Fibre ottiche e comunicazioni laser. Comunicazione laser nello spazio

Le onde radio no l'unico rimedio collegamenti con civiltà extraterrestri. Ci sono altri modi, ad esempio segnali luminosi. Poiché il segnale luminoso dovrà percorrere una distanza enorme, deve possedere le proprietà necessarie: avere energia sufficiente per superare questo percorso. È facile vedere che i proiettori ottici non sono adatti per inviare tali segnali luminosi. Creano raggi di luce divergenti. Pertanto, più ci si allontana dal riflettore, più il fascio diventa ampio. Su enormi distanze è anche molto grande. Ciò significa che l’energia per unità di superficie è molto piccola.

Se si utilizza il faretto ottico più moderno, che crea un raggio di luce (fascio) largo solo mezzo grado, già a una distanza di 50 chilometri il punto luminoso creato dal faretto sarà di 450 metri. Un tale riflettore installato sulla Terra creerà un punto luminoso con un diametro di 3000 chilometri sulla Luna! È chiaro che in questo caso l'energia luminosa viene dispersa su una vasta area e l'illuminazione della superficie diventa molto inferiore che se questo punto fosse di soli 10 o 100 metri. La macchia formata dal faro terrestre sulla superficie della Luna non può essere rilevata. Ma la Luna è accanto a noi. Cosa resta della densità energetica a distanze di centinaia di anni luce? Quasi niente. Pertanto, non ha senso considerare ulteriormente una fonte di segnali luminosi così banale. Ma i segnali ottici necessari possono essere creati utilizzando i laser, che erano l'incarnazione delle idee di Alexei Tolstoy (l'iperboloide dell'ingegnere Garin) e H. Wells (il raggio di calore dei marziani).

Per quanto riguarda la radiazione laser come mezzo di comunicazione con gli alieni, qui sono importanti due delle sue proprietà. Il primo è la capacità di emettere un fascio di luce (beam) praticamente non divergente, cosa che, come abbiamo visto, non è possibile ottenere utilizzando i faretti tradizionali. La seconda è la capacità di creare potenti segnali luminosi in grado di raggiungere stelle situate a centinaia e migliaia di anni luce di distanza.

Una proprietà importante della radiazione laser è la sua monocromaticità (letteralmente “un colore”). Fisicamente, ciò significa che la radiazione ha una lunghezza d'onda, e quindi un colore, strettamente costante. Allo stesso tempo, ci sono laser che emettono una lunghezza d'onda rigorosamente definita, il cui valore è determinato dalla "sostanza di lavoro" del laser. Tale sostanza può essere gassosa, liquida o solida. All'inizio veniva utilizzato principalmente il cristallo di rubino sintetico. Quando si utilizza il vetro attivato al neodimio, la lunghezza d'onda della radiazione è 1,06 micron. La sostanza di lavoro utilizzata è in particolare l'anidride carbonica CO2 e molte altre sostanze. I laser liquidi consentono di emettere a diverse lunghezze d'onda (in un determinato intervallo). La radiazione avviene alternativamente, in ogni momento viene emessa una lunghezza d'onda rigorosamente definita.

È anche importante che i sistemi laser consentano di emettere impulsi di luce molto brevi. Questo è molto importante per la trasmissione di informazioni (tramite sequenze di impulsi). La lunghezza dell’impulso può essere così piccola che si possono “impilare” fino a mille miliardi di impulsi in un secondo. Durante l'emissione gli impulsi si susseguono con un certo ritardo. I laser moderni consentono di ricevere impulsi ad alta potenza. Quindi, anche impulsi brevi come quelli sopra indicati possono avere un'energia superiore a 10 joule! Più lungo è l'impulso, maggiore è l'energia che contiene. Nella modalità “generazione libera”, quando è il laser stesso a regolare la lunghezza degli impulsi emessi ed è dell'ordine del millesimo di secondo, l'energia di ciascun impulso può raggiungere diverse migliaia di joule. I laser consentono di emettere non solo brevi impulsi di luce, ma anche in modo continuo. Ad esempio, i laser a gas alimentati da anidride carbonica possono funzionare in modalità laser continua. In questo caso la radiazione è caratterizzata non dall'energia di ciascun impulso (poiché non esistono impulsi individuali), ma dall'energia per unità di tempo o, in altre parole, dalla potenza. Pertanto, la potenza dei laser che funzionano sull'anidride carbonica raggiunge diverse decine di kilowatt.

Anche la radiazione laser è diffusa, ma molto meno di quella dei riflettori. Ciò è determinato dalla dimensione della sostanza di lavoro. La radiazione dalla superficie della sostanza di lavoro avviene rigorosamente con la stessa fase (in fase) su tutta la sua superficie. Pertanto, l'ampiezza del raggio inviato dal laser dipende dalla dimensione del blocco della “sostanza di lavoro”, ovvero quanto maggiore è la superficie, tanto più stretto sarà il fascio di luce emessa. La dipendenza dell'ampiezza del raggio dalla lunghezza d'onda è diretta: quanto più corta è la lunghezza d'onda, tanto più ampio è il raggio inviato dal laser. Ma anche con i normali laser, in cui la dimensione della sostanza di lavoro è di circa 1 centimetro, l'angolo del raggio luminoso è 200 volte inferiore a quello di un riflettore. Sono 10 secondi d'arco. Naturalmente esistono laser con angoli significativamente più piccoli radiazione luminosa.

Per eliminare la divergenza dei raggi, è necessario utilizzare sistema ottico tipo di telescopio, che dirige il percorso dei raggi. Se un raggio di radiazione laser viene fatto passare attraverso una lente la cui lunghezza focale è uguale al suo diametro, l'immagine effettiva del raggio nel piano focale avrà dimensioni pari alla lunghezza d'onda. Successivamente, nel luogo in cui è stata ottenuta questa immagine reale del raggio, poniamo il fuoco di un'altra lente (o specchio), il cui diametro è molto più grande del primo. Per la seconda lente la lunghezza focale può essere maggiore del suo diametro, ma può anche essere uguale ad esso (come per la prima lente). Questa combinazione di due lenti porta al fatto che dalla seconda lente grande (specchio) uscirà un raggio, il cui angolo di divergenza diminuirà (rispetto a quello iniziale che entra nel telescopio) tante volte quanto il diametro della seconda lente (specchio) è maggiore della lunghezza dell'onda emessa. Pertanto è del tutto possibile ridurre quanto desiderato l'angolo di divergenza del raggio laser.

Per comunicare con gli alieni, sia i sistemi di comunicazione costruiti su un singolo laser sia quelli costruiti su l'intero sistema(batteria) dei laser. Se si utilizza un laser a emissione continua con una potenza di 10 kilowatt e un ulteriore specchio grande con un diametro di 5 metri, è possibile restringere l'angolo del raggio a 0,02 secondi d'arco.

Puoi utilizzare non uno specchio grande, ma un certo numero di specchi con un diametro piccolo (diciamo, 10 centimetri). Quindi il sistema deve contenere tanti laser quanti sono gli specchi. Tutto deve essere orientato in modo molto rigido. Se prendi 25 laser, puoi ottenere un angolo del raggio pari a un secondo d'arco.

Il vantaggio dei sistemi laser (batterie) per le comunicazioni spaziali è che durante il loro funzionamento si può escludere l'influenza dell'atmosfera terrestre. Se lavori con un laser, a causa dei disturbi atmosferici, l'angolo del raggio diventa significativamente più grande che in assenza di tale influenza. Questa influenza può essere aggirata se il sistema laser è posizionato in modo tale che il raggio laser non attraversi l'atmosfera, cioè se è posizionato su una piattaforma satellitare artificiale. In questo caso non è necessario utilizzare una batteria di sistemi laser.

Per la prima volta, la possibilità di comunicare con civiltà extraterrestri mediante un raggio laser fu analizzata scientificamente nel 1961 dal premio Nobel C.H. Townsom e R.I. Schwartz. Da allora, la tecnologia laser nel mondo è migliorata e le condizioni per la comunicazione laser sono diventate più favorevoli. La cosa principale che questa tecnica deve fornire è una potenza di radiazione sufficiente e la capacità di separare la radiazione laser inviataci dagli alieni dalla radiazione delle stelle. Come separare la luce laser dalla luce delle stelle? Questa domanda non è affatto semplice e può essere risolta solo grazie alla proprietà speciale della radiazione laser: la sua elevata monocromaticità. Una stella (come il Sole) emette luce a diverse lunghezze d'onda. Il laser emette solo ad una lunghezza d'onda strettamente definita, diciamo 0,5 micron. A questa lunghezza d'onda il Sole emette la massima energia. Tuttavia, la radiazione laser è 25 volte maggiore di quella del Sole o di un'altra stella simile. Naturalmente, questo vale solo per quella particolare lunghezza d'onda. Ad altre lunghezze d'onda (come le regioni ultraviolette e infrarosse dello spettro) questo rapporto sarebbe ancora maggiore, poiché a queste lunghezze d'onda il Sole emette meno della luce verde (0,5 µm).

Pertanto, anche la moderna tecnologia laser consente di creare radiazioni la cui intensità a una determinata lunghezza d'onda è sufficiente per essere isolata da tutta la radiazione stellare. Per ottenere un rilascio della radiazione laser ancora migliore è necessario “lavorare” in prossimità delle linee di assorbimento del Sole (o di un’altra stella), cioè nell’intervallo in cui parte della radiazione solare viene assorbita e interferisce meno con il rilascio della radiazione laser. . Se il laser funziona ad una lunghezza d'onda di 0,15 micron, la sua intensità spettrale può essere decine di migliaia di volte maggiore dell'intensità della radiazione solare a questa lunghezza d'onda, poiché si trova nella regione di assorbimento della radiazione solare. Naturalmente, tale installazione laser deve essere posizionata al di fuori dell'atmosfera terrestre, altrimenti la radiazione laser verrà assorbita dal gas atmosferico. Pertanto, quando registriamo e analizziamo la luce proveniente da stelle lontane, dobbiamo tenere presente che la radiazione laser inviata da civiltà extraterrestri può essere rilevata sullo sfondo di questa radiazione. Apparirà come una linea stretta. Ma per questo è necessario analizzare la radiazione delle stelle utilizzando spettrografi di alta qualità. Possono essere utilizzati anche filtri a banda molto stretta. Naturalmente, specificato dispositivi ottici deve essere di altissima qualità: la risoluzione dello spettrografo deve essere 0,03 A per ottenere un contrasto del 10% della linea laser sopra lo sfondo. La moderna tecnologia ottica consente ciò. Pertanto, ora possiamo iniziare a catturare le linee di radiazione appartenenti ai dispositivi laser di civiltà extraterrestri utilizzando i telescopi più potenti.

Abbiamo più volte discusso vari aspetti dell'effetto Doppler sulla radiazione di una sorgente in movimento. IN in questo caso anche questo effetto deve essere preso in considerazione, poiché a causa del movimento dei ricevitori di radiazioni nella direzione della radiazione stessa, dovrebbe verificarsi uno spostamento (spostamento Doppler) della frequenza della radiazione in una direzione o nell'altra. Per rilevare questa radiazione con frequenza spostata è necessario disporre di spettrografi con la risoluzione adeguata.

Quindi, anche livello moderno La tecnologia laser consente di ricevere segnali laser dalle stelle vicine e rimandarli indietro. Ma resta ancora una domanda, forse la più importante: dove inviare i segnali e dove riceverli? In entrambi i casi dobbiamo puntare i nostri telescopi da qualche parte, e con la massima precisione. Lo stesso è richiesto ai nostri corrispondenti nello spazio. Se si trovano sulle stelle più vicine (i loro pianeti), osserveranno l'orbita terrestre con un angolo di un secondo d'arco. Affinché il loro raggio laser colpisca la Terra, devono puntarlo con una risoluzione angolare di 0,02 secondi d'arco. Tale precisione è ora a disposizione dei nostri astronomi. Pertanto, crediamo che sia realizzabile anche per le civiltà extraterrestri che cercano una comunicazione con noi.

È logico immaginare che gli alieni, in cerca di comunicazione con noi, “frugheranno” con un raggio laser all'interno sistema solare. Se aumentano la larghezza del raggio laser (raggio), illuminerà costantemente la Terra e potrà essere registrato con relativa facilità. Ma più il fascio è ampio, più energia deve essere emessa in modo che sia sufficiente a coprire l'intera superficie illuminata, in modo da poter essere registrato. Ma si potrebbe pensare che questa difficoltà per gli alieni non sarà insolubile. Almeno nei laboratori terrestri, l’aumento della potenza della radiazione laser avviene molto rapidamente.

La comunicazione laser può essere utilizzata in modo particolarmente efficace all’interno del Sistema Solare. Utilizzando un raggio laser, è possibile creare una macchia su Marte con un diametro di 5-7 chilometri, che emetterà una luce circa 10 volte più luminosa di Venere se osservata dalla Terra. Un raggio laser può trasportare qualsiasi informazione: la sua intensità può variare nel tempo secondo qualsiasi legge (in altre parole, la radiazione laser può essere modulata di conseguenza). La superficie della Luna è stata illuminata da un raggio laser. Sul lato della Luna non illuminato dal Sole si ottiene un punto luminoso del diametro di 40 metri. È illuminato 100 volte meno che in caso di luce solare diretta.

Dall'emergere della vita sulla Terra, la capacità di trasmettersi messaggi reciproci (o, come si dice adesso, informazioni) ha occupato uno dei posti principali nella comunicazione umana. IN Grecia antica, ad esempio, le informazioni venivano trasmesse utilizzando onde luminose, per le quali venivano accesi fuochi su apposite torri, avvisando i residenti di eventuali Evento importante. Il telegrafo ottico è stato inventato in Francia. Lo scienziato russo Schelling propose un telegrafo a filo elettrico, che fu poi migliorato dal Morse americano. Un cavo elettrico collegava l’Europa con l’America. T. Edison ha raddoppiato la capacità della linea telegrafica. A. Popov ha scoperto la possibilità di trasmettere messaggi telegrafici in modalità wireless, utilizzando vibrazioni elettromagnetiche. La tecnologia radio ha subito un rapido sviluppo. Cominciarono a trasmettere su diverse lunghezze d'onda: lunga, media, corta. Le onde radio si affollarono.

Qual è la connessione tra velocità e quantità? informazioni trasmesse? È noto che la velocità massima di trasmissione è determinata dalla durata di un periodo di oscillazione delle onde utilizzate. Più breve è il periodo, maggiore è la velocità di trasmissione del messaggio. Ciò vale anche per la trasmissione di messaggi utilizzando il codice Morse, utilizzando le comunicazioni telefoniche, radiofoniche e televisive. Pertanto, il canale di comunicazione (trasmettitore, ricevitore e linea che li collega) può trasmettere messaggi ad una velocità non superiore alla frequenza naturale dell'intero canale. Ma questa non è ancora una condizione sufficiente. Per caratterizzare un canale di comunicazione è necessario un ulteriore parametro: la larghezza di banda del canale, ovvero l'intervallo di frequenza utilizzato in questo canale di comunicazione. Maggiore è la velocità di trasmissione, più ampia è la banda di frequenza su cui deve essere trasmessa. Entrambi questi parametri costringono a padroneggiare frequenze sempre più elevate delle oscillazioni elettromagnetiche. Infatti, con l'aumentare della frequenza, aumenta non solo la velocità di trasmissione su un canale, ma anche il numero di canali di comunicazione.

La tecnologia della comunicazione iniziò a spostarsi verso lunghezze d'onda sempre più corte, utilizzando prima onde decimetriche, poi metriche e infine centimetriche. E poi c'è stata una fermata dovuta al fatto che non c'era

un'idonea sorgente di oscillazioni elettromagnetiche portanti. Fonti precedenti hanno dato vasta gamma con pochissima potenza per singola frequenza di oscillazione. Le onde luminose non erano coerenti, il che ne precludeva l'uso per la trasmissione segnali complessi, richiedendo la modulazione della radiazione. La situazione è cambiata radicalmente con l’avvento dei laser. La coerenza e la natura monocromatica della radiazione laser consente di modulare e rilevare il raggio in modo tale da utilizzare l'intera ampiezza del campo ottico. La parte ottica dello spettro è molto più ampia e capiente della parte delle onde radio. Mostriamolo con un semplice calcolo. Calcoliamo quante informazioni possono essere trasmesse contemporaneamente tramite un canale di comunicazione ottica con una lunghezza d'onda di 0,5 micron (corrispondente a Hz). Prendiamo ad esempio una città come Mosca. Supponiamo che ci siano 1.500.000 telefoni, 100 stazioni radio trasmittenti e 5 canali televisivi. Per i calcoli, presupponiamo che la banda di frequenza di un canale telefonico sia Hz, di un canale radiofonico, di un canale televisivo - Hz. Prendiamo un fattore di sicurezza pari a 100. Faremo i calcoli utilizzando la formula

dove c è la velocità della luce, K è la lunghezza d'onda oscillazione elettromagnetica, banda di frequenza occupata da un canale televisivo, banda di frequenza di una emittente, banda di frequenza di un canale telefonico, numero di canali televisivi, numero di canali radio, numero di telefoni, k - fattore di sicurezza.

Sostituendo i valori nel nostro esempio, otteniamo: quindi possiamo concludere che la componente ad alta frequenza dell'oscillazione elettromagnetica, pari a circa Hz, consente (in linea di principio) in un raggio laser di garantire contemporaneamente la trasmissione di informazioni a un migliaia di città come Mosca. Tuttavia, per realizzare questa possibilità fondamentale, è necessario risolvere una serie di problemi. Sono associati alla modulazione, demodulazione e al passaggio della radiazione nell'atmosfera. Per capirlo, consideriamo una linea di comunicazione ottica (Fig. 27).

Riso. 27. Linea ottica comunicazioni laser

La linea di comunicazione è composta da dispositivi trasmittenti e riceventi. Il dispositivo trasmittente comprende un laser che produce una portante ad alta frequenza; un modulatore che garantisce che l'informazione trasmessa sia sovrapposta alla portante luce; un sistema ottico necessario per focalizzare la radiazione in un fascio stretto, che fornisce un lungo raggio e un'elevata immunità al rumore; microfono con amplificatore e dispositivo di puntamento. Il dispositivo ricevente è costituito da un sistema ottico di ingresso, un ricevitore di radiazioni, un demodulatore, un amplificatore, un altoparlante e un dispositivo per puntare (collegare) il ricevitore al trasmettitore. La linea di comunicazione funziona così. Il segnale sotto forma di frequenza audio viene inviato al microfono. Qui viene convertito in energia elettrica e fornito ad un modulatore attraverso il quale passa la radiazione laser. Risulta modulato in base al messaggio vocale. Il raggio modulato entra nel sistema ottico. Con l'aiuto di un dispositivo di avvistamento (avvistamento), questa radiazione irradia il luogo in cui si trova il sistema ricevente. Il sistema ottico ricevente raccoglie il raggio laser e lo dirige al ricevitore e all'amplificatore. Successivamente passa ad un demodulatore, il cui compito è separare la frequenza audio originale dalla frequenza portante. Passa attraverso un amplificatore audio e va all'altoparlante.

Tabella 15 (vedi scansione) Caratteristiche dei modulatori

Poiché la frequenza di modulazione durante la trasmissione segnale sonoro non supera i 104 Hz, quindi la maggior parte dei modulatori e demodulatori finora sviluppati sono adatti alla sua implementazione. Il più utilizzato è la modulazione di ampiezza. Per la sua realizzazione sono adatti elementi ottici che cambiano la loro trasparenza sotto l'influenza della tensione applicata ad essi. Questo tipo di modulatore comprende anche una cella Kerr, costituita da un dielettrico liquido e piastre metalliche. Quando alle piastre viene applicato un campo elettrico, il dielettrico liquido diventa birifrangente. Di conseguenza, il piano di polarizzazione dell'onda luminosa che passa ruoterà di un angolo

dove B è la costante di Kerr, la lunghezza del percorso e l'intensità del campo. In questo caso, il campo piano polarizzato

passando attraverso l'analizzatore, cambia la sua intensità secondo la legge del campo elettrico. Pertanto, utilizzando un modulatore, una frequenza audio viene introdotta nel raggio laser. Diamo un'occhiata alla tabella, che presenta le caratteristiche dei vari tipi di modulatori, e proviamo a scegliere quello adatto al nostro sistema di comunicazione.

Usiamo un laser a gas elio-neon come sorgente di radiazione. Per trasmettere un messaggio audio è necessaria una modulazione fino a 20 kHz. Ciò è meglio soddisfatto da un cristallo di germanio (Tabella 15). Ha una buona profondità di modulazione del 50%. Tuttavia questo modulatore non può essere utilizzato perché la sua trasparenza spettrale è nell'intervallo 1,8...25 µm, cioè è opaco alla radiazione di 0,6328 µm emessa da un laser elio-neon. Il cristallo ADP o KDP è adatto alla gamma spettrale e ha un buon margine per la frequenza di modulazione. Con un tale modulatore è possibile modulare la radiazione ottica in più gamme di frequenza, il che rende in linea di principio possibile introdurre più canali telefonici in un unico raggio. Ma è impossibile introdurre più canali televisivi nel raggio laser utilizzando un tale modulatore, poiché per trasmettere un'immagine televisiva è necessaria una banda di frequenza di Hz. È possibile trasmettere un solo programma TV. Abbiamo bisogno di modulatori con una gamma molto ampia di frequenze di modulazione. Diamo un'occhiata alla tabella. Il modulatore di onde ultrasoniche ha una gamma da 5 a 30 MHz. Il suo limite superiore è il più grande; non ci sono altri modulatori. Confrontiamo questo intervallo in Hz con l'intervallo di frequenza di un laser a gas. Si può vedere che differiscono di sette ordini di grandezza, cioè dieci milioni di volte. Di conseguenza la portante ad alta frequenza del laser non viene sfruttata al massimo delle sue potenzialità. E non viene utilizzato perché non esistono ancora modulatori con una gamma di frequenza fino a Hz. Un quadro simile si verifica per i ricevitori di radiazioni. Dovrebbero anche essere selezionati in base all'intervallo spettrale in cui operano. E in base alla gamma di frequenze che sono in grado di percepire. I più preferiti sono i fotomoltiplicatori che hanno una banda di frequenza dell'ordine di 100 MHz, ma non di più. Di conseguenza, qui c’è un problema che richiede una soluzione.

Riso. 28. Schema funzionale del primo laser installazione televisiva

Il modo più semplice era costruire una linea di comunicazione telefonica, perché per essa erano disponibili tutti gli elementi necessari: una sorgente di radiazioni, un modulatore e un ricevitore di radiazioni. Tali linee sono state create per valutare l'efficacia del loro funzionamento. Uno di questi collegava la centrale telefonica automatica, situata in piazza Sholokhov, con l'edificio dell'Università statale di Mosca sulle colline di Lenin. Utilizzando un raggio laser che collega le centrali telefoniche, è stato possibile condurre contemporaneamente diverse dozzine di conversazioni telefoniche. Un'altra linea è stata creata in Armenia. Collegava Yerevan e l'Osservatorio Astrofisico Byurokan, situato a 50 km di distanza sul Monte Aragats.

Applicazione dei laser in televisione

IN Ultimamente Sono stati sviluppati diversi sistemi in cui le immagini televisive vengono trasmesse tramite un canale ottico. Il sistema televisivo più semplice era realizzato con componenti e parti già pronti. Lo schema funzionale di questo sistema è mostrato in Fig. 28. Comprendeva un laser industriale, due televisori industriali, un amplificatore standard e un amplificatore video. Inoltre sono stati utilizzati sistemi ottici di ricezione e trasmissione, un modulatore di radiazione ottica e un filtro ottico. I segnali televisivi ricevuti dal primo televisore vengono amplificati e inviati al modulatore (i segnali video vengono prelevati da uno degli stadi del canale video del ricevitore televisivo). Modulatore situato all'uscita della radiazione

laser, fornisce modulazione d'ampiezza flusso radiante. Questa radiazione viene formata in un fascio stretto mediante un sistema ottico e diretta verso il dispositivo ricevente. Dispone inoltre di un sistema ottico di ricezione a specchio (con due specchi), un filtro ottico a banda stretta e un diaframma. Quindi la radiazione entra nel fotomoltiplicatore. Questa combinazione degli ultimi tre elementi fornisce una buona selezione del segnale di ricezione, che consente l'utilizzo del sistema in condizioni di illuminazione solare. Il segnale sul fotomoltiplicatore si converte da ottico a elettrico, passa attraverso un amplificatore video e viene inviato al tubo catodico di un secondo televisore. Nonostante la presenza del rumore introdotto dal laser e l'intenso sottofondo diurno, quando l'impianto televisivo funzionava alla luce del sole, l'immagine sullo schermo del secondo televisore era abbastanza soddisfacente. Inoltre, la chiarezza dell'immagine era elevata, il che suggeriva buone caratteristiche di trasferimento del modulatore e dei dispositivi elettronici associati. Nel sistema non è stata rilevata alcuna “nevicata”, il che indica un rapporto segnale-rumore sufficiente.

Abbiamo notato in precedenza che il modulatore è l'elemento principale di un sistema di comunicazione televisiva. Qui è stata utilizzata una cella di Pockels, in cui la tensione di modulazione viene applicata al cristallo nella direzione flusso luminoso. Questo modulatore fornisce una buona profondità di modulazione e ha una larghezza di banda sufficiente, ma presenta due inconvenienti significativi: il primo è che è necessaria una tensione fino a diversi kilovolt per controllare la modulazione, e il secondo è che la cella deve essere raffreddata.

Già nelle successive modifiche dell'attrezzatura sono state applicate soluzioni per eliminare queste carenze. La cella di Pockels è stata sostituita da un cristallo KDP, che ha una buona trasparenza ottica in questo intervallo di lunghezze d'onda, e per ridurre la tensione modulante è stato utilizzato un ulteriore restringimento del fascio utilizzando un sistema di collimazione. Ciò ha permesso di restringere il raggio a 1 mm. Per garantire la resistenza meccanica, il cristallo è stato inserito custodia in metallo. Questi miglioramenti hanno ridotto il consumo energetico di due ordini di grandezza. Il modulatore funzionava con una tensione di 18 V e consumava una corrente di 50 mA.

Riso. 29. Schema di una camera di trasmissione laser

Dopo qualche tempo apparvero campioni di sistemi televisivi in ​​cui cinque diverse immagini televisive venivano trasmesse tramite un raggio laser. In questi sistemi come sorgente di radiazione è stato utilizzato un laser a gas che funziona con una lunghezza d'onda di 0,6328 μm con una potenza emessa di soli 8 mW. Il dispositivo ricevente utilizzava un fotodiodo al silicio. La trasmissione delle immagini è stata effettuata sui canali 66...7B, 76...82, 182...186, 198..204, 210...216 MHz.

Lo schema funzionale della terza versione della telecamera a trasmissione laser è mostrato in Fig. 29. Questo sistema prevedeva anche la trasmissione di un programma televisivo tramite un raggio laser programma musicale E informazioni digitali. Gli elementi principali del dispositivo erano: un laser a gas argon con un sistema di scansione del raggio nello spazio, un ricevitore costituito da un filtro a banda stretta con una banda passante di 90 Angstrom, un fotomoltiplicatore e preamplificatore. Il terzo blocco componente era il sistema di sincronizzazione di linea e frame. La particolarità è che viene utilizzato un raggio laser a scansione veloce, e invece di telecamera- fotomoltiplicatore. Un'immagine televisiva si ottiene irradiando un oggetto con radiazione laser continua, che viene ruotata nello spazio lungo due assi perpendicolari mediante prismi rotanti. La scansione orizzontale è fornita da un prisma a 16 facce rotante con

velocità 60.000 giri/min. In questo caso la velocità verticale del fascio è assicurata da un prisma a 26 facce che ruota ad una velocità di 150 giri al minuto. Queste due scansioni danno 60 fotogrammi al secondo. La radiazione laser, riflessa dall'oggetto di cui si vuole ottenere l'immagine, entra nel dispositivo ricevente, dalla cui uscita il segnale amplificato viene fornito al televisore di controllo e l'immagine dell'oggetto viene ricreata sul suo schermo. Per sincronizzare la scansione del televisore di controllo con la scansione del raggio laser nello spazio sono previsti due elementi. Uno di essi esegue la sincronizzazione della linea e l'altro la sincronizzazione dei frame. Le fotocellule dei circuiti di sincronizzazione orizzontale e verticale sono installate rispettivamente lungo il percorso di scansione orizzontale e verticale del raggio laser. I segnali in uscita dalle fotocellule, amplificati al valore richiesto, forniscono la sincronizzazione necessaria. Una qualità positiva di tale telecamera laser è l'elevata qualità dell'immagine. Inoltre, può funzionare al buio ed è in grado di trasmettere immagini nella nebbia molto meglio di qualsiasi altro dispositivo per uno scopo simile. Gli svantaggi del sistema includono significative perdite di energia durante la scansione del raggio nello spazio e la presenza di elementi in rapida rotazione.

E. N. Chepusov, S. G. Sharonin

Oggi è impossibile immaginare la nostra vita senza computer e reti basate su di essi. L'umanità si trova sulla soglia di un nuovo mondo in cui un singolo spazio informativo. In questo mondo, le comunicazioni non saranno più ostacolate da confini fisici, tempo o distanza.

Adesso c'è in tutto il mondo grande quantità reti in esecuzione varie funzioni e risolvendo molti problemi diversi. Prima o poi arriva sempre il momento in cui la capacità della rete si esaurisce e occorre costruire nuove linee di comunicazione. Questo è relativamente facile da fare all'interno di un edificio, ma le difficoltà iniziano quando si collegano due edifici adiacenti. Sono necessari permessi speciali, approvazioni, licenze per eseguire lavori, nonché per eseguire una serie di lavori complessi requisiti tecnici e soddisfare le considerevoli esigenze finanziarie delle organizzazioni che gestiscono terreni o fognature. Di norma risulta immediatamente chiaro che il percorso più breve tra due edifici non è una linea retta. E non è affatto necessario che la lunghezza di questo percorso sia paragonabile alla distanza tra questi edifici.

Naturalmente tutti conoscono una soluzione wireless basata su varie apparecchiature radio (radio modem, piccoli canali linee di ripetitori radio, microonde trasmettitori digitali). Ma il numero delle difficoltà non diminuisce. Le onde radio sono sature e ottenere il permesso di utilizzare apparecchiature radio è molto difficile, a volte addirittura impossibile. E la produttività di questa apparecchiatura dipende in modo significativo dal suo costo.

Vi offriamo di usufruire della nuova forma economica comunicazone wireless, nata abbastanza di recente, è la comunicazione laser. Questa tecnologia ha ricevuto il maggiore sviluppo negli Stati Uniti, dove è stata sviluppata. Le comunicazioni laser forniscono una soluzione economicamente vantaggiosa al problema delle comunicazioni affidabili e ad alta velocità a corto raggio (1,2 km) che possono verificarsi quando si collegano sistemi di telecomunicazione da diversi edifici. Il suo utilizzo consentirà l'integrazione reti locali con l'integrazione globale amico remoto le une dalle altre reti locali e anche di fornire le esigenze telefonia digitale. La comunicazione laser supporta tutte le interfacce necessarie per questi scopi, da RS-232 ad ATM.

Come viene realizzata la comunicazione laser?

Comunicazione laser vs. Comunicazioni GSM consente connessioni punto a punto con velocità di trasferimento informazioni fino a 155 Mbit/s. Nelle reti informatiche e telefoniche la comunicazione laser garantisce lo scambio di informazioni in modalità full duplex. Per le applicazioni che non richiedono velocità di trasmissione elevate (ad esempio segnali video e di controllo in sistemi televisivi di processo e a circuito chiuso) è disponibile una soluzione half-duplex speciale ed economica. Quando è necessario combinare non solo il computer, ma anche reti telefoniche, è possibile utilizzare i modelli dispositivi laser con multiplexer integrato per la trasmissione simultanea del traffico LAN e dei flussi di telefonia digitale di gruppo (E1/ICM30).

I dispositivi laser possono trasmettere qualsiasi flusso di rete che viene loro consegnato utilizzando fibra ottica o cavo in rame nelle direzioni avanti e indietro. Il trasmettitore converte segnali elettrici in radiazione laser modulata nella gamma degli infrarossi con una lunghezza d'onda di 820 nm e una potenza fino a 40 mW. La comunicazione laser utilizza l'atmosfera come mezzo di propagazione. Il raggio laser colpisce quindi un ricevitore che ha la massima sensibilità all'interno della gamma di lunghezze d'onda della radiazione. Il ricevitore converte la radiazione laser in segnali provenienti dall'interfaccia elettrica o ottica utilizzata. Ecco come viene effettuata la comunicazione utilizzando i sistemi laser.

Famiglie, modelli e loro caratteristiche

In questa sezione vorremmo presentarvi le tre famiglie dei sistemi laser più popolari negli USA: LOO, OmniBeam 2000 e OmniBeam 4000 (Tabella 1). La famiglia LOO è di base e consente la trasmissione di dati e voce su distanze fino a 1000 m. La famiglia OmniBeam 2000 ha capacità simili, ma funziona a distanza più lunga(fino a 1200 m) e può trasmettere immagini video e una combinazione di dati e voce. La famiglia OmniBeam 4000 può fornire un trasferimento dati ad alta velocità: da 34 a 52 Mbit/s su distanze fino a 1200 m e da 100 a 155 Mbit/s fino a 1000 m Esistono altre famiglie di sistemi laser sul mercato, ma coprono distanze più brevi o supportano meno protocolli.

Tabella 1.

Ciascuna famiglia comprende una serie di modelli che supportano diversi protocolli di comunicazione (Tabella 2). La famiglia LOO comprende modelli economici che garantiscono distanze di trasmissione fino a 200 m (la lettera "S" alla fine del nome).

Tavolo 2.

Un indubbio vantaggio dei dispositivi di comunicazione laser è la loro compatibilità con la maggior parte delle apparecchiature di telecomunicazione per vari scopi (hub, router, ripetitori, bridge, multiplexer e PBX).

Installazione di sistemi laser

Una fase importante nella creazione di un sistema è la sua installazione. L'effettiva accensione richiede un tempo irrisorio rispetto all'installazione e configurazione delle apparecchiature laser, che richiedono diverse ore se eseguite da specialisti ben formati e attrezzati. Allo stesso tempo, la qualità del funzionamento del sistema stesso dipenderà dalla qualità di queste operazioni. Pertanto, prima di presentare le tipiche opzioni di inclusione, vorremmo prestare una certa attenzione a questi problemi.

Se posizionati all'aperto, i ricetrasmettitori possono essere installati su superfici del tetto o delle pareti. Il laser è montato su uno speciale supporto rigido, solitamente metallico, che viene fissato al muro dell'edificio. Il supporto prevede inoltre la possibilità di regolare l'angolo di inclinazione e l'azimut del fascio.

In questo caso, per facilitare l'installazione e la manutenzione del sistema, il suo collegamento viene effettuato tramite scatole di distribuzione (RK). I cavi di collegamento sono solitamente in fibra ottica per i circuiti di trasmissione dati e cavo in rame per i circuiti di potenza e controllo. Se l'apparecchiatura non dispone di un'interfaccia dati ottica, è possibile utilizzare un modello con interfaccia elettrica o modem ottico esterno.

L'alimentatore (PSU) del ricetrasmettitore è sempre installato all'interno e può essere montato a parete o in un rack utilizzato per apparecchiature LAN o sistemi di cablaggio strutturato. Nelle vicinanze può anche essere installato un monitor delle condizioni, che serve a telecomando funzionamento dei ricetrasmettitori delle famiglie OV2000 e OV4000. Il suo utilizzo consente la diagnostica del canale laser, l'indicazione dell'ampiezza del segnale, nonché il looping del segnale per controllarlo.

Quando si installano internamente i ricetrasmettitori laser, è necessario ricordare che la potenza della radiazione laser diminuisce quando passa attraverso il vetro (almeno il 4% su ciascun vetro). Un altro problema sono le gocce d'acqua che scendono lungo la parte esterna del vetro quando piove. Fungono da lenti e possono causare la diffusione del raggio. Per ridurre questo effetto, si consiglia di installare l'apparecchiatura vicino alla parte superiore del vetro.

Fornire comunicazione di qualitàÈ necessario tenere conto di alcuni requisiti fondamentali.

Il più importante di questi, senza il quale la comunicazione sarebbe impossibile, è che gli edifici devono essere in linea di vista e non dovrebbero esserci ostacoli opachi nel percorso di propagazione del raggio. Inoltre, poiché il raggio laser nell'area del ricevitore ha un diametro di 2 m, è necessario che i ricetrasmettitori si trovino sopra i pedoni e il traffico ad un'altezza di almeno 5 m, per garantire le norme di sicurezza. Il trasporto è anche una fonte di gas e polveri, che influiscono sull'affidabilità e sulla qualità della trasmissione. Il raggio non deve essere proiettato in prossimità o attraverso linee elettriche. È necessario tenere conto della possibile crescita degli alberi, del movimento delle loro chiome durante raffiche di vento, nonché dell'influenza delle precipitazioni e delle possibili interruzioni dovute al volo degli uccelli.

La scelta corretta del ricetrasmettitore garantisce un funzionamento stabile del canale nell'intera gamma di condizioni climatiche in Russia. Ad esempio, un diametro della trave maggiore riduce la probabilità di guasti legati alle precipitazioni.

Le apparecchiature laser non sono una fonte di radiazioni elettromagnetiche (EMR). Tuttavia, se posizionato vicino a dispositivi con EMR, l'elettronica del laser capterà questa radiazione, che può causare un cambiamento nel segnale sia nel ricevitore che nel trasmettitore. Ciò influirà sulla qualità della comunicazione, pertanto non è consigliabile posizionare apparecchiature laser vicino a fonti EMR come potenti stazioni radio, antenne, ecc.

Quando si installa un laser, è consigliabile evitare ricetrasmettitori laser orientati in direzione est-ovest, poiché per diversi giorni all'anno i raggi del sole possono bloccare la radiazione laser per diversi minuti e la trasmissione diventa impossibile, anche con filtri ottici speciali nel ricevitore. Sapendo come il sole si muove nel cielo in un'area specifica, puoi facilmente risolvere questo problema.

Le vibrazioni possono causare lo spostamento del ricetrasmettitore laser. Per evitare ciò, si sconsiglia di installare sistemi laser vicino a motori, compressori, ecc.

Figura 1. Posizionamento e collegamento dei ricetrasmettitori laser.

Diversi metodi di inclusione tipici

La comunicazione laser aiuterà a risolvere il problema della comunicazione a corto raggio nelle connessioni punto a punto. Ad esempio, esaminiamo diverse opzioni o metodi tipici di inclusione. Quindi, hai un ufficio centrale (CO) e una filiale (F), ognuno dei quali ha una rete di computer.

La Figura 2 mostra una variante dell'organizzazione di un canale di comunicazione per il caso in cui è necessario combinare F e CO, utilizzando as protocollo di rete Ethernet, ma come ambiente fisico- cavo coassiale (spesso o sottile). In CO c'è un server LAN e in F ci sono computer che devono essere collegati a questo server. Con i sistemi laser come i modelli LOO-28/LOO-28S o OB2000E è possibile risolvere facilmente questo problema. Il bridge è installato al centro centrale e il ripetitore in F. Se il bridge o il ripetitore ha un'interfaccia ottica, non è necessario un minimodem ottico. I ricetrasmettitori laser sono collegati tramite doppia fibra ottica. Il modello LOO-28S ti consentirà di comunicare a una distanza fino a 213 me il LOO-28 - fino a 1000 m con un angolo di ricezione "sicuro" di 3 mrad. Il modello OB2000E copre una distanza fino a 1200 m con un angolo di ricezione “sicuro” di 5 mrad. Tutti questi modelli funzionano in modalità full duplex e forniscono una velocità di trasferimento di 10 Mbit/s.

Figura 2. Connessione remota Segmento LAN Basato su Ethernet Cavo coassiale.

Un'opzione simile per combinare due reti Ethernet utilizzando doppino(10BaseT) è mostrato nella Figura 3. La differenza è che invece di un bridge e un ripetitore vengono utilizzati concentratori (hub) che hanno il numero richiesto di connettori 10BaseT e un'interfaccia AUI o FOIRL per il collegamento dei ricetrasmettitori laser. In questo caso è necessario installare un ricetrasmettitore laser LOO-38 o LOO-38S, che fornisce la velocità di trasmissione richiesta in modalità full duplex. Il modello LOO-38 può supportare distanze di comunicazione fino a 1000 m, mentre il modello LOO-38S può comunicare fino a 213 m.

Figura 3. Connessione di un segmento LAN Ethernet remoto basato su doppino intrecciato.

La figura 4 mostra una variante della trasmissione dati combinata tra due LAN (Ethernet) e un flusso digitale di gruppo E1 (PCM30) tra due PBX (in CO e F). Per risolvere questo problema è adatto il modello OB2846 che fornisce trasmissione dati e voce ad una velocità di 12 (10+2) Mbit/s su una distanza fino a 1200 m.La LAN è collegata al ricetrasmettitore tramite doppia fibra ottica tramite un connettore SMA standard, mentre il traffico telefonico viene trasmesso tramite cavo coassiale da 75 Ohm tramite connettore BNC. Va notato che il multiplexing di dati e flussi vocali non richiede equipaggiamento aggiuntivo e viene eseguito dai ricetrasmettitori senza ridurre il rendimento di ciascuno di essi individualmente.

Figura 4. Integrazione delle reti informatiche e telefoniche.

Incarnazione trasmissione ad alta velocità dati tra due LAN (LAN "A" in CO e LAN "B" in F) utilizzando interruttori ATM e ricetrasmettitori laser sono mostrati nella Figura 5. Il modello OB4000 risolverà il problema della comunicazione a corto raggio ad alta velocità in un modo ottimale. Avrai la possibilità di trasmettere flussi E3, OC1, SONET1 e ATM52 alle velocità richieste su una distanza fino a 1200 m e 100 Base-VG o VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX o Fast Ethernet (802.3) , FDDI, TAXI 100/ 140, OC3, SONET3 e ATM155 con le velocità richieste - su una distanza fino a 1000 m. I dati trasmessi vengono consegnati al ricetrasmettitore laser utilizzando una doppia fibra ottica standard collegata tramite un connettore SMA.

Figura 5. Consolidamento delle reti di telecomunicazioni ad alta velocità.

Gli esempi forniti non sono esaustivi possibili opzioni utilizzo di apparecchiature laser.

Quale è più redditizio?

Proviamo a determinare la posizione della comunicazione laser tra le altre soluzioni cablate e wireless, valutandone brevemente vantaggi e svantaggi (Tabella 3).

Tabella 3.

Il 30 gennaio è stato lanciato in orbita il satellite Eutelsat 9B. È diventato il primo satellite dotato del sistema EDRS (European Data Relay System). Volendo saperne di più sulla nuova tecnologia, un corrispondente di Mediasat si è recato presso l'ufficio dello sviluppatore del modulo EDRS, Tesat, che si trova nella piccola città tedesca di Backnang. Capo del Dipartimento tecnologie laser Mathias Motsigemba ci ha fatto visitare l'azienda e ci ha parlato della tecnologia di comunicazione laser, ancora poco conosciuta nel mondo.

Con il supporto dell'Agenzia spaziale tedesca, Tesat ha sviluppato il Laser Communications Terminal (LCT), che fornisce supporto per la trasmissione di dati ad alta velocità tra i satelliti Low Earth Orbit (LEO) e Geostationary Earth (GEO). Il terminale lo fa possibile trasferimento dati a una velocità di 1,8 Gbps su una distanza massima di 45.000 chilometri. Questi terminali LCT dovrebbero diventare la base dei principali canali di trasmissione dati nel sistema EDRS, che dovrebbe garantire la trasmissione dei dati tra i satelliti LEO e GEO.

Mattia Motsigemba: “Ora abbiamo l’opportunità di fornire servizi Alta qualità in una modalità vicina al tempo reale. Questo fa un'enorme differenza! Il satellite LEO scatta una foto e la invia al satellite GEO, che a sua volta la invia a terra tramite radiofrequenza. Un raggio laser è un'ottima soluzione nel vuoto, tuttavia in condizioni atmosferiche non è la scelta migliore, poiché le nuvole possono creare interferenze. Per guardia Segnale televisivo nella linea di alimentazione è possibile utilizzare velocità di trasmissione dati elevate e tecnologia ottica priva di interferenze. L’avvento della tecnologia delle comunicazioni laser può essere paragonato all’inizio dell’uso della fibra ottica al posto del rame”.

Il teletrasporto del Sistema di Osservazione della Terra potrebbe essere un servizio straniero che utilizza linee terrestri non protette.
Servizio dati ottici (LEO a GEO e GEO alla stazione di trasmissione terrestre).
La stazione terrestre può essere posizionata nel proprio paese entro la linea di vista del satellite GEO.
S/C – sovranità del tuo patrimonio informativo.

La necessità di sviluppare questa tecnologia è stata dettata dalla crescente domanda di capacità di trasmissione dati per i satelliti di sorveglianza civile e militare, missioni HALE. L'idea di creare il sistema EDRS è stata avanzata dalla Commissione Europea, che è già coinvolta nella costellazione di satelliti Sentinel, il programma Copernicus. Il prossimo passo dovrebbe essere la creazione di canali di comunicazione intersatellitare. Eutelsat ha offerto capacità per il modulo di comunicazione del satellite Eutelsat 9B. Dopo sette anni di sviluppo degli LCT di prima e seconda generazione, il sistema LCT è stato lanciato su Alphasat nel luglio 2013. Il sistema LCT sul satellite Sentinel-1A è stato integrato con successo nel dicembre 2013. Nel dicembre 2014 il satellite Sentinel 1A è stato lanciato e messo in funzione. Nel novembre 2014, l'Agenzia spaziale europea e Testat hanno tenuto una presentazione congiunta vivere, durante il quale un'immagine quasi in tempo reale è stata inviata dal radar del satellite Sentinel-1A tramite Alphasat su una distanza di 41.700 chilometri a una stazione di terra.

“Tecnicamente, non c’è differenza tra le apparecchiature di comunicazione laser installate su Alphasat e apparecchiature simili su Eutelsat 9B. Alphasat ha dimostrato capacità tecniche progetto, mentre il sistema EDRS sul satellite Eutelsat 9 B è un servizio commerciale offerto da Airbus Defence and Space. In genere, un satellite di osservazione della Terra ha 10 minuti per contattare una stazione di terra e 90 minuti per orbitare attorno alla Terra. Ciò significa che è possibile utilizzare solo il 10% della risorsa spaziale e, in caso di emergenza o disastro naturale, si passa troppo tempo in attesa del contatto con una stazione di monitoraggio a terra. Ora, ad esempio, osservando le navi, è possibile rilevare un problema entro 15 minuti”. , dice Mathias Motsigemba.

L'elemento chiave della linea di prodotti è il telescopio LCT-135 (135 mm) per il collegamento intersatellitare GEO/LEO. Come il modello precedente, LCT-125, il dispositivo combina in un'unica unità tutti i sottomoduli ottici, meccanici ed elettrici del terminale, come il sistema di distribuzione dell'energia, il processore di bordo, i moduli di tracciamento e acquisizione dati e il sistema di elaborazione dati . I dati provenienti dai sensori AOCS del satellite vengono facilmente trasmessi all'LCT tramite interfaccia standard– LIAU (Unità di Adattamento dell'Interfaccia Laser).

Parametri LCT:

• Autonomia: 45.000 km.
• Peso: 53 chilogrammi.
• Velocità di trasferimento dati (full duplex):
  per EDRS – 1,8 Gbit/s, per altre missioni – 5,65 Gbit/s.
• Potenza di trasmissione: 2,2 W
• Consumo energetico massimo: 160 W
• Dimensioni: 0,6 x 0,6 x 0,7 metri.

Fibre ottiche e comunicazioni laser

Fin dall’antichità la luce è stata utilizzata per trasmettere messaggi. In Cina, Egitto e Grecia utilizzavano il fumo durante il giorno e il fuoco di notte per trasmettere segnali. Tra le prime testimonianze storiche comunicazioni ottiche possiamo ricordare l'assedio di Troia. Nella sua tragedia "Agamennone", Eschilo fornisce una descrizione dettagliata della catena di segnali luminosi sulle cime dei monti Ida e Antos. Masisto, Egiplanto e Araknea, nonché sulle rupi di Lemno e Kifara, per trasmettere ad Argo la notizia della presa di Troia da parte degli Achei.

In tempi più tardi ma antichi, l'imperatore romano Tiberio, mentre si trovava a Capri, utilizzava segnali luminosi per comunicare con la costa.

A Capri si possono ancora vedere i ruderi dell'antico “Faro” nei pressi della villa dell'imperatore Tiberio sul Monte Tiberio.

Nel Nord America, uno dei primi sistemi di comunicazione ottica fu installato circa 300 anni fa nella colonia della Nuova Francia (oggi provincia del Quebec in Canada). Il governo regionale, temendo la possibilità di un attacco da parte della flotta inglese, stabilì una serie di posizioni di faro in molti villaggi lungo il fiume San Lorenzo. C'erano almeno 13 punti in questa catena, che iniziava all'Ile Verte, circa 200 km a valle del Quebec. Fin dai primi anni del 1700. in ognuno di questi villaggi, ogni notte del periodo di navigazione, era presente una sentinella il cui compito era osservare il segnale inviato dal villaggio a valle e trasmetterlo più lontano. Con un tale sistema, le notizie dell'attacco britannico del 1759 raggiunsero il Quebec prima che fosse troppo tardi.

Nel 1790, un ingegnere francese, Claude Chappe, inventò i semafori (telegrafo ottico), situati su torri installate in vista l'una dall'altra, che permettevano di inviare messaggi da una torre all'altra. Nel 1880, Alexander Graham Bell (1847-1922) ricevette un brevetto per un “fotofono”, un dispositivo che utilizzava la luce solare riflessa per trasmettere il suono a un ricevitore. La luce riflessa veniva modulata in intensità dalle oscillazioni di una membrana riflettente posta all'estremità del tubo in cui parlava Bell. La luce ha percorso una distanza di circa 200 metri e ha colpito una cella al selenio (fotorivelatore) collegata al telefono. Sebbene Bell considerasse il fotofono la sua invenzione più importante, il suo utilizzo era limitato condizioni meteo. Tuttavia, questa circostanza non ha impedito a Bell di scrivere a suo padre:

“Ho sentito un discorso intelligibile prodotto dalla luce del sole!... Si può immaginare che questa invenzione abbia un futuro garantito!... Potremo parlare con l'aiuto della luce a qualsiasi distanza visibile senza fili... In guerra condizioni in cui tale comunicazione non può essere interrotta o intercettata”.

L'invenzione del laser stimolò un crescente interesse per le comunicazioni ottiche. Tuttavia, fu presto dimostrato che l'atmosfera terrestre distorceva la propagazione della luce laser in modi indesiderabili. Considerato vari sistemi, come i tubi per lenti a gas e le guide d'onda dielettriche, ma questi furono tutti abbandonati alla fine degli anni '60 quando furono sviluppate le fibre ottiche a bassa perdita.

La comprensione che le sottili fibre di vetro potevano condurre la luce attraverso la riflessione interna totale era vecchia idea, conosciuto fin dal XIX secolo. grazie al fisico inglese John Tyndall (1820-1893) e utilizzato in strumenti e illuminazione. Tuttavia, negli anni '60. Anche i migliori occhiali avevano una grande attenuazione della luce trasmessa attraverso la fibra, che limitava molto la lunghezza di propagazione. Allora il valore di attenuazione tipico era di un decibel al metro, ciò significa che dopo un percorso di 1 m la potenza trasmessa veniva ridotta fino all'80%. Pertanto, era possibile solo la propagazione lungo una fibra lunga diverse decine di metri e l'unica applicazione era la medicina, come gli endoscopi. Nel 1966, Charles Kao e George Hockham dello Standard Telecommunications Laboratory (Regno Unito) pubblicarono un articolo fondamentale in cui mostravano che se le impurità nella silice fusa venivano accuratamente rimosse e la fibra veniva circondata da un rivestimento con un indice di rifrazione inferiore, l'attenuazione poteva essere ridotta a -20dB/km. Ciò significa che dopo aver percorso una lunghezza di 1 km, la potenza del raggio viene attenuata ad un centesimo della potenza in ingresso. Sebbene si tratti di un valore molto piccolo, è accettabile per numerose applicazioni.

Come spesso accade in tali situazioni, nel Regno Unito, in Giappone e negli Stati Uniti sono iniziati sforzi intensi per ottenere fibre con caratteristiche migliorate. Il primo successo fu ottenuto nel 1970 da E. P. Capron, Donald Keck e Robert Mayer della Corning Glass Company. Hanno prodotto fibre che avevano una perdita di 20 dB/km ad una lunghezza d'onda di 6328 A° (la lunghezza d'onda di un laser He-Ne). Nello stesso anno, I. Hayashi e collaboratori segnalarono un diodo laser funzionante a temperatura ambiente.

Nel 1971 I. Jacobs fu nominato direttore del Laboratorio comunicazioni digitali presso AT&T Bell Laboratories (Holmdel, New Jersey, USA) e ha avuto il compito di sviluppare sistemi di trasferimento di informazioni ad alta velocità. I suoi capi, W. Danielson e R. Kompfner, trasferirono parte del personale in un altro laboratorio, diretto da S. Miller, per “tenere d'occhio” ciò che stava accadendo nel campo delle fibre ottiche. Tre anni dopo, Danielson e Kompfner incaricarono Jacobs di formare un gruppo di ricerca per studiare la fattibilità delle comunicazioni in fibra. Era chiaro che l'applicazione più economica e iniziale dei sistemi che utilizzavano la luce era nella comunicazione delle centrali telefoniche nelle grandi città. Allora si utilizzavano i cavi a cui venivano trasmesse le informazioni forma digitale, codificandolo con una serie di impulsi. Le fibre, con la loro capacità di trasmettere enormi quantità di informazioni, sembravano un sostituto ideale dei cavi elettrici. Uffici e centrali telefoniche nelle grandi città si trovano a distanze di diversi chilometri l'uno dall'altro, e già allora potevano essere collegati senza problemi, anche utilizzando fibre con perdite relativamente elevate.

Quindi, a metà del 1976 ad Atlanta fu condotto un esperimento preliminare con cavi in ​​fibra ottica inseriti in tubi cavi normali. Il successo iniziale di questi sforzi portò alla creazione di un sistema che collegava due centrali telefoniche a Chicago. Sulla base di questi primi risultati, nell'autunno del 1977, i Bell Labs decisero di sviluppare un sistema ottico per un uso diffuso. Nel 1983 fu stabilita la comunicazione tra Washington e Boston, sebbene ciò comportasse molte difficoltà. Questo sistema di comunicazione funzionava ad una velocità di trasmissione di 90 Mbit/s. Utilizzava fibra multimodale con una lunghezza d'onda di 825 nm.

Nel frattempo, NTTC (la compagnia telefonica e telegrafica giapponese) è stata in grado di tirare fibre con perdite di soli 0,5 dB/km a lunghezze d'onda di 1,3 e 1,5 micron, e il Lincoln Laboratory del MIT ha dimostrato il lavoro di InGaAsP diodo laser, capace di funzionamento continuo nell'intervallo compreso tra 1,0 e 1,7 µm a temperatura ambiente. L'utilizzo di fibre a bassa perdita da 1,3 micron ha consentito la realizzazione di sistemi più avanzati. Sono stati costruiti sistemi con una velocità di 400 Mbit/s in Giappone e 560 Mbit/s in Europa. Il sistema europeo potrebbe gestire 8.000 canali telefonici contemporaneamente. Negli Stati Uniti sono stati prodotti più di 3,5 milioni di chilometri di fibra. L'unica parte che utilizza ancora il filo di rame è il collegamento tra la casa e centrale telefonica. Questo “ultimo miglio”, come viene chiamato, sta diventando anche il fulcro delle comunicazioni in fibra.

Il primo cavo telegrafico transatlantico entrò in funzione nel 1858. Quasi cento anni dopo, nel 1956, il primo cavo telefonico, chiamato TAT-1. Nel 1988 iniziò a funzionare la prima generazione di cavi transatlantici che utilizzavano fibre ottiche (divennero noti come TAT-8). Operano ad una lunghezza d'onda di 1,3 micron e collegano l'Europa, il Nord America e il Pacifico orientale. Nel 1991 è iniziata l'installazione della seconda generazione di comunicazioni in fibra ottica, TAT-9, che opera a 1,3 micron e collega gli Stati Uniti e il Canada con il Regno Unito, la Francia e la Spagna. Un'altra linea opera tra gli Stati Uniti, il Canada e il Giappone.

Esistono numerose altre linee in fibra ottica in tutto il mondo. Ad esempio, il collegamento ottico sottomarino tra Inghilterra e Giappone copre 27.300 km nell'Oceano Atlantico, Mar Mediterraneo, Mar Rosso, Oceano Indiano, Oceano Pacifico e dispone di 120.000 amplificatori intermedi per coppia di fibre. In confronto, il primo cavo telefonico transatlantico nel 1956 utilizzava 36 convertitori e il primo cavo ottico posato su oceano Atlantico, usati 80.000.

Oggi, dopo 30 anni di ricerca, le fibre ottiche hanno raggiunto i loro limiti fisici. Le fibre di quarzo possono trasmettere impulsi infrarossi ad una lunghezza d'onda di 1,5 micron con una perdita minima del 5% per chilometro. Queste perdite non possono essere ridotte a causa delle leggi fisiche della propagazione della luce (leggi di Maxwell) e della natura fondamentale del vetro.

Tuttavia, c’è un passo avanti che potrebbe migliorare radicalmente la situazione. Questa è la capacità di amplificare direttamente i segnali ottici in una fibra, ad es. senza doverli prima estrarre dalle fibre. Drogando il materiale della fibra con opportune impurità elementari, come l'erbio, ed eccitandole con opportuna luce di pompa fatta passare attraverso la fibra stessa, è possibile ottenere un'inversione di popolazione tra due livelli di erbio con una transizione che corrisponde esattamente a 1,5 μm. Il risultato è che l’impulso luminoso a quella lunghezza d’onda può essere amplificato mentre si propaga attraverso la fibra. Un pezzo di tale fibra attiva viene posto tra le due estremità delle fibre attraverso le quali si propaga il segnale. Utilizzando un accoppiatore ottico, anche la radiazione della pompa viene diretta in questo pezzo. All'uscita la parte restante della radiazione della pompa fuoriesce e il segnale amplificato continua a propagarsi nella fibra. Utilizzando questo approccio è possibile eliminare gli amplificatori elettronici intermedi. Sui sistemi più vecchi amplificatori elettronici la luce usciva dalla fibra, veniva rilevata da un ricevitore fotoelettrico, il segnale veniva amplificato e convertito in luce, che continuava a propagarsi nel tratto di fibra successivo.