Как Работает Лазерная Связь

{h1}

Лазерная связь может быть благом для космоса и здесь, на земле. Узнайте больше о лазерной связи на WordsSideKick.com.

Когда лазеры были впервые изобретены, их называли решением проблемы. Все думали, что они такие же крутые, как конденсат Бозе-Эйнштейна, но никто не знал, что делать с этими устройствами, которые могли бы генерировать высоко сфокусированный луч света.

Сегодня лазеры стали одной из важнейших в мире технологий, используемых в различных отраслях: от информационных технологий до телекоммуникаций, медицины, бытовой электроники, правоохранительных органов, военной техники, развлечений и производства.

С самых первых дней лазерного развития исследователи поняли, что свет может превзойти радио с точки зрения скорости и плотности информации. Дело дошло до физики. Световые волны упакованы гораздо плотнее, чем звуковые волны, и они передают больше информации в секунду и с более сильным сигналом. Лазерная связь, как только она будет достигнута, станет сверхскоростной поездом к телеге радио [источники: Хадхази; Томсен].

В некотором смысле, лазеры использовались в коммуникациях в течение многих лет. Мы передаем информацию с помощью лазера каждый день, будь то чтение CD и DVD, сканирование штрих-кодов на кассовых линиях или прослушивание оптоволоконной магистрали телефона или интернет-услуг. Теперь к горизонту приближается более прямой подход, позволяющий осуществлять высокоточную связь «точка-точка» - на огромных расстояниях, в воздухе или в космосе, с небольшой потерей данных.

Это было время, чтобы добраться сюда. Еще в 1964 году НАСА играло с идеей использования лазеров для связи с самолетами. Идея состояла в том, чтобы сначала преобразовать голос пилота в электрические импульсы, а затем в луч света. Приемник на месте тогда полностью изменил бы процесс [источник: Science News Letter]. В октябре 2013 года НАСА осознало и намного превзошло это видение, когда корабль, вращающийся вокруг Луны, посылал данные на земную станцию ​​с помощью импульсного лазерного луча - скорость передачи 239 000 миль (384 600 км) при неслыханной скорости загрузки 622 мегабит в секунду. (Мбит / с) [источник: НАСА]. Для сравнения, скоростные тарифные планы потребителей обычно измеряются в десятках мегабит.

И высокая скорость, высокая плотность - это название игры. На протяжении большей части своей истории НАСА участвовало в дерзких миссиях по исследованию, которые ограничивались скоростью загрузки по телефонной линии. С помощью лазерной связи агентство вступает в эпоху высоких скоростей, открывая двери, среди прочего, для высококачественных видеопередач от будущих роверов.

НАСА не одинока. Криптографы и эксперты по безопасности рассматривают лазеры как систему с мгновенным лучом, почти мгновенную доставку, в то время как новое поколение высокочастотных трейдеров на Уолл-стрит готово заплатить большие деньги за любую возможность подключения, которая может сократить время обмена на миллисекунды. Производители компьютеров, приближающиеся к пределам того, что достижимо при использовании меди и кремния, также исследуют возможные применения лазеров.

Когда скорость - это все, а свет обозначает ограничение скорости вселенной, лазеры обязательно будут ответом - если технология может быть реализована на практике.

Следующая лучшая вещь, чтобы быть там

Цель коммуникационных технологий - передавать информацию быстро, полностью и точно. Если вы когда-нибудь обедали с хамом, то вы знаете, как мало информации может содержать стена шума; если вы когда-либо играли в игровой телефон, вы понимали, как значение может быть искажено при плохой передаче.

Исторически междугородная связь умножала эти трудности. Передача - с помощью барабана, костра, дыма, флага или света - сначала требуется перевод в обязательно простой код. Телеграфные кабели и азбука Морзе сделали сложную передачу возможной, но дорогой, что опять-таки усилило краткость.

Современная электронная связь требует отправляющего устройства, которое может кодировать любые данные в передаваемую форму, и приемника, который может различать между сообщением (сигналом) и окружающей его статической линией (шум). Теория информацииматематическая модель, впервые разработанная инженером США Клодом Шенноном в 1948 году, обеспечила основу, которая в конечном итоге решила эту проблему и сделала возможными технологии, такие как сотовый телефон, Интернет и модем [источник: National Geographic].

В принципе, лазерные системы связи напоминают модемы, которые мы использовали в наших домах с момента появления Интернета. Модем расшифровывается как 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, называемое модуль передачи преобразовывать цифровые сигналы в светодиодные или лазерные лучи, которые затем перемещаются по оптоволоконному кабелю к компоненту назначения, такому как телевизионный или аудиоприемник. Там модуль приема света преобразует свет обратно в цифровой электрический сигнал, подходящий для колонок или наушников.

НАСА доказательство концепции Демонстрация лунной лазерной связи (LLCD), разработанная Лабораторией Линкольна из Массачусетского технологического института, использует аналогичную систему, но обходится без волокна в пользу лазерной передачи через воздух и пространство (иногда называемое оптическая связь в свободном пространстве, или же FSO). LLCD использует три компонента:

  1. Модемный модуль (ММ)
  2. Оптический модуль (ОМ), который отправляет и принимает модулированные лазерные лучи через 4-дюймовый (10-сантиметровый) телескоп
  3. Модуль электроники контроллера (CE), который связывает первые два вместе. CE также связывает LLCD с орбитальным аппаратом NASA Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) и выполняет жизненно важные задачи, такие как последовательность, стабилизация и ретрансляция команд и телеметрии [источники: Britannica; НАСА; НАСА].

С успехом эксперимента будущее лазерной связи стало немного ярче, но есть ли рынок для таких технологий вне космического агентства? Вы держите пари, что есть.

Волоконная оптика Стилл Кинг

Волоконная оптика, впервые примененная британским физиком Гарольдом Хопкинсом в 1952 году, постепенно обогнала электронный кабель, поскольку технология была усовершенствована с помощью более точных перестраиваемых лазеров и высококачественного волокна. Сегодня это передовая технология для коммуникации - по крайней мере, до тех пор, пока коммуникация FSO не станет более эффективной и действенной. Технология, которая передает данные с использованием световых импульсов, отраженных по внутреннему отражающему стеклянному или пластиковому кабелю, может передавать больше информации в секунду на большие расстояния и без ухудшения качества, чем электрические импульсы по медным проводам [источник: National Geographic; Томсен].

Применение лазерной связи: от космического пространства до Уолл-стрит

Лазерная связь может быть благом для освоения космоса, но куда более земные занятия определят ее судьбу как коммерческой технологии.

Возьмем, к примеру, зарождающееся поколение высокоскоростных трейдеров Уолл-стрит, которые используют возможности количественного анализа, скорость широкополосной связи премиум-класса и множество микротранзакций, чтобы накапливать прибыль по одному дробному центу за раз. Для бизнеса, основанного на «робот-трейдерах», компьютерные алгоритмы, совершающие сделки за миллисекунды в соответствии с набором правил, время передачи - это деньги, а лазеры - самая быстрая игра в городе [источники: Adler; CBS News; Страсбург].

Чтобы извлечь максимальную выгоду из каждой сделки, такие компании, как Spread Networks, инвестировали в лучшее доступное волокно и сокращали каждый излом и кривую, какие только могли, из шлангов данных, соединяющих торговые столицы, такие как Чикаго, Нью-Йорк, Лондон и Токио (каждая дополнительная миля добавляет около восьми микросекунды к данным в оба конца). Когда это было недостаточно быстро, другие группы, такие как McKay Brothers и Tradeworx, отбросили волоконную оптику в пользу микроволн, излучаемых по воздуху. Хотя микроволны распространяются лишь на шаг выше радио с точки зрения мощности и скорости, они быстрее проникают через оптоволокно [источники: Адлер; Страсбург].

Лазеры потенциально могут показывать самые высокие скорости из всех; скорость света в воздухе почти такая же, как в вакууме, и может преодолеть 720 миль (1160 километров), разделяющих Нью-Йорк и Чикаго, примерно за 3,9 миллисекунды - в оба конца (латентность) - 7,8 миллисекунд, по сравнению с 13,0-14,5 миллисекунд для новых оптоволоконных систем и 8,5-9,0 миллисекунд для микроволновых передатчиков [источник: Адлер].

В сфере безопасности лазеры и другие системы оптической связи предлагают более безопасную связь - и средства для их прослушивания. Квантовая криптография использует в своих интересах свойство квантовой физики, а именно то, что третья сторона не может обнаружить квантовое состояние ключа фотонного шифрования, не изменяя его и, следовательно, будучи обнаруженным, - чтобы установить высокозащищенную связь с использованием пучков фотонов, созданных ослабленные лазеры [источники: грант; Вакс и др.]. Осенью 2008 года венские исследователи начали экспериментировать с квантовым Интернетом, основанным частично на этом принципе [источник: Castelvecchi]. К сожалению, лазеры также используются для перехвата и подделки таких сигналов не квантовым способом, что позволяет обойти обнаружение. Компании по квантовому шифрованию работают над решением этой проблемы [источники: Dillow; Лидерсен и др.].

Фактически, основные недостатки лазерной связи в атмосфере связаны с помехами от дождя, тумана или загрязняющих веществ, но, учитывая преимущества технологии, эти проблемы вряд ли остановят дальнейшее развитие технологии. Таким образом, в прямом или переносном смысле, небо является пределом для технологий лазерной связи.

1,001 использует для лазерной связи

Высокоскоростная передача данных между сетями - это лишь верхушка айсберга относительно возможностей лазерной связи, многие из которых связаны с отсутствием необходимого физического соединения. Балки могут соединять компьютерные микросхемы внутри компьютеров, по пересеченной местности и дорогам, не требуя проезда или владения, и могут быть установлены как временные сети во время сражений или в условиях бедствий. Они могут обеспечить избыточность сети, подключить существующие оптические сети или приблизить нас к конвергентной инфраструктуре передачи голосовых данных - все с высокой скоростью, низким уровнем ошибок и невосприимчивостью к электромагнитным помехам [источники: Картер и Муччо; Отмечать].

Примечание автора: как работает лазерная связь

Лазерная связь - еще один отличный пример того, как мы живем в будущем, но я всегда буду ассоциировать концепцию с эпизодом из прошлого. Во время холодной войны Леон Термен - изобретатель чересстрочной развертки видеоизображений, а также одноименный электрический инструмент, услышанный в десятках научно-фантастических фильмов, - разработал световое устройство для прослушивания, способное удаленно прослушивать офис (на самом деле это было маломощное устройство). инфракрасный луч, а не лазер). Он работал, обнаруживая вибрации на стеклянной панели, вызванные звуковым давлением, создаваемым голосами в целевой комнате. Советы использовали это устройство, прародитель современных лазерных микрофонов, чтобы подслушивать различные посольства в Москве.





RU.WordsSideKick.com
Все права защищены!
Перепечатка материалов разрешена только с простановкой активной ссылки на сайт RU.WordsSideKick.com

© 2005–2020 RU.WordsSideKick.com