Attualmente, la tecnologia laser apre nuove opportunità per migliorare i sistemi di comunicazione, localizzazione e controllo radio. Queste capacità sono associate all'enorme guadagno delle antenne ottiche trasmittenti, che consente di ottenere un elevato rapporto segnale-rumore nel ricevitore in un'ampia banda di frequenza con trasmettitori a bassa potenza e con la possibilità di utilizzare frequenze molto ampie bande durante la trasmissione e la ricezione di segnali ottici.

I sistemi di trasmissione di informazioni laser presentano i seguenti vantaggi rispetto ai sistemi radio.

La capacità di trasmettere informazioni a velocità molto elevata con una potenza di trasmissione relativamente bassa e dimensioni complessive ridotte dell'antenna. Oggi, le linee di comunicazione laser possono fornire il trasferimento di informazioni a velocità fino a 102 Gbps e oltre. Con il multiplexing a divisione di tempo, è possibile ottenere una velocità di ripetizione dell'impulso risultante superiore a 100 GHz in una linea di comunicazione multicanale, che supera l'intera larghezza di banda dello spettro di radiofrequenza utilizzato oggi.

Segretezza della trasmissione delle informazioni e protezione dalle interferenze organizzate (a causa di schemi di antenna molto stretti delle antenne trasmittenti e riceventi, che costituiscono unità di secondi angolari).

Tuttavia, ci sono anche degli svantaggi, i principali dei quali sono: la dipendenza del lavoro dalle condizioni meteorologiche e la necessità di utilizzare guide luminose (quarzo, fibre di vetro).

Reali prospettive per i sistemi di comunicazione laser si stanno aprendo nei sistemi di comunicazione spaziale "AES-AES" a causa dell'assenza di atmosfera. In tali sistemi, le informazioni a banda larga e a banda stretta dal veicolo spaziale LEO verranno trasmesse tramite linee di comunicazione laser ai satelliti stazionari e da questi alle stazioni di terra. Di grande importanza saranno i sistemi di comunicazione satellitare “Earth-to-Earth” attraverso un ripetitore satellitare con linee di comunicazione laser.

I calcoli mostrano che in un tale canale di comunicazione è realizzabile una velocità di trasferimento delle informazioni superiore a 1 Mbit / s dalla regione di Marte. Per confronto, possiamo dire che nelle linee radio telemetriche esistenti per la comunicazione con veicoli spaziali nella regione di Marte, la velocità di trasferimento delle informazioni non supera i 10 bit / s.

Prima di affrontare il tema della scelta di un sistema per le comunicazioni spaziali, valutiamo vantaggi e svantaggi dei sistemi utilizzati:

con rilevamento diretto (Fig. 8, a);

con un ricevitore eterodina (Fig. 8, b).

Riso. 8

Si noti che l'immunità al rumore di entrambi i sistemi è approssimativamente la stessa e, per la stessa frequenza e lo stesso livello di sviluppo della tecnologia laser, il primo sistema presenta chiari vantaggi, che sono i seguenti:

Ha un dispositivo di ricezione più semplice;

Insensibile allo spostamento di frequenza Doppler, che elimina la necessità di cercare un segnale per frequenza nel ricevitore (come nel caso del secondo sistema);

Insensibile alla distorsione del fronte d'onda (che si verifica in un'atmosfera turbolenta), sono quindi possibili semplici antenne terrestri con grandi aperture. In un ricevitore eterodina, la turbolenza atmosferica limita la dimensione dell'antenna ricevente e per aumentarla (area dell'antenna) è necessario utilizzare un array di antenne costituito da più antenne con un dispositivo per combinare i segnali di uscita;

Ha un'antenna ricevente che non ha requisiti di alta qualità ottica, che consente di implementare antenne aeree più leggere ed economiche;

Consente di implementare metodi più efficienti di puntamento reciproco delle antenne di trasmissione e ricezione (rispetto alla scansione raster a uno stadio nel secondo sistema).

L'unico vantaggio dei sistemi con un ricevitore eterodina è la soppressione dello sfondo più efficace nel ricevitore (rispetto al primo).

Analizziamo idoneità alla frequenza dei laser per le comunicazioni spaziali.

A causa del lungo raggio di comunicazione, sono necessari trasmettitori con una potenza media da frazioni a diversi watt. Questi laser con efficienza accettabile sono disponibili in tre gamme principali:

10 μm - un laser a gas CO2 con = 10,6 μm, in modalità monomodale a P = 1 W = 10%, t lavoro = 10 mila ore di funzionamento continuo (adatto per apparecchiature di bordo e grazie alla stabilità ad alta frequenza può funzionare in un sistema con un ricevitore eterodina);

1 μm - laser a granato di itrio-alluminio (YAG) allo stato solido, attivato con niodimo (J-Al / Nd) = 1,06 μm, = 1,5 2%, P max = n0,1 W (tale laser può funzionare con successo su satelliti, poiché il pompaggio viene effettuato da array di LED o dispositivi di pompaggio solare at = 10% Risultato = 10 LED hanno una risorsa più lunga, ma la loro potenza è bassa e quindi sono adatti solo per trasmettitori a bassa potenza fino a 0,1 W) ;

0,5 µm - un promettente laser Nd:YAG che opera in modalità di raddoppio della frequenza = 0,53 µm (verde brillante) con un'efficienza del convertitore prossima all'unità.

Per le linee di comunicazione laser a bassa velocità, i laser a gas pulsati basati su vapori metallici sono promettenti. Nella modalità pulsata, un laser a vapore di rame ha = 0,5106 e 0,5782 μm e = = 5% (nella modalità Q-switched) a una potenza media di pochi watt.

Le capacità della tecnologia di ricezione in questi tre intervalli sono le seguenti:

10,6 micron - ci sono fotorivelatori con alta efficienza quantica (40-50%) quando raffreddati a 77 100 K, ma poiché i fotorivelatori non hanno amplificazione interna, non sono adatti per sistemi con rilevazione diretta;

1,06 µm - PMT o fotodiodi da valanga possono essere utilizzati per sistemi con rilevamento diretto. Ma l'efficienza quantica del PMT a questa lunghezza d'onda è solo 0,008, quindi questo intervallo è significativamente inferiore al primo;

0,53 µm risulta essere un intervallo più accettabile in modalità di rilevamento diretto, poiché i suoi indicatori dovuti all'aumento dell'efficienza del PMT sono significativamente più alti.

Quindi, ci sono due sistemi di comunicazione spaziale:

Con rilevamento diretto del segnale a una lunghezza d'onda di 0,53 μm;

Con ricevitore eterodina IR da 10,6 µm.

Inoltre, il sistema con = 10,6 μm ha:

Un livello inferiore di rumore quantistico (poiché la densità spettrale del rumore quantistico è proporzionale al valore di hf, quindi a = 10,6 μm è 20 volte inferiore a = 0,53 μm);

L'efficienza del trasmettitore laser nell'intervallo = 10,6 µm è maggiore di quella di = 0,53 µm.

Le prime due proprietà del sistema consentono l'uso di schemi di radiazione più ampi dei trasmettitori rispetto al sistema di portata visibile, il che semplifica il sistema di guida.

Gli svantaggi sono gli stessi del metodo eterodina.

Il sistema di intervallo visibile = 0,53 micron, avente un livello più elevato di rumore quantistico, una minore efficienza del trasmettitore, può avere uno schema dell'antenna significativamente ridotto dell'antenna trasmittente. Quindi, se le aperture delle antenne trasmittenti sono le stesse (a = 0,53 e 10,6 micron), allora l'antenna trasmittente a = 0,53 micron avrà un guadagno 400 volte maggiore rispetto a = 10,6 micron, che compensa con un margine gli svantaggi di cui sopra . Fasci più stretti delle antenne trasmittenti complicano il sistema di puntamento reciproco delle antenne trasmittenti e riceventi, tuttavia, l'uso di metodi di ricerca a più stadi efficaci può ridurre significativamente il tempo di ingresso in comunicazione. Inoltre, in un ricevitore eterodina, è possibile solo una semplice scansione raster durante la ricerca di un segnale e il tempo di ricerca è notevolmente aumentato a causa della necessità di cercare contemporaneamente un segnale per frequenza.

Un importante vantaggio dell'antenna a portata visibile è la capacità di costruire un sistema di comunicazione satellitare per accessi multipli. In questo caso, a bordo dell'AES-RRS vengono collocati più ricevitori semplici a rilevamento diretto (a seconda del numero di linee di comunicazione). Per i sistemi nella gamma di 10,6 μm, ciò è praticamente impraticabile a causa della complessità dei ricevitori eterodina con dispositivi di raffreddamento ingombranti del fotomixer.

Pertanto, secondo il livello tecnico esistente, i sistemi con rilevamento diretto (= 0,53 μm) presentano vantaggi significativi:

per la comunicazione spaziale a lunga distanza "KA-Earth" attraverso l'atmosfera;

per un sistema satellitare con accesso multiplo.

Per un sistema di comunicazione satellitare, quando il raggio ricevente (o trasmittente) del ripetitore satellitare viene "lanciato" da un abbonato all'altro secondo il programma, un sistema di comunicazione con un'elevata larghezza di banda a = 0,53 e 10,6 μm ha caratteristiche comparabili a informazioni velocità di trasmissione fino a diverse centinaia di megabit al secondo. Velocità di trasmissione dati più elevate (più di 10 Gbit/s) in un sistema con = 10,6 micron sono difficili da realizzare, mentre nel campo del visibile possono essere semplicemente fornite a causa del multiplexing a divisione di tempo dei canali.

Un esempio di implementazione di un sistema di comunicazione per tre satelliti sincroni (Fig. 9):

lunghezza d'onda del trasmettitore = 0,53 μm (rilevamento diretto);

la modulazione è effettuata da un modulatore elettro-ottico, e il segnale di modulazione è una sottoportante a microonde con frequenza centrale m = 3 GHz e banda laterale da min = 2,5 10 9 a max = 3,5 10 9 Hz (cioè = 10 9 Hz );

Riso. 9

un modulatore elettro-ottico (cristallo) opera in modo trasversale con un coefficiente elettro-ottico r 4 · 10 -11 a una costante dielettrica delle microonde = 55 0. Profondità massima di modulazione - Г m = / 3;

le lenti collimatrici e riceventi hanno una dimensione di 10 cm;

il rapporto segnale-rumore all'uscita dell'amplificatore che segue il PMT è 10

Determiniamo la potenza totale della sorgente di corrente continua con cui il satellite deve essere alimentato per soddisfare i requisiti dell'incarico di progettazione (definiamo prima il livello di potenza ottica della radiazione trasmessa e quindi la potenza di modulazione richiesta per il funzionamento).

Soluzione: Un satellite sincrono ha un periodo orbitale di 24 ore. La distanza dalla Terra al satellite è determinata dall'uguaglianza delle forze centrifughe e gravitazionali

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

dove V è la velocità del satellite; m la sua massa; g - accelerazione gravitazionale sulla superficie terrestre; R ES è la distanza dal centro della Terra al satellite; R Terra - il raggio della Terra.

La velocità di rotazione orbitale sincrona (24 ore) consente di determinare

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

La distanza tra i satelliti R = 73 12 km con una separazione di 120 O.

P R = P T (R / T).

Il raggio ottico trasmesso (Fig. 35) diffrange con l'angolo di divergenza del raggio, che è correlato al raggio minimo del raggio 0 dall'espressione

raggio = / 0.

Angolo solido corrispondente T = (trave) 2.

Se prendiamo 0 uguale al raggio dt della lente trasmittente, allora

L'angolo solido del ricevitore è

R = d 2 R / R 2,

R è la distanza tra trasmettitore e ricevitore.

Da (42), (44), (45) abbiamo

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

Scriviamo il rapporto segnale-rumore all'uscita del PMT operante in modalità di confinamento quantistico (cioè, quando la principale fonte di rumore è il rumore di sparo del segnale stesso):

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

dove Р R è la potenza ottica, G è il guadagno di corrente, i d è la corrente di buio. A = 0,53 µm, = 0,2 è l'efficienza di conversione della potenza, = 10 9 Hz s / w = 10 3 si ottiene Р R 2 · 10 -6. In questo caso, la potenza richiesta secondo (46) a R = 7,5 · 10 4 m sarà P t 3 W.

Dalla metà del 20 ° secolo, iniziò la ricerca attiva sulle microonde. Il fisico americano Charles Townes decise di aumentare l'intensità del raggio a microonde. Dopo aver eccitato le molecole di ammoniaca a un livello energetico elevato mediante riscaldamento o stimolazione elettrica, lo scienziato ha quindi inviato un debole raggio di microonde attraverso di esse. Il risultato fu un potente amplificatore a microonde, che Townes chiamò "maser" nel 1953. Nel 1958, Townes e Arthur Shawlov fecero il passo successivo: invece delle microonde, cercarono di amplificare la luce visibile. Sulla base di questi esperimenti, Maiman creò il primo laser nel 1960.

La creazione del laser ha permesso di risolvere un'ampia gamma di problemi che hanno contribuito al significativo sviluppo della scienza e della tecnologia. Ciò ha permesso alla fine del XX, inizio del XXI secolo di ottenere sviluppi quali: linee di comunicazione in fibra ottica, laser medicali, lavorazione laser dei materiali (trattamento termico, saldatura, taglio, incisione, ecc.), laser guida e designazione target, stampanti laser, lettori di codici a barre e molto altro. Tutte queste invenzioni hanno notevolmente semplificato, come la vita di una persona comune, e hanno permesso lo sviluppo di nuove soluzioni tecniche.

Questo articolo fornirà le risposte alle seguenti domande:

1) Che cos'è la comunicazione laser wireless? Com'è fatto?

2) Quali sono le condizioni per l'utilizzo della comunicazione laser nello spazio?

3) Quale attrezzatura è necessaria per la comunicazione laser?

Definizione di comunicazione laser wireless, metodi della sua implementazione.

La comunicazione laser wireless è un tipo di comunicazione ottica che utilizza onde elettromagnetiche nel raggio ottico (luce) trasmesse attraverso l'atmosfera o il vuoto.

La connessione laser di due oggetti viene effettuata solo tramite una connessione punto-punto. La tecnologia si basa sulla trasmissione di dati a infrarossi modulati attraverso l'atmosfera. Il trasmettitore è un potente diodo laser a semiconduttore. L'informazione entra nel modulo ricetrasmettitore, nel quale viene codificata con vari codici anti-jamming, modulata da un emettitore laser ottico e focalizzata dal sistema ottico del trasmettitore in uno stretto raggio laser collimato e trasmessa nell'atmosfera.

Sul lato ricevente, il sistema ottico focalizza il segnale ottico su un fotodiodo (o fotodiodo a valanga) altamente sensibile, che converte il raggio ottico in un segnale elettrico. Inoltre, maggiore è la frequenza (fino a 1,5 GHz), maggiore è la quantità di informazioni trasmesse. Il segnale viene quindi demodulato e convertito in segnali di interfaccia di uscita.

La lunghezza d'onda nella maggior parte dei sistemi implementati varia tra 700-950 nm o 1550 nm, a seconda del diodo laser utilizzato.

Da quanto sopra, ne consegue che gli elementi strumentali chiave per la comunicazione laser sono un diodo laser a semiconduttore e un fotodiodo ad alta sensibilità (fotodio a valanga). Consideriamo un po 'più in dettaglio il principio del loro funzionamento.

Diodo laser: un laser a semiconduttore basato su un diodo. Il suo lavoro si basa sulla comparsa di popolazioni inverse nella regione di giunzione p-n dopo l'iniezione di portatori di carica. Un esempio di un moderno diodo laser è mostrato in Figura 1.

I fotodiodi a valanga sono dispositivi semiconduttori altamente sensibili che convertono la luce in un segnale elettrico attraverso l'effetto fotoelettrico. Possono essere considerati come fotorivelatori che forniscono un'amplificazione interna attraverso l'effetto di moltiplicazione delle valanghe. Da un punto di vista funzionale, sono analoghi allo stato solido dei fotomoltiplicatori. I fotodiodi a valanga sono più sensibili di altri fotorivelatori a semiconduttore, il che rende possibile utilizzarli per registrare potenze di scarsa illuminazione (≲ 1 nW). Un esempio di un moderno fotodiodo da valanga è mostrato in Figura 2.

Condizioni per l'uso della comunicazione laser nello spazio.

Una delle direzioni promettenti nello sviluppo dei sistemi di comunicazione spaziale sono i sistemi basati sulla trasmissione di informazioni tramite un canale laser, poiché questi sistemi possono fornire una maggiore larghezza di banda, con un minor consumo di energia, dimensioni complessive e peso delle apparecchiature ricetrasmittenti rispetto alle radio attualmente utilizzate sistemi di comunicazione.

Potenzialmente, i sistemi di comunicazione laser spaziale possono fornire una velocità estremamente elevata del flusso di informazioni, da 10-100 Mbit/s a 1-10 Gbit/s e oltre.

Tuttavia, ci sono una serie di problemi tecnici che devono essere risolti per l'implementazione di canali di comunicazione laser tra il veicolo spaziale (SC) e la Terra:

• è richiesta un'elevata precisione di guida e di inseguimento reciproco a distanze da mezzo migliaio a decine di migliaia di chilometri e quando i vettori si muovono a velocità cosmiche.
• I principi di ricezione e trasmissione di informazioni attraverso un canale laser sono notevolmente complicati.
• Le apparecchiature optoelettroniche stanno diventando più complesse: ottica di precisione, meccanica di precisione, laser a semiconduttore e fibra, ricevitori ad alta sensibilità.

Esperimenti sull'implementazione della comunicazione laser spaziale

Sia la Russia che gli Stati Uniti d'America stanno conducendo esperimenti sull'implementazione di sistemi di comunicazione laser per la trasmissione di grandi quantità di informazioni.

Sistema di comunicazione laser (SLS) RF

Nel 2013, è stato effettuato il primo esperimento russo per trasferire informazioni utilizzando sistemi laser dalla Terra al segmento russo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS RS) e viceversa.

L'esperimento spaziale "SLS" è stato condotto con l'obiettivo di testare e dimostrare la tecnologia e le apparecchiature russe per ricevere e trasmettere informazioni tramite una linea di comunicazione laser spaziale.

Gli obiettivi dell'esperimento sono:

• sperimentazione in condizioni di volo spaziale sulla ISS RS delle principali soluzioni tecnologiche e progettuali incorporate nella dotazione standard del sistema di trasmissione di informazioni laser intersatellite;
• sviluppo di tecnologie per la ricezione e la trasmissione di informazioni mediante una linea di comunicazione laser;
• indagine della possibilità e delle condizioni di operabilità delle linee di comunicazione laser "scheda veicolo spaziale - punto terra" in diverse condizioni dell'atmosfera.

L'esperimento dovrebbe essere condotto in due fasi.

Nella prima fase viene testato il sistema di ricezione e trasmissione dei flussi informativi attraverso le linee ISS RS-Earth (3, 125, 622 Mbit/s) e ISS RS-Earth-to-Earth (3 Mbit/s).

Nella seconda fase, si prevede di sviluppare un sistema di guida ad alta precisione e un sistema per la trasmissione di informazioni sulla linea "Scheda ISS RS - satellite relè".

Il sistema di comunicazione laser nella prima fase dell'esperimento SLS comprende due sottosistemi principali:

• un terminale di comunicazione laser di bordo (BTLS) installato sul segmento russo della Stazione Spaziale Internazionale (Figura 3);
• un terminale laser a terra (NLT) installato presso la stazione di osservazione ottica di Arkhyz nel Caucaso settentrionale (Figura 4).

Oggetti di ricerca nella 1a fase di CE:

• apparecchiature terminali di comunicazione laser a bordo (BTLN);
• apparecchiature del terminale di terra per la comunicazione laser (NLT);
• canale di propagazione della radiazione atmosferica.

Figura 4. Terminale laser di terra: astroavilion con unità ottico-meccanica e telescopio di allineamento

Sistema di comunicazione laser (SLS) - fase 2.

La seconda fase dell'esperimento verrà eseguita dopo il completamento con successo della prima fase e la disponibilità di un veicolo spaziale specializzato del tipo "Luch" nel GSO con un terminale a bordo di un sistema di trasmissione di informazioni laser intersatellite. Sfortunatamente, le informazioni sul fatto che la seconda fase sia stata eseguita o meno non sono state trovate nelle fonti aperte. Forse i risultati dell'esperimento sono stati classificati o la seconda fase non è mai stata eseguita. Lo schema di trasferimento delle informazioni è mostrato nella Figura 5.

Progetto OPALS USA

Quasi contemporaneamente, l'agenzia spaziale americana NASA inizia il dispiegamento del sistema laser OPALS (Optical Payload for Lasercomm Science).

"Il sistema OPALS è la prima piattaforma sperimentale per lo sviluppo di tecnologie di comunicazione spaziale laser e la Stazione Spaziale Internazionale fungerà da banco di prova per il sistema OPALS", ha affermato Michael Kokorowski, OPALS Project Manager e Jet Propulsion Laboratory della NASA (Jet Propulsion Laboratory, JPL), "I futuri sistemi di comunicazione laser da sviluppare con le tecnologie OPALS potranno scambiare grandi quantità di informazioni, rimuovendo il collo di bottiglia che in alcuni casi frena la ricerca scientifica e le iniziative commerciali".

Il sistema OPALS è un contenitore sigillato in cui si trova l'elettronica, collegata tramite un cavo ottico a un dispositivo laser ricetrasmittente (Figura 6). Questo dispositivo include un collimatore laser e una telecamera di localizzazione montata su una piattaforma mobile. L'installazione OPALS sarà inviata a bordo della ISS a bordo della navicella spaziale Dragon, che andrà nello spazio questo dicembre. Al momento della consegna, il contenitore e il trasmettitore verranno installati all'esterno della stazione e inizierà un programma di test sul campo di 90 giorni per il sistema.

Principio di funzionamento OPALS:

Dalla Terra, gli specialisti dell'Optical Communications Telescope Laboratory invieranno un raggio di luce laser verso la stazione spaziale, che fungerà da faro. L'attrezzatura del sistema OPALS, dopo aver catturato questo segnale, con l'aiuto di speciali azionamenti punterà il suo trasmettitore verso il telescopio di terra, che fungerà da ricevitore, e trasmetterà un segnale di risposta. In assenza di interferenze nel percorso di propagazione dei fasci di luce laser, verrà stabilito il canale di comunicazione e attraverso di esso inizierà la trasmissione di informazioni video e telemetriche, che per la prima volta durerà per circa 100 secondi.

Sistema europeo di trasmissione dati (EDRS).

L'European Data Relay System (EDRS) è un progetto ideato dall'Agenzia Spaziale Europea per creare una costellazione di moderni satelliti geostazionari che trasmetteranno informazioni tra satelliti, veicoli spaziali, veicoli aerei senza equipaggio (UAV) e stazioni di terra, fornendo una trasmissione più veloce rispetto ai tradizionali metodi velocità dei dati, anche in condizioni di disastri naturali e provocati dall'uomo.

EDRS utilizzerà la nuova tecnologia Laser Communication Terminal (LCT). Il terminale laser consentirà di trasmettere informazioni a una velocità di 1,8 Gbit/s. La tecnologia LCT consentirà ai satelliti EDRS di trasmettere e ricevere circa 50 terabyte di dati al giorno quasi in tempo reale.

Il primo satellite per comunicazioni EDRS entrerà in orbita geostazionaria all'inizio del 2016 dal cosmodromo di Baikonur sul veicolo di lancio russo Proton. Una volta in orbita geosincrona sull'Europa, il satellite condurrà collegamenti di comunicazione laser tra i quattro satelliti Sentinel-1 e Sentinel-2 che operano nell'ambito del programma spaziale di osservazione della Terra Copernicus, veicoli aerei senza equipaggio e stazioni di terra in Europa, Africa, America Latina, Medio Oriente e la costa nord-orientale degli Stati Uniti.

Un secondo satellite simile sarà lanciato nel 2017, con un terzo satellite programmato per il lancio nel 2020. In totale, questi tre satelliti saranno in grado di coprire l'intero pianeta con comunicazioni laser.

Prospettive per lo sviluppo delle comunicazioni laser nello spazio.

I vantaggi della comunicazione laser rispetto alla comunicazione radio:

• trasmissione di informazioni a lunga distanza
• alta velocità di trasferimento
• compattezza e leggerezza delle apparecchiature di trasmissione dati
• efficienza energetica

Svantaggi della comunicazione laser:

• la necessità di una guida accurata dei dispositivi di ricezione e trasmissione
• problemi atmosferici (nuvolosità, polvere, ecc.)

La comunicazione laser consente la trasmissione dei dati su distanze molto maggiori rispetto alla comunicazione radio, anche la velocità di trasmissione è maggiore a causa dell'elevata concentrazione di energia e di una frequenza portante molto più elevata (ordini di grandezza). Efficienza energetica, peso ridotto e compattezza sono anche diverse volte o ordini di grandezza migliori. Le difficoltà dovute alla necessità di una guida accurata dei dispositivi di ricezione e trasmissione possono essere risolte con mezzi tecnici moderni. Inoltre, i dispositivi di ricezione a terra possono essere posizionati in aree della Terra in cui il numero di giorni nuvolosi è minimo.

Oltre ai problemi presentati sopra, c'è un altro problema: la divergenza e l'attenuazione del raggio laser quando attraversa l'atmosfera. Il problema è particolarmente esacerbato quando il fascio passa attraverso strati con densità diverse. Quando passa attraverso l'interfaccia tra i media, il raggio di luce, compreso il raggio laser, subisce una rifrazione, dispersione e attenuazione particolarmente forti. In questo caso, possiamo osservare una sorta di punto luminoso, che si ottiene proprio quando si passa una tale interfaccia tra i media. Esistono molti di questi confini nell'atmosfera terrestre: a un'altitudine di circa 2 km (strato atmosferico meteorologico attivo), a un'altitudine di circa 10 km e a un'altitudine di circa 80-100 km, cioè già al confine di spazio. Le altezze degli strati sono date per le medie latitudini per il periodo estivo. Per altre latitudini e altre stagioni dell'anno, le altezze e il numero stesso di interfacce tra i media possono essere molto diversi da quanto descritto.

Così, quando entra nell'atmosfera terrestre, il raggio laser, che in precedenza aveva percorso tranquillamente milioni di chilometri senza alcuna perdita (forse una leggera sfocatura), perde la parte del leone della sua potenza su alcune sfortunate decine di chilometri. Tuttavia, possiamo volgere questo fatto, a prima vista negativo, a nostro vantaggio. Poiché questo fatto ci consente di fare a meno di un serio puntamento del raggio sul ricevitore. In quanto tale ricevitore, o meglio un ricevitore primario, possiamo semplicemente usare queste stesse interfacce tra i livelli, i media. Possiamo puntare il telescopio verso il punto luminoso risultante e leggere le informazioni da esso. Naturalmente, questo aumenterà notevolmente la quantità di interferenze e ridurrà la velocità di trasferimento dei dati. E lo renderà completamente impossibile durante il giorno. Ma ciò consentirà di ridurre il costo dei veicoli spaziali grazie ai risparmi sul sistema di guida. Ciò è particolarmente importante per i satelliti in orbite non stazionarie, nonché per i veicoli spaziali per la ricerca nello spazio profondo.

Al momento, se consideriamo la comunicazione "Earth-SC e SC-Earth", la soluzione ottimale è la sinergia tra laser e comunicazione radio. Abbastanza conveniente e promettente è la trasmissione di dati dal veicolo spaziale alla Terra tramite comunicazione laser e dalla Terra al veicolo spaziale tramite comunicazione radio. Ciò è dovuto al fatto che il modulo di ricezione laser è un sistema piuttosto ingombrante (il più delle volte è un telescopio), che capta la radiazione laser e la trasforma in segnali elettrici, che vengono poi amplificati e convertiti in informazioni utili con metodi noti. Un tale sistema non è facile da installare su un veicolo spaziale, poiché molto spesso vengono richiesti requisiti di compattezza e peso ridotto. Allo stesso tempo, il trasmettitore di segnale laser ha dimensioni e peso ridotti rispetto alle antenne per la trasmissione di un segnale radio.

Fibre ottiche e comunicazioni laser

Fin dall'antichità, la luce è stata utilizzata per trasmettere messaggi. In Cina, Egitto e Grecia usavano il fumo durante il giorno e il fuoco di notte per trasmettere i segnali. Tra le prime testimonianze storiche di comunicazione ottica, possiamo ricordare l'assedio di Troia. Nella sua tragedia Agamennone, Eschilo fornisce una descrizione dettagliata della catena di luci di segnalazione sulle vette dell'Ida, i monti Antos. Masisto, Egyptanto e Aracnea, nonché sulle rupi di Lemno e Kifara, per trasmettere ad Argo la notizia della presa di Troia da parte degli Achei.

In epoca successiva, ma antica, l'imperatore romano Tiberio, mentre si trovava a Capri, utilizzò segnali luminosi per comunicare con la costa.

A Capri sono ancora visibili i ruderi dell'antico "Faro" vicino alla villa dell'imperatore Tiberio sul monte Tiberio.

In Nord America, uno dei primi sistemi di comunicazione ottica è stato 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 britannica, ha stabilito una serie di postazioni di segnalazione in molti villaggi lungo il fiume St. Lawrence. C'erano almeno 13 punti in questa catena, che partiva da Il Verte, a una distanza di circa 200 km dal Quebec a valle. Dall'inizio 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 ulteriormente. Con questo sistema, la notizia dell'attacco britannico nel 1759 raggiunse 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 dell'altra, che consentivano di inviare messaggi da una torre all'altra. Nel 1880, Alexander Graham Bell (1847-1922) ricevette un brevetto per un dispositivo "fotofono" che utilizzava la luce solare riflessa per trasmettere il suono a un ricevitore. La luce riflessa veniva modulata in intensità facendo vibrare una membrana riflettente posta all'estremità del tubo in cui Bell parlava. La luce ha percorso una distanza di circa 200 me ha colpito una cella al selenio (fotorilevatore) collegata a un telefono. Sebbene Bell considerasse il fototelefono come la sua invenzione più importante, il suo utilizzo era limitato dalle condizioni meteorologiche. 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 in vista, senza fili ... In una guerra tale comunicazione non può essere interrotta o intercettata".

L'invenzione del laser ha stimolato un crescente interesse per la comunicazione ottica. Tuttavia, fu presto dimostrato che l'atmosfera terrestre distorceva la propagazione della luce laser in modo indesiderabile. Sono stati presi in considerazione vari sistemi, come i tubi con lenti a gas e le guide d'onda dielettriche, ma questi furono tutti abbandonati alla fine degli anni '60 quando furono sviluppate fibre ottiche a bassa perdita.

La comprensione che le sottili fibre di vetro possono condurre la luce attraverso una riflessione interna totale era una vecchia idea che risale al 19° secolo. grazie al fisico inglese John Tyndall (1820-1893) e utilizzato negli strumenti e per l'illuminazione. Tuttavia, negli anni '60. anche i migliori vetri avevano una grande attenuazione della luce trasmessa attraverso la fibra, che limitava fortemente la lunghezza di propagazione. A quel tempo, il valore di attenuazione tipico era di un decibel per metro, il che significa che dopo un passaggio di 1 m, la potenza trasmessa si riduce all'80%. Pertanto, era possibile propagarsi solo lungo una fibra con una lunghezza di diverse decine di metri e l'unica applicazione era la medicina, ad esempio gli endoscopi. Nel 1966, Charles Cao e George Hockham dello Standard Telecommunications Laboratory (Regno Unito) pubblicarono un documento fondamentale in cui mostravano che se le impurità vengono accuratamente eliminate nella silice fusa e la fibra è circondata da un rivestimento con un indice di rifrazione più basso, allora l'attenuazione può essere ridotto a -20 dB/km. Ciò significa che quando si percorre una lunghezza di 1 km, la potenza del raggio viene attenuata a un centesimo della potenza in ingresso. Sebbene questo sia un valore molto piccolo, è accettabile per un numero di applicazioni.

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

Nel 1971, I. Jacobs è stato nominato Direttore del Laboratorio di Comunicazione Digitale presso AT&T Bell Laboratories (Holmdel, NJ, USA) ed è stato incaricato di sviluppare sistemi di trasferimento dati 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 hanno incaricato Jacobs di formare un gruppo di ricerca per studiare la fattibilità della comunicazione in fibra. Era chiaro che l'applicazione iniziale più economica dei sistemi basati sulla luce era la comunicazione delle centrali telefoniche nelle grandi città. Quindi sono stati utilizzati cavi per questo e le informazioni sono state trasmesse in forma digitale, codificandole con una serie di impulsi. Si pensava che le fibre, con la loro capacità di trasmettere enormi quantità di informazioni, fossero il 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 a quel tempo era possibile collegarli senza problemi, anche utilizzando fibre con perdite relativamente grandi.

Quindi, un esperimento preliminare fu fatto a metà del 1976 ad Atlanta con cavi in ​​fibra ottica posti nei tubi dei cavi convenzionali. Il successo iniziale di questi sforzi ha portato alla creazione di un sistema che collegava due centrali telefoniche a Chicago. Sulla base di questi primi risultati, nell'autunno del 1977, Bell Labs decise di sviluppare un sistema ottico per uso generale. Nel 1983 fu stabilita la comunicazione tra Washington e Boston, sebbene ciò fosse associato a molte difficoltà. Questo sistema di comunicazione funzionava a una velocità di trasmissione di 90 Mbps. Ha usato fibra multimodale a una lunghezza d'onda di 825 nm.

Nel frattempo, la NTTC (la compagnia telefonica e telegrafica giapponese) è stata in grado di tirare fibre con una perdita 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 funzionamento di un diodo laser InGaAsP in grado di funzionare in continuo in l'intervallo tra 1,0 e 1,7 μm a temperatura ambiente. L'utilizzo di fibre a bassa perdita da 1,3 micron ha permesso di realizzare impianti più sofisticati. I sistemi sono stati realizzati con 400 Mbps in Giappone e 560 Mbps in Europa. Il sistema europeo potrebbe gestire 8000 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 la centrale telefonica. Questo "ultimo miglio", come è stato chiamato, sta diventando anche un collegamento in fibra.

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

Ci sono un certo numero di altre linee in fibra ottica in tutto il mondo. Ad esempio, un collegamento sottomarino ottico 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, mentre il primo cavo ottico attraverso l'Atlantico ne usava 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 a una lunghezza d'onda di 1,5 micron con una perdita minima del 5% per chilometro. È impossibile ridurre queste perdite a causa delle leggi fisiche della propagazione della luce (leggi di Maxwell) e della natura fondamentale del vetro.

Tuttavia, c'è un risultato che potrebbe migliorare drasticamente la situazione. Questa è la capacità di amplificare direttamente i segnali ottici nella fibra, ad es. senza doverli prima rimuovere dalle fibre. Aggiungendo al materiale fibroso impurezze di opportuni elementi, ad esempio erbio, ed eccitandole con un'opportuna luce di pompa fatta passare attraverso la fibra stessa, si può ottenere un'inversione di popolazione tra i due livelli di erbio con una transizione che corrisponde esattamente a 1,5 µm. Di conseguenza, si può ottenere un'amplificazione di un impulso luminoso a questa lunghezza d'onda mentre si propaga attraverso la fibra. Un pezzo di tale fibra attiva è posto tra le due estremità delle fibre attraverso le quali si propaga il segnale. Con l'aiuto di un accoppiatore ottico, anche la radiazione della pompa viene diretta in questo pezzo. All'uscita, il resto della radiazione della pompa esce all'esterno e il segnale amplificato continua a propagarsi nella fibra. Con questo approccio, gli amplificatori elettronici intermedi possono essere eliminati. Nei vecchi sistemi di amplificazione elettronica, la luce veniva rilasciata dalla fibra, rilevata da un rilevatore fotoelettrico, il segnale veniva amplificato e convertito in luce, che continuava a propagarsi nella sezione successiva della fibra.