Hajdemo analizirati frekvencijska prikladnost lasera za svemirske komunikacije.

Zbog dugog komunikacijskog dometa potrebni su odašiljači prosječne snage od frakcija do nekoliko vata. Ovi laseri prihvatljive učinkovitosti dostupni su u tri glavna raspona:

10 μm - CO2 plinski laser s = 10,6 μm, u jednom modu pri P = 1 W = 10%, t rad = 10 tisuća sati neprekidnog rada (prikladan za opremu na brodu i zbog stabilnosti visoke frekvencije može raditi u sustavu s heterodinskim prijemnikom);

1 μm - itrij-aluminij granat (YAG) laser u čvrstom stanju, aktiviran s niodimom (J-Al / Nd) = 1,06 μm, = 1,5 2%, P max = n0,1 W (takav laser može uspješno raditi na stacionarnom sateliti, budući da se crpljenje vrši nizovima LED ili solarnim crpnim uređajima.at = 10% Rezultat = 10 LED dioda imaju duži resurs, ali im je snaga mala i stoga su prikladne samo za odašiljače male snage do 0,1 W) ;

0,5 µm - obećavajući Nd:YAG laser koji radi u načinu udvostručavanja frekvencije = 0,53 µm (svijetlo zeleno) s učinkovitošću pretvarača blizu jedinice.

Za laserske komunikacijske linije male brzine obećavaju pulsni plinski laseri na bazi metalnih para. U impulsnom načinu rada laser na paru bakra ima = 0,5106 i 0,5782 μm i = = 5% (u Q-switched modu) pri prosječnoj snazi ​​od nekoliko vata.

Mogućnosti tehnologije prijema u ova tri raspona su sljedeće:

10,6 mikrona - postoje fotodetektori s visokom kvantnom učinkovitošću (40-50%) kada su ohlađeni na 77 100 K, ali od fotodetektori nemaju unutarnje pojačanje, nisu prikladni za sustave s izravnom detekcijom;

1,06 µm - PMT ili lavinske fotodiode mogu se koristiti za sustave s izravnom detekcijom. Ali kvantna učinkovitost PMT-a na ovoj valnoj duljini je samo 0,008, tako da je ovaj raspon značajno inferioran u odnosu na prvi;

Pokazalo se da je 0,53 µm prihvatljiviji raspon u načinu izravne detekcije, budući da njegovi pokazatelji zbog povećanja učinkovitosti PMT-a znatno su veći.

Dakle, postoje dva svemirska komunikacijska sustava:

S izravnom detekcijom signala na valnoj duljini od 0,53 μm;

S 10,6 µm IR heterodinskim prijemnikom.

Štoviše, sustav s = 10,6 μm ima:

Niža razina kvantne buke (budući da je spektralna gustoća kvantnog šuma proporcionalna vrijednosti hf, tada je na = 10,6 μm 20 puta manja nego pri = 0,53 μm);

Učinkovitost laserskog odašiljača u rasponu = 10,6 µm veća je nego za = 0,53 µm.

Prva dva svojstva sustava omogućuju korištenje širih dijagrama zračenja odašiljača u usporedbi sa sustavom vidljivog dometa, što pojednostavljuje sustav navođenja.

Nedostaci su isti kao i kod heterodinske metode.

Sustav vidljivog raspona = 0,53 mikrona, s višom razinom kvantnog šuma, nižom učinkovitošću odašiljača, može značajno smanjiti dijagram antene odašiljačke antene. Dakle, ako su otvori odašiljačkih antena isti (at = 0,53 i 10,6 mikrona), tada će antena za odašiljanje na = 0,53 mikrona imati pojačanje 400 puta veće nego pri = 10,6 mikrona, što s marginom kompenzira gore navedene nedostatke . Uži snopovi odašiljačkih antena kompliciraju sustav međusobnog usmjeravanja odašiljačkih i prijamnih antena, međutim korištenje učinkovitih višestupanjskih metoda pretraživanja može značajno smanjiti vrijeme ulaska u komunikaciju. Štoviše, u heterodinskom prijamniku moguće je samo jednostavno rastersko skeniranje pri traženju signala, a vrijeme pretraživanja je značajno povećano zbog potrebe istovremenog traženja signala po frekvenciji.

Važna prednost antene vidljivog dometa je mogućnost izgradnje satelitskog komunikacijskog sustava za višestruki pristup. U ovom slučaju, nekoliko (prema broju komunikacijskih linija) jednostavnih prijamnika za izravnu detekciju postavljeno je na AES-RRS. Za sustave u rasponu od 10,6 μm to je praktički neizvedivo zbog složenosti heterodinskih prijemnika s glomaznim uređajima za hlađenje fotomiksera.

Dakle, prema postojećoj tehničkoj razini, sustavi s izravnom detekcijom (= 0,53 μm) imaju značajne prednosti:

za svemirsku komunikaciju na daljinu "KA-Zemlja" kroz atmosferu;

za satelitski sustav s višestrukim pristupom.

Za satelitski komunikacijski sustav, kada se prijemni (ili odašiljajući) snop satelitskog repetitora "prebacuje" s jednog pretplatnika na drugog prema programu, komunikacijski sustav s velikom širinom pojasa na = 0,53 i 10,6 μm ima usporedive karakteristike na informacijama brzine prijenosa do nekoliko stotina megabita u sekundi. Veće brzine prijenosa podataka (više od 10 Gbit/s) u sustavu s = 10,6 mikrona teško je ostvariti, dok se u vidljivom rasponu mogu jednostavno osigurati zbog vremenskog multipleksiranja kanala.

Primjer implementacije komunikacijskog sustava za tri sinkrona satelita (slika 9):

valna duljina odašiljača = 0,53 μm (izravna detekcija);

modulaciju provodi elektrooptički modulator, a modulacijski signal je mikrovalni podnosač sa središnjom frekvencijom m = 3 GHz i bočnim pojasom od min = 2,5 10 9 do max = 3,5 10 9 Hz (tj. = 10 9 Hz );

Riža. 9

elektrooptički modulator (kristal) radi u poprečnom modu s elektrooptičkim koeficijentom r 4 · 10 -11 pri mikrovalnoj dielektričnoj konstanti = 55 0. Maksimalna dubina modulacije - G m = / 3;

kolimirajuće i prijemne leće veličine su 10 cm;

omjer signal-šum na izlazu pojačala nakon PMT-a je 10

Odredimo ukupnu snagu izvora istosmjerne struje kojom se satelit mora napajati da bi zadovoljio zahtjeve projektnog zadatka (najprije utvrđujemo razinu optičke snage odašiljenog zračenja, a zatim modulacijsku snagu potrebnu za rad).

Riješenje: Sinkroni satelit ima orbitalni period od 24 sata. Udaljenost od Zemlje do satelita određena je iz jednakosti centrifugalnih i gravitacijskih sila

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

gdje je V brzina satelita; m njegova masa; g - gravitacijsko ubrzanje na površini Zemlje; R ES je udaljenost od središta Zemlje do satelita; R Zemlja - polumjer Zemlje.

Brzina sinkrone orbitalne rotacije (24 sata) omogućuje određivanje

V / R ES = 2 / (246060), zatim R ES = 42 222 km.

Udaljenost između satelita R = 73 12 km s razmakom od 120 O.

P R = P T (R / T).

Propušteni optički snop (slika 35) difragira s kutom divergencije snopa, koji je povezan s minimalnim polumjerom snopa 0 izrazom

snop = / 0.

Odgovarajući kut T = (snopa) 2.

Ako uzmemo 0 jednak polumjeru dt odašiljajuće leće, onda

Čvrsti kut prijemnika je

R = d 2 R / R 2,

R je udaljenost između odašiljača i prijemnika.

Iz (42), (44), (45) imamo

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

Zapišimo omjer signala i šuma na izlazu PMT-a koji radi u načinu kvantnog ograničenja (tj. kada je glavni izvor šuma šum samog signala):

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

gdje je R R optička snaga, G je pojačanje struje, i d je tamna struja. Kod = 0,53 µm, = 0,2 je učinkovitost pretvorbe snage, = 10 9 Hz s / w = 10 3 dobivamo R R 2 · 10 -6. U ovom slučaju, potrebna snaga u skladu s (46) pri R = 7,5 · 10 4 m bit će P t 3 W.

Od sredine 20. stoljeća započela su aktivna istraživanja mikrovalnih pećnica. Američki fizičar Charles Townes odlučio je povećati intenzitet mikrovalne zrake. Nakon što je zagrijavanjem ili električnom stimulacijom pobudio molekule amonijaka do visoke energetske razine, znanstvenik je zatim kroz njih poslao slabu mikrovalnu zraku. Rezultat je bilo snažno mikrovalno pojačalo, koje je Townes 1953. nazvao "maser". Godine 1958. Townes i Arthur Shawlov napravili su sljedeći korak: umjesto mikrovalnih pećnica, pokušali su pojačati vidljivo svjetlo. Na temelju ovih eksperimenata, Maiman je 1960. stvorio prvi laser.

Stvaranje lasera omogućilo je rješavanje širokog spektra problema koji su pridonijeli značajnom razvoju znanosti i tehnologije. To je omogućilo krajem 20., početkom 21. stoljeća razvoj razvoja kao što su: optičke komunikacijske linije, medicinski laseri, laserska obrada materijala (toplinska obrada, zavarivanje, rezanje, graviranje itd.), laser navođenje i označavanje cilja, laserski pisači, čitači crtičnog koda i još mnogo toga. Svi su ti izumi uvelike pojednostavili, poput života običnog čovjeka, i omogućili razvoj novih tehničkih rješenja.

Ovaj će članak dati odgovore na sljedeća pitanja:

1) Što je bežična laserska komunikacija? Kako se to radi?

2) Koji su uvjeti za korištenje laserske komunikacije u svemiru?

3) Koja je oprema potrebna za lasersku komunikaciju?

Definicija bežične laserske komunikacije, metode njezine implementacije.

Bežična laserska komunikacija je vrsta optičke komunikacije koja koristi elektromagnetske valove u optičkom rasponu (svjetlo) koje se prenosi kroz atmosferu ili vakuum.

Lasersko povezivanje dvaju objekata provodi se samo putem veze točka-točka. Tehnologija se temelji na prijenosu moduliranih infracrvenih podataka kroz atmosferu. Odašiljač je moćna poluvodička laserska dioda. Informacija ulazi u modul primopredajnika, u kojem je kodirana raznim kodovima protiv ometanja, modulirana optičkim laserskim odašiljačem i fokusirana optičkim sustavom odašiljača u usku kolimiranu lasersku zraku i odašiljana u atmosferu.

Na prijemnoj strani, optički sustav fokusira optički signal na visokoosjetljivu fotodiodu (ili lavinu fotodiodu), koja pretvara optički snop u električni signal. Štoviše, što je viša frekvencija (do 1,5 GHz), to je veća količina prenesenih informacija. Signal se zatim demodulira i pretvara u signale izlaznog sučelja.

Valna duljina u većini implementiranih sustava varira između 700-950 nm ili 1550 nm, ovisno o korištenoj laserskoj diodi.

Iz navedenog proizlazi da su ključni instrumentalni elementi za lasersku komunikaciju poluvodička laserska dioda i fotodioda visoke osjetljivosti (lavina fotodioda). Razmotrimo malo detaljnije princip njihova rada.

Laserska dioda - poluvodički laser na bazi diode. Njegov se rad temelji na pojavi inverznih populacija u području p-n spoja nakon ubrizgavanja nositelja naboja. Primjer moderne laserske diode prikazan je na slici 1.

Avalanche fotodiode su visokoosjetljivi poluvodički uređaji koji pretvaraju svjetlost u električni signal putem fotoelektričnog efekta. Mogu se smatrati fotodetektorima koji osiguravaju unutarnje pojačanje kroz efekt umnožavanja lavine. S funkcionalnog stajališta, oni su solid-state analogi fotomultiplikatora. Lavine fotodiode su osjetljivije od ostalih poluvodičkih fotodetektora, što ih omogućuje korištenje za bilježenje slabih svjetlosnih snaga (≲ 1 nW). Primjer moderne lavinske fotodiode prikazan je na slici 2.

Uvjeti za korištenje laserske komunikacije u svemiru.

Jedan od obećavajućih pravaca u razvoju svemirskih komunikacijskih sustava su sustavi bazirani na prijenosu informacija putem laserskog kanala, budući da ti sustavi mogu pružiti veću propusnost, uz manju potrošnju energije, ukupne dimenzije i težinu primopredajne opreme od trenutno korištene opreme. radiokomunikacijski sustavi.

Svemirski laserski komunikacijski sustavi potencijalno mogu osigurati iznimno veliku brzinu protoka informacija - od 10-100 Mbit/s do 1-10 Gbit/s i više.

Međutim, postoji niz tehničkih problema koje je potrebno riješiti za implementaciju laserskih komunikacijskih kanala između letjelice (SC) i Zemlje:

• potrebna je visoka točnost vođenja i međusobnog praćenja na udaljenostima od pola tisuće do desetke tisuća kilometara i kada se nosači kreću kozmičkim brzinama.
• Principi primanja i prijenosa informacija laserskim kanalom znatno su komplicirani.
• Optoelektronička oprema postaje sve složenija: precizna optika, precizna mehanika, poluvodički i fiber laseri, visokoosjetljivi prijemnici.

Eksperimenti implementacije svemirske laserske komunikacije

Eksperimente na implementaciji laserskih komunikacijskih sustava za prijenos velike količine informacija provode i Rusija i Sjedinjene Američke Države.

Laserski komunikacijski sustav (SLS) RF

Godine 2013. izveden je prvi ruski eksperiment za prijenos informacija pomoću laserskih sustava sa Zemlje na ruski segment Međunarodne svemirske postaje (ISS RS) i obrnuto.

Svemirski eksperiment "SLS" proveden je s ciljem testiranja i demonstracije ruske tehnologije i opreme za primanje i prijenos informacija svemirskom laserskom komunikacijskom linijom.

Ciljevi eksperimenta su:

• ispitivanje u uvjetima svemirskog leta na ISS RS glavnih tehnoloških i projektantskih rješenja ugrađenih u standardnu ​​opremu međusatelitskog laserskog sustava prijenosa informacija;
• razvoj tehnologije za primanje i prijenos informacija pomoću laserske komunikacijske linije;
• istraživanje mogućnosti i uvjeta operativnosti laserskih komunikacijskih linija "ploča svemirske letjelice - točka tla" u različitim uvjetima atmosfere.

Planirano je da se eksperiment provede u dvije faze.

U prvoj fazi ispituje se sustav za prijam i prijenos tokova informacija putem ISS RS-Earth (3, 125, 622 Mbit/s) i ISS RS-Earth-Earth (3 Mbit/s) linija.

U drugoj fazi planira se razvoj visokopreciznog sustava navođenja i sustava za prijenos informacija preko linije “ISS RS ploča - relejni satelit”.

Laserski komunikacijski sustav u prvoj fazi SLS eksperimenta uključuje dva glavna podsustava:

• laserski komunikacijski terminal na brodu (BTLS) instaliran na ruskom segmentu Međunarodne svemirske postaje (slika 3.);
• zemaljski laserski terminal (NLT) instaliran na optičkoj promatračkoj stanici Arkhyz na Sjevernom Kavkazu (slika 4).

Objekti istraživanja na 1. stupnju CE:

• terminalna oprema laserske komunikacije (BTLN);
• oprema zemaljskog terminala za lasersku komunikaciju (NLT);
• kanal za širenje atmosferskog zračenja.

Slika 4. Prizemni laserski terminal: astropaviljon s optičko-mehaničkom jedinicom i teleskopom za poravnanje

Laserski komunikacijski sustav (SLS) - faza 2.

Druga faza pokusa bit će izvedena nakon uspješnog završetka prve faze i pripravnosti specijalizirane letjelice tipa "Luch" u GSO s terminalom međusatelitskog laserskog sustava za prijenos informacija. Nažalost, informacija o tome je li druga faza provedena ili ne, nije se mogla pronaći u otvorenim izvorima. Možda su rezultati eksperimenta tajni, ili druga faza nikada nije provedena. Shema prijenosa informacija prikazana je na slici 5.

Projekt OPALS USA

Gotovo istodobno, američka svemirska agencija NASA započinje s uvođenjem laserskog sustava OPALS (Optical Payload for Lasercomm Science).

"Sustav OPALS prva je eksperimentalna platforma za razvoj laserskih svemirskih komunikacijskih tehnologija, a Međunarodna svemirska postaja poslužit će kao poligon za testiranje sustava OPALS", rekao je Michael Kokorowski, voditelj projekta OPALS i NASA-in Laboratorij za mlazni pogon ( Jet Propulsion Laboratory, JPL), "Budući laserski komunikacijski sustavi koji će biti razvijeni s OPALS tehnologijama moći će razmjenjivati ​​velike količine informacija, što će ukloniti usko grlo koje u nekim slučajevima sputava znanstvena istraživanja i komercijalna poduzeća."

OPALS sustav je zatvorena posuda u kojoj se nalazi elektronika, spojena optičkim kabelom na laserski prijemno-prijenosni uređaj (slika 6.). Ovaj uređaj uključuje laserski kolimator i kameru za praćenje postavljenu na pomičnu platformu. Instalacija OPALS bit će poslana na ISS na brodu Dragon, koji će u svemir otići u prosincu. Nakon isporuke, kontejner i odašiljač bit će instalirani izvan stanice i počet će 90-dnevni program terenskog testiranja sustava.

OPALS princip rada:

Sa Zemlje će stručnjaci iz Laboratorija optičkih komunikacijskih teleskopa poslati snop laserske svjetlosti prema svemirskoj stanici, koja će djelovati kao svjetionik. Oprema sustava OPALS, nakon što je uhvatila ovaj signal, uz pomoć posebnih pogona usmjerit će svoj odašiljač na zemaljski teleskop, koji će služiti kao prijemnik, i odašiljati signal odgovora. U nedostatku smetnji na putu širenja laserskih svjetlosnih zraka uspostavit će se komunikacijski kanal i njime će započeti prijenos video i telemetrijskih informacija, koji će po prvi put trajati oko 100 sekundi.

Europski sustav prijenosa podataka (EDRS).

Europski sustav prijenosa podataka (EDRS) projekt je koji planira Europska svemirska agencija za stvaranje konstelacije modernih geostacionarnih satelita koji će prenositi informacije između satelita, svemirskih letjelica, bespilotnih letjelica (UAV) i zemaljskih stanica, osiguravajući brži prijenos u usporedbi s tradicionalnim metode brzine podataka, čak iu uvjetima prirodnih katastrofa i katastrofa uzrokovanih ljudskim djelovanjem.

EDRS će koristiti novu tehnologiju Laser Communication Terminal (LCT). Laserski terminal će omogućiti prijenos informacija brzinom od 1,8 Gbit / s. LCT tehnologija omogućit će EDRS satelitima prijenos i primanje oko 50 terabajta podataka dnevno u gotovo stvarnom vremenu.

Prvi komunikacijski satelit EDRS trebao bi krenuti u geostacionarnu orbitu početkom 2016. s kozmodroma Baikonur na ruskom lansirnom vozilu Proton. Jednom u geosinkronoj orbiti iznad Europe, satelit će provoditi laserske komunikacijske veze između četiri satelita Sentinel-1 i Sentinel-2 koji djeluju u okviru svemirskog programa za promatranje Zemlje Copernicus, bespilotnih letjelica i zemaljskih stanica u Europi, Africi, Latinskoj Americi, Bliski istok i sjeveroistočna obala Sjedinjenih Država.

Drugi, sličan satelit bit će lansiran 2017., a treći satelit bi trebao biti lansiran 2020. godine. Ukupno će ova tri satelita laserskim komunikacijama moći pokriti cijeli planet.

Izgledi za razvoj laserskih komunikacija u svemiru.

Prednosti laserske komunikacije u odnosu na radio komunikaciju:

• prijenos informacija na velike udaljenosti
• visoka brzina prijenosa
• kompaktnost i lakoća opreme za prijenos podataka
• energetska učinkovitost

Nedostaci laserske komunikacije:

• potreba za točnim vođenjem uređaja za prijem i odašiljanje
• atmosferski problemi (oblačnost, prašina, itd.)

Laserska komunikacija omogućuje prijenos podataka na mnogo veće udaljenosti u odnosu na radio komunikaciju, brzina prijenosa je također veća zbog visoke koncentracije energije i puno veće frekvencije nositelja (redova veličine). Energetska učinkovitost, mala težina i kompaktnost također su nekoliko puta ili reda veličine bolji. Poteškoće u vidu potrebe za točnim vođenjem prijemnih i odašiljačkih uređaja mogu se riješiti suvremenim tehničkim sredstvima. Osim toga, zemaljski prijamni uređaji mogu se nalaziti u područjima Zemlje gdje je broj oblačnih dana minimalan.

Osim gore navedenih problema, postoji još jedan problem - divergencija i slabljenje laserske zrake pri prolasku kroz atmosferu. Problem se posebno pogoršava kada snop prolazi kroz slojeve različite gustoće. Prilikom prolaska kroz sučelje između medija, svjetlosni snop, uključujući lasersku zraku, doživljava posebno jaku refrakciju, raspršivanje i slabljenje. U ovom slučaju možemo uočiti svojevrsnu svjetlosnu mrlju, koja se dobiva upravo pri prolasku takvog sučelja između medija. U Zemljinoj atmosferi postoji nekoliko takvih granica - na visini od oko 2 km (aktivni vremenski sloj atmosfere), na visini od oko 10 km, te na visini od oko 80-100 km, odnosno već na granici prostora. Visine slojeva dane su za srednje geografske širine za ljetno razdoblje. Za druge zemljopisne širine i druga godišnja doba, visine i sam broj sučelja između medija mogu biti vrlo različiti od opisanih.

Tako, kada uđe u Zemljinu atmosferu, laserska zraka, koja je prije tiho prešla milijune kilometara bez ikakvih gubitaka (možda blagog defokusiranja), gubi lavovski dio svoje snage na nekih nesretnih desetaka kilometara. No, tu, na prvi pogled lošu, činjenicu možemo okrenuti u svoju korist. Budući da nam ova činjenica omogućuje da bez ozbiljnog ciljanja snopa na prijemnik. Jer kao takav prijemnik, odnosno primarni prijemnik, možemo koristiti upravo ta sučelja između slojeva, medija. Možemo usmjeriti teleskop prema nastaloj svjetlosnoj točki i čitati informacije iz nje. Naravno, to će značajno povećati količinu smetnji i smanjiti brzinu prijenosa podataka. A danju će to učiniti potpuno nemogućim. Ali to će omogućiti smanjenje troškova svemirskih letjelica zbog uštede na sustavu navođenja. To je osobito važno za satelite u nestacionarnim orbitama, kao i za letjelice za istraživanje dubokog svemira.

U ovom trenutku, ako uzmemo u obzir komunikaciju "Zemlja-SC i SC-Zemlja", optimalno rješenje je sinergija laserske i radio komunikacije. Prilično je zgodan i obećavajući prijenos podataka sa letjelice na Zemlju laserskom komunikacijom, a sa Zemlje na letjelicu radio komunikacijom. To je zbog činjenice da je laserski prijamni modul prilično glomazan sustav (najčešće je to teleskop), koji hvata lasersko zračenje i pretvara ga u električne signale, koji se zatim pojačavaju i pretvaraju u korisne informacije poznatim metodama. Takav sustav nije lako instalirati na letjelicu, jer se najčešće postavljaju zahtjevi za kompaktnošću i malom težinom. Istovremeno, laserski odašiljač signala ima malu veličinu i težinu u odnosu na antene za prijenos radio signala.

Optička vlakna i laserske komunikacije

Od antike se svjetlo koristilo za prenošenje poruka. U Kini, Egiptu i Grčkoj koristili 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 planine Ida, Antos. Masisto, Egyptanto i Aracnea, kao i na liticama Lemna i Kifare, da prenesu Argu vijest o zauzeću Troje od strane Ahejaca.

U kasnije, ali u antičko doba, rimski car Tiberije, dok je bio na 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 brdu 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, strahujući od mogućnosti napada britanske flote, uspostavila je brojne svjetionike u mnogim selima uz rijeku St. Lawrence. U ovom lancu, koji je počinjao od Il Vertea, na udaljenosti od oko 200 km od Quebeca nizvodno, 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 ovim sustavom vijest o britanskom napadu 1759. stigla je do Quebeca prije nego što je bilo prekasno.

Godine 1790. francuski inženjer Claude Chappe izumio je semafore (optički telegraf), smještene na tornjevima postavljenim na vidiku jedan drugome, što je omogućilo 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 uvjetima. Međutim, ova okolnost nije spriječila Bella da svom ocu napiše:

“Čuo sam razumljiv govor koji proizvodi sunčeva svjetlost! ... Može se zamisliti da ovaj izum ima zajamčenu budućnost! ... Moći ćemo razgovarati uz pomoć svjetlosti na bilo kojoj udaljenosti unutar vidokruga, bez ikakvih žica... U rata takva komunikacija se ne može prekinuti niti presresti."

Izum lasera potaknuo je povećan interes za optičku komunikaciju. 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 su svi oni 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 koja datira još iz 19. stoljeća. zahvaljujući engleskom fizičaru Johnu Tyndallu (1820-1893) i koristi se u instrumentima 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 prijelaza od 1 m odašiljena snaga smanjuje na 80%. Stoga je bilo moguće razmnožavati se samo duž vlakna duljine nekoliko desetaka metara, a jedina primjena bila je medicina, na primjer, endoskopi. Godine 1966. Charles Cao i George Hockham iz Standard Telecommunications Laboratory (UK) objavili su temeljni rad u kojem su pokazali da ako se nečistoće pažljivo eliminiraju u topljenom silicij dioksidu i vlakno je okruženo omotačem s nižim indeksom loma, onda slabljenje može smanjiti na -20 dB/km. To znači da se pri prelasku 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 kako bi se postigla poboljšana izvedba vlakana. Prvi uspjeh postigli su 1970. E.P. Capron, Donald Keck i Robert Mayer iz njihove tvrtke Corning Glass Company. 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 njegovi 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, NJ, 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 koja će istražiti izvedivost optičke komunikacije. Bilo je jasno da je najekonomičnija, početna primjena sustava baziranih na svjetlu 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. Smatralo 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 jedna od druge, a već tada ih je bilo moguće bez problema povezati, čak i pomoću vlakana s relativno velikim gubicima.

Tako je sredinom 1976. godine u Atlanti napravljen preliminarni pokus s optičkim kabelima koji su stavljeni u cijevi konvencionalnih kabela. Početni uspjeh tih napora doveo je do stvaranja sustava 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 komunikacija 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 tvrtka) uspjela je povući vlakna sa samo 0,5 dB/km gubitka 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. Korištenje vlakana s malim gubitkom od 1,3 mikrona omogućilo je stvaranje sofisticiranijih sustava. Sustavi su izgrađeni sa 400 Mbps u Japanu i 560 Mbps u Europi. Europski sustav mogao je istovremeno upravljati s 8000 telefonskih kanala. U Sjedinjenim Državama proizvedeno je 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 se počelo zvati, također postaje optička veza.

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 (postali su poznati kao TAT-8). Djeluju na valnoj duljini od 1,3 mikrona i povezuju Europu, Sjevernu Ameriku i istočni Pacifik. Godine 1991. započela je uspostava druge generacije optičkih komunikacija, TAT-9, koja radi na 1,3 mikrona i povezuje Sjedinjene Američke Države i Kanadu s Ujedinjenim Kraljevstvom, Francuskom i Španjolskom. Druga linija prometuje između SAD-a i Kanade i Japana.

Postoji niz drugih optičkih linija diljem svijeta. 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 preko Atlantika koristio 80.000.

Danas, nakon 30 godina istraživanja, optička su vlakna dosegla svoje fizičke granice. Kvarcna vlakna mogu prenositi infracrvene impulse na valnoj duljini od 1,5 mikrona s minimalnim gubitkom od 5% po kilometru. Nemoguće je smanjiti ove gubitke zbog fizikalnih zakona širenja svjetlosti (Maxwellovih zakona) i temeljne prirode stakla.

Međutim, postoji jedno postignuće koje bi moglo drastično popraviti situaciju. To je sposobnost izravnog pojačanja optičkih signala u vlaknu, t.j. a da ih prethodno ne morate ukloniti iz vlakana. Dodavanjem u materijal vlakana nečistoća prikladnih elemenata, na primjer erbija, i njihovim pobuđivanjem odgovarajućom svjetlošću pumpe koja prolazi kroz samo vlakno, može se dobiti inverzija populacije između dvije razine erbija s prijelazom koji točno odgovara 1,5 µm. Kao rezultat, može se 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 u ovaj komad. Na izlazu ostatak zračenja pumpe odlazi van, a pojačani signal nastavlja se širiti u vlaknu. Ovim pristupom mogu se eliminirati srednja elektronska pojačala. U starijim sustavima elektroničkih pojačala, svjetlo je otpušteno iz vlakna, detektirano fotoelektričnim detektorom, signal je pojačan i pretvoren u svjetlost, koja se nastavila širiti u sljedećem dijelu vlakna.