Sådan fungerer laserkommunikation

Da lasere først blev opfundet, de blev kaldt en løsning på udkig efter et problem. Alle syntes, de var lige så seje som Bose-Einstein-kondensat, men ingen vidste helt, hvad de skulle gøre med disse enheder, der kunne producere en meget fokuseret lysstråle.

I dag, lasere er blevet en af ​​verdens vigtigste teknologier, bruges i brancher lige fra informationsteknologi til telekommunikation, medicin, forbrugerelektronik, retshåndhævelse, militært udstyr, underholdning og fremstilling.

Fra de tidligste dage med laserudvikling, forskere indså, at lys kunne overgå radio i form af informationshastighed og tæthed. Det kom til fysik. Lysbølgelængder er pakket meget tættere end lydbølger, og de sender mere information pr. sekund, og med et stærkere signal. Laser kommunikation, en gang opnået, ville være kugletoget til radioens vogntog [kilder:Hadhazy; Thomsen].

I en vis forstand, lasere har været brugt i kommunikation i årevis. Vi overfører oplysninger via laser hver dag, enten ved at læse cd'er og dvd'er, scanning af stregkoder ved kassen eller ved at trykke på fiberoptisk rygrad i telefon eller internettjenester. Nu en mere direkte tilgang, en, der vil tillade høj gennemstrømning punkt-til-punkt-kommunikation-over store afstande, gennem luft eller rum, med lidt datatab - er i horisonten.

Det har været et stykke tid at komme her. Helt tilbage i 1964, NASA legede med tanken om at bruge lasere til flykommunikation. Ideen var at konvertere en pilots stemme først til elektriske impulser, derefter ind i en lysstråle. En modtager på jorden ville derefter vende processen [kilde:Science News Letter]. I oktober 2013, NASA indså og overskred langt denne vision, da et fartøj, der kredsede om månen, sendte data til en jordstation via en pulseret laserstråle - 239, 000 miles (384, 600 kilometer) transmission med en uhørt downloadhastighed på 622 megabit i sekundet (Mbps) [kilde:NASA]. Til sammenligning, højhastighedsforbrugerdataplaner måles normalt i snesevis af megabit.

Og høj hastighed, high-density er navnet på spillet. I det meste af sin historie, NASA har engageret sig i dristige opdagelsesopgaver for kun at blive hæmmet af det, der svarer til download-hastigheder til opkald. Med laserkommunikation, agenturet går ind i højhastighedsalderen, åbner døren for, blandt andre applikationer, videooverførsler i høj kvalitet fra fremtidige rovere.

NASA er ikke alene. Kryptografer og sikkerhedseksperter ser på lasere som en nærlys, nær øjeblikkeligt leveringssystem, mens den nye race af højfrekvente handlende på Wall Street er villige til at betale store penge for enhver forbindelse, der kan barbere millisekunder ud af deres handelstider. Computerproducenter, nærmer sig grænserne for, hvad der kan opnås med kobber og silicium, undersøger også mulige laserapplikationer.

Når hastighed er alt og lys markerer universets hastighedsgrænse, lasere er helt sikkert svaret - hvis teknologien kan gøres praktisk.

Den næstbedste ting at være der

Målet med kommunikationsteknologier er at formidle information hurtigt, helt og præcist. Hvis du nogensinde har spist middag med en boor, så ved du, hvor lidt information en mur af støj kan indeholde; hvis du nogensinde har spillet spilletelefonen, du har oplevet, hvordan mening kan mangles, når den er dårligt videresendt.

Historisk set langdistancekommunikation har mangedoblet disse vanskeligheder. Transmission - med tromle, bål, røg, flag eller lys - først påkrævet oversættelse til en nødvendigvis enkel kode. Telegrafkabler og Morse -kode gjorde kompleks transmission mulig, men dyr, igen håndhæve dyd af korthed.

Moderne elektronisk kommunikation kræver en afsendelsesenhed, der kan kode alle data til en transmitterbar form og en modtager, der kan skelne mellem meddelelsen (signalet) og dens omgivende linje statisk (støj). Informationsteori , en matematisk model, der blev banebrydende af den amerikanske ingeniør Claude Shannon i 1948, gav den ramme, der i sidste ende løste dette problem og lavede teknologier som mobiltelefonen, Internettet og modemet muligt [kilde:National Geographic].

I princippet, laserkommunikationssystemer ligner de modemer, som vi har brugt i vores hjem siden internettets fremkomst. Modem står for MODulation-DEModulation, en proces, hvor digital information konverteres til analog til transmission, derefter tilbage igen. Tidlige akustiske modemer brugte lydbølger til transmission over telefonlinjer. Optiske modemer bevæger sig fra lyd til en højere frekvens del af spektret, lys.

Det er ikke et helt nyt begreb. Audiovisuelle enheder med optisk lyd, såsom mange DVD -afspillere, bruge en modemlignende enhed kaldet a transmissionsmodul at konvertere digitale signaler til LED eller laserlys, som derefter kører langs fiberoptisk kabel til en destinationskomponent, såsom et fjernsyn eller en lydmodtager. Der en lysmodtagelsesmodul konverterer lyset tilbage til et digitalt elektrisk signal, der er egnet til højttalere eller hovedtelefoner.

NASAs proof-of-concept Lunar laser kommunikation demonstration ( LLCD ), udviklet af MIT's Lincoln Laboratory, bruger et lignende system, men undlader fiberen til fordel for lasertransmission gennem luft og rum (undertiden kaldet ledig optisk kommunikation , eller FSO ). LLCD bruger tre komponenter:

1. Et modem modul (MM)
2. Et optisk modul (OM), som sender og modtager modulerede laserstråler via et 4-tommer (10 centimeter) teleskop
3. Et controllerelektronik (CE) modul, der binder de to første sammen. CE binder også LLCD til orbiteren, NASA's Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), og udfører vitale opgaver som sekventering, stabilisering, og videresendelse af kommandoer og telemetri [kilder:Britannica; NASA; NASA].

Med forsøgets succes, laserkommunikationens fremtid blev lige lidt lysere, men er der et marked for sådan teknologi uden for rumagenturet? Du satser der er.

Fiberoptik, først gjort praktisk af den britiske fysiker Harold Hopkins i 1952, gradvist overhalede elektronisk kabel, da teknologien blev forbedret med mere præcist afstembare lasere og fiber af højere kvalitet. I dag, det er go-to tech til kommunikation-i hvert fald indtil FSO-kommunikation bliver mere effektiv og effektiv. Teknologien, som transmitterer data ved hjælp af lysimpulser, der sprang langs internt reflekterende glas- eller plastkabel, kan bære mere information pr. sekund, på længere afstande og uden forringelse, end kan elektriske impulser langs kobbertråde [kilde:National Geographic; Thomsen].

Laserkommunikationsapplikationer:Fra det ydre rum til Wall Street

Laserkommunikation kan være en velsignelse for rumforskning, men langt mere jordiske sysler vil bestemme dens skæbne som en kommerciel teknologi.

Tage, for eksempel, Wall Street's nye race af højhastighedsforhandlere, der udnytter kraften i kvantitativ analyse, hastigheden på premium bredbånd og en mangfoldighed af mikrotransaktioner for at samle indtjeningen en fraktioneret øre ad gangen. For en virksomhed bygget på "robo-forhandlere, "computeralgoritmer, der foretager millisekundshandler i henhold til et sæt regler, transmissionstid er penge, og lasere er byens hurtigste spil [kilder:Adler; CBS Nyheder; Strasburg].

For at presse mest ud af hver handel, virksomheder som Spread Networks investerede i den bedst tilgængelige fiber og afskærede hver eneste knæk og kurve, de kunne fra dataslanger, der forbinder handelshovedstæder som Chicago, New York, London og Tokyo (hver ekstra mile tilføjer omkring otte mikrosekunder til datarundrejser). Når det ikke var hurtigt nok, andre grupper, ligesom McKay Brothers og Tradeworx, støbt fiberoptik til side til fordel for mikrobølger, der stråler gennem luften. Selvom det kun er et skridt over radioen hvad angår effekt og hastighed, mikrobølger bevæger sig hurtigere gennem luft, end lys passerer gennem fiberoptik [kilder:Adler; Strasburg].

Lasere vil muligvis lægge de hurtigste hastigheder af alle; lysets hastighed gennem luften er næsten lige så hurtig som i et vakuum, og kunne krydse 720 miles (1, 160 kilometer) adskiller New York og Chicago på cirka 3,9 millisekunder-en rundtur (aka latency) på 7,8 millisekunder, sammenlignet med 13,0-14,5 millisekunder for nye fiberoptiske systemer og 8,5-9,0 millisekunder for mikrobølgesendere [kilde:Adler].

På sikkerhedsområdet, lasere og andre optiske kommunikationssystemer giver mere sikker kommunikation - og midlerne til at aflytte dem. Kvantekryptografi drager fordel af en egenskab ved kvantefysik - nemlig at en tredjepart ikke kan registrere kvantetilstanden i den fotoniske krypteringsnøgle uden at ændre den og, derfor, bliver opdaget - at etablere meget sikker kommunikation ved hjælp af stråler af fotoner skabt af svækkede lasere [kilder:Grant; Waks et al.]. I efteråret 2008, forskere i Wien begyndte at eksperimentere med et kvante -internet, der delvis var baseret på dette princip [kilde:Castelvecchi]. Desværre, lasere er også blevet brugt til at opfange og forfalde sådanne signaler på en ikke-kvantemæssig måde, derved omgå detektion. Kvantekrypteringsvirksomheder arbejder på at løse problemet [kilder:Dillow; Lydersen et al.].

Faktisk, de største ulemper ved laserkommunikation i atmosfæren har at gøre med indblanding af regn, tåge eller forurenende stoffer men i betragtning af teknologiens fordele, disse spørgsmål vil sandsynligvis ikke stoppe teknologiens fremskridt. Så, bogstaveligt eller overført, himlen er grænsen for laserkommunikationsteknologier.

Den højhastighedsdatakommunikation, der er mulig mellem netværk, er kun toppen af ​​isbjerget om, hvad der er muligt med laserkommunikation, mange af dem stammer fra den manglende fysiske forbindelse, der kræves. Stråler kan forbinde computerchips inden for computere, krydse lande og veje uden at kræve færdselsret eller ejerskab, og blive opført som midlertidige netværk under kampe eller under katastrofer. De kan levere netværksredundans, forbinde eksisterende optiske netværk eller tage os tættere på konvergeret stemmedatainfrastruktur-alle med høj hastighed, lave fejlrater og immunitet over for elektromagnetisk interferens [kilder:Carter og Muccio; Markoff].

Masser mere information

Forfatterens note:Sådan fungerer laserkommunikation

Laserkommunikation er endnu et godt eksempel på, hvordan vi lever i fremtiden, men jeg vil altid forbinde konceptet med en episode fra fortiden. Under den kolde krig, Léon Theremin-opfinder af videointerlacing såvel som det elektriske instrument, der blev navngivet i mange science fiction-film-udviklede en lysbaseret lytteenhed, der kunne fjernstyre et kontor (det var faktisk en infrarød stråle med lav effekt, ikke en laser). Det virkede ved at detektere vibrationerne på en glasrude forårsaget af det lydtryk, der genereres af stemmer i målrummet. Sovjet brugte denne enhed, forfaderen til moderne lasermikrofoner, at aflytte forskellige ambassader i Moskva.

relaterede artikler

• Sådan fungerer fiberoptik
• Sådan fungerer lasere
• Sådan fungerer kvantecomputere
• Sådan fungerer Quantum Cryptology
• Hvad er optisk lyd?

Kilder

• Adler, Jerry. "Raging Bulls:Hvordan Wall Street blev afhængig af lethastighedshandel." Kablet. 3. august, 2012. (15. nov. 2013) http://www.wired.com/business/2012/08/ff_wallstreet_trading/all/
• Castelvecchi, Davide. "Velkommen til Quantum Internet." Science News. 16. august, 2008. (15. nov. 2013) https://www.sciencenews.org/node/21502
• CBS Nyheder. "Hvordan hastighedshandlere ændrer Wall Street." 5. juni kl. 2011. (15. nov. 2013) http://www.cbsnews.com/8301-18560_162-20066899.html
• Cowen, Røve. "Opfinder lyset fantastisk." Science News. 8. maj kl. 2010. (15. nov. 2013) https://www.sciencenews.org/node/21675
• Dillow, Ler. "Quantum Hackers bruger lasere til at knække kraftfuld kryptering uden at efterlade et spor." Populær videnskab. 30. august kl. 2010. (15. nov. 2013) http://www.popsci.com/technology/article/2010-08/quantum-hackers-use-lasers-crack-quantum-encryption-scheme-leaving-no-trace
• Duarte, F. J. "Sikker interferometrisk kommunikation i frit rum." Optik kommunikation. Vol. 205, ingen. 4. Side 313. Maj 2002.
• Duarte, F. J. et al. "N-spalte-interferometer til sikker optisk kommunikation i fri plads:527 m interferometrisk sti-længde." Journal of Optics. Vol. 13, ingen. 3. 3. februar, 2011.
• Give, Andrew. "Kvantekryptografi tager flugt." Science News. 1. april kl. 2013. (15. nov. 2013) https://www.sciencenews.org/article/quantum-cryptography-takes-flight
• Hadhazy, Adam. "Sådan fungerer det:NASAs eksperimentelle laserkommunikationssystem." Populær mekanik. 6. september, 2011. (15. nov. 2013) http://www.popularmechanics.com/science/space/nasa/how-it-works-nasas-experimental-laser-communication-system
• Institut for Fysik. "Case Study:Lasere." (15. november kl. 2013) http://www.iop.org/cs/page_43644.html
• Jones, Stacy V. "PATENTER; Lasere fra satellitter et link til ubåde." New York Times. 18. juli 1981. (15. november, 2013) http://www.nytimes.com/1981/07/18/business/patents-lasers-from-satellites-a-link-to-submarines.html
• Lydersen, Lars. "Hacking af kommercielle kvantekryptografisystemer efter skræddersyet lysbelysning." Natur fotonik. Vol. 4. Side 686. 2010.
• Markoff, John. "En chip, der kan overføre data ved hjælp af laserlys." New York Times. 18. september, 2006. (15. nov. 2013) http://www.nytimes.com/2006/09/18/technology/18chip.html?_r=0
• MIT Nyheder. "3Q:Don Boroson om NASAs rekordstore brug af laserkommunikation." 28. oktober kl. 2013. (15. nov. 2013) http://web.mit.edu/newsoffice/2013/3q-don-boroson-1028.html
• NASA. "LLCD -rumterminal." (15. november kl. 2013) http://esc.gsfc.nasa.gov/267/271/Space-Terminal.html
• NASA. "ASA -laserkommunikationssystem indstiller registrering med dataoverførsel til og fra månen." 22. oktober kl. 2013. (15. nov. 2013) http://www.nasa.gov/press/2013/october/nasa-laser-communication-system-sets-record-with-data-transmissions-to-and-from/#.UmlK6JyZAUU
• National geografi. "Den store idé:Hvordan fortidens gennembrud former fremtiden." National geografi. 6. september, 2011.
• Science News Letter. "Laserkommunikationssystem udviklet." 25. januar, 1964.
• Strasburg, Jenny. "På dit mærke, Bliv klar ... "Wall Street Journal. 10. oktober, 2011. (15. nov. 2013) http://online.wsj.com/news/articles/SB10001424052970204524604576610860386189444
• Thomsen, D. E. "En ren laser til ren kommunikation." Science News. 23. april kl. 1983.
• Waks, Edo, et al. "Sikker kommunikation:Kvantekryptografi med en Photon Turnstile." Natur. Vol. 420. 19. dec. 2002.