Когда впервые изобрели лазеры, их называли поиском решения проблемы. Все думали, что они такие же крутые, как конденсат Бозе-Эйнштейна, но никто толком не знал, что делать с этими устройствами, которые могут производить высокосфокусированный пучок света.
Сегодня лазеры стали одной из самых важных технологий в мире, используемых в самых разных отраслях, от информационных технологий до телекоммуникаций, медицины, бытовой электроники, правоохранительных органов, военной техники, развлечений и производства.
С самых первых дней разработки лазеров исследователи поняли, что свет может превзойти радио по скорости и плотности информации. Дело дошло до физики. Длины световых волн упакованы гораздо плотнее, чем звуковые волны, и они передают больше информации в секунду и с более сильным сигналом. Лазерная связь, как только она будет установлена, превратится из сверхскоростного пассажирского экспресса в обоз радио.
В каком-то смысле лазеры уже много лет используются в средствах связи. Мы передаем информацию с помощью лазера каждый день, будь то чтение компакт-дисков и DVD-дисков, сканирование штрих-кодов на кассе или подключение к оптоволоконной магистрали телефона или интернет-сервисов. Теперь на горизонте появился более прямой подход, который обеспечит высокоскоростную связь «точка-точка» - на большие расстояния, по воздуху или в космосе, с небольшой потерей данных.
Это было давно. Еще в 1964 году НАСА обдумывало идею использования лазеров для связи с самолетами. Идея заключалась в том, чтобы преобразовать голос пилота сначала в электрические импульсы, а затем в световой луч. Затем приемник на земле полностью изменил бы процесс. В октябре 2013 года НАСА осуществило и значительно превзошло это видение, когда корабль, вращающийся вокруг Луны, отправил данные на земную станцию с помощью импульсного лазерного луча - 239 000 миль (384 600 километров) передачи с беспрецедентной скоростью загрузки 622 мегабит в секунду (Мбит/с). Для сравнения, тарифы на высокоскоростные потребительские данные обычно измеряются десятками мегабит.
И высокая скорость, высокая плотность - это название игры. На протяжении большей части своей истории НАСА участвовало в дерзких исследовательских миссиях только для того, чтобы ему мешали эквивалентные скорости загрузки по телефонной линии. С помощью лазерной связи агентство вступает в эру высоких скоростей, открывая двери, среди прочего, для высококачественной передачи видео с марсоходов будущего.
НАСА не одиноко. Криптографы и эксперты по безопасности рассматривают лазеры как почти мгновенную систему доставки с узким лучом, в то время как новое поколение высокочастотных трейдеров на Уолл-стрит готово платить большие деньги за любое подключение, которое может сократить время их торговли на миллисекунды. Производители компьютеров, приближаясь к пределу возможностей меди и кремния, также изучают возможности применения лазеров.
Когда скорость решает все, а свет отмечает ограничение скорости во вселенной, лазеры обязательно станут ответом - если эту технологию можно будет сделать практичной.
Следующее лучшее, чем быть там
Целью коммуникационных технологий является быстрая, полная и точная передача информации. Если вы когда-нибудь обедали с хамом, то знаете, как мало информации может содержать стена шума; если вы когда-либо играли в игровой телефон, вы испытали, как смысл может быть искажен при плохой передаче.
Исторически сложилось так, что дальняя связь умножала эти трудности. Передача - барабаном, костром, дымом, флагом или светом - сначала требовала перевода в обязательно простой код. Телеграфные кабели и азбука Морзе сделали сложной передачу возможной, но дорогой, что опять же усилило достоинство краткости.
Современная электронная связь требует отправляющего устройства, которое может кодировать любые данные в форму, которую можно передать, и получателя, который может различать сообщение (сигнал) и окружающие его статические помехи (шум). Теория информации, математическая модель, впервые предложенная У. Инженер S. Клод Шеннон в 1948 году создал структуру, которая в конечном итоге решила эту проблему и сделала возможными такие технологии, как сотовый телефон, Интернет и модем.
В принципе, системы лазерной связи напоминают модемы, которые мы использовали в наших домах с появлением Интернета. Модем означает MODulation-DEModulation, процесс, в котором цифровая информация преобразуется в аналоговую для передачи, а затем обратно. Ранние акустические модемы использовали звуковые волны для передачи по телефонным линиям. Оптические модемы переходят от звука к более высокочастотной части спектра, свету.
Это не совсем новая концепция. Аудиовизуальные устройства с оптическим звуком, такие как многие DVD-плееры, используют модемоподобное устройство, называемоемодулем передачи, для преобразования цифровых сигналов в светодиодный или лазерный свет, который затем проходит по оптоволоконному кабелю к компонент назначения, такой как телевизор или аудиоприемник. Таммодуль приема света преобразует свет обратно в цифровой электрический сигнал, подходящий для динамиков или наушников.
Доказательство концепции НАСАДемонстрация связи с лунным лазером(LLCD), разработанная Линкольнской лабораторией Массачусетского технологического института, использует аналогичную систему, но отказывается от волокна в пользу лазерной передачи по воздуху и космосу (иногда называемойоптической связью в свободном пространствеилиFSO). LLCD использует три компонента:
- модемный модуль (ММ)
- Оптический модуль (ОМ), который отправляет и принимает модулированные лазерные лучи через 4-дюймовый (10-сантиметровый) телескоп
- Модуль электроники контроллера (CE), который связывает первые два вместе. CE также связывает LLCD с орбитальным аппаратом, Лунной атмосферой и исследователем окружающей среды пыли (LADEE) НАСА, и выполняет жизненно важные задачи, такие как последовательность, стабилизация и ретрансляция команд и телеметрии..
С успехом эксперимента будущее лазерной связи стало немного ярче, но есть ли рынок для таких технологий за пределами космического агентства? Спорим, есть.
Оптоволокно все еще король
Волоконная оптика, впервые примененная на практике британским физиком Гарольдом Хопкинсом в 1952 году, постепенно обогнала электронный кабель, поскольку технология была усовершенствована за счет более точно настраиваемых лазеров и более качественного волокна. Сегодня это технология связи - по крайней мере, до тех пор, пока связь FSO не станет более эффективной и действенной. Технология, которая передает данные с помощью световых импульсов, отражающихся по стеклу или пластиковому кабелю с внутренней отражающей способностью, может передавать больше информации в секунду на большие расстояния и без ухудшения качества, чем электрические импульсы по медным проводам..
Применения лазерной связи: от космоса до Уолл-Стрит
Лазерная связь может быть благом для освоения космоса, но гораздо более земные цели определят ее судьбу как коммерческой технологии.
Возьмем, к примеру, новую породу высокоскоростных трейдеров Уолл-стрит, которые используют силу количественного анализа, скорость премиального широкополосного доступа и множество микротранзакций, чтобы накапливать прибыль по одной дробной копейке за раз. Для бизнеса, основанного на «роботрейдерах», компьютерных алгоритмах, совершающих миллисекундные сделки в соответствии с набором правил, время передачи - деньги, а лазеры - самая быстрая игра в городе.
Чтобы выжать максимум из каждой сделки, такие компании, как Spread Networks, инвестировали в наилучшее доступное волокно и вырезали все изгибы и изгибы, какие только могли, в каналах передачи данных, соединяющих торговые столицы, такие как Чикаго, Нью-Йорк, Лондон и Токио (каждый дополнительная миля добавляет около восьми микросекунд к передаче данных туда и обратно). Когда этого оказалось недостаточно, другие группы, такие как McKay Brothers и Tradeworx, отказались от оптоволокна в пользу микроволнового излучения, распространяемого по воздуху. Хотя по мощности и скорости микроволны лишь на шаг выше радио, они распространяются по воздуху быстрее, чем свет проходит по оптоволокну.
Лазеры потенциально могут показать самые высокие скорости из всех; скорость света в воздухе почти такая же, как в вакууме, и он может преодолеть 720 миль (1160 километров), разделяющих Нью-Йорк и Чикаго, примерно за 3.9 мс - время прохождения туда-обратно (или задержка) составляет 7,8 мс, по сравнению с 13,0-14,5 мс для новых оптоволоконных систем и 8,5-9,0 мс для микроволновых передатчиков.
В сфере безопасности лазеры и другие системы оптической связи обеспечивают более надежную связь, а также средства для их прослушивания. Квантовая криптография использует свойство квантовой физики, а именно то, что третья сторона не может обнаружить квантовое состояние фотонного ключа шифрования, не изменив его и, следовательно, не будучи обнаружена, для установления высокозащищенной связи с использованием лучей фотонов, создаваемых ослабленными лазерами.. Осенью 2008 года исследователи в Вене начали экспериментировать с квантовым Интернетом, частично основанным на этом принципе. К сожалению, лазеры также использовались для перехвата и подмены таких сигналов неквантовым способом, тем самым обходя обнаружение. Компании, занимающиеся квантовым шифрованием, работают над решением этой проблемы.
На самом деле, основные недостатки лазерной связи в атмосфере связаны с помехами из-за дождя, тумана или загрязняющих веществ, но, учитывая преимущества технологии, эти проблемы вряд ли остановят прогресс технологии. Так что, в прямом или переносном смысле, нет предела для технологий лазерной связи.
1, 001 Использование для лазерной связи
Возможная высокоскоростная передача данных между сетями - это лишь верхушка айсберга того, что возможно с помощью лазерной связи, многие из которых происходят из-за отсутствия необходимого физического соединения. Лучи могут соединять компьютерные чипы внутри компьютеров, пересекать земли и дороги, не требуя полосы отвода или права собственности, и создавать временные сети во время сражений или в условиях стихийных бедствий. Они могут обеспечить резервирование сети, соединить существующие оптические сети или приблизить нас к конвергентной инфраструктуре передачи голоса и данных - и все это благодаря высокой скорости, низкому уровню ошибок и невосприимчивости к электромагнитным помехам.
Примечание автора: как работает лазерная связь
Лазерная связь - еще один прекрасный пример того, как мы живем в будущем, но я всегда буду ассоциировать эту концепцию с эпизодом из прошлого. Во время холодной войны Леон Термен - изобретатель чересстрочной развертки видео, а также одноименного электрического инструмента, который можно услышать во множестве научно-фантастических фильмов, - разработал подслушивающее устройство на основе света, способное дистанционно прослушивать офис (на самом деле это был маломощный инфракрасный луч). а не лазер). Он работал, обнаруживая вибрации на оконном стекле, вызванные звуковым давлением, создаваемым голосами в целевой комнате. Советы использовали это устройство, предок современных лазерных микрофонов, для подслушивания различных посольств в Москве.