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.

Александр Лобинcкий

В прошлом номере "СР" мы поэкспериментировали с новой методой изложения новостей "с обсуждениями и комментариями" и, похоже, начинание пришлось нашим читателям по душе. На сей раз под прицел опять попадает опубликованный на небезызвестном новостном портале ZDNet материал, посвященный лазерным системам связи. А своими соображениями по данной теме с вами делится специалист белорусской компании Belana.

публикация на ZDNet:

Лазеры решают проблему полосы пропускания

Операторы связи и производители аппаратуры уже несколько месяцев испытывают технологию высокоскоростной передачи данных для предприятий, называемую "лазерами в открытом пространстве", или "оптической беспроводной связью", которая вплоть до недавнего времени оставалась предметом теоретических споров, научных разработок и опытных проектов.
В ближайшее время компании Terabeam и FSONA Communications планируют представить первые коммерческие продукты и услуги на базе этой технологии. "Уже очевидно, что она готова к широкому применению", - говорит независимый аналитик телекоммуникационной индустрии Джефф Каган (Jeff Kagan). - "Пора предложить ее рынку и посмотреть, во что это выльется. Понятно, что без проблем не обойдется. Но если это заработает, можно рассчитывать на огромный успех".

Лазеры невидимого оптического диапазона безвредны для человеческого глаза и позволяют обеспечить высокоскоростной доступ в Интернет и корпоративные сети через луч, проходящий сквозь окно офиса.
Эта технология обеспечивает более высокое быстродействие по сравнению с существующими беспроводными сетями и дешевле, чем волоконно-оптическая связь, для которой нужно прокладывать кабель через улицы. Лазеры способны решить важную проблему, стоящую перед телекоммуникационной индустрией.

Если крупные общенациональные сети уже существуют, то строительство и модернизация внутригородских сетей только начинается. Поэтому предприятиям часто приходится месяцами ждать, пока их обеспечат доступом в Интернет или связью с удаленным офисом. Однако успех лазерной технологии отнюдь не гарантирован. Во-первых, лазерный луч подвержен влиянию густого тумана, который может помешать распространению и уменьшить надежность связи. Кроме того, аналитики утверждают, что лазерная связь столкнется с такими трудностями, как скептическое отношение к ней рынка и ограниченная по сравнению со стационарной радиосвязью и прямыми волоконно-оптическими каналами область применения.

опасный конкурент

И все же руководители компаний, работающих с лазерной технологией, верят в ее готовность конкурировать с альтернативными средствами передачи данных. "Мы чувствуем, что пора выходить на рынок", - говорит СЕО компании Terabeam Дэн Гессе (Dan Hesse), который покинул высокооплачиваемую работу в AT&T Wireless, чтобы возглавить "лазерную" компанию. Terabeam предлагает в Сиэтле каналы передачи данных со скоростью до 1 Гбит/с и в ближайший месяц готовится развернуть широкую маркетинговую кампанию. Terabeam обслуживает двух местных заказчиков - агентство по цифровой рекламе Avenue A и компанию Simpson Investment, к которым в ближайшие дни присоединится третий. До конца года планируется начать реализацию услуг еще в пяти городах США. "Для других технологий требуется длительное оформление разрешения и прокладка кабелей.

Мы же можем прямо через окно пустить оптический сигнал, который обычно передается по толстым кабелям. Мы рассматриваем свою технологию как продолжение волоконно-оптической", - говорит Гессе.
Стратегия компании отличается тем, что она планирует работать и как сервис-провайдер, и как производитель лазерного оборудования. Такой же стратегии придерживалась и AT&T в первые годы своей деятельности, когда работала и как оператор связи, и как производитель телефонного оборудования. Tera-beam подписала соглашение о совместной разработке аппаратуры с Lucent Technologies. Lucent принадлежит 30% акций Terabeam Labs, совместного предприятия по разработке аппаратуры, руководители которого мечтают через несколько лет отделиться и стать самостоятельной компанией. FSONA планирует анонсировать первые лазерные продукты для операторов связи на будущей неделе.
В апреле компания начнет продавать свою лазерную систему SONAbeam 155-2, способную передавать данные со скоростью 155 Мбит/с на расстояние до 2 км по цене $20 тыс. за передающее и приемное оборудование. "Мы выпустим первый массовый продукт оптической бескабельной связи", - говорит главный инженер FSONA Стивен Мешерл (Stephen Mecherle). - "Он должен стать пробным камнем данной технологии".
Недавно FSONA втрое увеличила свои производственные мощности, освоив новый корпус в Ванкувере площадью около 27 тыс. кв. м.
Планируя расширяться и дальше, компания провела предварительные переговоры с потенциальными заокеанскими партнерами. В этом году она намерена выпустить удешевленную версию лазерной системы 155 Мбит/с, действующую на более короткие расстояния, а также систему с пропускной способностью 622 Мбит/с.

Многие аналитики одобряют достоинства этой технологии, но не уверены в ее надежности. По оценке FSONA, вероятность бесперебойной работы составляет 99%, что недостаточно по стандартам телекоммуникационной индустрии. Но компания намерена предложить дополнительные резервные системы, позволяющие довести надежность до 99,9%.
Руководители Terabeam уверены, что их сеть способна обеспечить бесперебойную работу в 99,9% случаев, что в совокупности эквивалентно примерно одному дню простоя в год.
Возможностей лазерной технологии и ее надежности оказалось достаточно, чтобы заинтересовать Lucent. Avenue A тоже пока довольна сервисом Terabeam, особенно тем, как быстро - по сравнению со временем ожидания подключения к службам телефонных компаний и других сетевых сервисов, таких как WorldCom и Sprint, - компания его получила. "Каналов приходится ждать вечно", - говорит директор по информационным технологиям Avenue A Джеми Марра (Jamie Marra). - "Как услышишь о сроке в 90 дней, охота обращаться к этим сервис-провайдерам отпадает". Вместо них Avenue A обратилась к Terabeam. "С момента, как мы спросили: "Что вы можете предложить?" и до окончания установки оборудования прошло всего три недели", - говорит Марра. - "Нас обслужили быстро и по цене, сопоставимой с ценами телефонных компаний".
Terabeam и FSONA не одиноки в своем стремлении на рынок телекоммуникаций. В числе других поставщиков услуг лазерной связи - компания AirFiber, подписавшая соглашения с Nortel Networks, Optical Access (о решениях этой компании подробно рассказывалось в предыдущем номере "СР" - прим. ред.) и LightPointe Communications.

Все эти компании могут стать серьезной угрозой для поставщиков услуг стационарной радиосвязи и гигабитных сетей Ethernet. Благодаря возможности пропускать лазерный луч прямо через окно сервис-провайдеры могут обходиться без приобретения дорогостоящих лицензий на радиочастоты и переговоров с владельцами недвижимости о правах доступа на крышу. "Такая степень свободы конкурента вполне может заставить нервничать Teligent, Winstar и других поставщиков услуг стационарной радиосвязи", - говорит заместитель директора аналитической фирмы The Precursor Group Пэт Броуган (Pat Brogan).
Это мнение разделяют и другие аналитики. Технология лазерных сетей, считают они, может стать популярной при условии, что эти первые примеры ее применения окажутся надежными и понравятся заказчикам. "Если эта технология работает так, как обещают, она, возможно, придется ко двору", - говорит Каган. - "При высоких скоростях передачи данных, коротких сроках установки, отсутствии необходимости возиться с разрешениями это вполне реально".
Кори Грайс, ZDNet

Обсуждение статьи: мнение специалиста компании Веlana

"Идея передачи информации при помощи лазерного луча отнюдь не нова. Я сам в конце 80-х, еще будучи школьником, видел опытную установку в БГУИР (тогда еще МРТИ), в которой луч лазера использовался для передачи голоса. Попытки использовать подобные системы (т.н. "атмосферный лазер") для передачи данных продолжаются столько, сколько существуют сети передачи данных. Результаты многочисленных экспериментов, часть из которых даже заканчивалась выпуском коммерческих продуктов, оказались весьма противоречивыми. Мнения специалистов и пользователей разделились.
Одни утверждают, что "атмосферная" технология весьма перспективна, но требует доработки, другие говорят, что это пустая трата времени и денег. Вот типичный пример скептического отношения: "Ага... Очень круто. Канал упал.
Возможные причины - ветер листву гонит, смог на дворе (КРАЗ под окном проехал), дождик, снег, уборщица окно давно не мыла, пролетающий за окном самоубийца пересек луч:), плакат на улице вывесили, птички летают. Отличная, надежная связь, нечего добавить. Мне, уж пожалуйста, кабель "прокладите".

Кроме того, "лазеры невидимого оптического диапазона безвредны для человеческого глаза" - это чушь. То, что глазные колбочки не реагируют на излучение ниже определенной частоты, еще не значит, что ткани глаза не поглощают излучение.
Наоборот, невидимое излучение тем и опасно, что проходит некоторое время, прежде чем человек чувствует, что что-то не так. Можно спокойно глаза лишиться. Что касается настройки, - на расстоянии 100 метров (10 000 см) для отклонения луча на 10 см достаточно углового возмущения 10/10 000 = 0,001 рад. Не вполне представляю, как такую стабильность обеспечить."
В принципе, представленное мнение не лишено логики, равно как и то оптимистичное, что представлено в обсуждаемой статье.
Давайте, однако, попробуем разобраться. Тот факт, что беспроводные оптические системы до сих пор не получили массового признания (отсутствие необходимости прокладки дорогостоящих ВОЛС делает их весьма привлекательными в экономическом отношении), объясняется рядом причин. Попытаемся их проанализировать.

1. Рассматриваемая технология эффективна только при передаче данных на большие расстояния. При малых расстояниях (десятки метров) используется, и весьма эффективно, ненаправленная инфракрасная технология. Лазерная система ей проигрывает на порядок как по стоимости, так и по гибкости. На больших расстояниях у лазерной технологии возникают сложности со средой передачи данных - атмосферой, которая, к сожалению, далеко не всегда оказывается прозрачной, особенно в городских условиях. Преодоление этой проблемы заключается в увеличении мощности лазера.
Несколько лет назад это решение приводило к созданию устройств, потреблявших уйму энергии, стоивших огромные деньги и выглядевших, как турболазерные пушки из "Звездных войн". Сегодня эта проблема во многом решена, так как изобретены новые виды компактных, мощных и недорогих лазерных излучателей.

2. Пучок может прерываться всякими подвижными объектами, как то: птицы, низко летящие самолеты, листья, капли и проч. На заре сетевых технологий даже кратковременное прерывание пучка вызывало обрыв канала передачи данных, что и поспособствовало присуждению лазерной связи звания "крайне неустойчивой". На заре, но не сегодня.
С тех пор были разработаны целые серии протоколов канального уровня, предназначенные для беспроводных средств связи и способные автоматически восстанавливать канал после кратковременного обрыва. А непрерывность потоков данных обеспечивается протоколами более высокого уровня (например TCP/IP).
Таким образом, миф о неустойчивости лазерной связи сегодня может быть опровергнут.

3. Лазерная система связи сложна в настройке. Действительно, при диаметре пучка в несколько миллиметров (а то и долей миллиметра), колебания светового пятна с амплитудой в несколько сантиметров могут серьезно осложнить всю процедуру наведения на приемник. На сегодняшний день это одна из самых серьезных технических проблем атмосферной лазерной связи. Правда, в последнее время стали появляться сообщения о разработке высокочувствительных оптических сенсоров, работающих в узких спектральных диапазонах, что позволяет создать относительно дешевые панели площадью несколько десятков квадратных сантиметров, нечувствительные к дневной засветке, а потому позволяющие обеспечить устойчивый прием луча.

Сомневаюсь, что технология атмосферной лазерной связи в ближайшее время окажется достаточно дешевой, чтобы ее можно было использовать в домашних условиях (да и не все живут в высотных домах, где можно обеспечить прямую видимость).
Однако эта технология может стать вполне достойным конкурентом стационарной радиосвязи в корпоративных сетях передачи данных. При примерно равной стоимости оборудования лазерная технология не потребует проведения мучительных (и весьма дорогостоящих) процедур выделения радиочастотных каналов, проведения работ по высотному монтажу тяжелого и громоздкого оборудования и, как было сказано ранее, оказывается менее вредной для здоровья окружающих.

Оптические волокна и лазерная связь

Со времен античности свет использовался для передачи сообщений. В Китае, Египте, и в Греции использовали днем дым, а ночь огонь для передачи сигналов. Среди первых исторических свидетельств оптической связи мы можем вспомнить осаду Трои. В своей трагедии «Агамемнон», Эсхил дает детальное описание цепочки сигнальных огней на вершинах гор Ида, Антос. Масисто, Египланто и Аракнея, а также на утесах Лемно и Кифара, для передачи в Арго весть о захвате Трои ахейцами.

В более поздние, но в античные времена, римский император Тиберий, находясь на Капри, использовал световые сигналы для связи с побережьем.

На Капри до сих пор можно видеть руины античного «Фаро» (свет) вблизи виллы императора Тиберия на Тиберио Маунт.

В Северной Америке одна из первых оптических систем связи была установлена около 300 лет назад в колонии Новая Франция (ныне провинция Квебек в Канаде). Региональное правительство, опасаясь возможности нападения английского флота, установило ряд позиций для сигнальных огней во многих деревнях вдоль реки Святого Лаврентия. В этой цепи, которая начиналась с Иль Верте, на расстоянии около 200 км от Квебека ниже по течению, было не менее 13 пунктов. С начала 1700-х гг. в каждой из этих деревень, каждую ночь периода навигации, был караульный, задачей которого было наблюдать за сигналом, посылаемым из деревни ниже по течению, и передавать его далее. С помощью такой системы сообщение о британской атаке в 1759 г. достигло Квебека прежде, чем было слишком поздно.

В 1790 г. французский инженер, Клод Шапп, изобрел семафоры (оптический телеграф), располагаемые на башнях, установленных в пределах видимости одна от другой, что позволяло посылать сообщения от одной башни к другой. В 1880 г. Александр Грэхем Белл (1847-1922) получил патент на «фотофон» устройство, в котором использовался отраженный солнечный свет для передачи звука к приемнику. Отраженный свет модулировался по интенсивности путем колебаний отражающей мембраны, помещенной в конце трубки, в которую Белл говорил. Свет проходил расстояние около 200 м и попадал на селеновую ячейку (фотоприемник), связанную с телефоном. Хотя Белл рассматривал фотофон как наиболее важное свое изобретение, его применение ограничивалось погодными условиями. Однако это обстоятельство не помешало Беллу написать отцу:

«Я услышал разборчивую речь, произведенную солнечным светом!... Можно вообразить, что этому изобретению обеспечено будущее!... Мы сможем разговаривать с помощью света на любом расстоянии в пределах видимости без каких бы то ни было проводов...В условиях войны такую связь нельзя прервать или перехватить».

Изобретение лазера стимулировало возросший интерес к оптической связи. Однако, вскоре было продемонстрировано, что атмосфера Земли нежелательным образом искажает распространение лазерного света. Рассматривались различные системы, такие, как трубки с газовыми линзами и диэлектрические волноводы, но все они были оставлены в конце 1960-х гг., когда были разработаны оптические волокна с малыми потерями.

Понимание, что тонкие стеклянные волокна могут проводить свет за счет полного внутреннего отражения, было старой идеей, известной с XIX в. благодаря английскому физику Джону Тиндалю (1820-1893) и использованной в инструментах и для освещения. Однако в 1960-х гг. даже лучшие стекла обладали большим ослаблением света, пропускаемого через волокно, что сильно ограничивало длину распространения. В то время типичным значением ослабления был один децибел на метр, означающим, что после прохода 1 м пропущенная мощность уменьшается до 80%. Поэтому было возможным лишь распространение по волокну длиной несколько десятков метров, и единственным применением была медицина, например эндоскопы. В 1966 г. Чарльз Као и Джордж Хокхэм из Standard Telecommunications Laboratory (Великобритания) опубликовали фундаментальную работу, в которой показали, что если в плавленом кварце тщательно устранить примеси, а волокно окружить оболочкой с меньшим показателем преломления, то можно добиться уменьшения ослабления до -20 дБ/км. Это означает, что при прохождении длины 1 км мощность пучка ослабляется до одной сотой входной мощности. Хотя это и очень малое значение, оно приемлемо для ряда применений.

Как часто бывает в таких ситуациях, в Великобритании, Японии и США начались интенсивные усилия с целью получить волокна с улучшенными характеристиками. Первый успех был достигнут в 1970 г. Е. П. Капроном, Дональдом Кеком и Робертом Майером их Компании Корнинг Глас. Они изготовили волокна, которые имели потери 20 дБ/км на длине волны 6328 А° (длина волны He-Ne-лазера). В том же году И. Хаяши с сотрудниками сообщили о лазерном диоде, работающем при комнатной температуре.

В 1971 г. И. Джакобс был назначен директором Лаборатории цифровой связи в AT&T Bell Laboratories (Холмдел, Нью-Джерси, США), и ему было поручено разработать системы с высокой скоростью передачи информации. Его начальники У. Даниельсон и Р. Компфнер перевели часть персонала в другую лабораторию, руководимую С. Миллером, чтобы «не спускать глаз» с того, что происходит в области оптических волокон. Тремя годами позднее Даниельсон и Компфнер поручили Джакобсу сформировать исследовательскую группу для изучения практической возможности связи с помощью волокон. Было ясно, что наиболее экономичным, первоначальным применением систем, использующих свет, является связь телефонных станций в крупных городах. Тогда для этого использовались кабели, а информация передавалась в цифровом виде, путем кодирования ее серией импульсов. Волокна, с их способностью передавать огромное количество информации, представлялись идеальной заменой электрических кабелей. Офисы и телефонные станции в больших городах расположены на расстояниях несколько километрах друг от друга, и их уже в то время можно было связать без проблем, даже используя волокна с относительно большими потерями.

Итак, предварительный эксперимент был сделан в середине 1976 г. в Атланте с оптическими волоконными кабелями, помещаемыми в трубы обычных кабелей. Первоначальный успех этих попыток привел к созданию системы, которая связала две телефонные станции в Чикаго. На основе этих первых результатов, осенью 1977 г., в Bell Labs было решено разработать оптическую систему для широкого пользования. В 1983 г. связь была установлена между Вашингтоном и Бостоном, хотя это и было связано с многими трудностями. Эта система связи работала со скоростью передачи 90 Мбит/с. В ней использовалось многомодовое волокно на длине волны 825 нм.

Между тем NTTC (японская телеграфная и телефонная компания) сумела вытягивать волокна с потерями лишь 0,5 дБ/км на длинах волн 1,3 и 1,5 мкм, а Линкольновская лаборатория в MIT продемонстрировала работу InGaAsP лазерного диода, способного непрерывно работать в диапазоне между 1,0 и 1,7 мкм при комнатной температуре. Использование волокон с малыми потерями на 1,3 мкм позволило создать более совершенные системы. Были построены системы с пропусканием 400 Мбит/с в Японии и 560 Мбит/с в Европе. Европейская система могла пропускать одновременно 8000 телефонных каналов. В США было произведено более 3,5 миллионов километров волокна. Единственной частью, которая все еще использует медный провод, является связь между домом и телефонной станцией. Эта «последняя миля», как ее стали называть, также становится объектом волоконной связи.

Первый трансатлантический телеграфный кабель был введен в действие в 1858 г. Почти сто лет спустя, в 1956 г., был проложен первый телефонный кабель, получивший название ТАТ-1. В 1988 г. начало действовать первое поколение трансатлантических кабелей на оптических волокнах (их стали называть ТАТ-8). Они работают на длине волны 1,3 мкм и связывают Европу, Северную Америку и Восточную часть Тихого океана. В 1991 г. началось установление второго поколения волоконно-оптической связи, ТАТ-9, которая работает на 1,3 мкм и связывает США и Канаду с Великобританией, Францией и Испанией. Другая линия работает между США и Канадой и Японией.

В мире имеется ряд других волоконно-оптических линий. Для примера, оптическая подводная линия между Англией и Японией покрывает 27 300 км в Атлантическом океане, Средиземном море, Красном море, Индийском океане, в Тихом океане, и имеет 120 000 промежуточных усилителей на пару волокон. Для сравнения, первый трансатлантический телефонный кабель 1956 г. использовал 36 преобразователей, а первый оптический кабель, проложенный через Атлантический океан, использовал 80 000.

Сегодня, после 30 лет исследований, оптические волокна достигли своих физических пределов. Кварцевые волокна могут пропускать инфракрасные импульсы на длине волны 1,5 мкм с минимальными потерями 5% на километр. Нельзя уменьшить эти потери из-за физических законов распространения света (законы Максвелла) и фундаментальной природы стекла.

Однако имеется одно достижение, которое может радикально улучшить ситуацию. Это возможность непосредственно усиливать оптические сигналы в волокне, т.е. без необходимости сперва извлекать их из волокон. Путем добавления в материал волокна примесей подходящих элементов, например эрбия, и возбуждения их с помощью подходящего света накачки, пропускаемого через само волокно, можно получить инверсную населенность между двумя уровнями эрбия с переходом, который точно соответствует 1,5 мкм. В результате можно получить усиление импульса света на этой длине волны при его распространении через волокно. Кусок такого активного волокна помещается между двумя концами волокон, через которые распространяется сигнал. С помощью оптического ответвителя в этот кусок направляется и излучение накачки. На выходе остаток излучения накачки выходит наружу, а усиленный сигнал продолжает распространение в волокне. С помощью такого подхода можно исключить промежуточные электронные усилители. В старых системах электронных усилителей свет выходил из волокна, регистрировался фотоэлектрическим приемником, сигнал усиливался и преобразовывался в свет, который продолжал распространяться в следующей секции волокна.