Aktualisht, teknologjia lazer hap mundësi të reja për përmirësimin e sistemeve të komunikimit, vendndodhjes dhe kontrollit të radios. Këto aftësi shoqërohen me përfitimin e madh të antenave optike transmetuese, gjë që bën të mundur marrjen e një raporti të madh sinjal-zhurmë në marrës në një brez të gjerë frekuencash me transmetues me fuqi të ulët dhe me aftësinë për të përdorur frekuencë shumë të gjerë. brezat në transmetimin dhe marrjen e sinjaleve optike.

Sistemet e transmetimit të informacionit me laser kanë përparësitë e mëposhtme mbi sistemet radio.

Mundësia e transmetimit të informacionit me një shpejtësi shumë të lartë me një fuqi transmetuesi relativisht të ulët dhe dimensione të vogla të përgjithshme të antenës. Sot, linjat e komunikimit me lazer mund të sigurojnë transmetimin e informacionit me shpejtësi deri në 102 Gbit / s ose më shumë. Me kohëzgjatjen e shumëfishimit të kanaleve, është e mundur të arrihet një ritëm përsëritjeje pulsi prej më shumë se 100 GHz në një linjë komunikimi me shumë kanale, e cila tejkalon të gjithë brezin e spektrit të frekuencës radio në përdorim sot.

Fshehtësia e transmetimit të informacionit dhe mbrojtja nga ndërhyrjet e organizuara (për shkak të modeleve shumë të ngushta të drejtimit të antenave transmetuese dhe marrëse, të cilat janë njësi të sekondave të harkut).

Megjithatë, ka edhe disavantazhe, kryesore prej të cilave janë: varësia e punës nga kushtet e motit dhe nevoja për të përdorur udhëzues të lehtë (kuarc, fibra qelqi).

Perspektivat reale për sistemet e komunikimit lazer hapen në sistemet e komunikimit hapësinor "ISZ-AIS" për shkak të mungesës së një atmosfere. Në sisteme të tilla, informacioni me brez të gjerë dhe me brez të ngushtë nga anijet kozmike me orbitë të ulët do të transmetohet nëpërmjet linjave të komunikimit lazer në satelitët e palëvizshëm dhe prej tyre në stacionet tokësore. Me rëndësi të madhe do të jenë sistemet e komunikimit satelitor "Tokë në Tokë" përmes një stafete satelitore me linja komunikimi lazer.

Llogaritjet tregojnë se në një kanal të tillë komunikimi është e realizueshme një shpejtësi transferimi informacioni prej më shumë se 1 Mbps nga rajoni i Marsit. Për krahasim, mund të thuhet se në lidhjet ekzistuese radio telemetrike për komunikim me anijen kozmike në rajonin e Marsit, shpejtësia e transferimit të informacionit nuk i kalon 10 bit/s.

Para se të diskutojmë çështjen e zgjedhjes së një sistemi për komunikimet hapësinore, le të vlerësojmë avantazhet dhe disavantazhet e sistemeve të përdorura:

me zbulim të drejtpërdrejtë (Fig. 8, a);

me një marrës heterodin (Fig. 8, b).

Oriz. 8

Vini re se imuniteti ndaj zhurmës i të dy sistemeve është afërsisht i njëjtë, dhe për të njëjtën frekuencë dhe të njëjtin nivel të zhvillimit të teknologjisë lazer, sistemi i parë ka avantazhe të qarta, të cilat janë si më poshtë:

Ka një pajisje marrëse më të thjeshtë;

I pandjeshëm ndaj zhvendosjes së frekuencës Doppler, i cili eliminon nevojën për të kërkuar një sinjal sipas frekuencës në marrës (siç është rasti në sistemin e dytë);

Të pandjeshme ndaj shtrembërimit të frontit të valës së sinjalit (i origjinës në atmosferë të turbullt), kështu që antenat e thjeshta tokësore me hapje të mëdha janë të mundshme. Në një marrës heterodin, turbulenca atmosferike kufizon madhësinë e antenës marrëse dhe për ta rritur atë (zonën e antenës), është e nevojshme të përdoret një grup antenash i përbërë nga një mori antenash me një pajisje për shtimin e sinjaleve dalëse;

Ka një antenë marrëse, e cila nuk kërkon cilësi të lartë optike, gjë që bën të mundur zbatimin e antenave ajrore më të lehta dhe më të lira;

Ju lejon të zbatoni metoda më efikase të drejtimit të ndërsjellë të antenave transmetuese dhe marrëse (krahasuar me skanimin raster me një fazë në sistemin e dytë).

Avantazhi i vetëm i sistemeve me një marrës heterodin është shtypja më efektive e sfondit në marrës (krahasuar me të parën).

Le të analizojmë përshtatshmëria e frekuencës së lazerëve për komunikimet hapësinore.

Për shkak të diapazonit të gjatë të komunikimit, kërkohen transmetues me një fuqi mesatare nga fraksionet në njësi vat. Lazerë të tillë me efikasitet të pranueshëm janë të disponueshëm në tre gamë kryesore:

10 μm - lazer gazi CO 2 me = 10,6 μm, në modalitetin me një modalitet në P = 1 W = 10%, t slave = 10 mijë orë funksionim të vazhdueshëm (i përshtatshëm për pajisjet në bord dhe për shkak të qëndrueshmërisë së frekuencës së lartë është mjaft mund të funksionojë në një sistem me një marrës heterodin);

1 µm - lazer në gjendje të ngurtë në granatë itrium-alumini (YAG) i aktivizuar nga neodymium (J-Al / Nd) = 1,06 µm, = 1,5 2%, P max = n0,1 W (një lazer i tillë mund të funksionojë me sukses në stacionare satelitët, meqenëse pompimi kryhet nga grupe LED ose pajisje pompimi diellor. Në rastin e fundit, kolektori i energjisë diellore përmes një filtri optik fokuson energjinë e pompimit në shufrën lazer, duke siguruar ngacmimin e tij. deri në 5 mijë orë në = 10% Rezulton = 10 LED kanë jetë më të gjatë, por fuqia e tyre është e ulët dhe për këtë arsye ato janë të përshtatshme vetëm për transmetues me fuqi të ulët deri në 0,1 W);

0,5 µm - një lazer premtues Nd:YAG që funksionon në modalitetin e dyfishimit të frekuencës = 0,53 µm (jeshile e ndezur), me një efikasitet konverteri afër unitetit, është këtu premtues.

Për linjat e komunikimit me lazer me shpejtësi të ulët, lazerët e gazit me avull metalik me pulsim janë premtues. Në modalitetin pulsues, lazeri i avullit të bakrit ka = 0,5106 dhe 0,5782 μm dhe = = 5% (në modalitetin me ndërprerje Q) me një fuqi mesatare prej një vat.

Mundësitë e marrjes së pajisjeve në këto tre vargje janë si më poshtë:

10.6 μm - ka fotodetektorë me efikasitet të lartë kuantik (40-50%) kur ftohen në 77-100 K, por që fotodetektorët nuk kanë amplifikim të brendshëm, nuk janë të përshtatshëm për sisteme me zbulim të drejtpërdrejtë;

1,06 µm - PMT ose fotodioda orteku mund të përdoren për sisteme me zbulim të drejtpërdrejtë. Por efikasiteti kuantik PMT në këtë gjatësi vale është vetëm 0,008, kështu që ky diapazon është dukshëm më i ulët se i pari;

0,53 µm rezulton të jetë një interval më i pranueshëm në modalitetin e zbulimit të drejtpërdrejtë, sepse performanca e saj për shkak të rritjes së efikasitetit të EMP-së është dukshëm më e lartë.

Pra, ekzistojnë dy sisteme të komunikimit hapësinor:

Me zbulimin e sinjalit të drejtpërdrejtë në një gjatësi vale prej 0,53 µm;

Me një marrës heterodin në rangun IR në 10,6 µm.

Për më tepër, sistemi me = 10.6 μm ka:

Niveli më i ulët i zhurmës kuantike (duke qenë se dendësia spektrale e zhurmës kuantike është proporcionale me vlerën e hf, atëherë me = 10,6 μm është 20 herë më pak se me = 0,53 μm);

Efikasiteti i transmetuesit lazer në rangun = 10,6 µm është më i lartë se me = 0,53 µm.

Dy vetitë e para të sistemit lejojnë përdorimin e modeleve më të gjera të rrezatimit të transmetuesit në krahasim me një sistem brezi të dukshëm, i cili thjeshton sistemin e drejtimit.

Disavantazhet këtu janë të njëjta me ato të metodës heterodine.

Sistemi i diapazonit të dukshëm = 0,53 µm, që ka një nivel më të lartë të zhurmës kuantike, efikasitet më të ulët të transmetuesit, mund të ketë reduktuar ndjeshëm RP-të e antenës transmetuese. Pra, nëse hapjet e antenave transmetuese janë të njëjta (në = 0,53 dhe 10,6 μm), atëherë antena transmetuese në = 0,53 μm do të ketë një fitim 400 herë më të madh se në = 10,6 μm, gjë që kompenson me një diferencë disavantazhet e përmendura. sipër. Rrezet më të ngushta të antenave transmetuese ndërlikojnë sistemin e drejtimit të ndërsjellë të antenave transmetuese dhe marrëse, megjithatë, përdorimi i metodave efektive të kërkimit me shumë faza mund të zvogëlojë ndjeshëm kohën e hyrjes në komunikim. Për më tepër, në një marrës heterodinik, vetëm skanimi i thjeshtë raster është i mundur kur kërkoni një sinjal, dhe koha e kërkimit rritet ndjeshëm për shkak të nevojës për të kërkuar njëkohësisht një sinjal sipas frekuencës.

Një avantazh i rëndësishëm i antenës së rrezes së dukshme është aftësia për të ndërtuar një sistem komunikimi satelitor për akses të shumëfishtë. Në këtë rast, disa marrës (sipas numrit të linjave të komunikimit) të thjeshtë të zbulimit të drejtpërdrejtë vendosen në bordin e satelitit-RRS. Për sistemet në diapazonin 10,6 µm, kjo është praktikisht e pamundur për shkak të kompleksitetit të marrësve heterodinikë me pajisje të mëdha ftohëse me fotomikser.

Kështu, sipas nivelit teknik ekzistues, sistemet me zbulim të drejtpërdrejtë (= 0,53 µm) kanë përparësi të konsiderueshme:

për komunikimin në hapësirë ​​të thellë "KA-Tokë" përmes atmosferës;

për sistem satelitor me akses të shumëfishtë.

Për një sistem komunikimi satelitor, kur rrezja marrëse (ose transmetuese) e një përsëritësi satelitor artificial "kalohet" nga një pajtimtar në tjetrin sipas programit, një sistem komunikimi me një gjerësi brezi të lartë prej = 0.53 dhe 10.6 μm ka karakteristika të krahasueshme në shpejtësia e transferimit të informacionit deri në disa qindra megabit për sekondë. Shpejtësitë më të larta të transferimit të informacionit (më shumë se 10 Gbit/s) në një sistem me = 10.6 μm janë të vështira për t'u zbatuar, ndërsa në diapazonin e dukshëm ato mund të sigurohen thjesht për shkak të shumëfishimit kohor të kanaleve.

Një shembull i zbatimit të një sistemi komunikimi të tre satelitëve sinkron (Fig. 9):

gjatësia e valës së transmetuesit = 0,53 µm (zbulim i drejtpërdrejtë);

modulimi kryhet nga një modulator elektro-optik, dhe sinjali i modulimit është një nënbartës mikrovalë me një frekuencë qendrore m = 3 GHz dhe një brez anësor nga min = 2,5 10 9 në max = 3,5 10 9 Hz (d.m.th. = 10 9 Hz ) ;

Oriz. 9

modulatori elektro-optik (kristali) funksionon në modalitetin tërthor me një koeficient elektrooptik r 4·10 -11 në një konstante dielektrike të mikrovalës = 55 0 . Thellësia maksimale e modulimit - Г m = /3;

thjerrëzat ngjitëse dhe marrëse kanë përmasa 10 cm;

raporti sinjal-zhurmë në daljen e amplifikatorit pas PMT është 10

Le të përcaktojmë fuqinë totale të burimit të rrymës direkte me të cilën duhet të furnizohet sateliti për të përmbushur kërkesat e detyrës së projektimit (së pari përcaktojmë nivelin e fuqisë optike të rrezatimit të transmetuar, dhe më pas fuqinë e modulimit të kërkuar për funksionimin) .

Zgjidhje: Një satelit sinkron ka një periudhë orbitale prej 24 orësh. Distanca nga Toka në satelit përcaktohet nga barazia e forcave centrifugale dhe gravitacionale

mV 2 /R ES \u003d mg (R Tokë) 2 / (R ES) 2,

ku V është shpejtësia e satelitit; m është masa e tij; g - nxitimi gravitacional pranë sipërfaqes së Tokës; R ES - distanca nga qendra e Tokës në satelit; R Toka - rrezja e Tokës.

Frekuenca e rrotullimit sinkron të orbitës (24 orë) ju lejon të përcaktoni

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

Distanca midis satelitëve R = 73 12 km në një hapësirë ​​prej 120 O. Nëse një sinjal optik me fuqi P T transmetohet në një kënd të fortë T dhe hapja e marrë siguron një kënd të fortë R, atëherë fuqia e marrë

P R = P T (R / T).

Rrezja optike e transmetuar (Fig. 35) difraktohet me këndin e divergjencës së rrezes, i cili lidhet me rrezen minimale të rrezes 0 nga shprehja

tra = / 0 .

Këndi i ngurtë përkatës T = (rreze) 2 .

Nëse marrim 0 të barabartë me rrezen d t të thjerrëzës transmetuese, atëherë

Këndi i ngurtë i marrësit është i barabartë me

R \u003d d 2 R / R 2,

R është distanca midis transmetuesit dhe marrësit.

Nga (42), (44), (45) kemi

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

Le të shkruajmë raportin sinjal-zhurmë në daljen PMT që funksionon në modalitetin e mbylljes kuantike (d.m.th., kur burimi kryesor i zhurmës është zhurma e shkrepjes së vetë sinjalit):

s / w \u003d 2 (P R e / h) 2 G 2 / G 2 ei d \u003d P R / orë,

ku P R është fuqia optike, G është fitimi i rrymës, i d është rryma e errët. Në = 0,53 µm, = 0,2 - efikasiteti i konvertimit të fuqisë, = 10 9 Hz s/w = 10 3 marrim P R 2·10 -6. Në këtë rast, fuqia e kërkuar në përputhje me (46) në R = 7,5·10 4 m do të jetë Р t 3 W.

Nga mesi i shekullit të 20-të, filloi kërkimi aktiv mbi mikrovalët. Fizikani amerikan Charles Towns vendosi të rrisë intensitetin e rrezes së mikrovalës. Pasi i ngacmoi molekulat e amoniakut në një nivel të lartë energjie me ngrohje ose stimulim elektrik, shkencëtari më pas kaloi një rreze të dobët mikrovale përmes tyre. Rezultati ishte një përforcues i fuqishëm i rrezatimit të mikrovalës, të cilin Townes në vitin 1953 e quajti "mazer". Në vitin 1958, Towns dhe Arthur Shavlov ndërmorën hapin tjetër: në vend të mikrovalëve, ata u përpoqën të përforconin dritën e dukshme. Ishte në bazë të këtyre eksperimenteve që Maiman krijoi lazerin e parë në 1960.

Krijimi i lazerit bëri të mundur zgjidhjen e një game të gjerë problemesh që kontribuan në zhvillimin e rëndësishëm të shkencës dhe teknologjisë. Kjo bëri të mundur që në fund të shekullit të 20-të dhe në fillim të shekullit të 21-të të merren zhvillime të tilla si: linjat e komunikimit me fibra optike, lazerët mjekësorë, përpunimi me lazer i materialeve (trajtimi termik, saldimi, prerja, gdhendja, etj.), drejtimi me lazer dhe përcaktimi i objektivit, printerët lazer, lexuesit e barkodit dhe më shumë. Të gjitha këto shpikje janë thjeshtuar shumë, si jeta e një personi të zakonshëm, dhe kanë lejuar zhvillimin e zgjidhjeve të reja teknike.

Ky artikull do të japë përgjigje për pyetjet e mëposhtme:

1) Çfarë është komunikimi me lazer pa tel? Si zbatohet?

2) Cilat janë kushtet për përdorimin e komunikimit lazer në hapësirë?

3) Çfarë pajisje nevojiten për komunikimin me lazer?

Përkufizimi i komunikimit me lazer pa tel, metodat e zbatimit të tij.

Komunikimi me lazer me valë është një lloj komunikimi optik që përdor valët elektromagnetike në diapazonin optik (dritën) që transmetohet përmes atmosferës ose vakumit.

Komunikimi me laser ndërmjet dy objekteve kryhet vetëm nëpërmjet një lidhjeje pikë-pikë. Teknologjia bazohet në transmetimin e të dhënave nga rrezatimi i moduluar në pjesën infra të kuqe të spektrit përmes atmosferës. Transmetuesi është një diodë e fuqishme lazer gjysmëpërçuese. Informacioni hyn në modulin e transmetuesit, ku kodohet nga kode të ndryshme të imunitetit të zhurmës, të moduluara nga një emetues optik lazer dhe i fokusuar nga sistemi optik i transmetuesit në një rreze lazer të ngushtë të përafruar dhe transmetohet në atmosferë.

Në anën marrëse, sistemi optik fokuson sinjalin optik në një fotodiodë shumë të ndjeshme (ose fotodiodë orteku), e cila e shndërron rrezen optike në një sinjal elektrik. Në të njëjtën kohë, sa më e lartë të jetë frekuenca (deri në 1.5 GHz), aq më e madhe është sasia e informacionit të transmetuar. Sinjali më pas demodulohet dhe shndërrohet në sinjale të ndërfaqes dalëse.

Gjatësia e valës në shumicën e sistemeve të implementuara varion midis 700-950 nm ose 1550 nm, në varësi të diodës lazer të përdorur.

Nga sa më sipër rezulton se elementët kryesorë instrumentalë për komunikimin me lazer janë një diodë lazer gjysmëpërçues dhe një fotodiodë shumë e ndjeshme (fotodiodë orteku). Le të hedhim një vështrim më të afërt se si funksionojnë ato.

Diodë lazer - një lazer gjysmëpërçues i ndërtuar në bazë të një diode. Puna e tij bazohet në shfaqjen e popullsive të anasjellta në rajonin e kryqëzimit p-n gjatë injektimit të transportuesve të ngarkesës. Një shembull i një diodë moderne lazer është dhënë në figurën 1.

Fotodiodat e ortekëve janë pajisje gjysmëpërçuese shumë të ndjeshme që konvertojnë dritën në një sinjal elektrik për shkak të efektit fotoelektrik. Ato mund të konsiderohen si fotodetektorë që ofrojnë përforcim të brendshëm përmes efektit të shumëzimit të ortekëve. Nga pikëpamja funksionale, ato janë analoge në gjendje të ngurtë të fotoshumëzimit. Fotodiodat e ortekut janë më të ndjeshme se fotodetektorët e tjerë gjysmëpërçues, gjë që i lejon ata të përdoren për të zbuluar fuqitë e ulëta të dritës (≲ 1 nW). Një shembull i një fotodiode moderne orteku është dhënë në figurën 2.

Kushtet për përdorimin e komunikimit lazer në hapësirë.

Një nga fushat premtuese për zhvillimin e sistemeve të komunikimit hapësinor janë sistemet e bazuara në transmetimin e informacionit përmes një kanali lazer, pasi këto sisteme mund të ofrojnë një gjerësi më të madhe brezi, me më pak konsum të energjisë, dimensionet e përgjithshme dhe peshën e pajisjeve të transmetuesit sesa komunikimi radio i përdorur aktualisht. sistemeve.

Potencialisht, sistemet e komunikimit me lazer hapësinor mund të ofrojnë një shpejtësi jashtëzakonisht të lartë të rrjedhës së të dhënave - nga 10-100 Mbps në 1-10 Gbps dhe më lart.

Megjithatë, ka një sërë problemesh teknike që duhet të zgjidhen për të zbatuar kanalet e komunikimit me lazer midis një anije kozmike (SC) dhe Tokës:

• Saktësia e lartë e drejtimit dhe gjurmimi i ndërsjellë kërkohet në distanca nga gjysmë mijë deri në dhjetëra mijëra kilometra dhe kur transportuesit lëvizin me shpejtësi kozmike.
• Parimet e marrjes dhe transmetimit të informacionit përmes një kanali lazer bëhen shumë më të ndërlikuara.
• Pajisjet optoelektronike po bëhen më komplekse: optikë precize, mekanikë precize, lazer gjysmëpërçues dhe fibër, dhe marrës shumë të ndjeshëm.

Eksperimente mbi zbatimin e komunikimit lazer hapësinor

Si Rusia ashtu edhe Shtetet e Bashkuara të Amerikës po eksperimentojnë me zbatimin e sistemeve të komunikimit me lazer për transmetimin e sasive të mëdha të informacionit.

Sistemi i komunikimit me lazer RF (SLS)

Në vitin 2013, u krye eksperimenti i parë rus për transmetimin e informacionit duke përdorur sisteme lazer nga Toka në Segmentin Rus të Stacionit Ndërkombëtar të Hapësirës (ISS RS) dhe mbrapa.

Eksperimenti hapësinor "SLS" u krye me qëllim të testimit dhe demonstrimit të teknologjisë dhe pajisjeve ruse për marrjen dhe transmetimin e informacionit përmes një linje komunikimi lazer hapësinor.

Objektivat e eksperimentit janë:

• zhvillimi në kushtet e fluturimit në hapësirë ​​në ISS RS të zgjidhjeve kryesore teknologjike dhe të projektimit të inkorporuara në pajisjet standarde të sistemit të transmetimit të të dhënave lazer ndër-satelitore;
• zhvillimi i teknologjisë për marrjen dhe transmetimin e informacionit duke përdorur një linjë komunikimi lazer;
• studimi i mundësisë dhe kushteve të funksionimit të linjave të komunikimit me lazer "bordi i anijes kozmike - pikë tokësore" në kushte të ndryshme atmosferike.

Eksperimenti është planifikuar të kryhet në dy faza.

Në fazën e parë, është duke u përpunuar sistemi i marrjes dhe transmetimit të flukseve të informacionit mbi linjat "ISS RS-Earth" (3, 125, 622 Mbit/s) dhe "Earth-ISS RS Board" (3 Mbit/s). .

Në fazën e dytë, është planifikuar të zhvillohet një sistem udhëzimi me saktësi të lartë dhe një sistem për transmetimin e informacionit përgjatë linjës "ISS RS - satelit rele".

Sistemi i komunikimit me lazer në fazën e parë të eksperimentit SLS përfshin dy nënsisteme kryesore:

• Terminali i komunikimit me lazer në bord (BTLS) i instaluar në segmentin rus të Stacionit Ndërkombëtar të Hapësirës (Figura 3);
• Terminali lazer tokësor (LLT) i instaluar në stacionin e vëzhgimit optik Arkhyz në Kaukazin e Veriut (Figura 4).

Objektet e studimit në fazën 1 të CE:

• pajisjet e terminalit të komunikimit me lazer në bord (BTLN);
• pajisjet e terminalit të komunikimit me lazer tokësor (LLT);
• kanali atmosferik i përhapjes së rrezatimit.

Figura 4. Terminali lazer me bazë tokësore: astropavilion me një njësi optiko-mekanike dhe një teleskop rregullues

Sistemi i komunikimit me lazer (SLS) - faza 2.

Faza e dytë e eksperimentit do të kryhet pas përfundimit me sukses të fazës së parë dhe gatishmërisë së një anije kozmike të specializuar të tipit Luch për GSO me një terminal në bord të një sistemi të transmetimit të të dhënave lazer ndër-satelitore. Fatkeqësisht, informacioni nëse faza e dytë u mbajt apo jo nuk u gjet në burime të hapura. Ndoshta rezultatet e eksperimentit u klasifikuan, ose faza e dytë nuk u krye kurrë. Skema e transferimit të informacionit është paraqitur në Figurën 5.

Projekti OPALS USA

Pothuajse njëkohësisht, agjencia amerikane e hapësirës NASA fillon vendosjen e sistemit lazer OPALS (Optical Payload for Lasercomm Science).

"OPALS përfaqëson vendin e parë eksperimental për zhvillimin e teknologjive të komunikimit hapësinor me lazer, dhe Stacioni Ndërkombëtar i Hapësirës do të veprojë si një vend testimi për sistemin OPALS," thotë Michael Kokorowski, Menaxher i Projektit OPALS dhe Laboratori i Lëvizjes Jet i NASA-s (Laboratori i Propulsionit Jet, JPL) - "Sistemet e ardhshme të komunikimit me lazer, të cilat do të zhvillohen në bazë të teknologjive OPALS, do të jenë në gjendje të ofrojnë shkëmbim të sasive të mëdha të informacionit, gjë që do të eliminojë pengesën që në disa raste pengon kërkimin shkencor dhe sipërmarrjet tregtare".

Sistemi OPALS është një enë e mbyllur që përmban elektronikë të lidhur me një transmetues lazer nëpërmjet një kablli optik (Figura 6). Kjo pajisje përfshin një kolimator lazer dhe një kamerë gjurmuese të montuar në një platformë lëvizëse. Objekti i OPALS do të dërgohet në ISS në bordin e anijes kozmike Dragon, e cila do të nisë në hapësirë ​​këtë dhjetor. Pas dorëzimit, kontejneri dhe transmetuesi do të instalohen jashtë stacionit dhe do të fillojë një program testimi 90-ditor në terren për sistemin.

Si funksionon OPALS:

Nga Toka, specialistë nga Laboratori i Teleskopit të Komunikimeve Optike do të dërgojnë një rreze drite lazer drejt stacionit hapësinor, e cila do të veprojë si një fener. Pajisja e sistemit OPALS, pasi ka kapur këtë sinjal, me ndihmën e disqeve speciale, do të drejtojë transmetuesin e tij në teleskopin tokësor, i cili do të shërbejë si marrës dhe do të transmetojë një sinjal përgjigjeje. Nëse nuk ka ndërhyrje në rrugën e rrezeve të dritës lazer, do të vendoset kanali i komunikimit dhe mbi të do të fillojë transmetimi i informacionit video dhe telemetrik, i cili për herë të parë do të zgjasë rreth 100 sekonda.

Sistemi evropian i transmetimit të të dhënave (European Data Relay System shkurt. EDRS).

Sistemi Evropian i Transmetimit të të Dhënave (EDRS) është një projekt i planifikuar nga Agjencia Evropiane e Hapësirës për të krijuar një plejadë satelitësh të avancuar gjeostacionarë që do të transmetojnë informacion midis satelitëve, anijeve kozmike, mjeteve ajrore pa pilot (UAV) dhe stacioneve tokësore, duke ofruar më shpejt se metodat tradicionale të transmetimit. shpejtësia e të dhënave, edhe përballë fatkeqësive natyrore dhe të shkaktuara nga njeriu.

EDRS do të përdorë teknologjinë e re të komunikimit lazer të Terminalit të Komunikimit Laser (LCT). Terminali lazer do të lejojë që informacioni të transmetohet me një shpejtësi prej 1.8 Gbps. Teknologjia LCT do t'u mundësojë satelitëve EDRS të transmetojnë dhe të marrin rreth 50 terabajt të dhëna në ditë në pothuajse kohë reale.

Sateliti i parë i komunikimit EDRS do të lëshohet në orbitën gjeostacionare në fillim të vitit 2016 nga kozmodromi Baikonur në një mjet lëshues rus Proton. Pasi të jetë në orbitën gjeosinkrone mbi Evropë, sateliti do të vendosë lidhje lazeri midis katër satelitëve Sentinel-1 dhe Sentinel-2 të Programit Hapësinor të Vëzhgimit të Tokës Copernicus, mjeteve ajrore pa pilot dhe stacioneve tokësore në Evropë. , Afrikë, Amerikën Latine, Mesme Bregdeti lindor dhe verilindor i SHBA.

Një satelit i dytë, i ngjashëm do të lëshohet në 2017, me një satelit të tretë të planifikuar të lëshohet në 2020. Me pak fjalë, këta tre satelitë do të jenë në gjendje të mbulojnë të gjithë planetin me komunikime lazer.

Perspektivat për zhvillimin e komunikimit lazer në hapësirë.

Përparësitë e komunikimit lazer në krahasim me komunikimin me radio:

• transmetimi i informacionit në distanca të gjata
• shkallë e lartë e transferimit
• kompaktësia dhe lehtësia e pajisjeve për transmetimin e të dhënave
• efikasitetit të energjisë

Disavantazhet e komunikimit me lazer:

• nevoja për shënjestrim të saktë të pajisjeve marrëse dhe transmetuese
• problemet atmosferike (vrenjtje, pluhur, etj.)

Komunikimi me laser bën të mundur transmetimin e të dhënave në distanca shumë më të mëdha në lidhje me komunikimin radio, shkalla e transmetimit është gjithashtu më e lartë për shkak të përqendrimit të lartë të energjisë dhe një frekuencë shumë më të lartë të bartësit (sipas urdhrave të madhësisë). Efikasiteti i energjisë, pesha e ulët dhe kompaktësia janë gjithashtu shumë herë ose disa herë më të mira. Vështirësitë në formën e nevojës për shënjestrim të saktë të pajisjeve marrëse dhe transmetuese mund të zgjidhen me mjete teknike moderne. Për më tepër, pajisjet marrëse tokësore mund të vendosen në rajone të Tokës ku numri i ditëve me re është minimal.

Përveç problemeve të paraqitura më sipër, ekziston një problem tjetër - ky është divergjenca dhe zbutja e rrezes lazer kur kalon nëpër atmosferë. Problemi rëndohet veçanërisht kur trau kalon nëpër shtresa me dendësi të ndryshme. Kur kalon nëpër kufijtë midis mediave, një rreze drite, duke përfshirë një rreze lazer, përjeton thyerje, shpërndarje dhe dobësim veçanërisht të fortë. Në këtë rast, ne mund të vëzhgojmë një lloj njolle drite, e cila përftohet pikërisht kur kalon nëpër një ndërfaqe të tillë midis mediave. Ekzistojnë disa kufij të tillë në atmosferën e Tokës - në një lartësi prej rreth 2 km (shtresa atmosferike aktive e motit), në një lartësi prej rreth 10 km dhe në një lartësi prej rreth 80-100 km, d.m.th. tashmë në buzë të hapësirës . Lartësitë e shtresave janë dhënë për gjerësitë e mesme për periudhën e verës. Për gjerësi të tjera dhe periudha të tjera të vitit, lartësitë dhe vetë numri i ndërfaqeve të mediave mund të ndryshojnë shumë nga ato të përshkruara.

Kështu, kur hyn në atmosferën e Tokës, rrezja lazer, e cila më parë kishte udhëtuar me qetësi miliona kilometra pa asnjë humbje (ndoshta një defokusim i lehtë), humbet pjesën e luanit të fuqisë së saj mbi disa dhjetëra kilometra fatkeq. Megjithatë, këtë, në shikim të parë, fakt i keq, ne mund ta kthejmë në avantazhin tonë. Meqenëse ky fakt na lejon të bëjmë pa ndonjë drejtim serioz të rrezes në marrës. Sepse si marrës i tillë, ose më mirë marrësi kryesor, ne mund të përdorim vetëm këto ndërfaqe ndërmjet shtresave dhe mjediseve. Ne mund ta drejtojmë teleskopin në pikën e dritës që rezulton dhe të lexojmë informacion prej tij. Sigurisht, kjo do të shtojë ndjeshëm sasinë e ndërhyrjes dhe do të zvogëlojë shkallën e transferimit të të dhënave. Dhe e bëjnë atë përgjithësisht të pamundur gjatë ditës. Por kjo do të bëjë të mundur uljen e kostos së anijes duke kursyer në sistemin e drejtimit. Kjo është veçanërisht e vërtetë për satelitët në orbita jo-stacionare, si dhe për anijet kozmike për kërkime në hapësirë ​​të thellë.

Për momentin, nëse marrim parasysh lidhjen "Toka - SC dhe SC-Tokë", zgjidhja optimale është sinergjia e komunikimeve lazer dhe radio. Mjaft i përshtatshëm dhe premtues është transmetimi i të dhënave nga anija kozmike në Tokë duke përdorur komunikimin lazer, dhe nga Toka në anijen me radio komunikim. Kjo për faktin se moduli i marrjes së lazerit është një sistem mjaft i rëndë (më shpesh një teleskop) që kap rrezatimin lazer dhe e shndërron atë në sinjale elektrike, të cilat më pas amplifikohen dhe shndërrohen në informacione të dobishme duke përdorur metoda të njohura. Nuk është e lehtë të instalosh një sistem të tillë në një anije kozmike, pasi më shpesh ka kërkesa për kompaktësi dhe peshë të ulët. Në të njëjtën kohë, transmetuesi i sinjalit lazer ka dimensione dhe peshë të vogël në krahasim me antenat për transmetimin e një sinjali radio.

Fibrat optike dhe komunikimi me lazer

Që nga lashtësia, drita është përdorur për të përcjellë mesazhe. Kina, Egjipti dhe Greqia përdorën tymin gjatë ditës dhe zjarrin gjatë natës për të transmetuar sinjale. Ndër dëshmitë e para historike të komunikimit optik, mund të kujtojmë rrethimin e Trojës. Në tragjedinë e tij "Agamemnoni", Eskili jep një përshkrim të hollësishëm të zinxhirit të dritave sinjalizuese në majat e maleve të Idës, Anthos. Masisto, Egiplanto dhe Aracnea, si dhe në shkëmbinjtë e Lemnos dhe Kifara, për t'i transmetuar Argos lajmin e kapjes së Trojës nga akejtë.

Në kohët e mëvonshme, por të lashta, perandori romak Tiberius, ndërsa ishte në Kapri, përdorte sinjale drite për të komunikuar me bregdetin.

Në Capri, ju mund të shihni ende rrënojat e "Faro" të lashtë (dritë) pranë vilës së perandorit Tiberius në malin Tiberio.

Në Amerikën e Veriut, një nga sistemet e para të komunikimit optik u instalua rreth 300 vjet më parë në koloninë e Francës së Re (tani provinca e Quebec në Kanada). Qeveria rajonale, e frikësuar nga mundësia e një sulmi nga flota angleze, ngriti një sërë pozicionesh fenerësh në shumë fshatra përgjatë lumit Shën Lorenci. Kishte të paktën 13 pika në këtë qark, i cili filloi në Il Verte, rreth 200 km në rrjedhën e poshtme nga Quebec. Që nga fillimi i viteve 1700. në secilin prej këtyre fshatrave, çdo natë të periudhës së lundrimit, kishte një roje, detyra e të cilit ishte të vëzhgonte sinjalin e dërguar nga fshati në rrjedhën e poshtme dhe ta transmetonte atë më tej. Me një sistem të tillë, mesazhi i sulmit britanik në 1759 arriti në Quebec para se të ishte tepër vonë.

Në vitin 1790, një inxhinier francez, Claude Chappe, shpiku semaforë (telegraf optik) të vendosur në kulla të montuara jashtë syve të njëri-tjetrit, duke lejuar dërgimin e mesazheve nga një kullë në tjetrën. Në 1880, Alexander Graham Bell (1847-1922) mori një patentë për një pajisje "fotofon" që përdorte rrezet e diellit të reflektuara për të transmetuar tingullin në një marrës. Drita e reflektuar u modulua në intensitet duke vibruar një membranë reflektuese të vendosur në fund të tubit në të cilin foli Bell. Drita përshkoi një distancë prej rreth 200 m dhe goditi një qelizë seleniumi (fotodetektor) të lidhur me telefonin. Megjithëse Bell e konsideronte fotofonin si shpikjen e tij më të rëndësishme, përdorimi i tij ishte i kufizuar nga moti. Sidoqoftë, kjo rrethanë nuk e pengoi Bell-in t'i shkruante babait të tij:

“Kam dëgjuar një fjalim të kuptueshëm të prodhuar nga rrezet e diellit!... Dikush mund të imagjinojë se kjo shpikje ka një të ardhme!... Ne do të jemi në gjendje të flasim me ndihmën e dritës në çdo distancë brenda shikimit pa asnjë tel... Në një luftë komunikime të tilla nuk mund të ndërpriten apo përgjohen.”

Shpikja e lazerit nxiti një interes në rritje për komunikimet optike. Megjithatë, shpejt u demonstrua se atmosfera e Tokës shtrembëron përhapjen e dritës lazer në një mënyrë të padëshirueshme. U morën në konsideratë sisteme të ndryshme, të tilla si tubat e lenteve të gazit dhe përcjellësit e valëve dielektrike, por të gjitha ato u braktisën në fund të viteve 1960 kur u zhvilluan fibrat optike me humbje të ulët.

Kuptimi se fijet e hollë të qelqit mund të përçojnë dritën përmes reflektimit total të brendshëm ishte një ide e vjetër e njohur që nga shekulli i 19-të. falë fizikanit anglez John Tyndall (1820-1893) dhe përdoret në mjete dhe për ndriçim. Megjithatë, në vitet 1960. edhe syzet më të mira kishin një zbutje të madhe të dritës së transmetuar përmes fibrës, gjë që kufizoi rëndë gjatësinë e përhapjes. Në atë kohë, vlera tipike e zbutjes ishte një decibel për metër, që do të thotë se pas një udhëtimi 1 m, fuqia e transmetuar reduktohet në 80%. Prandaj, ishte i mundur vetëm përhapja përgjatë një fibre disa dhjetëra metra të gjatë dhe i vetmi aplikim ishte mjekësia, si endoskopët. Në vitin 1966, Charles Kao dhe George Hockham nga Laboratori Standard i Telekomunikacionit (MB) botuan një punë themelore në të cilën ata treguan se nëse papastërtitë eliminohen me kujdes në silicën e shkrirë dhe fibra rrethohet nga një veshje me një indeks më të ulët thyerjeje, atëherë zbutja. mund të reduktohet në -20 dB/km. Kjo do të thotë se kur kalon një gjatësi prej 1 km, fuqia e rrezes zvogëlohet në një të qindtën e fuqisë hyrëse. Edhe pse kjo është një vlerë shumë e vogël, është e pranueshme për një numër aplikimesh.

Siç ndodh shpesh në situata të tilla, përpjekjet intensive kanë filluar në MB, Japoni dhe SHBA për të prodhuar fibra me performancë të përmirësuar. Suksesi i parë u arrit në vitin 1970 nga E. P. Capron, Donald Keck dhe Robert Mayer nga Corning Glass Company. Ata bënë fibra që kishin një humbje prej 20 dB/km në një gjatësi vale prej 6328 A° (gjatësia e valës së një lazeri He-Ne). Në të njëjtin vit, I. Hayashi dhe bashkëpunëtorët raportuan për një diodë lazer që funksiononte në temperaturën e dhomës.

Në vitin 1971, I. Jacobs u emërua drejtor i Laboratorit të Komunikimeve Dixhitale në AT&T Bell Laboratories (Holmdel, New Jersey, SHBA) dhe u ngarkua me zhvillimin e sistemeve me shpejtësi të lartë të transferimit të informacionit. Shefat e saj W. Danielson dhe R. Kompfner transferuan një pjesë të stafit në një laborator tjetër, të udhëhequr nga S. Miller, me qëllim që të "mbanin një sy" në atë që po ndodhte në fushën e fibrave optike. Tre vjet më vonë, Danielson dhe Kompfner porositën Jacobs të formonte një grup kërkimor për të studiuar fizibilitetin e komunikimit të bazuar në fibra. Ishte e qartë se aplikimi më ekonomik dhe fillestar i sistemeve që përdorin dritën ishte komunikimi i centraleve telefonike në qytetet e mëdha. Më pas për këtë u përdorën kabllot dhe informacioni transmetohej në formë dixhitale, duke e koduar me një sërë pulsesh. Fijet, me aftësinë e tyre për të transmetuar sasi të mëdha informacioni, dukej se ishin zëvendësimi ideal për kabllot elektrike. Zyrat dhe centralet telefonike në qytetet e mëdha ndodhen në distanca disa kilometra nga njëra-tjetra, madje në atë kohë mund të lidheshin pa probleme, madje duke përdorur fibra me humbje relativisht të larta.

Pra, një eksperiment paraprak u bë në mesin e vitit 1976 në Atlanta me kabllo me fibra optike të vendosura në tuba kabllosh konvencionale. Suksesi fillestar i këtyre përpjekjeve rezultoi në një sistem që lidhte dy centrale telefonike në Çikago. Bazuar në këto rezultate të para, në vjeshtën e vitit 1977, Bell Labs vendosi të zhvillonte një sistem optik për përdorim të përgjithshëm. Në vitin 1983 u krijua një lidhje mes Uashingtonit dhe Bostonit, megjithëse kjo u shoqërua me shumë vështirësi. Ky sistem komunikimi funksiononte me një shpejtësi transmetimi prej 90 Mbps. Ai përdori fibër multimode në një gjatësi vale prej 825 nm.

Ndërkohë, NTTC (kompani japoneze telegrafike dhe telefonike) ishte në gjendje të tërhiqte fibra me një humbje prej vetëm 0,5 dB / km në gjatësi vale 1,3 dhe 1,5 mikron, dhe Laboratori Lincoln në MIT demonstroi funksionimin e një diode lazeri InGaAsP të aftë për funksionim të vazhdueshëm. në intervalin midis 1.0 dhe 1.7 μm në temperaturën e dhomës. Përdorimi i fibrave me humbje të ulët në 1.3 µm ka çuar në sisteme më të avancuara. Sistemet u ndërtuan me një xhiro prej 400 Mbps në Japoni dhe 560 Mbps në Evropë. Sistemi evropian mund të transmetojë 8000 kanale telefonike njëkohësisht. Më shumë se 3.5 milionë kilometra fibër janë prodhuar në SHBA. E vetmja pjesë që ende përdor tela bakri është lidhja midis shtëpisë dhe centralit telefonik. Ky “milje i fundit”, siç është quajtur, po bëhet edhe objektivi i komunikimeve me fibra.

Kablloja e parë telegrafike transatlantike u vu në punë në vitin 1858. Pothuajse njëqind vjet më vonë, në vitin 1956, u vendos kablloja e parë telefonike, e quajtur TAT-1. Në 1988, gjenerata e parë e kabllove transatlantike në fibra optike filloi të funksionojë (ato filluan të quheshin TAT-8). Ato operojnë në një gjatësi vale prej 1.3 mikron dhe lidhin Evropën, Amerikën e Veriut dhe Paqësorin Lindor. Në vitin 1991 filloi instalimi i gjeneratës së dytë të komunikimit me fibra optike, TAT-9, i cili funksionon në 1.3 mikron dhe lidh SHBA-në dhe Kanadanë me Britaninë e Madhe, Francën dhe Spanjën. Një linjë tjetër operon midis SHBA-së dhe Kanadasë dhe Japonisë.

Ka një sërë linjash të tjera të fibrave optike në botë. Për shembull, lidhja optike nëndetëse midis Anglisë dhe Japonisë mbulon 27,300 km në Oqeanin Atlantik, Detin Mesdhe, Detin e Kuq, Oqeanin Indian, Oqeanin Paqësor dhe ka 120,000 amplifikatorë të ndërmjetëm për çift fibrash. Në krahasim, kablloja e parë telefonike transatlantike në vitin 1956 përdori 36 konvertues, ndërsa kablloja e parë optike e vendosur përtej Oqeanit Atlantik përdori 80,000.

Sot, pas 30 vitesh kërkime, fibrat optike kanë arritur kufijtë e tyre fizikë. Fijet silicë mund të transmetojnë impulse infra të kuqe në një gjatësi vale prej 1.5 mikron me një humbje minimale prej 5% për kilometër. Këto humbje nuk mund të reduktohen për shkak të ligjeve fizike të përhapjes së dritës (ligjet e Maxwell-it) dhe natyrës themelore të qelqit.

Megjithatë, ka një arritje që mund ta përmirësojë rrënjësisht situatën. Kjo është aftësia për të përforcuar drejtpërdrejt sinjalet optike në fibër, d.m.th. pa pasur nevojë që më parë t'i nxjerrim nga fijet. Duke shtuar papastërti të përshtatshme elementare si erbium në materialin e fibrës dhe duke i ngacmuar ato me dritë të përshtatshme pompe përmes vetë fibrës, mund të arrihet një përmbysje e popullsisë midis dy niveleve të erbiumit me një tranzicion që është saktësisht 1,5 µm. Si rezultat, është e mundur të arrihet një përforcim i pulsit të dritës në këtë gjatësi vale ndërsa përhapet nëpër fibër. Një pjesë e një fije të tillë aktive vendoset midis dy skajeve të fibrave përmes të cilave përhapet sinjali. Me ndihmën e një bashkuesi optik, rrezatimi i pompës drejtohet gjithashtu në këtë pjesë. Në dalje, pjesa e mbetur e rrezatimit të pompës largohet dhe sinjali i përforcuar vazhdon të përhapet nëpër fibër. Duke përdorur këtë qasje, amplifikatorët elektronikë të ndërmjetëm mund të eliminohen. Në sistemet e vjetra të amplifikatorëve elektronikë, drita dilte nga fibra, regjistrohej nga një marrës fotoelektrik, sinjali u përforcua dhe u shndërrua në dritë që vazhdoi të përhapet në pjesën tjetër të fibrës.