30 января на орбиту был запущен спутник Eutelsat 9B. Он стал первым спутником, оснащённым системой EDRS (Европейская система передачи данных). Желая узнать подробности о новой технологии, корреспондент Mediasat отправился в офис разработчика модуля EDRS – компании Tesat, которая расположена в небольшом немецком городке Бакнанг. Руководитель отдела лазерных технологий Матиас Моцигемба провёл для нас экскурсию по предприятию и рассказал о технологии лазерной связи, которая пока ещё мало известна в мире.

При поддержке Космического агентства Германии компания Tesat разработала Терминал лазерной связи (LCT), который обеспечивает поддержку передачи данных на высокой скорости между низкоорбитальными (LEO) и геостационарными (GEO) спутниками. Терминал делает возможной передачу данных на скорости 1,8 гбит/сек на расстояние до 45 000 километров. Эти LCT-терминалы и должны стать основой магистральных каналов передачи данных в системе EDRS, которая должна обеспечить передачу данных между LEO и GEO спутниками.

Матиас Моцигемба: «Теперь у нас есть возможность предоставления услуг высокого качества в режиме, приближённом к режиму реального времени. Это имеет огромное значение! LEO-спутник делает снимок и отправляет его на GEO-спутник, который, в свою очередь, отправляет его на землю в радиочастотном диапазоне. Лазерный луч отличное решение в вакууме, однако, в условиях атмосферы это не самый лучший выбор, поскольку облака могут создавать помехи. Для защиты телевизионного сигнала вы можете использовать высокие скорости передачи данных и защищённую от помех оптическую технологию в фидерной линии. Появление технологии лазерных коммуникаций можно сравнить с началом использования оптического волокна вместо медного».

Телепорт системы наблюдения за Землёй может быть иностранным сервисом, использующим наземные незащищённые линии.
Служба оптической передачи данных (с LEO на GEO и с GEO на наземную станцию передачи).
Наземная станция может располагаться в своей стране в зоне прямой видимости GEO-спутника.
S/C – суверенитет ваших информационных активов.

Необходимость разработки этой технологии была продиктована растущим спросом на ёмкости передачи данных для гражданских и военных спутников наблюдения, HALE миссий. Идея создания системы EDRS была выдвинута Еврокомиссией, которая уже занимается группировкой спутников Sentinel, программой Copernicus. Следующим шагом должно стать создание межспутниковых каналов связи. Компания Eutelsat предложила ёмкости для модуля связи на спутнике Eutelsat 9B. После семи лет разработки первого и второго поколения LCT в июле 2013 года была запущена система LCT на Alphasat. Система LCT на спутнике Sentinel-1A была успешно интегрирована в декабре 2013. В декабре 2014 года был запущен и введён в эксплуатацию спутник Sentinel 1A. В ноябре 2014 Европейское космическое агентство и Tesat провели совместную презентацию в прямом эфире, во время которой в режиме, приближённом к режиму реального времени было отправлено изображение с радара на спутнике Sentinel-1A через Alphasat на расстояние 41 700 километров на наземную станцию.

«Технически нет никакой разницы между оборудованием для лазерной связи, установленным на Alphаsat, и аналогичным оборудованием на Eutelsat 9B. Alphasat продемонстрировал технические возможности проекта, в то время как система EDRS на спутнике Eutelsat 9 B – это коммерческий сервис, предложенный Airbus Defense and Space. Обычно у спутника наблюдения за Землёй есть 10 минут для контакта с наземной станцией и 90 минут на оборот вокруг Земли. Это значит, что вы можете использовать космический актив лишь на 10%, и в случае чрезвычайной ситуации или стихийного бедствия слишком много времени уходит на ожидание контакта с наземной станцией наблюдения. Теперь же, во время наблюдений за морскими судами, к примеру, вы сможете обнаружить неполадку в течение 15 минут» , — говорит Матиас Моцигемба.

Ключевым элементом линейки продуктов является LCT-135 (телескоп с лучом диметром 135 мм) для межспутникового канала GEO/LEO. Как и в случае с предыдущей моделью, LCT-125, устройство объединяет в одном блоке все оптические, механические и электрические подмодули терминала, такие как система распределения электроэнергии, бортовой процессор, модули слежения и сбора данных, а также система обработки данных. Данные с AOCS-датчиков спутника с лёгкостью передаются на LCT через стандартный интерфейс – LIAU (Блок адаптации лазерного интерфейса).

Параметры LCT:

• Радиус действия – 45 000 км.
• Вес: 53 кг.
• Скорость передачи данных (полный дуплекс):
  для EDRS – 1,8 гбит/сек, для других миссий – 5,65 гбит/сек.
• Мощность передачи: 2,2 Вт
• Максимальная потребляемая мощность: 160Вт
• Габариты: 0.6 x 0.6 x 0.7 м.

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.

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.

В данной главе рассматривается технология лазерной сети связи, а так же её преимущества, такие как экономичность; низкие эксплуатационные расходы; высокая пропускная способность и качество цифровой связи, а так же быстрое развертывание и изменение конфигурации сети.

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.

Оптический диапазон имеет много характерных особенностей и за счет малой длины волны позволяет достичь высокой направленности излучения, существенно уменьшить размеры антенных систем, сформировать чрезвычайно узкие лазерные пучки и получить высокую концентрацию электромагнитного излучения в пространстве.

При передаче информации модулированными электромагнитными колебаниями необходимо, чтобы частота модуляции была в 10…100 раз меньше несущей частоты. Кроме того, частоты модуляции занимают некоторую полосу частот, и ширина ее определяется объемом передаваемой в единицу времени информации. Например, для передачи телеграфного текста требуется полоса частот 10 Гц, а для телевизионного изображения – полоса частот 107 Гц и несущая частота не менее 108 Гц. Радиодиапазон занимает полосу частот 104…108 Гц и полностью освоен. Информационная емкость канала связи в СВЧ-диапазоне (109..1012 Гц) выше, но в силу особенностей распространения СВЧ-излучения в атмосфере связь между станциями СВЧ-диапазона возможна только на расстоянии прямой видимости. В оптическом диапазоне только видимая область занимает полосу частот от 41014 до 1015 Гц. С помощью лазерного луча теоретически можно обеспечить передачу 1015/107 = 108 телевизионных каналов, что на несколько порядков превышает современные потребности, или 1013 телефонных разговоров. Таким образом, одним из преимуществ оптических линий связи является возможность передачи больших объемов информации, обусловленная сверхширокой полосой частот. Освоение оптического диапазона: создание лазерных источников света, чувствительных полупроводниковых приемников оптического излучения и разработка волоконных светодиодов с малыми потерями, – открывает новые возможности для создания систем связи.

Оптический диапазон открывает возможности создания информационных и управляющих систем с характеристиками, которые принципиально не достижимы в радиодиапазоне. К настоящему времени разработаны разнообразные наземные, авиационные и космические системы оптической связи, лазерной локации, лазерные системы аэрокосмического мониторинга природной среды, системы воздушной разведки, системы предупреждения столкновений подвижных объектов, лазерные системы стыковки космических аппаратов, системы лазерного наведения и лазерного управления оружием.

Потенциальные возможности лазерных информационных систем, как и в целом оптических методов передачи и обработки информации, весьма велики. Во многих задачах предельно достижимые характеристики ограничиваются лишь квантовыми эффектами. Однако в действительности потенциальные возможности оптического диапазона далеко не всегда удается эффективно реализовать на практике. Существует множество тому причин.

Огромное влияние на рабочие характеристики реальных лазерных систем оказывают неизбежные флюктуации в источниках лазерного излучения, случайные изменения параметров информационных процессов, воздействия различных помех, вероятностный характер операции фото детектирования. Многие информационные системы оптического диапазона строятся с использованием открытого (чаще всего атмосферного) канала. Для лазерного излучения атмосферный канал представляет собой канал со случайно-неоднородной средой распространения. Эффекты поглощения оптического излучения атмосферными газами, молекулярное и аэрозольное рассеяние, искажения пространственно-временной структуры и нарушение когерентности лазерного излучения – все это оказывает заметное влияние на энергетический потенциал, принципы обработки информационных сигналов и дальность действия создаваемых систем. Все перечисленные особенности показывают, что анализ лазерных информационных систем, оценка их потенциальных и реально достижимых характеристик не может проводиться без вероятностного исследования структуры информационных сигналов и помех.

На сегодняшний момент накоплены многочисленные результаты по вероятностному анализу различных лазерных систем. Однако большинство таких результатов представляются весьма разрозненными, они не базируются на едином подходе и их достаточно сложно использовать в практических задачах. Необходимость дополнительных детальных исследований вероятностной структуры сигналов, помех и в целом информационных процессов в радиооптике связана с необходимостью совершенствования математических моделей, решением задач оптимизации структуры сигналов и систем, разработкой новых перспективных алгоритмов передачи, приема, преобразования и обработки информации в оптических информационных системах.

Лазерная связь является альтернативой радио, кабельной и волоконно-оптической связи. Лазерные системы позволяют создать канал связи между двумя зданиями, находящимися на расстоянии до 1,2 км друг от друга, и передавать по нему телефонный трафик (скорость от 2 до 34 Мбит/с), данные (скорость до 155 Мбит/с) или их комбинацию. В отличие от беспроводных радиосистем лазерные системы связи обеспечивают высокие помехозащищенность и секретность передачи, так как получить несанкционированный доступ к информации можно только непосредственно от приемопередатчика.

Компания, которая воспользуется лазерной связью для создания основного (резервного) канала ближней связи, избавится не только от необходимости прокладывать новые проводные коммуникации, но также и от необходимости получать разрешение на право пользования радиочастотой. Кроме того, невысокий уровень затрат на организацию высокопроизводительного канала связи, а также небольшое время его ввода в эксплуатацию обеспечат быструю окупаемость вложенных средств. Таким образом, широкий спектр возможностей и несомненные преимущества лазерного оборудования делают его использование лучшим решением проблемы организации надежного канала связи между двумя зданиями.

Лазерные системы передачи данных предназначены для организации односторонней и дуплексной связи между объектами, находящимися в пределах прямой видимости.
Free Space Optics - Технология FSO, в которую входит - атмосферная оптическая связь, (АОЛС) и беспроводный оптический канал связи (БОКС) – это способ беспроводной передачи информации в коротковолновой части электромагнитного спектра. В ее основе лежит принцип передачи цифрового сигнала через атмосферу (или космическое пространство) путем модуляции излучения (инфракрасном или видимом) и его последующим детектированием оптическим фотоприемным устройством.
Современное состояние беспроводной оптической связи позволяет создавать надежные каналы связи на расстояниях от 100 до 1500-2000 м в условиях атмосферы и до 100 000 км в открытом космосе, например для связи между спутниками. Являясь альтернативным решением по отношению к оптоволокну, атмосферные оптические линии передачи данных (АОЛП) позволяют сверхоперативно сформировать беспроводный оптический канал связи.

1. Атмосферная оптическая линия связи

Бурное развитие телекоммуникационного рынка требует высокоскоростных линий передачи данных. Однако прокладка оптического волокна подразумевает солидные инвестиции, да и в принципе не всегда возможна.
Естественной альтернативой в этом случае являются беспроводные линии связи СВЧ-диапазона, но проблема оперативного получения частотных разрешений резко ограничивает перспективы их применения, особенно в крупных городах.
Другим способом беспроводной связи являются оптические линии связи (лазерная или оптическая связь), использующие топологию «точка–точка» (point-to-point) или в режиме многоточечного доступа (point-to-multipoint). Оптическая связь осуществляется путем передачи информации с помощью электромагнитных волн оптического диапазона. В качестве примера оптической связи можно привести применявшуюся в прошлом передачу сообщений с помощью костров или семафорной азбуки. В 60-е годы XX века были созданы лазеры и появилась возможность построения широкополосных систем оптической связи. Первая атмосферная линии связи (АЛС) в Москве появилась в конце 60-х годов: была пущена телефонная линия между зданием МГУ на Ленинских горах и Зубовской площадью протяженностью более 5 км. Качество передаваемого сигнала полностью соответствовало нормам. В те же годы опыты с АЛС проводились в Ленинграде, Горьком, Тбилиси и Ереване. В целом, испытания были успешными, но на тот момент специалисты посчитали, что плохие погодные условия делают лазерную связь ненадёжной, и она была признана неперспективной.
Использование сигналов с непрерывной (аналоговой) модуляцией, применявшейся в те годы, приводило к ненормированному затуханию оптического сигнала из-за влияния атмосферы.
Современное широкое распространение АЛС во многих странах мира началось в 1998 году, когда были созданы недорогие полупроводниковые лазеры мощностью в 100 мВт и более, а применение цифровой обработки сигнала позволило избежать ненормированного затухания сигнала и выполнять повторную передачу пакета информации при обнаружении ошибки.
В это же время возникла потребность в лазерной связи, так как стали стремительно развиваться информационные технологии. Резко увеличивается число абонентов, требующих предоставления таких телекоммуникационных услуг, как Интернет, IP-телефония, кабельное телевидение с большим числом каналов, компьютерные сети и т. д. В результате возникла проблема "последней мили" (подключение широкополосного канала связи к конечному пользователю). Прокладка новых кабельных сетей требует крупных капиталовложений, а в ряде случаев, особенно в условиях плотной городской застройки, очень трудна или даже невозможна.
Оптимальным решением проблемы последнего участка является использование беспроводных линий передачи.
Преимущества беспроводных линий связи очевидны: это экономичность (не требуется рыть траншеи для укладки кабеля и арендовать землю); низкие эксплуатационные расходы; высокая пропускная способность и качество цифровой связи; быстрое развертывание и изменение конфигурации сети; легкое преодоление препятствий - железных дорог, рек, гор и т.д.
Беспроводная связь в радиодиапазоне ограничена перегруженностью и дефицитом частотного диапазона, недостаточной скрытностью, подверженностью помехам, в том числе и преднамеренным, и с соседних каналов, повышенным энергопотреблением. Кроме того, для радиосвязи необходимо длительное согласование и регистрация с назначением частот органами Госсвязьнадзора РФ, арендная плата за канал, обязательная сертификация радиооборудования Государственной комиссией по радиочастотам. Применение лазерных средств снимает этот сложный вопрос. Это обусловлено тем, что, во-первых, частота излучения лазерных систем связи выходит за пределы диапазона, в котором необходимо согласование (в России), во-вторых, отсутствием практических возможностей их обнаружения и идентификации как средств информационного обмена.
Основные свойства лазерных систем:
практически абсолютная защищенность канала от несанкционированного доступа и, как следствие, высокий уровень помехоустойчивости и помехозащищенности за счет возможности концентрации всей энергии сигнала в углах от долей угловых минут (в лазерных космических системах связи) до десятков градусов (полнодоступные системы связи в помещениях);
высокие информационные емкости каналов (до десятков Гбит/с)
отсутствуют задержки при передаче информации (ping<1ms) как у радиолиний
отсутствие ярко выраженных демаскирующих признаков (в основном, побочных электромагнитных излучений) и возможность дополнительной маскировки, позволяющей скрыть не только передаваемую информацию, но и сам факт информационного обмена.
Кроме того, многие специалисты отмечают биологическую безопасность этих систем, так как средняя плотность мощности излучения в лазерных системах различного назначения примерно в 3 - 6 раз меньше облученности, создаваемой Солнцем, а также простоту принципов их построения и функционирования, относительно малую стоимость по сравнению с традиционными средствами передачи информации аналогичного назначения.
Конструкция:
Лазерная линия связи состоит из двух идентичных станций, устанавливаемых напротив друг друга в пределах прямой видимости (рис. 1).

Рис. 1. Конструкция АЛС

Построение всех станций АЛС практически одинаково: интерфейсный модуль, модулятор, лазер, оптическая система передатчика, оптическая система приемника, демодулятор и интерфейсный модуль приемника. Передатчик представляет собой излучатель на основе импульсного полупроводникового лазерного диода (иногда обычного светодиода). Приемник в большинстве случаев имеет в своей основе скоростной pin фотодиод или лавинный фотодиод.
Передаваемый поток данных от аппаратуры пользователя поступает на интерфейсный модуль и затем на модулятор излучателя. Затем сигнал преобразуется высокоэффективным инжекционным лазером в оптическое излучение ИК-диапазона, оптикой коллимируется в узкий пучок и передается через атмосферу к приемнику. На противоположном пункте принимаемое оптическое излучение фокусируется приемным объективом на площадку высокочувствительного быстродействующего фотоприемника (лавинные или pin-фотодиоды), где детектируется. После дальнейшего усиления и обработки сигнал поступает на интерфейс приемника, а оттуда на аппаратуру пользователя. Аналогичным образом в дуплексном режиме одновременно и независимо идет встречный поток данных.
Так как лазерный луч передается между пунктами связи в атмосфере, то его распространение сильно зависит от метеоусловий, от наличия дыма, пыли и других загрязнений воздуха. Однако, несмотря на указанные проблемы, атмосферная лазерная связь оказалась вполне надежной на расстояниях нескольких километров и особенно перспективной для решения проблемы "последней мили".
Рассмотрим влияние атмосферы на качество беспроводной инфракрасной связи. Распространение лазерного излучения в атмосфере сопровождается целым рядом явлений линейного и нелинейного взаимодействия света со средой. По чисто качественным признакам указанные явления можно разделить на три основные группы:
1. поглощение (непосредственное взаимодействием луча фотонов с молекулами атмосферы);
2. рассеяние на аэрозолях (пыль, дождь, снег, туман);
3. флуктуации излучения на турбулентностях атмосферы.

Связь по лазерному лучу через атмосферу в настоящее время стала реальной. Она обеспечивает передачу большого количества информации с высокой надежностью на расстояниях до 5 км и решает многие труднопоставимые задачи. Поэтому в последнее время возрастает интерес к этому виду связи.

¹Флуктуации (от лат. fluctuatio - колебание), случайные отклонения физических величин от их средних значений.
²Интернет-источник: http://laseritc.ru/?id=93

2. Беспроводной оптический канал связи

Беспроводной оптический канал связи (БОКС) – устройство, осуществляющее передачу данных через атмосферу. Оно предназначено для создания канала передачи данных стандарта Ethernet. БОКС состоит из двух одинаковых приемопередатчиков (оптических труб), устанавливаемых на обеих сторонах канала связи. Каждый блок состоит из приемопередающего модуля, козырька, интерфейсного кабеля (длиной 5 м), системы наведения, кронштейна, блока питания и блока доступа.
Приемопередающий модуль включает передатчик остронаправленного оптического излучения ИК-диапазона (состоящий из инфракрасного полупроводникового светодиода) и приемник - высокочувствительный светодиод. Светодиоды работают на длине волны 0,87 мкм. Несколько примеров отечественных производителей систем БОКС и их характеристики описаны в таблице 1.
Таблица 1. Устройства для создания оптических каналов связи

На рисунке 2 наглядно показан БОКС-10М.

Рис. 2. БОКС-10М

Принцип работы:
Рассмотрим процесс передачи данных с использованием оптического канала (рис. 3). Электрический сигнал с порта Ethernet поступает по интерфейсному кабелю на передатчик, где светодиод преобразует его в ИК-излучение, которое проходит через светоделительное устройство и фокусируется объективом в узконаправленный луч. Пройдя через атмосферу, часть излучения попадает на объектив другого приемопередатчика, фокусируется и светоделительным устройством подается на приемник. Приемник преобразует ИК-излучение в электрический сигнал, который по интерфейсному кабелю поступает на порт Ethernet. Источник питания обеспечивает работу передатчика, приемника, блока индикации и системы предотвращения запотевания/обледенения объектива.

Рис. 3. Общий принцип работы устройства семейства БОКС.

Надежность передачи достигается в первую очередь за счет правильного наведения и энергетического запаса. При правильном наведении энергетический запас системы должен быть четырехкратным для моделей БОКС-10МЛ и БОКС-10М (иными словами, закрывая 4/5 линзы объектива, мы имеем надежный 100%-ный канал при хорошей погоде). Модель БОКС-10МПД имеет 16-кратный энергетический запас. В этом случае доступность канала в течение года будет составлять 99,7-99,9%. Чем выше энергетический запас системы, тем выше надежность канала, которая в идеальном случае достигает 99,99%.
Кроме того, надежная работа системы обусловлена методом доступа к среде передачи CSMA/CD, используемым в сетях Ethernet. Любая коллизия - ухудшение погодных условий или появление кратковременной преграды приводит к повторной передаче пакета на физическом уровне, но даже если случится так, что коллизия не будет услышана (это возможно, например, в моделях БОКС-10МЛ и БОКС-10М из-за того, что время переключения с приема на передачу, конечно, и равно 4 мкс) и пакет будет потерян, то протоколы более высокого уровня, работающие с гарантией доставки, отследят это происшествие, и запрос будет повторен.
Соединение через атмосферу никогда не дает 100%-ной гарантии наличия связи, поэтому возможно, что, например, в плохих погодных условиях (сильный снегопад, очень плотный туман, мощный ливень и т.д.) канал не будет работать. Но в этом случае прекращение связи будет временным, и после улучшения условий связь сама восстановится. Чтобы уменьшить вероятность потери связи по метеоусловиям, необходимо ставить модели с большей рабочей дистанцией, что повышает энергетику светового потока и, как следствие, надежность системы в целом.
Еще одно условие надежной и стабильной работы системы - совпадение центра геометрического пятна освещенности передатчика с центром объектива приемника. Ветровые нагрузки, а также механические и сезонные колебания опоры могут вывести систему из зоны пятна освещенности, в результате чего связь исчезнет. Вся конструкция систем и размер пятна освещенности от передатчика согласованы таким образом, чтобы вероятность потери связи из-за вышеперечисленных причин была сведена к минимуму. При наведении решается следующая геометрическая задача: из точки, полученной при грубом наведении, требуется переместить систему в геометрический центр пятна освещенности от светового потока излучателя, окончательно зафиксировав систему наведения в этом положении. С помощью стандартной системы наведения эта задача решается за 35 итераций.
Монтаж:
Приемопередатчики можно устанавливать на поверхности крыш или стен. БОКС монтируется на металлической опоре, которая позволяет регулировать угол наклона по горизонтали и вертикали (рис. 4). Приемопередатчик подключается через специальный блок доступа, в качестве соединительных кабелей обычно используют витую пару категории 5 (UTP). Со стороны оптического канала блок доступа соединяется с приемопередатчиком интерфейсным кабелем, в качестве которого используется обычная витая пара, снабженная специальными разъемами. С другой стороны блок доступа соединяется с компьютером или сетевым устройством (маршрутизатором или коммутатором).
Блок доступа и блок питания приемопередатчика всегда устанавливают внутри помещения рядом друг с другом. Их можно крепить на стене или размещать в таких же стойках, какие используются для оборудования ЛВС.
Для надежной работы необходимо учесть следующие рекомендации:
здания должны находиться в пределах прямой видимости (на всем пути луч не должен встречать непрозрачных препятствий);
лучше, если устройство будет находиться как можно выше над землей и в труднодоступном месте;
при установке системы следует избегать ориентации приемопередатчиков в направлении восток - запад (такое специфическое требование объясняется достаточно просто: солнечные лучи на восходе или закате могут на несколько минут перекрыть излучение, и передача прекратится);
вблизи от места крепления не должно быть моторов, компрессоров и т.д., поскольку вибрация может привести к сдвигу трубы и разрыву соединения.

Рис. 4. Схема системы наведения

Типы соединений:
На рисунке 5 показаны возможные типы соединений БОКС.

Рис. 5. Типы соединений БОКС

В разных источниках встречается большое количество названий оборудования беспроводной передачи данных в инфракрасном диапазоне длин волн. За рубежом данный класс систем принято называть FSO – Free Space Optics, на постсоветском пространстве существует целый ряд обозначений систем беспроводной оптической связи. За основу следует принять аббревиатуру БОКС – беспроводной оптический канал связи, как отраженную в сертификате системы «Связь» (ССС).