Fibre optice și comunicații cu laser. Comunicarea cu laser în spațiu

Undele radio nu sunt singurele mijloace de comunicare cu civilizațiile extraterestre. Există și alte moduri, cum ar fi semnalele luminoase. Deoarece semnalul luminos va trebui să parcurgă o distanță uriașă, trebuie să aibă proprietățile necesare: trebuie să aibă suficientă energie pentru a depăși această cale. Este ușor de observat că proiectoarele optice nu sunt potrivite pentru transmiterea unor astfel de semnale luminoase. Ele creează fascicule divergente de lumină. Prin urmare, cu cât mai departe de lumina reflectoarelor, cu atât fasciculul devine mai larg. La distanțe mari, este și foarte mare. Aceasta înseamnă că energia pe unitatea de suprafață este foarte mică.

Dacă utilizați cel mai modern proiector optic, care creează un fascicul de lumină (fascicul) lat de doar o jumătate de grad, atunci deja la o distanță de 50 de kilometri, punctul de lumină creat de proiector va fi de 450 de metri. Un astfel de proiector, instalat pe Pământ, va crea un punct luminos pe Lună cu un diametru de 3000 de kilometri! Este clar că în acest caz energia luminoasă este împrăștiată pe o suprafață mare, iar iluminarea suprafeței devine mult mai mică decât dacă acest punct ar fi de doar 10 sau 100 de metri. Pata formată de reflectorul terestru de pe suprafața Lunii nu poate fi detectată. Dar luna este lângă noi. Ce va rămâne din densitatea de energie la distanțe de sute de ani lumină? Aproape nimic. Prin urmare, nu are sens să luăm în considerare în continuare o astfel de sursă trivială de semnale luminoase. Dar semnalele optice necesare pot fi create cu ajutorul laserelor, care au fost întruchiparea ideilor lui Alexei Tolstoi (inginerul hiperboloid Garin) și G. Wells (raza de căldură a marțienilor).

În ceea ce privește radiația laser ca mijloc de comunicare cu extratereștrii, două dintre proprietățile sale sunt importante aici. Prima este capacitatea de a emite un fascicul de lumină practic nedivergent (fascicul), care, după cum am văzut, nu poate fi realizat cu spoturi convenționale. A doua este capacitatea de a crea semnale luminoase puternice care sunt capabile să atingă stelele situate la distanțe de sute și mii de ani lumină.

O proprietate importantă a radiației laser este monocromaticitatea sa (literalmente, „monocromaticitatea”). Din punct de vedere fizic, aceasta înseamnă că radiația are o lungime de undă strict constantă și, prin urmare, culoarea. În același timp, există lasere care emit o lungime de undă strict definită, a cărei valoare este determinată de „substanța de lucru” a laserului. O astfel de substanță poate fi gazoasă, lichidă sau solidă. La început, a fost folosit în principal cristal de rubin sintetic. Când se utilizează sticlă activată cu neodim, lungimea de undă a radiației este de 1,06 µm. Ca substanță de lucru, se utilizează în special dioxid de carbon CO2 și multe alte substanțe. Laserele lichide vă permit să emiteți la diferite lungimi de undă (într-un interval dat). Radiația are loc alternativ, în fiecare moment de timp este emisă o lungime de undă strict definită.

De asemenea, este important ca instalațiile laser să permită emiterea de impulsuri de lumină foarte scurte. Pentru transmiterea de informații (prin trenuri de impulsuri), acest lucru este foarte important. Lungimea impulsului poate fi atât de mică încât până la o mie de miliarde de impulsuri pot fi „împachetate” într-o secundă. Când sunt emise, impulsurile se succed cu o anumită întârziere. Laserele moderne fac posibilă obținerea de impulsuri de mare putere. Deci, chiar și impulsurile la fel de scurte ca cele de mai sus pot avea o energie mai mare de 10 jouli! Cu cât lungimea pulsului este mai mare, cu atât energia conținută în acesta este mai mare. În modul „generare liberă”, când laserul însuși reglează lungimea impulsurilor emise și este de ordinul a miimii de secundă, energia fiecărui impuls poate ajunge la câteva mii de jouli. Laserele vă permit să emiteți nu numai impulsuri scurte de lumină, ci și continuu. De exemplu, laserele cu gaz dioxid de carbon pot funcționa în modul cw. În acest caz, radiația este caracterizată nu de energia fiecărui impuls (pentru că nu există impulsuri separate), ci de energia pe unitatea de timp sau, cu alte cuvinte, de putere. Astfel, puterea laserelor care funcționează pe dioxid de carbon ajunge la câteva zeci de kilowați.

Radiația laser este, de asemenea, împrăștiată, dar incomparabil mai mică decât cea a reflectoarelor. Acest lucru este determinat de dimensiunea substanței de lucru. Radiația de la suprafața substanței de lucru are loc strict cu aceeași fază (în fază) pe întreaga sa suprafață. Prin urmare, lățimea fasciculului trimis de laser depinde de dimensiunea blocului „substanță de lucru”, adică cu cât suprafața este mai mare, cu atât fasciculul de lumină emis este mai îngust. Dependența lățimii fasciculului de lungimea de undă este directă: cu cât lungimea de undă este mai mică, cu atât fasciculul transmis de laser este mai larg. Dar chiar și la laserele obișnuite, în care dimensiunile substanței de lucru sunt de aproximativ 1 centimetru, unghiul fasciculului luminos este de 200 de ori mai mic decât cel al unui reflector. Este de 10 secunde de arc. Există, desigur, lasere cu unghiuri mult mai mici de emisie de lumină.

Pentru a scăpa de divergența razelor, este necesar să folosiți un sistem optic precum un telescop care direcționează cursul razelor. Dacă un fascicul laser este trecut printr-o lentilă a cărei distanță focală este egală cu diametrul său, atunci imaginea reală a fasciculului în planul focal va avea dimensiuni egale cu lungimea de undă. Apoi, în locul în care s-a obținut această imagine reală a fasciculului, plasăm focalizarea unei alte lentile (sau oglinzi), al cărei diametru este mult mai mare decât primul. Pentru al doilea obiectiv, distanța focală poate fi mai mare decât diametrul său, dar poate fi și egală cu aceasta (ca și în cazul primului obiectiv). O astfel de combinație a două lentile duce la faptul că din a doua lentilă mare (oglindă) va ieși un fascicul în care unghiul de divergență va scădea (comparativ cu cel inițial care intră în telescop) de atâtea ori cât diametrul a doua lentilă (oglindă) este mai mare decât lungimea undei emise. Astfel, este destul de realist să reduceți în mod arbitrar unghiul de divergență al fasciculului laser.

Pentru comunicarea cu extratereștrii, pot fi folosite atât sistemele de comunicații construite pe un singur laser, cât și construite pe un întreg sistem (baterie) de lasere. Dacă folosim un laser cu emisie continuă cu o putere de 10 kilowați și o oglindă suplimentară mare cu un diametru de 5 metri, atunci este posibil să restrângem unghiul de deschidere a fasciculului la 0,02 arcsec.

Puteți folosi nu o oglindă mare, ci un anumit număr de oglinzi cu un diametru mic (să zicem, 10 centimetri). Atunci sistemul trebuie să conțină atâtea lasere câte oglinzi există. Toate acestea trebuie să fie foarte rigid orientate. Dacă luăm 25 de lasere, atunci putem obține un unghi de deschidere a fasciculului egal cu o secundă de arc.

Avantajul sistemelor laser (baterii) pentru comunicațiile spațiale este că în timpul funcționării sale este posibilă excluderea influenței atmosferei terestre. Dacă, totuși, se lucrează cu un singur laser, atunci, din cauza neliniștii atmosferei, unghiul de deschidere a fasciculului devine mult mai mare decât în ​​absența unei astfel de influențe. Această influență poate fi ocolită dacă sistemul laser este plasat astfel încât fasciculul laser să nu treacă prin atmosferă, adică dacă este plasat pe un satelit de platformă artificială. Nu este nevoie să folosiți o baterie de sisteme laser în acest caz.

Pentru prima dată, posibilitatea comunicării cu civilizațiile extraterestre folosind un fascicul laser a fost analizată științific în 1961 de către câștigătorul Premiului Nobel Ch.Kh. Townsom și R.I. Schwartz. De atunci, tehnologia laser din lume s-a îmbunătățit și condițiile pentru comunicarea cu laser au devenit mai favorabile. Principalul lucru pe care ar trebui să-l ofere această tehnică este puterea de radiație suficientă și capacitatea de a separa radiația laser trimisă nouă de extratereștri de radiația stelelor. Cum separă lumina laser de lumina stelelor? Această întrebare nu este deloc simplă și poate fi rezolvată numai datorită unei proprietăți speciale a radiației laser - monocromaticitatea sa ridicată. O stea (cum ar fi Soarele) emite lumină la diferite lungimi de undă. Laserul emite doar la o lungime de undă strict definită, să zicem 0,5 microni. La această lungime de undă, Soarele radiază cea mai mare energie. Cu toate acestea, radiația laser este de 25 de ori mai mare decât cea a Soarelui sau a unei alte stele similare. Desigur, acest lucru se aplică numai acestei lungimi de undă. La alte lungimi de undă (cum ar fi regiunile ultraviolete și infraroșii ale spectrului), acest raport ar fi și mai mare, deoarece la aceste lungimi de undă Soarele emite mai puțin decât lumina verde aproape (0,5 µm).

Astfel, chiar și tehnologia laser modernă face posibilă crearea de radiații a căror intensitate la o anumită lungime de undă este suficientă pentru a o separa de întreaga radiație a stelelor. Pentru a obține o emisie și mai bună a radiației laser, este necesar să „lucrezi” în apropierea liniilor de absorbție ale Soarelui (sau a unei alte stele), adică în domeniul în care o parte din radiația solară este absorbită și interferează mai puțin cu emisia. de radiații laser. Dacă laserul funcționează la o lungime de undă de 0,15 μm, atunci intensitatea sa spectrală poate fi de zeci de mii de ori mai mare decât intensitatea radiației solare la această lungime de undă, deoarece se află în regiunea de absorbție a radiației solare. Desigur, o astfel de instalație laser trebuie să fie amplasată în afara atmosferei pământului, altfel radiația laser va fi absorbită de gazul atmosferic. Astfel, atunci când înregistrăm și analizăm lumina de la stelele îndepărtate, trebuie să ținem cont de faptul că radiațiile laser trimise de civilizațiile extraterestre pot fi detectate pe fondul acestei radiații. Va apărea ca o linie îngustă. Dar pentru aceasta este necesar să se analizeze radiația stelelor cu ajutorul spectrografelor de înaltă calitate. De asemenea, puteți utiliza filtre cu bandă foarte îngustă. Desigur, aceste dispozitive optice trebuie să fie de foarte înaltă calitate: rezoluția spectrografului trebuie să fie de 0,03 A pentru a obține un contrast de 10% al liniei laser deasupra fundalului. Tehnologia optică modernă face acest lucru posibil. Prin urmare, chiar și acum putem începe să prindem linii de emisie aparținând dispozitivelor laser ale civilizațiilor extraterestre folosind cele mai puternice telescoape.

Am discutat în mod repetat diverse aspecte ale acțiunii efectului Doppler asupra radiației unei surse în mișcare. În acest caz, trebuie luat în considerare și acest efect, deoarece din cauza mișcării receptorilor de radiație în direcția radiației în sine, ar trebui să apară o schimbare (deplasare Doppler) a frecvenței radiației într-o direcție sau alta. Pentru a înregistra această radiație cu o frecvență decalată, este necesar să existe spectrografe cu rezoluția corespunzătoare.

Astfel, chiar și nivelul modern al tehnologiei laser face posibilă primirea semnalelor laser de la stelele din apropiere și trimiterea lor înapoi. Mai rămâne însă o întrebare, poate cea mai importantă: unde să trimiți semnale și de unde să le primești? În ambele cazuri, trebuie să ne îndreptăm telescoapele undeva și cu o precizie foarte mare. Același lucru se cere corespondenților noștri din spațiu. Dacă se află pe cele mai apropiate stele (planetele lor), atunci vor observa orbita pământului la un unghi de o secundă de arc. Pentru ca raza lor laser să lovească Pământul, ei trebuie să îl direcționeze cu o rezoluție unghiulară de 0,02 secunde de arc. O astfel de precizie este acum disponibilă astronomilor noștri. Prin urmare, credem că este realizabil și pentru civilizațiile extraterestre care caută conexiuni cu noi.

Este logic să ne imaginăm că extratereștrii, în căutarea comunicării cu noi, vor „fășura” cu o rază laser în sistemul solar. Dacă măresc lățimea fasciculului laser (razei), atunci acesta va ilumina Pământul tot timpul și poate fi înregistrat relativ ușor. Dar cu cât fasciculul este mai larg, cu atât trebuie radiată mai multă energie astfel încât să fie suficientă pentru întreaga suprafață iluminată de acesta, astfel încât să poată fi înregistrată. Dar s-ar putea crede că această dificultate pentru extratereștri nu va fi de netrecut. Cel puțin în laboratoarele terestre, creșterea puterii radiației laser are loc foarte rapid.

Comunicarea laser deosebit de eficientă poate fi utilizată în cadrul sistemului solar. Folosind un fascicul laser, puteți crea un loc pe Marte cu un diametru de 5-7 kilometri, care va străluci de aproximativ 10 ori mai luminos decât Venus când este privit de pe Pământ. Un fascicul laser poate transporta orice informație: intensitatea sa poate fi modificată în timp conform oricărei legi (cu alte cuvinte, radiația laser poate fi modulată în consecință). Suprafața lunii a fost iluminată de un fascicul laser. Pe partea Lunii neluminata de Soare se obtine o pata luminoasa cu diametrul de 40 de metri. Este iluminat de 100 de ori mai puțin decât în ​​cazul razelor directe ale soarelui.

De la apariția vieții pe Pământ, posibilitatea de a transmite mesaje unul altuia (sau, după cum se spune acum, informații) a ocupat unul dintre principalele locuri în comunicarea umană. În Grecia antică, de exemplu, informațiile erau transmise folosind unde luminoase, pentru care erau aprinse focuri de tabără pe turnuri speciale pentru a informa locuitorii cu privire la un eveniment important. Telegraful optic a fost inventat în Franța. Omul de știință rus Schelling a propus un telegraf cu fir electric, îmbunătățit ulterior de americanul Morse. Cablul electric a conectat Europa cu America. T. Edison a dublat capacitatea liniei telegrafice. A. Popov a descoperit posibilitatea transmiterii mesajelor telegrafice fără fire – cu ajutorul oscilațiilor electromagnetice. Tehnologia radio s-a dezvoltat rapid. Au început să emită la diferite lungimi de undă: lungă, medie, scurtă. Aerul a devenit aglomerat.

Care este viteza și cantitatea de informații transmise? Se știe că viteza maximă de transmisie este determinată de durata unei perioade de oscilație a undelor utilizate. Cu cât perioada este mai scurtă, cu atât rata mesajelor este mai mare. Acest lucru este valabil și pentru transmiterea de mesaje folosind codul Morse, folosind telefonul, radioul și televiziunea. Astfel, canalul de comunicație (emițător, receptor și linia care le conectează) poate transmite mesaje cu o viteză nu mai mare decât frecvența naturală a întregului canal. Dar aceasta nu este încă o condiție suficientă. Pentru a caracteriza canalul de comunicație, este necesar încă un parametru - lățimea de bandă a canalului, adică intervalul de frecvență care este utilizat în acest canal de comunicație. Cu cât rata de transmisie este mai mare, cu atât lățimea de bandă pe care se transmite este mai mare. Ambii acești parametri fac necesară stăpânirea frecvențelor tot mai mari ale oscilațiilor electromagnetice. Într-adevăr, odată cu creșterea frecvenței, crește nu numai viteza de transmisie pe un canal, ci și numărul de canale de comunicație.

Tehnologia comunicațiilor a început să urce într-o regiune cu lungime de undă din ce în ce mai scurtă, folosind mai întâi unde decimetru, apoi metru și, în final, unde centimetrice. Și apoi a fost o oprire din cauza faptului că nu era

sursă adecvată de unde electromagnetice purtătoare. Sursele existente anterior au oferit un spectru larg, cu o putere foarte mică, atribuită frecvențelor individuale de vibrație. Undele de lumină nu erau coerente, iar acest lucru a împiedicat utilizarea lor pentru transmiterea de semnale complexe care necesită modularea radiației. Situația s-a schimbat dramatic odată cu apariția laserelor. Coerența și monocromaticitatea radiației laser fac posibilă modularea și detectarea fasciculului în așa fel încât să fie utilizată întreaga lățime a intervalului optic. Partea optică a spectrului este mult mai largă și mai încăpătoare decât partea undelor radio. Să arătăm acest lucru cu un calcul simplu. Să calculăm câtă informație poate fi transmisă simultan printr-un canal de comunicație optic cu o lungime de undă de 0,5 μm (corespunzător cu Hz). Să luăm ca exemplu un oraș ca Moscova. Să presupunem că are 1.500.000 de telefoane, 100 de posturi de radio difuzate și 5 canale de televiziune. Pentru calcule, presupunem că banda de frecvență a canalului telefonic este Hz, canal radio, canal de televiziune - Hz. Să luăm factorul de siguranță egal cu 100. Calculele se vor face după formula

unde c este viteza luminii, K este lungimea de undă a oscilației electromagnetice, banda de frecvență ocupată de un canal de televiziune, banda de frecvență a unei stații de emisie, banda de frecvență a unui canal telefonic, numărul de canale de televiziune, numărul de canale radio, numărul de telefoane, k este factorul de siguranță.

Înlocuind valorile pentru exemplul nostru, obținem. Din aceasta putem concluziona că componenta de înaltă frecvență a oscilației electromagnetice, egală cu aproximativ Hz, permite (în principiu) într-un singur fascicul laser să transmită simultan informații la o mie de astfel de orașe. ca Moscova. Cu toate acestea, pentru a realiza această posibilitate fundamentală, trebuie rezolvate o serie de probleme. Ele sunt asociate cu modulația, demodularea și cu trecerea radiațiilor în atmosferă. Pentru a înțelege acest lucru, luați în considerare o linie de comunicație optică (Fig. 27).

Orez. 27. Linie de comunicare optică folosind un laser

Linia de comunicație este formată din dispozitive de transmitere și recepție. Transmițătorul include un laser care generează un purtător de înaltă frecvență; un modulator care asigură impunerea informației transmise asupra purtătorului de lumină; sistem optic necesar pentru focalizarea radiației într-un fascicul îngust, care oferă o rază lungă de acțiune și imunitate ridicată la zgomot; un microfon cu un amplificator și un dispozitiv de direcționare. Dispozitivul de recepție constă dintr-un sistem optic de intrare, un receptor de radiații, un demodulator, un amplificator, un difuzor și un dispozitiv pentru direcționarea (legarea) receptorului la transmițător. Linia de comunicare funcționează așa. Semnalul audio este trimis la microfon. Aici este transformat în energie electrică și alimentat la modulator, prin care trece radiația laser. Se dovedește a fi modulat în conformitate cu mesajul vocal. Fasciculul modulat intră în sistemul optic. Cu această radiație, cu ajutorul unui dispozitiv de ochire (de ochire), se iradiază locul unde se află sistemul de recepție. Sistemul optic de recepție colectează fasciculul laser și îl direcționează către receptor și amplificator. După aceea, intră în demodulator, a cărui sarcină este să izoleze frecvența audio originală de frecvența purtătoare. Trece prin amplificatorul de frecvență audio și merge la difuzor.

Tabelul 15 (vezi scanare) Caracteristicile modulatorilor

Deoarece frecvența de modulație în timpul transmisiei unui semnal audio nu depășește 104 Hz, majoritatea modulatoarelor și demodulatoarelor dezvoltate până în prezent sunt potrivite pentru implementarea acestuia. Modulația de amplitudine cea mai utilizată. Elementele optice care își schimbă transparența sub influența tensiunii aplicate acestora sunt potrivite pentru implementarea acesteia. Celula Kerr, care constă dintr-un dielectric lichid și plăci metalice, aparține și ea acestui tip de modulatoare. Când un câmp electric este aplicat plăcilor, dielectricul lichid devine birefringent. Ca urmare, planul de polarizare al undei luminoase transmise se va roti printr-un unghi

unde B este constanta Kerr, este lungimea traseului, intensitatea câmpului. În acest caz, câmpul polarizat plan,

trecând prin analizor, își modifică intensitatea în conformitate cu legea câmpului electric. Astfel, cu ajutorul unui modulator, în fasciculul laser este introdusă o frecvență audio. Să ne uităm la un tabel care arată caracteristicile diferitelor tipuri de modulatoare și să încercăm să-l alegem pe cel care se potrivește sistemului nostru de comunicații.

Să folosim un laser cu gaz heliu-neon ca sursă de radiație. Pentru a transmite un mesaj audio, este necesară modulația de până la 20 kHz. Acest lucru este cel mai bine satisfăcut de un cristal de germaniu (Tabelul 15). Are o adâncime bună de modulare - 50%. Cu toate acestea, acest modulator nu poate fi utilizat, deoarece transparența sa spectrală se află în intervalul 1,8 ... 25 μm, adică este opac pentru radiații de 0,6328 μm, care emite un laser heliu-neon. Un cristal ADP sau KDP este potrivit pentru domeniul spectral și are o marjă bună de frecvență de modulație. Cu un astfel de modulator, este posibilă modularea radiației optice în mai multe secțiuni de frecvență, ceea ce face posibilă, în principiu, introducerea mai multor canale telefonice într-un singur fascicul. Dar este imposibil să introduceți mai multe canale de televiziune în fasciculul laser folosind un astfel de modulator, deoarece este necesară o bandă de frecvență Hz pentru a transmite o imagine de televiziune. Se poate transmite un singur program TV. Avem nevoie de modulatoare cu o gamă foarte mare de frecvențe de modulație. Ne uităm la masă. Modulatorul de unde ultrasonice are un interval de la 5 la 30 MHz. Limita sa superioară este cea mai mare, nu există alți modulatori. Să comparăm acest interval în Hz cu domeniul de frecvență al unui laser cu gaz. Se poate observa că ele diferă cu șapte ordine de mărime, adică de zece milioane de ori. În consecință, purtătorul laser de înaltă frecvență nu este folosit la întregul său potențial. Și nu este folosit pentru că nu există încă modulatoare cu o gamă de frecvență de până la Hz. O imagine similară are loc pentru receptorii de radiații. Ele ar trebui, de asemenea, selectate pe baza intervalului spectral în care operează. Și pe baza intervalului de frecvență pe care sunt capabili să o perceapă. Cele mai preferate PMT au o bandă de frecvență de aproximativ 100 MHz, dar nu mai mult. Prin urmare, există o problemă aici care trebuie rezolvată.

Orez. 28. Schema funcțională a primei instalații de televiziune cu laser

Cea mai ușoară cale a fost să construiești o linie de comunicație telefonică, deoarece avea toate elementele necesare: o sursă de radiații, un modulator și un receptor de radiații. Astfel de linii au fost create pentru a evalua eficacitatea funcționării lor. Una dintre ele a conectat centrala telefonică automată, situată în Piața Sholohov, cu clădirea Universității de Stat din Moscova de pe Dealurile Lenin. Câteva zeci de conversații telefonice ar putea fi efectuate simultan folosind un fascicul laser care leagă centralele telefonice. O altă linie a fost creată în Armenia. Ea a făcut legătura între Erevan și Observatorul Astrofizic Bureaukan, situat la o distanță de 50 km pe Muntele Aragats.

Utilizarea laserelor în televiziune

Recent, au fost dezvoltate mai multe sisteme în care o imagine de televiziune este transmisă pe un canal optic. Cel mai simplu sistem de televiziune a fost realizat din componente și piese gata făcute. Schema funcțională a acestui sistem este prezentată în fig. 28. Include un laser industrial, două televizoare industriale, un amplificator standard și un amplificator video. În plus, au fost utilizate sisteme optice de recepție și transmisie, un modulator de radiație optică și un filtru optic. Semnalele de televiziune primite de la primul televizor sunt amplificate și trimise către modulator (semnalele video sunt preluate de la una dintre etapele canalului video ale receptorului de televiziune). Modulator la ieșirea radiației

laser, asigură modularea în amplitudine a fluxului radiant. Această radiație este formată într-un fascicul îngust folosind un sistem optic și îndreptată către dispozitivul de recepție. De asemenea, are un sistem optic de recepție de tip oglindă (cu două oglinzi), un filtru optic cu bandă îngustă și o diafragmă. Apoi radiația intră în PMT. Această combinație a ultimelor trei elemente oferă o selecție bună a semnalului de recepție, ceea ce permite ca sistemul să fie utilizat în condiții de lumină solară. Semnalul către PMT este convertit de la optic la electric, trece printr-un amplificator video și este alimentat la cinescopul celui de-al doilea televizor. În ciuda prezenței zgomotului introdus de laser și a fundalului intens de lumină naturală când televizorul funcționa în lumina soarelui, imaginea de pe ecranul celui de-al doilea televizor a fost destul de satisfăcătoare. Mai mult, claritatea imaginii a fost ridicată, ceea ce a făcut posibilă concluzia că modulatorul și dispozitivele electronice aferente aveau o caracteristică bună de transfer. Sistemul nu a detectat „căderea de zăpadă”, iar acest lucru indică un raport semnal-zgomot suficient.

Am observat mai devreme că modulatorul este elementul principal al sistemului de comunicații de televiziune. Aici a fost folosită o celulă Pockels, în care tensiunea de modulație este aplicată cristalului în direcția fluxului luminos. Acest modulator oferă o adâncime bună de modulare și o lățime de bandă suficientă, dar are două dezavantaje semnificative: primul este că este necesară o tensiune de până la câțiva kilovolți pentru a controla modulația, iar al doilea se datorează faptului că celula trebuie să fie răcită.

Deja în modificările ulterioare ale echipamentelor au fost aplicate soluții pentru eliminarea acestor neajunsuri. Celula Pockels a fost înlocuită cu un cristal CDP, care are o bună transparență optică într-un interval dat de lungimi de undă, iar pentru a reduce tensiunea de modulare, fasciculul a fost îngustat suplimentar folosind un sistem de colimare. Acest lucru a făcut posibilă îngustarea fasciculului la 1 mm. Pentru a asigura rezistența mecanică, cristalul a fost plasat într-o carcasă metalică. Aceste îmbunătățiri au redus consumul de energie cu două ordine de mărime. Modulatorul a funcționat la o tensiune de 18 V și a consumat un curent de 50 mA.

Orez. 29. Schema camerei cu transmisie laser

După ceva timp, au apărut mostre de sisteme de televiziune în care cinci imagini diferite de televiziune au fost transmise printr-un fascicul laser. În aceste sisteme, un laser cu gaz care funcționează la o lungime de undă de 0,6328 μm a fost folosit ca sursă de radiație cu o putere radiată de numai 8 mW. În dispozitivul de recepție a fost folosită o fotodiodă de siliciu. Transmisia imaginilor s-a realizat pe canalele 66...7B, 76...82, 182...186, 198..204, 210...216 MHz.

Schema funcțională a celei de-a treia versiuni a camerei TV cu transmisie laser este prezentată în fig. 29. Acest sistem prevedea transmiterea unui program de televiziune de-a lungul unui fascicul laser, precum și a unui program muzical și a informațiilor digitale. Elementele principale ale dispozitivului au fost: un laser cu gaz argon cu un sistem de măturare a fasciculului în spațiu, un receptor format dintr-un filtru de bandă îngustă cu o lățime de bandă de 90 de angstromi, un fotomultiplicator și un preamplificator. A treia componentă a fost sistemul de sincronizare orizontală și verticală. Originalitatea constă în faptul că se folosește un fascicul laser cu scanare rapidă, iar în locul unei camere de televiziune se folosește un fotomultiplicator. O imagine de televiziune se obține prin iradierea unui obiect cu radiație laser continuă, care este rotit în spațiu de-a lungul a două axe perpendiculare folosind prisme rotative. Scanarea orizontală este asigurată de o prismă cu 16 fețe care se rotește cu

viteza 60.000 rpm. În acest caz, viteza verticală a fasciculului este asigurată de o prismă cu 26 de laturi care se rotește cu o viteză de 150 rpm. Aceste două mături oferă 60 de cadre pe secundă. Radiația laser reflectată de obiect, a cărei imagine urmează să fie obținută, cade pe dispozitivul de recepție, de la ieșirea căruia semnalul amplificat este furnizat televizorului de control și imaginea obiectului este recreată pe ecranul său. Sunt prevăzute două elemente pentru a sincroniza scanarea televizorului de control cu ​​scanarea fasciculului laser în spațiu. Unul dintre ele efectuează orizontală, iar celălalt - sincronizarea cadrului. Fotocelulele circuitelor de sincronizare orizontală și verticală sunt instalate, respectiv, pe traseul scanării fasciculului laser orizontal și vertical. Semnalele de ieșire ale fotocelulelor, amplificate la valoarea cerută, asigură sincronizarea necesară. Calitatea pozitivă a unei astfel de camere de televiziune cu laser este calitatea ridicată a imaginii. În plus, poate funcționa pe întuneric și este capabil să transmită o imagine prin ceață mult mai bine decât orice alt dispozitiv cu un scop similar. Dezavantajele sistemului includ pierderi semnificative de energie în timpul măturarii fasciculului în spațiu și prezența elementelor care se rotesc rapid.

E. N. Chepusov, S. G. Sharonin

Astăzi este imposibil să ne imaginăm viața fără computere și rețele bazate pe acestea. Omenirea se află în pragul unei noi lumi în care va fi creat un singur spațiu informațional. În această lume, comunicarea nu va mai fi restricționată de granițele fizice, timp sau distanță.

Acum, în întreaga lume, există un număr mare de rețele care îndeplinesc diverse funcții și rezolvă multe probleme diferite. Mai devreme sau mai târziu, dar întotdeauna vine un moment în care lățimea de bandă a rețelei este epuizată și trebuie așezate noi linii de comunicație. În interiorul clădirii, acest lucru este relativ ușor de făcut, dar deja atunci când două clădiri învecinate sunt conectate, încep dificultățile. Sunt necesare autorizații speciale, aprobări, licențe pentru efectuarea lucrărilor, precum și îndeplinirea unui număr de cerințe tehnice complexe și satisfacerea unor solicitări financiare considerabile din partea organizațiilor care gestionează terenuri sau canalizare. De regulă, se dovedește imediat că cea mai scurtă cale dintre două clădiri nu este o linie dreaptă. Și nu este deloc necesar ca lungimea acestei căi să fie comparabilă cu distanța dintre aceste clădiri.

Desigur, toată lumea cunoaște o soluție wireless bazată pe diverse echipamente radio (modemuri radio, linii radiorelee cu canale joase, transmițătoare digitale cu microunde). Dar complexitatea nu scade. Aerul este suprasaturat și obținerea permisiunii de utilizare a echipamentelor radio este foarte dificilă și uneori chiar imposibilă. Iar debitul acestui echipament depinde în mod semnificativ de costul acestuia.

Ne propunem să folosim un nou tip rentabil de comunicare fără fir, care a apărut destul de recent - comunicarea cu laser. Această tehnologie a fost cel mai dezvoltată în SUA, unde a fost dezvoltată. Comunicațiile cu laser oferă o soluție rentabilă la problema comunicațiilor fiabile, de mare viteză, pe distanță scurtă (1,2 km), care pot apărea la interconectarea sistemelor de telecomunicații între clădiri. Utilizarea acestuia va permite integrarea rețelelor locale cu cele globale, integrarea rețelelor locale la distanță între ele și, de asemenea, să răspundă nevoilor de telefonie digitală. Comunicarea laser acceptă toate interfețele necesare în aceste scopuri - de la RS-232 la ATM.

Cum se realizează comunicarea cu laser?

Comunicarea laser, spre deosebire de comunicarea GSM, face posibilă realizarea de conexiuni punct la punct cu rate de transfer de informații de până la 155 Mbit/s. În rețelele de calculatoare și telefonie, comunicarea cu laser asigură schimbul de informații în modul full duplex. Pentru aplicațiile care nu necesită viteze mari de transmisie (de exemplu, pentru transmiterea semnalelor video și de control în sisteme tehnologice și CCTV), există o soluție specială rentabilă cu schimb semi-duplex. Atunci când este necesară combinarea nu numai a computerelor, ci și a rețelelor de telefonie, modelele de dispozitive laser cu un multiplexor încorporat pot fi utilizate pentru a transmite simultan traficul LAN și fluxurile de telefonie digitală multicast (E1 / PCM30).

Dispozitivele laser pot transmite orice flux de rețea care le este livrat folosind fibră sau cablu de cupru în direcțiile înainte și invers. Transmițătorul convertește semnalele electrice în radiații laser modulate în domeniul infraroșu, cu o lungime de undă de 820 nm și o putere de până la 40 mW. Comunicarea cu laser folosește atmosfera ca mediu de propagare. Apoi fasciculul laser intră în receptor, care are sensibilitatea maximă în domeniul lungimii de undă a radiației. Receptorul convertește radiația laser în semnale ale interfeței electrice sau optice utilizate. Așa se realizează comunicarea folosind sisteme laser.

Familii, modele și caracteristicile lor

În această secțiune, dorim să vă prezentăm cele trei familii ale celor mai populare sisteme laser din SUA - LOO, OmniBeam 2000 și OmniBeam 4000 (Tabelul 1). Familia LOO este familia de bază și permite transmisii de date și voce până la 1000 m. Familia OmniBeam 2000 are capacități similare, dar funcționează la o distanță mai mare (până la 1200 m) și poate transmite imagini video și o combinație de date și vorbire . Familia OmniBeam 4000 poate efectua transmisii de date de mare viteză: de la 34 la 52 Mbps până la 1200 m și de la 100 la 155 Mbps până la 1000 m. Există și alte familii de sisteme laser pe piață, dar acestea fie acoperă o perioadă mai scurtă. distanță sau acceptă mai puține protocoale.

Tabelul 1.

Fiecare dintre familii include un set de modele care suportă diverse protocoale de comunicare (Tabelul 2). Familia LOO include modele economice care asigură distanțe de transmisie de până la 200 m (litera „S” la sfârșitul denumirii).

Masa 2.

Avantajul incontestabil al dispozitivelor de comunicații laser este compatibilitatea lor cu majoritatea echipamentelor de telecomunicații pentru diverse scopuri (hub-uri, routere, repetoare, poduri, multiplexe și centrale telefonice automate).

Instalarea sistemelor laser

Un pas important în crearea unui sistem este instalarea acestuia. Pornirea reală necesită un timp neglijabil în comparație cu instalarea și setarea echipamentelor laser, care durează câteva ore, cu condiția ca acestea să fie efectuate de specialiști bine pregătiți și echipați. În același timp, calitatea sistemului în sine va depinde de calitatea acestor operațiuni. Prin urmare, înainte de a prezenta opțiuni tipice de includere, am dori să acordăm o oarecare atenție acestor probleme.

Când sunt amplasate în aer liber, transceiver-urile pot fi instalate pe suprafața acoperișurilor sau a pereților. Laserul este montat pe un suport rigid special, de obicei metalic, care este atașat de peretele clădirii. Suportul oferă, de asemenea, posibilitatea de a regla unghiul de înclinare și azimutul fasciculului.

În acest caz, pentru ușurința instalării și întreținerii sistemului, conectarea acestuia se realizează prin cutii de joncțiune (RK). Ca cabluri de conectare, fibra optică este de obicei utilizată pentru circuitele de transmisie a datelor și cablul de cupru pentru circuitele de putere și control. Dacă echipamentul nu are o interfață optică de date, atunci se poate folosi un model cu o interfață electrică sau un modem optic extern.

Unitatea de alimentare (PSU) a transceiver-ului este întotdeauna instalată în interior și poate fi montată pe un perete sau într-un rack care este utilizat pentru echipamente LAN sau cablare structurată. În apropiere poate fi instalat și un monitor de stare, care servește pentru controlul de la distanță al funcționării transceiverelor din familiile OB2000 și OB4000. Utilizarea acestuia permite diagnosticarea canalului laser, indicarea valorii semnalului, precum și buclarea semnalului pentru a-l verifica.

La instalarea interioară a transceiver-urilor laser, trebuie reținut că puterea radiației laser scade la trecerea prin sticlă (cel puțin 4% pe fiecare sticlă). O altă problemă o reprezintă picăturile de apă care curg pe exteriorul paharului când plouă. Ele joacă rolul de lentile și pot duce la împrăștierea fasciculului. Pentru a reduce acest efect, se recomandă instalarea echipamentului aproape de partea superioară a sticlei.

Pentru a asigura o comunicare de înaltă calitate, este necesar să se țină cont de unele cerințe de bază.

Cel mai important dintre ele, fără de care comunicarea va fi imposibilă, este că clădirile trebuie să fie în raza de vedere, în timp ce nu ar trebui să existe obstacole opace în calea fasciculului. În plus, deoarece fasciculul laser din zona receptorului are un diametru de 2 m, este necesar ca transceiver-urile să fie deasupra pietonilor și traficului la o înălțime de cel puțin 5 m. Acest lucru se datorează reglementărilor de siguranță. Transportul este, de asemenea, o sursă de gaze și praf, care afectează fiabilitatea și calitatea transmisiei. Fasciculul nu trebuie să se propage în imediata vecinătate a liniilor electrice sau să le traverseze. Este necesar să se țină seama de posibila creștere a copacilor, de mișcarea coroanelor lor în timpul rafalelor de vânt, precum și de influența precipitațiilor și posibilele disfuncționalități datorate păsărilor zburătoare.

Alegerea corectă a transceiver-ului garantează funcționarea stabilă a canalului în întreaga gamă de condiții climatice din Rusia. De exemplu, cu un diametru al fasciculului mare, probabilitatea defecțiunilor asociate cu precipitații este redusă.

Echipamentul laser nu este o sursă de radiație electromagnetică (EMR). Cu toate acestea, dacă este plasat lângă dispozitive cu EMI, atunci echipamentul electronic al laserului va prelua această radiație, ceea ce poate provoca o modificare a semnalului atât în ​​receptor, cât și în transmițător. Acest lucru va afecta calitatea comunicației, așa că nu este recomandat să amplasați echipamente laser în apropierea surselor EMI, cum ar fi stații radio puternice, antene etc.

La instalarea unui laser, este de dorit să se evite orientarea transceiver-urilor laser în direcția est-vest, deoarece în câteva zile pe an razele soarelui pot bloca radiația laser timp de câteva minute, iar transmisia va deveni imposibilă, chiar și cu filtre optice speciale. în receptor. Știind cum se mișcă soarele pe cer într-o anumită zonă, puteți rezolva cu ușurință această problemă.

Vibrația poate determina deplasarea transceiver-ului laser. Pentru a evita acest lucru, nu este recomandat să instalați sisteme laser în apropierea motoarelor, compresoarelor etc.

Figura 1. Amplasarea și conectarea transceiver-urilor laser.

Mai multe moduri tipice de a porni

Comunicarea cu laser va ajuta la rezolvarea problemei comunicării pe distanță scurtă într-o conexiune punct la punct. Ca exemple, luați în considerare câteva opțiuni tipice sau metode de includere. Deci, aveți un birou central (CO) și o sucursală (F), fiecare dintre ele având o rețea de calculatoare.

Figura 2 prezintă o variantă de organizare a unui canal de comunicație pentru cazul în care este necesară combinarea F și CO, folosind Ethernet ca protocol de rețea și cablu coaxial (gros sau subțire) ca mediu fizic. CO găzduiește serverul LAN, iar PC-ul găzduiește computerele care trebuie conectate la acest server. Cu ajutorul sistemelor laser, de exemplu modelele LOO-28/LOO-28S sau OB2000E, puteți rezolva cu ușurință această problemă. Puntea este instalată în CO, iar repetorul în F. Dacă puntea sau repetorul are o interfață optică, atunci nu este necesar un minimodem optic. Transceiver-urile laser sunt conectate prin fibră optică duală. Modelul LOO-28S vă va permite să comunicați la o distanță de până la 213 m, iar LOO-28 - până la 1000 m cu un unghi de recepție „încrezător” de 3 mrad. Modelul OB2000E acoperă distanțe de până la 1200 m la un unghi de recepție „bun” de 5 mrad. Toate aceste modele funcționează în modul full duplex și oferă o rată de transfer de 10 Mbps.

Figura 2. Conectarea unui segment LAN Ethernet la distanță pe baza unui cablu coaxial.

O opțiune similară pentru combinarea a două rețele Ethernet folosind o pereche răsucită (10BaseT) ca mediu fizic este prezentată în Figura 3. Diferența sa constă în faptul că, în loc de o punte și un repetor, sunt utilizate hub-uri care au numărul necesar de 10BaseT. conectori și un AUI sau FOIRL pentru conectarea transceiver-urilor laser. În acest caz, este necesar să instalați un transceiver laser LOO-38 sau LOO-38S, care oferă rata de transmisie necesară în modul full duplex. Modelul LOO-38 poate comunica până la 1000m, iar LOO-38S până la 213m.

Figura 3. Conectarea unui segment LAN Ethernet cu pereche răsucită de la distanță.

Figura 4 prezintă o variantă de transmisie combinată de date între două rețele LAN (Ethernet) și flux digital multicast E1 (PCM30) între două PBX-uri (în CO și F). Pentru a rezolva această problemă este potrivit modelul OB2846, care asigură transmisie de date și voce la o viteză de 12 (10 + 2) Mbps pe o distanță de până la 1200 m. Cablu coaxial de 75 ohmi prin conector BNC. Trebuie remarcat faptul că multiplexarea fluxurilor de date și de vorbire nu necesită echipamente suplimentare și este realizată de transceiver fără a reduce debitul fiecăruia dintre ele separat.

Figura 4. Unificarea rețelelor de calculatoare și de telefonie.

O formă de realizare a transmisiei de date de mare viteză între două rețele LAN (LAN „A” în CO și LAN „B” în F) folosind comutatoare ATM și transceiver-uri laser este prezentată în Figura 5. Modelul OB4000 va rezolva problema accelerați comunicarea pe distanță scurtă într-un mod optim. Veți putea transmite fluxuri E3, OS1, SONET1 și ATM52 la vitezele necesare pe o distanță de până la 1200 m și 100 Base-VG sau VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX sau Fast Ethernet (802.3), FDDI, TAXI 100 / 140, OC3, SONET3 și ATM155 la vitezele necesare de până la 1000 m. Datele transmise sunt livrate la emițătorul-receptor laser folosind o fibră optică duală standard conectată printr-un conector SMA.

Figura 5. Agregarea rețelelor de telecomunicații de mare viteză.

Exemplele date nu epuizează toate aplicațiile posibile ale echipamentelor laser.

Ce este mai profitabil?

Să încercăm să determinăm locul comunicării laser printre alte soluții cu fir și fără fir, evaluând pe scurt avantajele și dezavantajele acestora (Tabelul 3).

Tabelul 3

Pe 30 ianuarie, satelitul Eutelsat 9B a fost lansat pe orbită. A devenit primul satelit echipat cu sistemul EDRS (European Data Communication System). Dorind să afle mai multe despre noua tehnologie, un corespondent Mediasat a mers la biroul dezvoltatorului modulului EDRS, Tesat, care se află în micul oraș german Backnang. Șeful departamentului de tehnologie laser, Matthias Motsigemba, ne-a făcut un tur al companiei și ne-a vorbit despre tehnologia de comunicare cu laser, care este încă puțin cunoscută în lume.

Cu sprijinul Agenției Spațiale Germane, Tesat a dezvoltat terminalul de comunicații cu laser (LCT), care oferă suport pentru transmisia de date de mare viteză între sateliții cu orbită joasă (LEO) și geostaționari (GEO). Terminalul face posibilă transferul de date cu o viteză de 1,8 Gbit/s pe o distanță de până la 45.000 de kilometri. Aceste terminale LCT ar trebui să devină baza principalelor canale de transmisie a datelor din sistemul EDRS, care ar trebui să asigure transmisia de date între sateliții LEO și GEO.

Matthias Motsigemba: „Acum avem oportunitatea de a oferi servicii de înaltă calitate într-un mod aproape de timp real. Contează foarte mult! Satelitul LEO face o fotografie și o trimite către satelitul GEO, care la rândul său o trimite la sol în domeniul de frecvență radio. Un fascicul laser este o soluție excelentă în vid, cu toate acestea, în condiții atmosferice nu este cea mai bună alegere, deoarece norii pot interfera. Pentru a proteja semnalul TV, puteți utiliza rate mari de date și tehnologie optică anti-interferență în linia de alimentare. Apariția tehnologiei de comunicații cu laser poate fi comparată cu începutul utilizării fibrei optice în locul cuprului.”

Teleportul Sistemului de Observare a Pământului ar putea fi un serviciu străin care utilizează linii terestre nesecurizate.
Serviciu de date optice (LEO la GEO și GEO la stația de transmisie terestră).
Stația de la sol poate fi amplasată în propria țară în linia vizuală a satelitului GEO.
S/C este suveranitatea activelor dumneavoastră informaționale.

Necesitatea dezvoltării acestei tehnologii a fost dictată de cererea tot mai mare de capacități de transmisie a datelor pentru sateliții de supraveghere civili și militari, misiunile HALE. Ideea creării unui sistem EDRS a fost propusă de Comisia Europeană, care este deja angajată în constelația de sateliti Sentinel, programul Copernicus. Următorul pas ar trebui să fie crearea canalelor de comunicații inter-sateliți. Eutelsat a oferit capacități pentru modulul de comunicații de pe satelitul Eutelsat 9B. După șapte ani de dezvoltare a LCT-urilor de prima și a doua generație, sistemul LCT de pe Alphasat a fost lansat în iulie 2013. Sistemul LCT de pe satelitul Sentinel-1A a fost integrat cu succes în decembrie 2013. În decembrie 2014, satelitul Sentinel 1A a fost lansat și pus în funcțiune. În noiembrie 2014, Agenția Spațială Europeană și Tesat au susținut o prezentare comună în direct în timpul căreia o imagine radar în timp aproape real de la satelitul Sentinel-1A a fost trimisă prin Alphasat pe o distanță de 41.700 de kilometri către o stație de la sol.

„Tehnic, nu există nicio diferență între echipamentul de comunicații laser instalat pe Alphasat și cel de pe Eutelsat 9B. Alphasat a demonstrat capacitățile tehnice ale proiectului, în timp ce sistemul EDRS de pe satelitul Eutelsat 9 B este un serviciu comercial oferit de Airbus Defence and Space. De obicei, un satelit de observare a Pământului are 10 minute pentru a intra în contact cu o stație terestră și 90 de minute pentru a orbit Pământul. Aceasta înseamnă că poți folosi doar 10% din activul spațial, iar în caz de urgență sau dezastru natural, se petrece prea mult timp așteptând contactul cu o stație de observare la sol. Acum, în timp ce observați navele maritime, de exemplu, puteți detecta o problemă în 15 minute. , spune Matthias Motsigemba.

Elementul cheie al liniei de produse este LCT-135 (135mm Beam Telescope) pentru legătura inter-satelit GEO/LEO. Ca și în cazul modelului anterior, LCT-125, dispozitivul integrează toate submodulele optice, mecanice și electrice ale terminalului, cum ar fi sistemul de distribuție a energiei, procesorul de bord, modulele de urmărire și achiziție de date și sistemul de procesare a datelor în o unitate. Datele de la senzorii AOCS ai satelitului sunt transferate cu ușurință la LCT printr-o interfață standard - LIAU (Laser Interface Adaptation Unit).

Parametrii LCT:

• Autonomie - 45.000 km.
• Greutate: 53 kg.
• Rata de transfer de date (full duplex):
  pentru EDRS - 1,8 Gbps, pentru alte misiuni - 5,65 Gbps.
• Putere de transmisie: 2,2 W
• Consum maxim de energie: 160W
• Dimensiuni: 0,6 x 0,6 x 0,7 m.

Fibre optice și comunicații cu laser

Încă din antichitate, lumina a fost folosită pentru a transmite mesaje. China, Egiptul și Grecia foloseau fum în timpul zilei și foc noaptea pentru a transmite semnale. Printre primele dovezi istorice ale comunicării optice, putem aminti asediul Troiei. În tragedia sa „Agamemnon”, Eschil oferă o descriere detaliată a lanțului de lumini de semnalizare de pe vârfurile munților Ida, Anthos. Masisto, Egiplanto și Aracnea, precum și pe stâncile de la Lemno și Kifara, pentru a transmite lui Argo vestea cuceririi Troiei de către ahei.

În vremuri mai târzii, dar străvechi, împăratul roman Tiberius, în timp ce se afla în Capri, a folosit semnale luminoase pentru a comunica cu coasta.

Pe Capri, încă se pot vedea ruinele vechiului „Faro” (lumină) lângă vila împăratului Tiberius de pe Muntele Tiberio.

În America de Nord, unul dintre primele sisteme de comunicații optice a fost instalat în urmă cu aproximativ 300 de ani în colonia Noua Franță (acum provincia Quebec din Canada). Guvernul regional, temându-se de posibilitatea unui atac al flotei engleze, a înființat o serie de poziții de baliză în multe sate de-a lungul râului St. Lawrence. Au fost cel puțin 13 puncte în acest circuit, care a început la Il Verte, la aproximativ 200 km în aval de Quebec. De la începutul anilor 1700. în fiecare dintre aceste sate, în fiecare noapte a perioadei de navigație, era o santinelă a cărei sarcină era să observe semnalul trimis din sat în aval și să-l transmită mai departe. Cu un astfel de sistem, mesajul atacului britanic din 1759 a ajuns la Quebec înainte de a fi prea târziu.

În 1790, un inginer francez, Claude Chappe, a inventat semaforele (telegraful optic) amplasate pe turnuri montate unul la altul, permițând trimiterea mesajelor de la un turn la altul. În 1880, Alexander Graham Bell (1847-1922) a primit un brevet pentru un dispozitiv „fotofon” care folosea lumina reflectată a soarelui pentru a transmite sunetul către un receptor. Lumina reflectată a fost modulată în intensitate prin vibrarea unei membrane reflectorizante plasate la capătul tubului în care vorbea Bell. Lumina a parcurs o distanță de aproximativ 200 m și a lovit o celulă de seleniu (fotodetector) conectată la telefon. Deși Bell a considerat fotofonul ca fiind cea mai importantă invenție a sa, utilizarea sa a fost limitată de vreme. Cu toate acestea, această împrejurare nu l-a împiedicat pe Bell să-i scrie tatălui său:

„Am auzit vorbire inteligibilă produsă de lumina soarelui!... Se poate imagina că această invenție are un viitor!... Vom putea vorbi cu ajutorul luminii la orice distanță la vedere fără fire... Într-un război astfel de comunicații nu pot fi întrerupte sau interceptate.”

Invenția laserului a stimulat un interes crescut pentru comunicațiile optice. Cu toate acestea, s-a demonstrat curând că atmosfera Pământului distorsionează propagarea luminii laser într-un mod nedorit. Au fost luate în considerare diferite sisteme, cum ar fi tuburile lentilelor de gaz și ghidurile de undă dielectrice, dar toate au fost abandonate la sfârșitul anilor 1960, când au fost dezvoltate fibre optice cu pierderi reduse.

Înțelegerea faptului că fibrele subțiri de sticlă pot conduce lumina prin reflexie internă totală a fost o idee veche cunoscută încă din secolul al XIX-lea. datorită fizicianului englez John Tyndall (1820-1893) și folosit în instrumente și pentru iluminat. Cu toate acestea, în anii 1960. chiar și cei mai buni ochelari au avut o atenuare mare a luminii transmise prin fibră, ceea ce a limitat sever lungimea de propagare. La acel moment, valoarea tipică de atenuare era de un decibel pe metru, ceea ce înseamnă că după o călătorie de 1 m puterea transmisă se reduce la 80%. Prin urmare, numai propagarea de-a lungul unei fibre lungi de câteva zeci de metri era posibilă, iar singura aplicație era medicina, cum ar fi endoscoapele. În 1966, Charles Kao și George Hockham de la Standard Telecommunications Laboratory (Marea Britanie) au publicat o lucrare fundamentală în care au arătat că dacă impuritățile sunt eliminate cu grijă în silice topită, iar fibra este înconjurată de o placare cu un indice de refracție mai mic, atunci atenuarea poate fi redus la -20 dB/km. Aceasta înseamnă că atunci când treceți pe o lungime de 1 km, puterea fasciculului este atenuată la o sutime din puterea de intrare. Deși aceasta este o valoare foarte mică, este acceptabilă pentru o serie de aplicații.

Așa cum se întâmplă adesea în astfel de situații, în Marea Britanie, Japonia și SUA au început eforturi intense pentru a produce fibre cu performanțe îmbunătățite. Primul succes a fost obținut în 1970 de E. P. Capron, Donald Keck și Robert Mayer de la Corning Glass Company. Au făcut fibre care au avut o pierdere de 20 dB/km la o lungime de undă de 6328 A° (lungimea de undă a unui laser He-Ne). În același an, I. Hayashi și colegii de muncă au raportat despre o diodă laser care funcționează la temperatura camerei.

În 1971, I. Jacobs a fost numit director al Laboratorului de Comunicații Digitale la AT&T Bell Laboratories (Holmdel, New Jersey, SUA) și a fost însărcinat cu dezvoltarea sistemelor cu rate mari de transfer de informații. Șefii săi W. Danielson și R. Kompfner au transferat o parte din personal într-un alt laborator, condus de S. Miller, pentru a „să țină cu ochii” la ceea ce se întâmplă în domeniul fibrelor optice. Trei ani mai târziu, Danielson și Kompfner l-au însărcinat pe Jacobs să formeze o echipă de cercetare pentru a studia fezabilitatea comunicării pe bază de fibre. Era clar că cea mai economică aplicație inițială a sistemelor care foloseau lumină era comunicarea centralelor telefonice din orașele mari. Apoi s-au folosit cabluri pentru aceasta, iar informația a fost transmisă în formă digitală, prin codificarea acesteia cu o serie de impulsuri. Fibrele, cu capacitatea lor de a transmite cantități mari de informații, păreau a fi înlocuitorul ideal pentru cablurile electrice. Birourile și centralele telefonice din orașele mari sunt situate la distanțe de câțiva kilometri unul de celălalt și chiar și în acel moment puteau fi conectate fără probleme, chiar folosind fibre cu pierderi relativ mari.

Deci, un experiment preliminar a fost făcut la mijlocul anului 1976 în Atlanta cu cabluri de fibră optică plasate în tuburi de cabluri convenționale. Succesul inițial al acestor încercări a dus la un sistem care lega două centrale telefonice din Chicago. Pe baza acestor prime rezultate, în toamna anului 1977, Bell Labs a decis să dezvolte un sistem optic de uz general. În 1983, s-a stabilit o legătură între Washington și Boston, deși aceasta a fost asociată cu multe dificultăți. Acest sistem de comunicații a funcționat la o rată de transmisie de 90 Mbps. A folosit fibră multimodală la o lungime de undă de 825 nm.

Între timp, NTTC (compania japoneză de telegraf și telefonie) a reușit să tragă fibre cu o pierdere de doar 0,5 dB/km la lungimi de undă de 1,3 și 1,5 microni, iar Laboratorul Lincoln de la MIT a demonstrat funcționarea unei diode laser InGaAsP capabilă de funcționare continuă în intervalul între 1,0 și 1,7 µm la temperatura camerei. Utilizarea fibrelor cu pierderi reduse la 1,3 µm a condus la sisteme mai avansate. Sistemele au fost construite cu un debit de 400 Mbps în Japonia și 560 Mbps în Europa. Sistemul european ar putea gestiona 8.000 de canale telefonice simultan. Peste 3,5 milioane de kilometri de fibră au fost produși în SUA. Singura parte care mai folosește fir de cupru este legătura dintre casă și centrala telefonică. Această „ultimă milă”, așa cum a ajuns să fie numită, devine și ținta comunicațiilor prin fibră.

Primul cablu telegrafic transatlantic a fost pus în funcțiune în 1858. Aproape o sută de ani mai târziu, în 1956, a fost pus primul cablu telefonic, numit TAT-1. În 1988, a început să funcționeze prima generație de cabluri transatlantice pe fibre optice (au început să fie numite TAT-8). Acestea operează la o lungime de undă de 1,3 microni și leagă Europa, America de Nord și Pacificul de Est. În 1991, a început instalarea celei de-a doua generații de comunicații prin fibră optică, TAT-9, care funcționează pe 1,3 microni și leagă SUA și Canada cu Marea Britanie, Franța și Spania. O altă linie operează între SUA și Canada și Japonia.

Există o serie de alte linii de fibră optică în lume. De exemplu, legătura submarină optică dintre Anglia și Japonia acoperă 27.300 km în Oceanul Atlantic, Marea Mediterană, Marea Roșie, Oceanul Indian, Oceanul Pacific și are 120.000 de amplificatoare intermediare pe pereche de fibre. În comparație, primul cablu telefonic transatlantic din 1956 a folosit 36 ​​de convertoare, iar primul cablu optic pus peste Oceanul Atlantic a folosit 80.000.

Astăzi, după 30 de ani de cercetări, fibrele optice și-au atins limitele fizice. Fibrele de silice pot transmite impulsuri infraroșii la o lungime de undă de 1,5 microni cu o pierdere minimă de 5% pe kilometru. Aceste pierderi nu pot fi reduse datorită legilor fizice ale propagării luminii (legile lui Maxwell) și naturii fundamentale a sticlei.

Cu toate acestea, există o realizare care poate îmbunătăți radical situația. Aceasta este capacitatea de a amplifica direct semnalele optice în fibră, adică fără a fi nevoie mai întâi să le extragă din fibre. Prin adăugarea de impurități elementare adecvate, cum ar fi erbiul, la materialul fibros și excitarea lor cu o lumină adecvată a pompei prin fibra însăși, se poate obține o inversare a populației între cele două niveluri de erbiu cu o tranziție care este exact 1,5 µm. Ca rezultat, este posibil să se obțină o amplificare a pulsului de lumină la această lungime de undă pe măsură ce se propagă prin fibră. O bucată dintr-o astfel de fibră activă este plasată între cele două capete ale fibrelor prin care se propagă semnalul. Cu ajutorul unui cuplaj optic, radiația pompei este direcționată și către această piesă. La ieșire, restul radiației pompei scapă, iar semnalul amplificat continuă să se propage prin fibră. Folosind această abordare, amplificatoarele electronice intermediare pot fi eliminate. În sistemele de amplificatoare electronice mai vechi, lumina a ieșit din fibră, a fost înregistrată de un receptor fotoelectric, semnalul a fost amplificat și convertit în lumină care a continuat să se propage în următoarea secțiune a fibrei.