Главная › Телефон › Атмосферная лазерная связь. Система космической лазерной связи

Атмосферная лазерная связь. Система космической лазерной связи

Радиоволны - не единственное средство связи с внеземными цивилизациями. Есть и другие способы, например световые сигналы. Поскольку световому сигналу придется преодолеть огромное расстояние, он должен обладать необходимыми свойствами: иметь достаточную для преодоления этого пути энергию. Легко убедиться, что для посылки таких световых сигналов оптические прожекторы непригодны. Они создают расходящиеся лучи света. Поэтому чем дальше от прожектора, тем ширина такого пучка становится больше. На огромных расстояниях она также очень большая. Это значит, что энергия, приходящаяся на единицу площади, очень малая.

Если использовать самый современный оптический прожектор, который создает пучок света (луч) шириной всего полградуса, то уже на расстоянии 50 километров световое пятно, создаваемое прожектором, составит 450 метров. Такой прожектор, установленный на Земле, будет создавать на Луне светлое пятно диаметром 3000 километров! Ясно, что при этом световая энергия рассеивается на большой площади и освещенность поверхности становится намного меньше, чем если бы это пятно составляло всего 10 или 100 метров. Образованное земным прожектором на поверхности Луны пятно обнаружить невозможно. Но Луна находится рядом с нами. Что же останется от плотности энергии на удалениях в сотни световых лет? Практически ничего. Поэтому рассматривать далее такой тривиальный источник световых сигналов нет смысла. Но необходимые оптические сигналы могут быть созданы с помощью лазеров, которые явились воплощением идей Алексея Толстого (гиперболоид инженера Гарина) и Г. Уэллса (тепловой луч марсиан).

Что касается лазерного излучения как средства связи с инопланетянами, то здесь важны два его свойства. Первое - возможность излучать практически не расходящийся пучок света (луч), что, как мы видели, нельзя сделать с помощью обычных прожекторов. Второе - возможность создавать мощные световые сигналы, которые способны достигнуть звезд, находящихся на удалениях в сотни и тысячи световых лет.

Важным свойством лазерного излучения является его монохроматичность (буквально «одноцветность»). Физически это означает, что излучение имеет строго неизменную длину волны, а значит, и цвет. В то же время имеются лазеры, которые излучают одну строго определенную длину волны, величина которой определяется «рабочим веществом» лазера. Такое вещество может быть газообразным, жидким или твердым. Вначале использовали главным образом синтетический рубиновый кристалл. При использовании стекла, активированного неодимом, длина волны излучения равна 1,06 мкм. В качестве рабочего вещества применяют, в частности, углекислый газ CO2 и многие другие вещества. Жидкостные лазеры позволяют излучать на разных длинах волн (в данном диапазоне). Излучение происходит попеременно, в каждый момент времени излучается одна строго определенная длина волны.

Важно и то, что лазерные установки позволяют излучать очень короткие импульсы света. Для передачи информации (последовательностями импульсов) это очень важно. Длина импульса может быть столь мала, что за время в одну секунду можно «уложить» до тысячи миллиардов импульсов. При излучении импульсы следуют друг за другом с определенной задержкой. Современные лазеры позволяют получать импульсы большой мощности. Так, даже столь короткие импульсы, как приведенные выше, могут иметь энергиюбольше 10 джо-улей! Чем больше длина импульса, тем больше содержащаяся в нем энергия. В режиме» свободной генерации», когда лазер сам регулирует длину излучаемых импульсов и она составляет порядка тысячной доли секунды, энергия каждого импульса может достигать нескольких тысяч джоулей. Лазеры позволяют излучать не только короткие импульсы света, но и непре-рывно. Например, газовые лазеры, работающие на углекислом газе, могут работать в режиме непрерывной генерации. В этом случае излучение характеризуется не энергией каждо-го импульса (т. к. отдельных импульсов нет), а энергией в единицу времени или, другими словами, мощностью. Так, мощность лазеров, работающих на углекислом газе, доходит до нескольких десятков киловатт.

Излучение лазера также рассеивается, но несравненно меньше, чем у прожекторов. Это определяется размерами рабочего вещества. Излучение с поверхности рабочего вещества происходит строго с одинаковой фазой (синфазно) по всей его поверхности. Поэтому ширина посылаемого лазером пучка зависит от размера блока «рабочего вещества», то есть чем больше поверхность, тем эже пучок излучаемого света. Зависимость ширины пучка от длины волны прямая: чем меньше длина волны, тем шире посылаемый лазером пучок. Но даже у рядовых лазеров, у которых размеры рабочего вещества составляют порядка 1 сантиметра, угол раствора светового пучка в 200 раз меньше, чем у прожектора. Он составляет 10 угловых секунд. Имеются, конечно, лазеры и со значительно меньшими углами светового излучения.

Чтобы избавиться от расхождения лучей, необходимо использовать оптическую систему типа телескопа, направляющую ход лучей. Если пучок лазерного излучения пропустить через линзу, у которой фокусное расстояние равно ее диаметру, то действительное изображение пучка в фокальной плоскости будет иметь размеры, равные длине волны. Далее, в том месте, где получено это действительное изображение пучка, поместим фокус другой линзы (или зеркала), диаметр которой намного больше, чем первой. Для второй линзы фокусное расстояние может быть больше ее диаметра, но может быть и равно ему (как и у первой линзы). Такая комбинация двух линз приводит к тому, что из второй большой линзы (зеркала) будет выходить пучок, у которого угол расхождения уменьшится (по сравнению с первоначальным, входящим в телескоп) во столько раз, во сколько раз диаметр второй линзы (зеркала) больше длины излучаемой волны. Таким образом, вполне реально сколь угодно уменьшить угол расходимости лазерного пучка.

Для связи с инопланетянами могут использоваться как связные системы, построенные на одном лазере, так и построенные на целой системе (батарее) лазеров. Если использовать непрерывно излучающий лазер мощностью 10 киловатт и дополнительное большое зеркало диаметром 5 метров, то можно сузить угол раствора пучка до 0,02 с дуги.

Можно использовать не одно большое зеркало, а определенное количество зеркал с малым диаметром (скажем, 10 сантиметров). Тогда система должна содержать столько же лазеров, сколько имеется зеркал. Вся она должна быть очень жестко ориентирована. Если взять 25 лазеров, то можно достичь угла раствора пучка, равного одной дуговой секунде.

Преимущество лазерных систем (батарей) для космической связи состоит в том, что при ее работе можно исключить влияние земной атмосферы. Если же работать с одним лазером, то из-за неспокойствия атмосферы угол раствора пучка становится значительно больше, чем при отсутствии такого влияния. Это влияние можно обойти, если лазерную систему поместить так, чтобы лазерный луч не проходил через атмосферу, то есть расположить ее на искусственном спутнике-платформе. Применять батарею лазерных установок в этом случае необходимости нет.

Впервые возможность связи с внеземными цивилизациями с помощью лазерного луча была научно проанализирована в 1961 году лауреатом Нобелевской премии Ч.Х. Таун-сом и Р.И. Шварцем. С тех пор лазерная техника в мире усовершенствовалась и условия для осуществления лазерной связи стали более благоприятными. Главное, что должна обеспечить эта техника, это достаточная мощность излучения и возможность отделить лазерное излучение, посланное нам инопланетянами, от излучения звезд. Как отделить свет лазера от света звезды? Этот вопрос отнюдь не простой, и решать его можно только благодаря особому свойству лазерного излучения - его высокой монохроматичности. Звезда (например, Солнце) излучает свет с различными длинами волн. Лазер же излучает только на строго определенной длине волны, скажем 0,5 мкм. На этой длине волны Солнце излучает наибольшую энергию. Тем не менее излучение лазера в 25 раз больше, чем у Солнца или у другой такой же звезды. Конечно, это относится только к данной конкретной длине волны. На других длинах волн (например, в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра) это отношение было бы еще больше, поскольку на этих длинах волн Солнце излучает меньше, чем около зеленого света (0,5 мкм).

Таким образом, даже современная лазерная техника позволяет создать излучение, интенсивность которого на данной длине волны достаточна для того, чтобы его выделить из всего излучения звезд. Чтобы добиться еще лучшего выделения лазерного излучения, надо «работать» вблизи линий поглощения Солнца (или другой звезды), то есть в том диапазоне, где часть излучения Солнца поглощается и оно меньше мешает выделению лазерного излучения. Если лазер работает на длине волны 0,15 мкм, то его спектральная интенсивность может в десятки тысяч раз превосходить интенсивность солнечного излучения на этой длине волны, поскольку она находится в области поглощения солнечного излучения. Конечно, такая лазерная установка должна быть расположена за пределами земной атмосферы, иначе лазерное излучение будет поглощено атмосферным газом. Таким образом, регистрируя и анализируя свет от удаленных звезд, мы должны иметь в виду, что лазерное излучение, посланное внеземными цивилизациями, может быть обнаружено на фоне этого излучения. Оно проявится как узкая линия. Но для этого необходимо анализировать излучение звезд с помощью высококачественных спектрографов. Можно использовать также очень узкополосные фильтры. Конечно, указанные оптические устройства должны быть очень высококачественными: разрешающая способность спектрографа должна быть 0,03 А, для того чтобы получить 10 %-ную контрастность линии лазера над фоном. Современная оптическая техника позволяет это сделать. Поэтому уже сейчас мы можем на самых сильных телескопах начать вылавливание линий излучения, принадлежащих лазерным устройствам внеземных цивилизаций.

Мы неоднократно обсуждали различные аспекты действия эффекта Доплера на излучение движущегося источника. В данном случае этот эффект также необходимо учитывать, так как за счет движения приемников излучения в направлении самого излучения должно происходить смещение (доплеровский сдвиг) частоты излучения в ту или иную сторону. Чтобы регистрировать это излучение со смещенной частотой, надо располагать спектрографами с соответствующей разрешающей способностью.

Таким образом, даже современный уровень лазерной техники позволяет принимать лазерные сигналы от ближайших звезд и посылать их обратно. Но остается еще один, возможно самый главный, вопрос: куда посылать сигналы и откуда их принимать? В том и другом случае мы должны куда-то направлять наши телескопы, причем с очень большой точностью. То же самое требуется и от наших корреспондентов в космосе. Если они находятся на ближайших звездах (их планетах), то земную орбиту они будут наблюдать под углом в одну угловую секунду. Для того чтобы их лазерный луч попал на Землю, они должны направить его с угловым разрешением 0,02 секунды дуги. Нашим астрономам сейчас такая точность доступна. Поэтому мы полагаем, что она достижима и для внеземных цивилизаций, ищущих связи с нами.

Логично представить себе, что инопланетяне в поисках связи с нами будут «шарить» лазерным лучом в пределах Солнечной системы. Если они сделают ширину лазерного луча (пучка) больше, то при этом он будет все время освещать Землю и может относительно легко регистрироваться. Но чем шире луч, тем больше необходимо излучать энергии, чтобы ее хватило на всю освещаемую им поверхность, для того чтобы она могла быть зарегистрирована. Но можно думать, что эта трудность для инопланетян не будет неразрешимой. По крайней мере, в земных лабораториях увеличение мощности лазерного излучения происходит очень быстро.

Особенно эффективно лазерная связь может использоваться в пределах Солнечной системы. С помощью лазерного луча можно создать пятно на Марсе диаметром 5–7 километров, которое будет светиться примерно в 10 раз ярче, чем Венера при наблюдении с Земли. Лазерный луч может нести на себе любую информацию: его интенсивность можно изменять во времени по любому закону (другими словами, лазерное излучение можно модулировать соответствующим образом). Поверхность Луны была освещена лазерным лучом. На не освещенной Солнцем стороне Луны получается светящееся пятно диаметром 40 метров. Оно освещено в 100 раз меньше, чем в случае прямого падения солнечных лучей.

Е. Н. Чепусов, С. Г. Шаронин

Сегодня невозможно представить себе нашу жизнь без компьютеров и сетей на их основе. Человечество стоит на пороге нового мира, в котором будет создано единое информационное пространство. В этом мире осуществлению коммуникаций больше не будут препятствовать ни физические границы, ни время, ни расстояния.

Сейчас во всем мире существует огромное количество сетей, выполняющих различные функции и решающих множество разнообразных задач. Раньше или позже, но всегда наступает момент, когда пропускная способность сети бывает исчерпана и требуется проложить новые линии связи. Внутри здания это сделать относительно легко, но уже при соединении двух соседних зданий начинаются сложности. Требуются специальные разрешения, согласования, лицензии на проведение работ, а также выполнение целого ряда сложных технических требований и удовлетворение немалых финансовых запросов организаций, распоряжающихся землей или канализацией. Как правило, сразу же выясняется, что самый короткий путь между двумя зданиями - это не прямая. И совсем необязательно, что длина этого пути будет сопоставима с расстоянием между этими зданиями.

Конечно, всем известно беспроводное решение на основе различного радиооборудования (радиомодемов, малоканальных радиорелейных линий, микроволновых цифровых передатчиков). Но количество сложностей не уменьшается. Эфир перенасыщен и получить разрешение на использование радиооборудования весьма непросто, а иногда - даже невозможно. Да и пропускная способность этого оборудования существенно зависит от его стоимости.

Мы предлагаем воспользоваться новым экономичным видом беспроводной связи, который возник совсем недавно, - лазерной связью. Наибольшее развитие эта технология получила в США, где и была разработана. Лазерная связь обеспечивает экономичное решение проблемы надежной и высокоскоростной ближней связи (1,2 км), которая может возникнуть при объединении телекоммуникационных систем разных зданий. Ее использование позволит осуществить интеграцию локальных сетей с глобальными, интеграцию удаленных друг от друга локальных сетей, а также обеспечить нужды цифровой телефонии. Лазерная связь поддерживает все необходимые для этих целей интерфейсы - от RS-232 до АТМ.

Как осуществляется лазерная связь?

Лазерная связь в отличие от GSM связи позволяет осуществлять соединения типа "точка-точка" со скоростью передачи информации до 155 Мбит/с. В компьютерных и телефонных сетях лазерная связь обеспечивает обмен информацией в режиме полного дуплекса. Для приложений, не требующих высокой скорости передачи (например, для передачи видеосигнала и сигналов управления в системах технологического и охранного телевидения), имеется специальное экономичное решение с полудуплексным обменом. Когда требуется объединить не только компьютерные, но и телефонные сети, могут применяться модели лазерных устройств со встроенным мультиплексором для одновременной передачи трафика ЛВС и цифровых групповых потоков телефонии (Е1/ИКМ30).

Лазерные устройства могут осуществлять передачу любого сетевого потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля в прямом и обратном направлениях. Передатчик преобразует электрические сигналы в модулированное излучение лазера в инфракрасном диапазоне с длиной волны 820 нм и мощностью до 40 мВт. В качестве среды распространения лазерная связь использует атмосферу. Затем лазерный луч попадает в приемник, имеющий максимальную чувствительность в диапазоне длины волны излучения. Приемник производит преобразование излучения лазера в сигналы используемого электрического или оптического интерфейса. Так осуществляется связь с помощью лазерных систем.

Семейства, модели и их особенности

В этом разделе мы хотим представить Вам три семейства наиболее популярных в США лазерных систем - LOO, OmniBeam 2000 и OmniBeam 4000 (таблица 1). Семейство LOO является базовым и позволяет осуществлять передачу данных и голосовых сообщений на расстояние до 1000 м. Семейство OmniBeam 2000 имеет аналогичные возможности, но действует на большее расстояние (до 1200 м) и может передавать видеоизображения и комбинацию данных и речи. Семейство OmniBeam 4000 может осуществлять высокоскоростную передачу данных: от 34 до 52 Мбит/с на расстояние до 1200 м и от 100 до 155 Мбит/с - до 1000 м. На рынке представлены и другие семейства лазерных систем, но они либо покрывают меньшее расстояние, либо поддерживают меньшее количество протоколов.

Таблица 1.

Семейство
Ethernet (10 Мбит/с)
Token Ring (416 Мбит/с)
E1 (2 Мбит/с)
Видеоизображение
Комбинация данных и речи
Высокоскоростная передача данных (34-155 Мбит/с)
Возможность модернизации

Каждое из семейств включает в себя набор моделей, поддерживающих различные коммуникационные протоколы (таблица 2). В семейство LOO входят экономичные модели, которые обеспечивают передачу на расстояние до 200 м (буква "S" в конце наименования).

Таблица 2.

Несомненным достоинством лазерных устройств связи является их совместимость с большинством телекоммуникационного оборудования различного назначения (концентраторов, маршрутизаторов, повторителей, мостов, мультиплексоров и АТС).

Установка лазерных систем

Немаловажным этапом создания системы является ее инсталляция. Собственно включение занимает ничтожно малое время по сравнению с монтажом и настройкой лазерного оборудования, которые продолжаются несколько часов при условии их выполнения хорошо обученными и оснащенными специалистами. При этом от качества выполнения этих операций будет зависеть и качество работы самой системы. Поэтому перед представлением типовых вариантов включения мы хотели бы уделить некоторое внимание этим вопросам.

При наружном размещении приемопередатчики могут устанавливаться на поверхности крыш или стен. Лазер монтируется на специальной жесткой опоре, обычно металлической которая крепится к стене здания. Опора также обеспечивает возможность регулировки угла наклона и азимута луча.

В этом случае для удобства монтажа и обслуживания системы ее подключение осуществляется через распределительные коробки (РК). В качестве соединительных кабелей обычно используют оптоволокно для цепей передачи данных и медный кабель для цепей питания и контроля. Если оборудование не имеет оптического интерфейса данных, то возможно использование модели с электрическим интерфейсом или внешнего оптического модема.

Блок питания (БП) приемопередатчика всегда устанавливается внутри помещения и может крепиться на стене или в стойке, которая используется для оборудования ЛВС или кросса структурированных кабельных систем. Рядом может быть установлен и монитор состояний, который служит для дистанционного контроля функционирования приемопередатчиков семейств ОВ2000 и ОВ4000. Его использование позволяет осуществлять диагностику лазерного канала, индикацию величины сигнала, а также закольцовывание сигнала для его проверки.

При внутреннем монтаже лазерных приемопередатчиков необходимо помнить о том, что мощность лазерного излучения падает при прохождении через стекло (не менее 4% на каждом стекле). Другая проблема - капли воды, стекающие по внешней стороне стекла во время дождя. Они играют роль линз и могут привести к рассеиванию луча. Чтобы уменьшить этот эффект, рекомендуется устанавливать оборудование вблизи верхней части стекла.

Для обеспечения качественной связи необходимо учесть некоторые основные требования.

Самым главным из них, без выполнения которого связь будет невозможна, является то, что здания должны находится в пределах прямой видимости, при этом не должно быть непрозрачных препятствий на пути распространения луча. Кроме того, поскольку лазерный луч в области приемника имеет диаметр 2 м, необходимо, чтобы приемопередатчики находились над пешеходами и потоком транспорта на высоте не ниже 5 м. Это связано с обеспечением правил безопасности. Транспорт также является источником газов и пыли, которые влияют на надежность и качество передачи. Луч не должен распространяться в непосредственной близости от линий электропередач или пересекать их. Необходимо учесть возможный рост деревьев, движения их крон при порывах ветра, а также влияние атмосферных осадков и возможные сбои в работе из-за пролетающих птиц.

Правильный выбор приемопередатчика гарантирует устойчивую работу канала во всем диапазоне климатических условий России. Например, при большом диаметре луча уменьшается вероятность сбоев, связанных с атмосферными осадками.

Лазерное оборудование не является источником электромагнитного излучения (ЭМИ). Однако если разместить его вблизи приборов с ЭМИ, то электронное оборудование лазера будет улавливать это излучение, что может вызвать изменение сигнала как в приемнике, так и в передатчике. Это повлияет на качество связи, поэтому не рекомендуется размещать лазерное оборудование вблизи таких источников ЭМИ, как мощные радиостанции, антенны и т.п.

При установке лазера желательно избегать ориентации лазерных приемопередатчиков в направлении восток-запад, так как несколько дней в году солнечные лучи могут на несколько минут перекрыть лазерное излучение, и передача станет невозможной, даже при наличии специальных оптических фильтров в приемнике. Зная, как движется солнце по небосклону в конкретном районе, можно легко решить эту проблему.

Вибрация может вызвать сдвиг лазерного приемопередатчика. Во избежание этого не рекомендуется устанавливать лазерные системы вблизи моторов, компрессоров и т.п.

Рисунок 1. Размещение и подключение лазерных приемопередатчиков.

Несколько типовых способов включения

Лазерная связь поможет решить проблему ближней связи при соединении типа "точка-точка". В качестве примеров рассмотрим несколько типовых вариантов или способов включения. Итак, у вас есть центральный офис (ЦО) и филиал (Ф), в каждом из которых функционирует компьютерная сеть.

На рисунке 2 представлен вариант организации канала связи для случая, в котором требуется объединить Ф и ЦО, использующие в качестве сетевого протокола Ethernet, а в качестве физической среды - коаксиальный кабель (толстый или тонкий). В ЦО находится сервер ЛВС, а в Ф - компьютеры, которые требуется подключить к этому серверу. С помощью лазерных систем, например моделей LOO-28/LOO-28S или ОВ2000Е, вы легко решите эту проблему. Мост устанавливается в ЦО, а повторитель в Ф. Если мост или повторитель имеет оптический интерфейс, то оптический минимодем не потребуется. Лазерные приемопередатчики подключаются посредством сдвоенного оптоволокна. Модель LOO-28S позволит вам осуществлять связь на расстоянии до 213 м, а LOO-28 - до 1000 м при угле "уверенного" приема 3 мрад. Модель ОВ2000Е покрывает расстояние до 1200 м при угле "уверенного" приема 5 мрад. Все эти модели работают в режиме полного дуплекса и обеспечивают скорость передачи 10 Мбит/с.

Рисунок 2. Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе коаксиального кабеля.

Подобный же вариант объединения двух сетей Ethernet, использующих в качестве физической среды витую пару (10BaseT) приведен на рисунке 3. Его отличие заключается в том, что вместо моста и повторителя используются концентраторы (хабы), имеющие необходимое число разъемов 10BaseT и один интерфейс AUI или FOIRL для подключения лазерных приемопередатчиков. В этом случае необходимо установить лазерный приемопередатчик LOO-38 или LOO-38S, который обеспечивает требуемую скорость передачи в режиме полного дуплекса. Модель LOO-38 может поддерживать связь на расстоянии до 1000 м, а модель LOO-38S - до 213 м.

Рисунок 3. Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе витой пары.

На рисунке 4 представлен вариант комбинированной передачи данных между двумя ЛВС (Ethernet) и группового цифрового потока E1 (ИКМ30) между двумя УАТС (в ЦО и Ф). Для решения этой проблемы подходит модель ОВ2846, которая обеспечивает передачу данных и речи со скоростью 12 (10+2) Мбит/с на расстояние до 1200 м. ЛВС подключается к приемопередатчику при помощи сдвоенного оптоволокна через стандартный SMA-разъем, а телефонный трафик передается посредством коаксиального кабеля 75 Ом через BNC-разъем. Необходимо отметить тот факт, что мультиплексирование потоков данных и речи не требует дополнительного оборудования и выполняется приемопередатчиками без снижения пропускной способности каждого из них в отдельности.

Рисунок 4. Объединение вычислительных и телефонных сетей.

Вариант осуществления высокоскоростной передачи данных между двумя ЛВС (LAN "A" в ЦО и LAN "B" в Ф) с использованием коммутаторов АТМ и лазерных приемопередатчиков представлен на рисунке 5. Модель ОВ4000 позволит решить проблему высокоскоростной ближней связи оптимальным образом. Вы получите возможность передавать потоки Е3, ОС1, SONET1 и ATM52 с требуемыми скоростями на расстояние до 1200 м, а потоки 100 Base-VG или VG ANYLAN (802.12), 100 Base-FX или Fast Ethernet (802.3), FDDI, TAXI 100/140, OC3, SONET3 и ATM155 с требуемыми скоростями - на расстояние до 1000 м. Передаваемые данные доставляются на лазерный приемопередатчик при помощи стандартного сдвоенного оптоволокна, подключаемого через SMA-разъем.

Рисунок 5. Объединение высокоскоростных телекоммуникационных сетей.

Приведенные примеры не исчерпывают всех возможных вариантов применения лазерного оборудования.

Что выгодней?

Попробуем определить место лазерной связи среди остальных проводных и беспроводных решений, кратко оценив их достоинства и недостатки (таблица 3).

Таблица 3.

Ориентировочная стоимость	Медный кабель	Оптоволокно	Радиоканал	Лазерный канал
Ориентировочная стоимость	от 3 до 7 тыс. дол. за 1 км	до 10 тыс. дол. за 1 км	от 7 до 100 тыс. дол. за комплект	12-22 тыс. дол. за комплект
Время на подготовку и выполнение монтажа	Подготовка работ и прокладка - до 1 месяца; установка HDSL-модемов - несколько часов

Е. Н. Чепусов, С. Г. Шаронин

Как осуществляется лазерная связь?

Семейства, модели и их особенности

Таблица 1.

Семейство
Ethernet (10 Мбит/с)
Token Ring (416 Мбит/с)
E1 (2 Мбит/с)
Видеоизображение
Комбинация данных и речи
Высокоскоростная передача данных (34-155 Мбит/с)
Возможность модернизации

Таблица 2.

Установка лазерных систем

Для обеспечения качественной связи необходимо учесть некоторые основные требования.

Рисунок 1. Размещение и подключение лазерных приемопередатчиков.

Несколько типовых способов включения

Рисунок 2. Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе коаксиального кабеля.

Рисунок 3. Подключение удаленного сегмента ЛВС Ethernet на основе витой пары.

Рисунок 4. Объединение вычислительных и телефонных сетей.

Рисунок 5. Объединение высокоскоростных телекоммуникационных сетей.

Приведенные примеры не исчерпывают всех возможных вариантов применения лазерного оборудования.

Что выгодней?

Таблица 3.

Ориентировочная стоимость	Медный кабель	Оптоволокно	Радиоканал	Лазерный канал
Ориентировочная стоимость	от 3 до 7 тыс. дол. за 1 км	до 10 тыс. дол. за 1 км	от 7 до 100 тыс. дол. за комплект	12-22 тыс. дол. за комплект
Время на подготовку и выполнение монтажа	Подготовка работ и прокладка - до 1 месяца; установка HDSL-модемов - несколько часов

На этой недели стали известны результаты своего рода лунной лазерной связи. Тест происходил в течение 30-ти дней в условиях сложных из-за лунной пыли. Работал специальный проводник, который находится в данный момент на территории орбиты луны. Данный тест показал, что система связи полностью рабочая не смотря на дальность расстояния. Она также успешно связывает, как и любой радиосигнал из НАСА.

Данная технология демонстрирует практичного использования широкополосных лазеров, для соединения и установки связи. Данная связь, вернее ее загрузка, исполняется значительно быстрее, чем аналогичная радиосвязь. Данный способ позволяет получать сигнал на Земле со скоростью в 622 Мбит и отправлять с 20 Мбит. Такая скорость была зафиксирована 20 октября. Она передавалась с Луны на Землю при помощи импульсного лазерного луча. Этот сигнал приняла станция в Нью-Мексико, который является частью совместной работы США и Испании.

Лазеры имеют большое преимущество перед радиосигналами. Именно они имеют большую пропускную способность. Немаловажным является передача данных специфическим когерентным пучком. Это способствует меньшей затрате энергии при передаче сигнала на большие расстояния.

Исследователи в НАСА утверждают, что тест программы прошел с большим успехом. Такого рода результатов они не ожидали. Лазерное сообщение принималось и предавалось обратно на орбиту даже в самых сложных условиях. Это подтверждает теорию о том, что какие бы помехи не были, сигнал будет поступать на Землю. Ни космическая пыль, не расстояние, не является преградой для лазерного сигнала. Даже в моменты, когда увеличивался слой атмосферы, передача сигнала, осуществляясь без особых проблем, что говорит об эффективности данного устройства. Среди скептиков в НАСА не осталось и следа недоверия, когда даже облака не стали преградой для передачи сигнала.

Удивительно, но в сигнале не было ни одной ошибки. Процедура напоминает общение по мобильному телефону. Тем более что она работает без вмешательства человека. Система даже способна заблокироваться, когда долгое время не поступает никакого сигнала с наземных станций.

С момента возникновения жизни на Земле возможность передачи друг другу сообщения (или, как теперь принято говорить, информации) занимало одно из главных мест в человеческом общении. В Древней Греции, например, информация передавалась с помощью световых волн, для чего на специальных башнях разжигали костры, оповещавшие жителей о каком-либо важном событии. Во Франции был изобретен оптический телеграф. Русский ученый Шеллинг предложил электрический проводной телеграф, впоследствии усовершенствованный американцем Морзе. Электрический кабель соединил Европу с Америкой. Т. Эдиссон удвоил пропускную способность телеграфной линии. А. Попов открыл возможность передачи телеграфных сообщений без проводов - с помощью электромагнитных колебаний. Радиотехника получила бурное развитие. Стали вести передачи на различных длинах волн: длинных, средних, коротких. В эфире стало тесно.

С чем же связана скорость и количество передаваемой информации? Известно, что предельная скорость передачи определяется длительностью одного периода колебаний используемых волн. Чем короче период, тем больше скорость передачи сообщений. Это справедливо и для передачи сообщений с помощью азбуки Морзе, с помощью телефонной связи, радиосвязи, с помощью телевидения. Таким образом, канал связи (передатчик, приемник и связывающая их линия) может передавать сообщения со скоростью не больше, чем частота собственных колебаний всего канала. Но это еще не достаточное условие. Для характеристики канала связи требуется еще один параметр - ширина полосы канала, т. е. диапазон частот, который используется в этом канале связи. Чем больше скорость передачи, тем шире полоса частот, на которых следует передавать. Оба этих параметра вынуждают осваивать все более высокие частоты электромагнитных колебаний. Ведь с увеличением частоты увеличивается не только скорость передачи по одному каналу, но и число каналов связи.

Техника связи стала забираться во все более коротковолновую область, используя сначала дециметровые, потом метровые и, наконец, сантиметровые волны. А дальше произошла остановка из-за того, что не было

подходящего источника несущих электромагнитных колебаний. Ранее существовавшие источники давали широкий спектр с очень малой мощностью, приходящейся на отдельные частоты колебаний. Световые волны не были когерентными, а это исключало использование их для передачи сложных сигналов, требующих модуляции излучения. Положение резко изменилось с появлением лазеров. Когерентность и монохроматичность лазерного излучения позволяют модулировать и детектировать луч таким образом, что используется вся ширина оптического диапазона. Оптический участок спектра гораздо шире и вместительнее, чем радноволновой. Покажем это простым расчетом. Подсчитаем, какое количество информации можно передать одновременно по оптическому каналу связи с длиной волны 0,5 мкм (соответствует Гц). Для примера возьмем такой город, как Москва. Пусть в ней имеется 1500 000 телефонов, 100 передающих широковещательных радиостанций и 5 телевизионных каналов. Для расчетов примем, что полоса частот телефонного канала составляет Гц, радиоканала , телевизионного канала - Гц. Возьмем коэффициент запаса, равный 100. Вычисления произведем по формуле

где с - скорость света, К - длина волны электромагнитного колебания, полоса частот, занимаемая одним телевизионным каналом, полоса частот одной радиовещательной станции, полоса частот одного телефонного канала, количество телевизионных каналов, количество радиоканалов, количество телефонов, к - коэффициент запаса.

Подставляя значения для нашего примера, получим Отсюда можно сделать вывод, что высокочастотная составляющая электромагнитного колебания, равная примерно Гц, позволяет (принципиально) в одном луче лазера одновременно обеспечить передачу информации тысяче таких городов, как Москва. Однако для реализации этой принципиальной возможности необходимо решить ряд проблем. Они связаны с модуляцией, демодуляцией и с прохожением излучения в атмосфере. Чтобы в этом разобраться, рассмотрим оптическую линию связи (рис. 27).

Рис. 27. Оптическая линия связи с использованием лазера

Линия связи состоит из передающего и приемного устройств. В передающее устройство входят лазер, вырабатывающий высокочастотную несущую; модулятор, обеспечивающий наложение передаваемой информации на световую несущую; оптическая система, необходимая для фокусирования излучения в узкий пучок, что обеспечивает большую дальность и высокую помехозащищенность; микрофон с усилителем и устройство нацеливания. Приемное устройство состоит из входной оптической системы, приемника излучения, демодулятора, усилителя, громкоговорителя и устройства прицеливания (привязки) приемника к передатчику. Линия связи работает таким образом. Сигнал в виде звуковой частоты поступает на микрофон. Здесь он преобразуется в электрический и поступает на модулятор, через который проходит излучение лазера. Оно оказывается промодулированным в соответствии с речевым сообщением. Промодулированный пучок поступает на оптическую систему. Этим излучением с помощью визирного (прицельного) устройства осуществляется облучение того места, где расположена приемная система. Приемная оптическая система собирает лазерный лучистый поток и направляет его на приемник и на усилитель. После чего он попадает на демодулятор, задачей которого является выделение из несущей частоты первоначальной звуковой частоты. Она проходит усилитель звуковой частоты и поступает на громкоговоритель.

Таблица 15 (см. скан) Характеристики модуляторов

Поскольку частота модуляции при передаче звукового сигнала не превышает 104 Гц, то для ее реализации подходит большинство модуляторов и демодуляторов, разработанных к настоящему времени. Наиболее широко используется амплитудная модуляция. Для ее реализации подходят оптические элементы, которые меняют свою прозрачность под воздействием прикладываемого к ним напряжения. К такого типа модуляторам относится и ячейка Керра, состоящая из жидкого диэлектрика и металлических пластин. При приложении к пластинам электрического поля жидкий диэлектрик становится двоякопреломляющим. В результате плоскость поляризации проходящей световой волны повернется на угол

где В - постоянная Керра, - длина пути, напряженность поля. При этом плоскополяризованное поле,

проходя через анализатор, изменяет свою интенсивность в соответствии с законом электрического поля. Таким образом, с помощью модулятора в луч лазера вводится звуковая частота. Посмотрим на таблицу, в которой представлены характеристики различных типов модуляторов, и попробуем выбрать тот, который подходит для нашей связной системы.

Пусть у нас в качестве источника излучения используется газовый гелий-неоновый лазер. Для передачи звукового сообщения требуется модуляция в пределах до 20 кГц. Этому лучше всего удовлетворяет кристалл германия (табл. 15). У него хорошая глубина модуляции - 50%. Однако этот модулятор не может быть использован, поскольку его спектральная прозрачность лежит в диапазоне 1,8...25 мкм, т. е. он непрозрачен для излучения в 0,6328 мкм, которое излучает гелий-неоновый лазер. Кристалл АДП или КДП подойдет по спектральному диапазону и у него хороший запас по частоте модуляции. С таким модулятором можно промодулировать оптическое излучение на нескольких участках частот, что дает принципиальную возможность ввести в один луч несколько телефонных каналов. Но вот ввести в луч лазера с помощью такого модулятора несколько телевизионных каналов невозможно, поскольку для передачи телевизионного изображения необходима полоса частот Гц. Можно передать только одну телевизионную программу. Нужны модуляторы с очень большим диапазоном частот модуляции. Смотрим в таблицу. Модулятор на ультразвуковой волне имеет диапазон от 5 до 30 МГц. Его верхний предел самый большой, других модуляторов нет. Сравним этот диапазон в Гц с диапазоном частот газового лазера . Видно, что они отличаются на семь порядков, т. е. в десять миллионов раз. Следовательно, высокочастотная несущая лазера не используется в полную силу своих возможностей. И не используется потому, что нет пока еще модуляторов с диапазоном частот до Гц. Аналогичная картина имеет место и для приемников излучения. Их тоже следует выбирать, исходя из того спектрального диапазона, на котором они работают. И исходя из того диапазона частот, который они способны воспринять. Наиболее предпочтительны ФЭУ, имеющие полосу частот порядка 100 МГц , но не более. Следовательно, и здесь имеется проблема, которая требует своего решения.

Рис. 28. Функциональная схема первой лазерной телевизионной установки

Проще всего было построить телефонную линию связи, ибо для нее имелись все необходимые элементы: источник излучения, модулятор и приемник излучения. Такие линии были созданы с тем, чтобы оценить эффективность их функционирования. Одна из них связывала АТС, находящуюся на площади Шолохова, со зданием МГУ на Ленинских горах. По лазерному лучу, связывающему телефонные станции, можно было одновременно вести несколько десятков телефонных разговоров. Другая линия была создана в Армении. Она связала Ереван и Бюроканскую астрофизическую обсерваторию, находящуюся на расстоянии 50 км на горе Арагац .

Применение лазеров в телевидении

В последнее время разработано несколько систем, в которых телевизионное изображение передается по оптическому каналу. Простейшая телевизионная система была выполнена из готовых узлов и деталей. Функциональная схема этой системы представлена на рис. 28. Она включала в себя лазер промышленного прозводства, два промышленных телевизора, стандартный усилитель и видеоусилитель. Кроме того, использовались приемная и передающая оптические системы, модулятор оптического излучения и оптический фильтр. Телевизионные сигналы, получаемые от первого телевизора, усиливаются и поступают на модулятор (видеосигналы снимаются с одного из каскадов видеоканала телевизионного приемника). Модулятор, стоящий на выходе излучения

лазера, обеспечивает амплитудную модуляцию лучистого потока. Это излучение формируется в узкий луч с помощью оптической системы и направляется в сторону приемного устройства. Оно также имеет приемную оптическую систему зеркального типа (с двумя зеркалами), узкополосный оптический фильтр и диафрагму. Затем излучение поступает на ФЭУ. Такое сочетание последних трех элементов обеспечивает хорошую селекцию приемного сигнала, что позволяет использовать систему в условиях Солнечного освещения. Сигнал на ФЭУ превращается из оптического в электрический, проходит видеоусилитель и подается на кинескоп второго телевизора. Несмотря на наличие шумов, вносимых лазером и интенсивным дневным фоном при работе телевизионной установки в условиях солнечного освещения, изображение на экране второго телевизора было вполне удовлетворительным. Более того, четкость изображения была высокой, что позволяло сделать вывод о хорошей передаточной характеристике модулятора и связанных с ним электронных устройств. В системе не обнаруживался «снегопад», а это говорит о достаточном отношении сигнал/шум.

Мы отмечали ранее, что модулятор является главным элементом системы телевизионной связи. Здесь использовалась ячейка Покельса, в которой напряжение модуляции подается на кристалл в направлении светового потока. Данный модулятор обеспечивает хорошую глубину модуляции и имеет достаточную полосу, но ему присущи два существенных недостатка: первый заключается в том, что для управления модуляцией требуется напряжение, доходящее до нескольких киловольт, и второй обусловлен тем, что ячейку необходимо охлаждать.

Уже в последующих модификациях аппаратуры были применены решения, позволяющие устранить эти недостатки. Ячейка Покельса была заменена на кристалл КДП, который обладает хорошей оптической прозрачностью в данном интервале длин волн, а для снижения модулирующего напряжения применялось дополнительное сужение луча с помощью коллимирующей системы. Это позволило сузить луч до 1 мм. Для обеспечения механической прочности кристалл был помещен в металлический корпус. Эти усовершенствования позволили снизить потребляемый уровень мощности на два порядка. Модулятор работал при напряжении 18 В и потреблял ток 50 мА .

Рис. 29. Схема лазерной передающей камеры

Через некоторое время появились образцы телевизионных систем, в которых по лазерному лучу передавалось пять различных телевизионных изображений. В этих системах в качестве источника излучения использовался газовый лазер, работающий на волне 0,6328 мкм при излучаемой мощности всего в 8 мВт. В приемном устройстве применялся кремниевый фотодиод. Передача изображения велась на каналах 66...7Б, 76...82, 182... 186, 198..204, 210...216 МГц .

Функциональная схема третьего варианта лазерной передающей ТВ-камеры представлена на рис. 29. Эта система обеспечивала передачу по лучу лазера телевизионной программы, а также музыкальной программы и цифровой информации. Основными элементами устройства являлись: газовый аргоновый лазер с системой развертки луча в пространстве, приемник, состоящий из узкополосного фильтра, с полосой пропускания в 90 ангстрем, фотоумножителя и предварительного усилителя. Третьим составным блоком была система строчной и кадровой синхронизации. Своеобразие состоит в том, что используется быстросканирующий лазерный луч, а вместо телевизионной камеры - фотоумножитель. Телевизионное изображение получается при облучении объекта непрерывным излучением лазера, которое разворачивается в пространстве по двум перпендикулярным осям с помощью вращающихся призм. Горизонтальная развертка обеспечивается 16-гранной призмой, вращающейся со

скоростью 60 000 об/мин. При этом скорость движения луча по вертикали обеспечивается 26-гранной призмой, вращающейся со скоростью 150 об/мин. Эти две развертки дают 60 кадров в секунду. Излучение лазера, отраженное предметом, изображение которого должно быть получено, попадает на приемное устройство, с выхода которого усиленный сигнал подводится к контрольному телевизору и на его экране воссоздается изображение предмета. Для синхронизации развертки контрольного телевизора с разверткой луча лазера в пространстве предусмотрены два элемента. Один из них осуществляет строчную, а другой - кадровую синхронизацию. Фотоэлементы цепей строчной и кадровой синхронизации установлены соответственно на пути развертки лазерного луча по горизонтали и вертикали. Выходные сигналы фотоэлементов, усиленные до требуемой величины, обеспечивают необходимую синхронизацию. Положительным качеством такой лазерной телевизионной камеры является высокое качество изображения. Кроме того, она может работать в темноте и способна передавать изображение через туман гораздо лучше какого-либо другого устройства аналогичного назначения. К недостаткам системы относятся значительные потери энергии при развертке луча в пространстве и наличие быстровращающихся элементов.