În prezent, tehnologia laser deschide noi oportunități pentru îmbunătățirea sistemelor de comunicație, localizare și control radio. Aceste capabilități sunt asociate cu câștigul enorm al antenelor optice de transmisie, care permite un raport semnal-zgomot ridicat la receptor pe o bandă largă de frecvență cu transmițătoare de putere redusă și capacitatea de a utiliza benzi de frecvență foarte largi la transmitere și recepție. semnale optice.

Sistemele de transmitere a informațiilor cu laser au următoarele avantaje față de sistemele radio.

Capacitatea de a transmite informații la viteze foarte mari, cu o putere relativ scăzută a emițătorului și mici dimensiunile per total antene. Astăzi, liniile de comunicație cu laser pot oferi transmisie de informații la viteze de până la 102 Gbit/s sau mai mult. Odată cu multiplexarea în timp a canalelor, este posibil într-o linie de comunicație multicanal să se obțină o rată de repetiție a impulsului rezultată de peste 100 GHz, care depășește întreaga lățime de bandă a spectrului de frecvență radio utilizat astăzi.

Secretul transmiterii informațiilor și protecția împotriva interferențelor organizate (datorită modelelor de radiație foarte înguste ale antenelor de transmisie și recepție, în valoare de unități de secunde de arc).

Există însă și dezavantaje, dintre care principalele sunt: ​​dependența operațiunii de condițiile meteorologice și necesitatea folosirii ghidurilor de lumină (cuarț, fibre de sticlă).

Perspective reale pentru sistemele de comunicații cu laser se deschid în sistemele de comunicații spațiale satelit-satelit din cauza absenței unei atmosfere. În astfel de sisteme, informațiile în bandă largă și în bandă îngustă de la navele spațiale pe orbită joasă vor fi transmise prin linii de comunicație laser către sateliții staționari și de la aceștia către stațiile terestre. Sistemele de comunicații prin satelit Pământ-Pământ printr-un repetor de satelit cu linii de comunicație cu laser vor fi importante.

Calculele arată că într-un astfel de canal de comunicație se poate realiza o viteză de transmitere a informațiilor de peste 1 Mbit/s din regiunea Marte. Pentru comparație, putem spune că în legăturile radio de telemetrie existente pentru comunicarea cu navele spațiale din regiunea Marte, viteza de transmitere a informațiilor nu depășește 10 biți/s.

Înainte de a discuta problema alegerii unui sistem pentru comunicații spațiale, să evaluăm avantajele și dezavantajele sistemelor utilizate:

cu detecție directă (Fig. 8, a);

cu un receptor heterodin (Fig. 8, b).

Orez. 8

Rețineți că imunitatea la zgomot a ambelor sisteme este aproximativ aceeași, iar pentru aceeași frecvență și același nivel de dezvoltare a tehnologiei laser, primul sistem are avantaje clare, care sunt următoarele:

Are un dispozitiv de recepție mai simplu;

Insensibil la schimbarea frecvenței Doppler, care elimină necesitatea căutării unui semnal după frecvență în receptor (cum este cazul celui de-al doilea sistem);

Insensibil la distorsiunea frontului de undă a semnalului (care are loc în atmosfere turbulente), deci sunt posibile antene simple la sol cu ​​deschidere mare. Într-un receptor heterodin, turbulența atmosferică limitează dimensiunea antenei de recepție și pentru a o mări (zona antenei), este necesar să se utilizeze o matrice de antene formată din multe antene cu un dispozitiv de combinare a semnalelor de ieșire;

Are o antenă de recepție care nu necesită o calitate optică înaltă, ceea ce face posibilă implementarea de antene la bord mai ușoare și mai ieftine;

Vă permite să implementați mai mult metode eficiente orientarea reciprocă a antenelor de transmisie și recepție (comparativ cu scanarea raster într-o singură etapă în cel de-al doilea sistem).

Singurul avantaj al sistemelor cu un receptor heterodin este o suprimare mai eficientă a fundalului în receptor (comparativ cu primul).

Să analizăm adecvarea frecvenței laserelor pentru comunicațiile spațiale.

Din cauza raza lunga comunicațiile necesită emițătoare cu o putere medie de la fracții la unități de wați. Astfel de lasere cu eficiență acceptabilă sunt disponibile în trei game principale:

10 µm - Laser cu gaz CO 2 s = 10,6 µm, în modul monomod la P = 1 W = 10%, t slave = 10 mii de ore. operație continuă(potrivit pentru echipamentele de bord și, datorită stabilității de înaltă frecvență, poate funcționa cu ușurință într-un sistem cu receptor heterodin);

1 µm - laser cu stare solidă pe granat de ytriu-aluminiu (YAG) activat de niodim (J-Al/Nd) = 1,06 µm, = 1,5 2%, P max = n0,1 W (un astfel de laser poate funcționa cu succes pe staționar sateliți, deoarece pomparea se realizează prin rețele de LED-uri sau dispozitive de pompare solară.În acest din urmă caz, un colector de energie solară, printr-un filtru optic, concentrează energia pompei pe tija laser, furnizând excitația acesteia.Lămpile cu pompă cu potasiu-rubidiu asigură t funcționează până la 5 mii de ore la = 10%.Rezultat = 10 LED-uri au o durată de viață mai lungă, dar puterea lor este mică și, prin urmare, sunt potrivite doar pentru emițătoare de putere redusă de până la 0,1 W);

0,5 µm - un laser Nd:YAG promițător care funcționează în modul de dublare a frecvenței = 0,53 µm (culoare verde strălucitoare), cu o eficiență a convertorului aproape de unitate, este promițător aici.

Laserele cu gaz cu vapori metalici pulsați sunt promițătoare pentru liniile de comunicație cu laser de viteză redusă. ÎN modul puls un laser cu vapori de cupru are = 0,5106 și 0,5782 μm și = = 5% (în modul Q-switching) cu o putere medie de un watt.

Capacitățile de recepție a echipamentelor din aceste trei game sunt următoarele:

10,6 microni - există fotodetectoare cu eficiență cuantică ridicată (40-50%) când sunt răcite la 77.100 K, dar din moment ce fotodetectoarele nu au amplificare internă și nu sunt potrivite pentru sistemele de detecție directă;

1,06 µm - pentru sistemele cu detecție directă, pot fi utilizate PMT-uri sau fotodiode de avalanșă. Dar eficiența cuantică a fotomultiplicatorului la această lungime de undă este de numai 0,008, deci acest interval este semnificativ inferior celui dintâi;

0,53 µm se dovedește a fi o gamă mai acceptabilă în modul de detectare directă, deoarece performanța sa este semnificativ mai mare datorită creșterii eficienței fotomultiplicatoarelor.

Deci, există două sisteme de comunicații spațiale:

Cu detecție directă a semnalului la o lungime de undă de 0,53 µm;

Cu un receptor heterodin în domeniul IR la 10,6 microni.

Mai mult, sistemul cu = 10,6 μm are:

Mai mult nivel scăzut zgomot cuantic (deoarece densitatea spectrală a zgomotului cuantic este proporțională cu valoarea hf, atunci la = 10,6 µm este de 20 de ori mai mică decât la = 0,53 µm);

Eficiența transmițătorului laser pentru intervalul = 10,6 µm este mai mare decât pentru = 0,53 µm.

Primele două proprietăți ale sistemului permit utilizarea unor modele de emițător mai largi în comparație cu sistemul de rază vizibilă, ceea ce simplifică sistemul de ghidare.

Dezavantajele aici sunt aceleași cu cele ale metodei heterodine.

Sistem vizibil = 0,53 µm, având mai mult nivel inalt zgomotul cuantic, eficiența mai scăzută a transmițătorului, poate avea modele de antene de transmisie reduse semnificativ. Deci, dacă deschiderile antenelor de transmisie sunt aceleași (la = 0,53 și 10,6 µm), atunci antena de transmisie la = 0,53 µm va avea un câștig de 400 de ori mai mare decât la = 10,6 µm, ceea ce compensează cu o marjă dezavantajele menționate. de mai sus. Fasciculele mai înguste ale antenelor de transmisie complică sistemul de ghidare reciprocă a antenelor de transmisie și recepție, cu toate acestea, utilizarea unor metode eficiente de căutare în mai multe etape poate reduce semnificativ timpul de stabilire a comunicării. Mai mult, într-un receptor heterodin, doar scanarea raster simplă este posibilă atunci când se caută un semnal, iar timpul de căutare crește semnificativ datorită necesității de a căuta simultan un semnal după frecvență.

Un avantaj important al antenei cu rază vizibilă este capacitatea de a construi sistem prin satelit comunicații cu acces multiplu. În acest caz, la bordul satelitului RRS sunt amplasate mai multe (în funcție de numărul de linii de comunicație) receptoare simple de detectare directă. Pentru sistemele în intervalul de 10,6 µm, acest lucru este practic imposibil din cauza complexității receptoarelor heterodine cu dispozitive de răcire voluminoase pentru fotomixer.

Astfel, la nivelul tehnic actual, sistemele cu detecție directă (= 0,53 µm) prezintă avantaje semnificative:

pentru comunicarea spațială la distanță lungă „SC-Pământ” prin atmosferă;

pentru sistem de acces multiplu prin satelit.

Pentru un sistem de comunicații prin satelit, atunci când fasciculul de recepție (sau de transmisie) al unui repetor de satelit este „aruncat” de la un abonat la altul conform programului, un sistem de comunicații cu debit mare la = 0,53 și 10,6 μm are caracteristici comparabile la transmiterea informațiilor viteze de până la câteva sute de megabiți pe secundă. Rate mai mari de transmitere a informațiilor (mai mult de 10 Gbit/s) într-un sistem cu = 10,6 μm sunt greu de implementat, în timp ce în domeniul vizibil pot fi realizate pur și simplu prin multiplexarea în timp a canalelor.

Un exemplu de implementare a unui sistem de comunicații pentru trei sateliți sincroni (Fig. 9):

lungime de undă emițător = 0,53 µm (detecție directă);

modulația este efectuată de un modulator electro-optic, iar semnalul de modulație este un subpurtător de microunde cu o frecvență centrală m = 3 GHz și o bandă laterală de la min = 2,5 10 9 până la max = 3,5 10 9 Hz (adică = 10 9 Hz ) ;

Orez. 9

modulatorul electro-optic (cristal) funcționează în modul transversal cu un coeficient electro-optic r 4·10 -11 la microunde constantă dielectrică= 55 0 . Adâncimea maximă de modulare - Г m = /3;

lentilele colimatoare și receptoare măsoară 10 cm;

raportul semnal-zgomot la ieșirea amplificatorului după PMT este 10

Să determinăm puterea totală a sursei de curent continuu cu care trebuie să fie alimentat satelitul pentru a satisface cerințele specificației de proiectare (vom determina mai întâi nivelul de putere optică a radiației transmise, apoi puterea de modulație necesară pentru funcționare).

Soluţie: Un satelit sincron are o perioadă orbitală de 24 de ore. Distanța de la Pământ la satelit este determinată din egalitatea forțelor centrifuge și gravitaționale

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

unde V este viteza satelitului; m masa sa; g - accelerația gravitațională la suprafața Pământului; R ES - distanta de la centrul Pamantului la satelit; R Pământ - raza Pământului.

Frecvența de rotație orbitală sincronă (24 de ore) vă permite să determinați

V/R ES = 2/(246060), apoi R ES = 42.222 km.

Distanța dintre sateliți este R = 73 12 km cu o separare de 120 O. Dacă un semnal optic cu putere P T este transmis în unghi T solid și deschiderea recepționată furnizează unghi R solid, atunci puterea recepționată.

P R = P T (R / T).

Fasciculul optic transmis (Fig. 35) difractează cu un unghi de divergență a fasciculului, care este legat de raza minimă a fasciculului 0 prin expresie

ciorchine = / 0 .

Unghiul solid corespunzător este T = (fascicul)2.

Dacă luăm 0 egal cu raza dt a lentilei de transmisie, atunci

Unghiul solid al receptorului este

R = d2 R/R2,

R este distanța dintre emițător și receptor.

Din (42), (44), (45) avem

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

Să notăm raportul semnal-zgomot la ieșirea unui fotomultiplicator care funcționează în modul de limitare cuantică (adică, atunci când sursa principală de zgomot este zgomotul de împușcare al semnalului însuși):

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

unde P R este puterea optică, G este câștigul de curent, i d este curentul de întuneric. La = 0,53 µm, = 0,2 - randamentul conversiei puterii, = 10 9 Hz s/w = 10 3 se obține Р R 2·10 -6. În acest caz, puterea necesară în conformitate cu (46) la R = 7,5·10 4 m va fi Р t 3 W.

Cercetarea activă a microundelor a început la mijlocul secolului al XX-lea. Fizicianul american Charles Townes a decis să mărească intensitatea fasciculului cu microunde. După ce a excitat moleculele de amoniac la niveluri ridicate de energie prin căldură sau stimulare electrică, omul de știință a trecut apoi un fascicul slab de microunde prin ele. Rezultatul a fost amplificator puternic radiații cu microunde, pe care Townes l-a numit „maser” în 1953. În 1958, Townes și Arthur Schawlow au făcut următorul pas: în loc să folosească cuptorul cu microunde, au încercat să amplifice lumina vizibilă. Pe baza acestor experimente, Maiman a creat primul laser în 1960.

Crearea laserului a făcut posibilă rezolvarea gamă largă sarcini care au contribuit la evoluții semnificative în știință și tehnologie. Ceea ce a făcut posibilă la sfârșitul secolului XX și începutul secolului XXI obținerea unor astfel de dezvoltări precum: linii de comunicație cu fibră optică, lasere medicale, prelucrare cu laser a materialelor (tratare termică, sudură, tăiere, gravare etc.), laser îndrumarea și desemnarea țintei, imprimante laser, cititoare de coduri de bare și multe altele. Toate aceste invenții au simplificat foarte mult viața unui om obișnuit și au permis dezvoltarea de noi soluții tehnice.

Acest articol va răspunde la următoarele întrebări:

1) Ce este comunicarea laser fără fir? Cum s-a realizat?

2) Care sunt condițiile de utilizare comunicare cu laser in spatiu?

3) Ce echipament este necesar pentru implementarea comunicațiilor cu laser?

Definirea comunicației laser wireless, metode de implementare a acesteia.

Comunicare laser wireless - vizualizare comunicatii optice, folosind undele electromagnetice domeniul optic (lumina) transmis prin atmosferă sau vid.

Comunicarea laser între două obiecte se realizează numai printr-o conexiune punct la punct. Tehnologia se bazează pe transmisia de date folosind radiații modulate în partea infraroșie a spectrului prin atmosferă. Transmițătorul este o diodă laser semiconductoare puternică. Informațiile intră în modulul transceiver, în care sunt codificate cu diverse coduri rezistente la zgomot, modulate de un emițător optic laser și focalizate de sistemul optic al transmițătorului într-un colimat îngust. raza laserși se transmite în atmosferă.

La capătul de recepție, sistemul optic concentrează semnalul optic pe o fotodiodă foarte sensibilă (sau fotodiodă de avalanșă), care transformă fasciculul optic într-un semnal electric. Mai mult, cu cât frecvența este mai mare (până la 1,5 GHz), cu atât volumul este mai mare informatiile transmise. Semnalul este apoi demodulat și convertit în semnale de interfață de ieșire.

Lungimea de undă în majoritatea sistemelor implementate variază între 700-950 nm sau 1550 nm, în funcție de dioda laser utilizată.

Din cele de mai sus rezultă că elementele cheie ale instrumentului pentru comunicarea cu laser sunt o diodă laser cu semiconductor și o fotodiodă foarte sensibilă (fotodiodă de avalanșă). Să ne uităm puțin mai detaliat la principiul funcționării lor.

Dioda laser este un laser semiconductor construit pe baza unei diode. Lucrarea sa se bazează pe apariția inversării populației în regiune joncțiune p-n la injectarea purtătorilor de încărcare. Un exemplu de diodă laser modernă este oferit în Figura 1.

Fotodiodele de avalanșă sunt dispozitive semiconductoare foarte sensibile care transformă lumina într-un semnal electric datorită efectului fotoelectric. Ele pot fi considerate ca furnizoare de fotodetectoare întărire internă prin efectul de multiplicare a avalanşei. Din punct de vedere funcțional, aceștia sunt analogi în stare solidă ai fotomultiplicatorilor. Fotodiodele de avalanșă au o sensibilitate mai mare în comparație cu alte fotodetectoare cu semiconductor, ceea ce le permite să fie utilizate pentru înregistrarea puterilor luminoase scăzute (≲ 1 nW). Un exemplu de fotodiodă modernă pentru avalanșă este oferit în Figura 2.

Condiții de utilizare a comunicațiilor laser în spațiu.

Una dintre zonele promițătoare pentru dezvoltarea sistemelor de comunicații spațiale sunt sistemele bazate pe transmiterea de informații prin intermediul unui canal laser, deoarece aceste sisteme pot oferi un randament mai mare, cu un consum mai mic de energie, dimensiunile generale și greutatea echipamentelor transceiver decât cele utilizate în acest moment sisteme de comunicații radio.

Potențial, sistemele de comunicații laser spațiale pot oferi un flux de informații cu viteză extrem de mare - de la 10-100 Mbit/s la 1-10 Gbit/s și mai mult.

Cu toate acestea, există o serie de probleme tehnice care trebuie rezolvate pentru a implementa canale de comunicație cu laser între nava spațială (SC) și Pământ:

• este necesară o precizie ridicată a ghidării și urmăririi reciproce la distanțe de la jumătate de mie la zeci de mii de kilometri și atunci când transportatorii se deplasează la viteze cosmice.
• Principiile de primire și transmitere a informațiilor prin intermediul unui canal laser devin semnificativ mai complicate.
• Echipamentele opto-electronice devin din ce în ce mai complexe: optică de precizie, mecanică de precizie, lasere cu semiconductor și fibră, receptoare foarte sensibile.

Experimente privind implementarea comunicațiilor laser spațiale

Atât Rusia, cât și Statele Unite ale Americii efectuează experimente privind implementarea sistemelor de comunicații cu laser pentru transmiterea unor cantități mari de informații.

Sistem de comunicare cu laser RF (SLS)

În 2013, a fost efectuat primul experiment rusesc pentru a transmite informații folosind sisteme laser de pe Pământ către segmentul rusesc al Stației Spațiale Internaționale (RS ISS) și înapoi.

Experimentul spațial „SLS” a fost realizat cu scopul de a testa și demonstra Tehnologia rusăși echipament pentru recepția și transmiterea informațiilor printr-o linie de comunicație laser spațială.

Obiectivele experimentului sunt:

• testarea, în condiții de zbor spațial pe ISS RS, a principalelor soluții tehnologice și de proiectare încorporate în dotarea standard a sistemului de transmisie a informațiilor laser intersatelit;
• dezvoltarea tehnologiei de recepție și transmitere a informațiilor folosind o linie de comunicație laser;
• studiul posibilității și condițiilor de funcționare a liniilor de comunicație laser „la bordul navei spațiale – stația terestră” în diferite condiții atmosferice.

Experimentul este planificat să fie realizat în două etape.

În prima etapă, un sistem de recepție și transmitere a informațiilor circulă de-a lungul liniilor „la bordul RS ISS–Earth” (3, 125, 622 Mbit/s) și „Earth–on board RS ISS” (3 Mbit/s). ) este în curs de dezvoltare.

În a doua etapă este planificată să se dezvolte sistem de înaltă precizie sisteme de ghidare și transmitere a informațiilor de-a lungul liniei „la bordul ISS RS – satelit-releu”.

Sistemul de comunicare cu laser din prima etapă a experimentului SLS include două subsisteme principale:

• terminal de comunicații laser de bord (BTLS), instalat pe segmentul rus al Stației Spațiale Internaționale (Figura 3);
• terminal laser la sol (GLT) instalat la stația de observare optică Arkhyz din Caucazul de Nord (Figura 4).

Obiecte de studiu la etapa 1 a FE:

• echipament terminal de comunicații laser de bord (BTLN);
• echipamente terminale de comunicații laser la sol (GLT);
• canal de propagare a radiației atmosferice.

Figura 4. Terminal laser la sol: pavilion astro cu unitate optic-mecanică și telescop de aliniere

Sistem de comunicare cu laser (LCS) - etapa 2.

A doua etapă a experimentului va fi efectuată după finalizarea cu succes a primei etape și pregătirea unei nave spațiale specializate de tip „Luch” pe GEO cu un terminal la bord al sistemului de transmitere a informațiilor laser inter-sateliți. Din păcate, informații despre dacă a doua etapă a fost efectuată sau nu nu au putut fi găsite în sursele deschise. Poate că rezultatele experimentului au fost clasificate sau a doua etapă nu a fost niciodată efectuată. Schema de transfer de informații este prezentată în Figura 5.

Proiect OPALS SUA

Aproape simultan, agenția spațială americană NASA începe să implementeze sistemul laser OPALS (Optical Payload for Lasercomm Science).

„OPALS reprezintă primul loc experimental pentru dezvoltarea tehnologiilor de comunicații spațiale cu laser, iar Stația Spațială Internațională va servi drept loc de testare pentru OPALS”, a declarat Michael Kokorowski, manager de proiect OPALS și membru al Laboratorului de propulsie cu reacție (JPL) al NASA. Jet Propulsion Laboratory, JPL) - „Viitoarele sisteme de comunicații cu laser, care vor fi dezvoltate pe baza tehnologiilor OPALS, vor putea face schimb de cantități mari de informații, ceea ce va elimina blocaj, care în unele cazuri reține Cercetare științificăși întreprinderi comerciale”.

Sistemul OPALS este un container sigilat care conține componente electronice conectate printr-un cablu optic la un dispozitiv de transmitere și recepție laser (Figura 6). Acest dispozitiv include un colimator laser și o cameră de urmărire montată pe o platformă în mișcare. Instalația OPALS va fi trimisă la ISS la bordul navei spațiale Dragon, care va fi lansată în spațiu în decembrie anul acesta. Odată livrate, containerul și transmițătorul vor fi instalate în afara stației și va începe un program de testare pe teren de 90 de zile pentru sistem.

Principiul de funcționare al OPALS:

De pe Pământ, specialiștii de la Laboratorul Telescopului de Comunicații Optice vor trimite un fascicul de lumină laser către stația spațială, care va acționa ca un far. Echipamentul sistemului OPALS, care a captat acest semnal, folosind unități speciale, își va îndrepta emițătorul către un telescop de la sol, care va servi drept receptor și va transmite un semnal de răspuns. Dacă nu există interferențe în calea fasciculelor de lumină laser canal de comunicare va fi instalat și va începe transmiterea informațiilor video și telemetrice, care pentru prima dată va dura aproximativ 100 de secunde.

European Data Relay System abreviat EDRS.

Sistemul European de Releu de Date (EDRS) este un proiect planificat de Agenția Spațială Europeană pentru a crea o constelație de sateliți geostaționari moderni care vor transmite informații între sateliți, nave spațiale, vehicule aeriene fără pilot (UAV) și stații terestre, oferind o transmisie mai rapidă decât metodele tradiționale. . viteza datelor, chiar și în condiții de dezastre naturale și provocate de om.

EDRS va folosi tehnologie nouă comunicații laser Terminal de comunicații laser (LCT). Terminalul laser va permite transmiterea informațiilor la o viteză de 1,8 Gbit/s. Tehnologia LCT va permite sateliților EDRS să transmită și să primească aproximativ 50 de terabytes de date pe zi aproape în timp real.

Primul satelit de comunicații EDRS este setat să ajungă la orbită geostaţionară la începutul anului 2016 de la Cosmodromul Baikonur pe un vehicul rusesc de lansare Proton. Odată ajuns pe orbita geosincronă deasupra Europei, satelitul va transporta legături de comunicații laser între cei patru sateliți Copernicus de observare a Pământului Sentinel-1 și Sentinel-2, vehicule aeriene fără pilot și stații terestre din Europa, Africa, America Latină, Orientul Mijlociu și coasta de nord-est a Statelor Unite.

Un al doilea satelit similar va fi lansat în 2017, iar lansarea unui al treilea satelit este planificată pentru 2020. Împreună, acești trei sateliți vor putea acoperi întreaga planetă cu comunicații laser.

Perspective pentru dezvoltarea comunicațiilor laser în spațiu.

Avantajele comunicației cu laser în comparație cu comunicațiile radio:

• transmiterea de informații pe distanțe mari
• viteză mare de transmisie
• compactitatea și ușurința echipamentelor de transmisie a datelor
• eficienta energetica

Dezavantajele comunicării cu laser:

• necesitatea punctării precise a dispozitivelor de recepție și transmisie
• probleme atmosferice (înnorire, praf etc.)

Comunicarea cu laser face posibilă transmiterea datelor pe distanțe mult mai mari în raport cu comunicația radio, viteza de transmisie datorită concentrației mari de energie și multe altele frecventa inalta purtător (după ordine de mărime) este de asemenea mai mare. Eficiența energetică, greutatea redusă și compactitatea sunt, de asemenea, de câteva ori sau ordine de mărime mai bune. Dificultățile sub forma necesității de ghidare precisă a dispozitivelor de recepție și transmisie pot fi rezolvate cu mijloace tehnice moderne. În plus, dispozitivele de recepție de la sol pot fi amplasate în zone ale Pământului în care numărul de zile înnorate este minim.

Pe lângă problemele prezentate mai sus, mai există o problemă - divergența și atenuarea fasciculului laser la trecerea prin atmosferă. Problema se agravează mai ales când fasciculul trece prin straturi cu densități diferite. Când trece prin interfața dintre medii, un fascicul de lumină, inclusiv un fascicul laser, experimentează refracții deosebit de puternice, împrăștiere și atenuare. În acest caz, putem observa un fel de spot luminos rezultat tocmai din trecerea unei astfel de interfețe între medii. Există mai multe astfel de limite în atmosfera Pământului - la o altitudine de aproximativ 2 km (stratul atmosferic de vreme activă), la o altitudine de aproximativ 10 km și la o altitudine de aproximativ 80-100 km, adică deja la limita spațiului. . Înălțimile straturilor sunt date pentru latitudini medii vara. Pentru alte latitudini și alte anotimpuri, înălțimile și chiar numărul de interfețe dintre medii pot diferi foarte mult de cele descrise.

Astfel, la intrarea în atmosfera Pământului, un fascicul laser, care a parcurs cu calm milioane de kilometri fără pierderi (cu excepția poate o ușoară defocalizare), își pierde partea leului din puterea sa în câteva zeci de kilometri nefericite. Cu toate acestea, putem transforma acest fapt, rău la prima vedere, în avantajul nostru. Deoarece acest fapt ne permite să facem fără nicio țintire serioasă a fasciculului către receptor. Pentru că, ca atare receptor, sau mai degrabă un receptor primar, putem folosi tocmai aceste limite între straturi și media. Putem îndrepta telescopul spre punctul de lumină rezultat și putem citi informații din acesta. Desigur, acest lucru va crește semnificativ cantitatea de interferență și va reduce rata de transfer de date. Și va face totul imposibil în timpul zilei. Dar acest lucru va face posibilă reducerea costului navei spațiale prin economisirea sistemului de ghidare. Acest lucru este valabil mai ales pentru sateliții pe orbite non-staționare, precum și pentru navele spațiale pentru cercetarea în spațiul adânc.

În momentul de față, dacă luăm în considerare comunicațiile Pământ-nave și nave spațiale-Pământ, soluția optimă este sinergia comunicațiilor laser și radio. Este destul de convenabil și promițător să transmiteți date de la navă spațială pe Pământ folosind comunicații laser și de la Pământ la navă spațială folosind comunicații radio. Acest lucru se datorează faptului că modulul de recepție laser este un sistem destul de voluminos (cel mai adesea un telescop) care captează radiația laser și o convertește în semnale electrice, care sunt apoi amplificate folosind metode cunoscute și convertite în informații utile. Un astfel de sistem nu este ușor de instalat pe o navă spațială, deoarece cel mai adesea cerințele sunt compactitatea și greutatea redusă. În același timp, transmițătorul de semnal laser este mic ca dimensiune și greutate în comparație cu antenele pentru transmiterea semnalelor radio.

Fibre optice și comunicații cu laser

Încă din antichitate, lumina a fost folosită pentru a transmite mesaje. În China, Egipt și Grecia au folosit fum în timpul zilei și foc noaptea pentru a transmite semnale. Printre primele dovezi istorice ale comunicațiilor optice, putem aminti asediul Troiei. În tragedia sa „Agamemnon”, Eschil dă descriere detaliata lanțuri de lumini de semnalizare pe vârfurile munților Ida și Antos. Masisto, Egiplanto și Araknea, precum și pe stâncile din Lemno și Kifara, pentru a transmite Argo-ului vestea cuceririi Troiei de către ahei.

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

În Capri se mai 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 stabilit o serie de poziții de baliză în multe sate de-a lungul râului St. Lawrence. Au fost nu mai puțin de 13 puncte în acest lanț, care a început la Ile 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, rapoartele despre atacul britanic din 1759 au ajuns în Quebec înainte de a fi prea târziu.

În 1790, un inginer francez, Claude Chappe, a inventat semaforele (telegraful optic), situate pe turnuri instalate unul la altul, care făceau posibilă trimiterea de mesaje de la un turn la altul. În 1880, Alexander Graham Bell (1847-1922) a primit un brevet pentru un „fotofon”, un dispozitiv care folosea lumina reflectată a soarelui pentru a transmite sunetul către un receptor. Lumina reflectată a fost modulată în intensitate de oscilațiile 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 văzut fotofonul ca fiind cea mai importantă invenție a sa, utilizarea sa a fost limitată de condițiile meteorologice. Cu toate acestea, această circumstanță 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 viitorul garantat!... Vom putea vorbi cu ajutorul luminii la orice distanță la vedere fără fire... În război condițiile unei astfel de comunicări nu pot fi întrerupte sau interceptate.”

Invenția laserului a stimulat un interes sporit pentru comunicațiile optice. Cu toate acestea, s-a demonstrat curând că atmosfera Pământului a distorsionat propagarea luminii laser în moduri nedorite. Considerat diverse sisteme, cum ar fi tuburile lentilelor de gaz și ghidurile de undă dielectrice, dar toate acestea 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 care datează din secolul al XIX-lea. datorită fizicianului englez John Tyndall (1820-1893) și folosit în instrumente și iluminat. Cu toate acestea, în anii 1960. Chiar și cei mai buni ochelari au avut o mare atenuare a luminii transmise prin fibră, ceea ce a limitat foarte mult lungimea de propagare. La acea vreme, valoarea tipică de atenuare era de un decibel pe metru, ceea ce înseamnă că după o călătorie de 1 m puterea transmisă era redusă cu până la 80%. Prin urmare, numai propagarea de-a lungul unei fibre lungi de câteva zeci de metri a fost posibilă, iar singura aplicație a fost medicina, cum ar fi endoscoapele. În 1966, Charles Kao și George Hockham de la Standard Telecommunications Laboratory (Marea Britanie) au publicat o lucrare fundamentală care arăta că, dacă impuritățile din silice topită erau îndepărtate cu atenție și fibra era înconjurată de o placare cu un indice de refracție mai scăzut, atenuarea ar putea fi redusă la -20 dB/km. Aceasta înseamnă că, după parcurgerea unei lungimi 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 obținerea de fibre cu caracteristici îmbunătățite. Primul succes a fost obținut în 1970 de E. P. Capron, Donald Keck și Robert Mayer de la Corning Glass Company. Au produs 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 că o diodă laser funcționează la temperatura camerei.

În 1971, I. Jacobs a fost numit director al Laboratorului comunicatii digitale la AT&T Bell Laboratories (Holmdel, New Jersey, SUA) și a fost însărcinat cu dezvoltarea sistemelor de transfer de informații de mare viteză. 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 un grup de cercetare pentru a studia fezabilitatea comunicațiilor prin fibră. Era clar că cea mai economică aplicație inițială a sistemelor care foloseau lumină era în comunicarea centralelor telefonice din orașele mari. Pe atunci, se foloseau cabluri pentru asta, iar informațiile erau transmise către formă digitală, prin codificarea lui cu o serie de impulsuri. Fibrele, cu capacitatea lor de a transmite cantități enorme de informații, păreau un înlocuitor 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 conducte. cabluri obișnuite. Succesul inițial al acestor eforturi a condus la crearea unui sistem care lega două centrale telefonice din Chicago. Pe baza acestor rezultate inițiale, în toamna anului 1977, Bell Labs a decis să dezvolte un sistem optic pentru utilizare pe scară largă. În 1983, comunicarea a fost stabilită între Washington și Boston, deși aceasta a fost asociată cu multe dificultăți. Acest sistem de comunicații a funcționat la o viteză de transmisie de 90 Mbit/s. 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 pierderi de numai 0,5 dB/km la lungimi de undă de 1,3 și 1,5 μm, iar Laboratorul Lincoln de la MIT a demonstrat funcționarea unei diode laser InGaAsP capabilă să funcționeze continuu în intervalul cuprins între 1,0 și 1,7 µm la temperatura camerei. Utilizarea fibrelor cu pierderi reduse de 1,3 microni a permis crearea unor sisteme mai avansate. Sistemele au fost construite cu un debit de 400 Mbit/s în Japonia și 560 Mbit/s 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 Statele Unite. Singura parte care încă mai folosește sârmă de cupru, este legătura dintre casă și schimb de telefoane. Această „ultimă milă”, așa cum a ajuns să fie numită, devine, de asemenea, punctul central al comunicațiilor prin fibră.

Primul cablu telegrafic transatlantic a intrat în funcțiune în 1858. Aproape o sută de ani mai târziu, în 1956, primul cablu telefonic, numit TAT-1. În 1988, a început să funcționeze prima generație de cabluri transatlantice care utilizează fibre optice (au devenit cunoscute ca TAT-8). Ele 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 la 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 întreaga lume. De exemplu, legătura optică submarină 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 per pereche de fibre. Prin comparație, primul cablu telefonic transatlantic din 1956 a folosit 36 ​​de convertoare, iar primul cablu optic, așezat peste Oceanul Atlantic, a folosit 80.000.

Astăzi, după 30 de ani de cercetări, fibrele optice și-au atins limitele fizice. Fibrele de cuarț pot transmite impulsuri în infraroșu 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 un progres care ar putea îmbunătăți radical situația. Aceasta este capacitatea de a amplifica direct semnalele optice într-o fibră, adică fără a fi nevoie mai întâi să le extragă din fibre. Prin doparea materialului fibros cu impurități adecvate ale elementului, cum ar fi erbiul, și excitarea lor cu o lumină adecvată de pompă trecută prin fibra însăși, este posibil să se obțină o inversare a populației între două niveluri de erbiu cu o tranziție care corespunde exact la 1,5 μm. Rezultatul este că pulsul de lumină la acea lungime de undă poate fi amplificat 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. Folosind un cuplaj optic, radiația pompei este, de asemenea, direcționată în această piesă. La ieșire, iese restul radiației pompei și semnal amplificat continuă să se propage prin fibră. Folosind această abordare, amplificatoarele electronice intermediare pot fi eliminate. Pe sisteme mai vechi amplificatoare electronice lumina a ieșit din fibră, a fost detectată de un receptor fotoelectric, semnalul a fost amplificat și convertit în lumină, care a continuat să se propage în următoarea secțiune de fibră.