ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙ И СВЕРХДАЛЬНЕЙ ЛАЗЕРНОЙ СВЯЗИ

Как известно, для передачи речи, музыки, изображений необходимо соответствующим образом модулировать электромагнитную волну; например, надо по определенному закону изменять ее амплитуду. Частоты, характеризующие быстроту изменений амплитуды волны (частоты модуляции), должны быть по крайней мере в десять-сто раз меньше частоты самой волны (несущей частоты).

Частоты модуляции занимают некоторую полосу (полосу частот модуляции). Ее ширина тем больше, чем больше объем информации, передаваемой в единицу времени.
Для передачи речи достаточна полоса частот 10- 100 Гц, тогда как для передачи музыки требуется полоса шириной 104 Гц. Именно такова ширина полосы частот радиовещания. Чтобы не мешать друг другу, две радиостанции должны работать на несущих частотах, различающихся не менее чем на 104 Гц. Для радиовещания пригодны волны с несущей частотой не ниже примерно 105 Гц. Частотный диапазон от 105 до 108 Гц можно разбить на 10000 участков шириной 104 Гц каждый (строго говоря, на 9990 участков). Это означает, что в классическом радиодиапазоне от километровых до метровых волн могут одновременно работать, не мешая друг другу, не более 10000 радиостанций.

Для передачи движущихся изображений нужна полоса частот модуляции, в тысячу раз более широкая, чем в радиовещании. Телевизионная полоса частот имеет ширину порядка 107 Гц. Это значение соответствует верхней граничной частоте видеосигнала. Ее нетрудно оценить. Действительно, пусть кадры на экране телевизора сменяются с частотой 50 Гц. Если электронный луч, скользящий по экрану кинескопа, пробегает за один кадр 400 строк, то это означает, что «смена» строк должна происходить с частотой 50-400 = 2* 104 Гц. Если, наконец, в каждой строке выделить 400 зрительных «точек», то частота модуляции интенсивности электронного луча составит 2* 104 -400 = 8* 106 Гц.
Чтобы передавать информацию, требующую полосы модуляции шириной 107 Гц, нужна несущая частота не ниже 108 Гц. Для этого надо перейти из радиодиапазона в СВЧ-диапазон. В частотном диапазоне, соответствующем, например, дециметровым волнам (от 108 до 109 Гц), «умещается» около ста телевизионных программ. В этом же диапазоне частот могли бы работать около 100000 радиостанций.
В качестве иллюстрации приведем таблицу разрешенных для использования телевизионных каналов в дециметровом диапазоне волн. Каждому каналу отведена полоса частот модуляции шириной 8 106 Гц. В таблице указаны также несущая частота изображения и несущая частота звукового сопровождения.

Номер канала	Полоса частот телевизионного канала, МГц	Несущая частота изображения, МГц	Несущая частота звукового сопровождения, МГц
21	470-478	471,25	477,75
22	478-486	479,25	485,75
27	518-526	519,25	525,75
28	526-534	527,25	533,75
29	534-542	535,25	541,75
30	542-550	543,25	549,75
31	550-558	551,25	557,75
32	558-566	559,25	565,75
33	566-574	567,25	573,75
34	574-582	575,25	581,75
39	614-622	615,25	621,75

Сделанные замечания иллюстрируют общее правило: по мере увеличения несущей частоты возрастает информационная емкость канала связи. Ясно, что использование лазерного излучения с несущей частотой до 1015 Гц могло бы очень сильно повысить информационную емкость канала связи. Нетрудно подсчитать, что в таком канале можно уместить 1013 телефонных разговоров или 1011 музыкальных передач, или 108 телевизионных программ. Эти числа выглядят фантастически огромными. Они во много раз перекрывают практические потребности человечества не только сегодня, но и в обозримом будущем.
Правда, эти оценки не учитывают некоторых ограничивающих факторов, играющих важную роль при практической реализации лазерной связи. Во-первых, данные оценки справедливы лишь для идеально когерентного лазерного излучения. В действительности же в картине дружно летящих фотонов, образующих лазерный луч, всегда в той или иной мере наблюдаются «сбои», случайные отклонения от общего порядка, ухудшающие степень когерентности излучения. Чем выше частота излучения, тем чаще наблюдаются подобные «сбои». Во-вторых, на практике возникают серьезные трудности технического характера. Они связаны с отсутствием в настоящее время модуляторов, имеющих достаточно широкую полосу частот модуляции, а также быстродействующих (малоинерционных) фотоприемников. Тем не менее совершенно очевидна перспективность освоения оптического канала связи. Это помогло бы связистам решить, наконец, проблему «тесноты в эфире», весьма обострившуюся в наше время. Вещательные станции, использующие лазерный луч, могли бы работать, нисколько не мешая друг другу, даже если их число увеличится в сотни и тысячи раз. Лазерная телефонная сеть больших городов и крупных промышленных районов позволила бы значительно увеличить число абонентов и при этом освободиться от дорогостоящей и громоздкой системы подземных телефонных кабелей. Между прочим, первые лазерные телефонные линии уже созданы в ряде городов. Одна из таких линий имеется в Москве; она связывает АТС, находящиеся на площади Шолохова и в здании МГУ на Ленинских горах.
Говоря о перспективности лазерной связи, отметим еще одно достоинство лазерного луча-его высокую 174
направленность. Обычные радиостанции излучают в пределах широкого телесного угла. Применяя специальные антенны, можно добиться направленности излучения. Однако степень направленности радиоизлучения остается существенно более низкой по сравнению с направленностью лазерного луча. Напомним, что угол расходимости луча определяется отношением длины волны света к диаметру передающей антенны, в качестве которой можно рассматривать в данном случае выходное зеркало лазерного резонатора. При длине волны 1 мкм и диаметре зеркала 10 см этот угол составляет всего 10 “5 рад, что соответствует угловой секунде. Благодаря высокой направленности лазерного луча можно осуществлять несколько каналов связи на одно несущей, выбирая всякий раз разные направления в пространстве. Направленность излучения позволяет существенно снизить потребление энергии на питание передающего устройства. Кроме того, уменьшается опасность нежелательного перехвата передаваемой информации.
Основным препятствием для создания надежных линий лазерной связи в наземных условиях является воздействие атмосферы на лазерный луч. Это воздействие двоякое. Во-первых, происходит постепенное уменьшение интенсивности луча из-за поглощения и рассеяния света газами, парами воды, аэрозолями. Во-вторых, происходит накопление по мере распространения излучения по трассе искажений волнового фронта; эти искажения обусловлены главным образом турбулентностью атмосферы. Поглощение света в атмосфере сильно зависит от его длины волны. Можно указать ряд интервалов длин волн, в пределах которых пропускание атмосферного воздуха довольно велико; их называют окнами прозрачности атмосферы. Заметим, что излучение лазеров на гранате или стекле с неодимом (длина волны 1,06 мкм), а также С02-ла- зеров (10,6 мкм) как раз попадает в окна прозрачности.

Для борьбы с искажениями волнового фронта стремятся повысить степень направленности излучения. Все эти меры не позволяют, однако, увеличить длину наземных линий лазерной связи более нескольких десятков километров. Главным же все равно остается зависимость качества и самого факта наличия связи от погодных условий. Плохая погода может сорвать даже относительно близкую связь, например лазерную те-

Так выглядит принципиальная схема адаптивной лазерной линии связи: 7 — лазер, 2 — полупрозрачное зеркало, 3 — полностью отражающее зеркало, 4 — устройство воздействия на волновой фронт излучения, 5 — анализатор волнового фронта, 6 — электронное устройство обработки данных

лефонную связь между двумя объектами в пределах одного городского района.
Ожидается, что ситуация качественно изменится при использовании в наземных линиях лазерной связи методов адаптивной оптики, позволяющих нужным образом корректировать волновой фронт излучения. Американский исследователь Д. Фрид, работающий в области адаптивной оптики, высказался на этот счет так:
«Так же, как о погоде, многие имели обыкновение рассуждать о турбулентности земной атмосферы, но никто не пытался с ней бороться. Однако теперь ситуация быстро меняется. Оптическая техника достигла такого уровня развития, что у нее появилась возможность как-то противостоять вредному влиянию турбулентности на распространение оптического сигнала. Это «как-то» получило название «адаптивная оптика».
Попробуем представить себе, как могла бы выглядеть линия лазерной связи, построенная на основе адаптивной оптики. На начальном участке трассы излучение от лазера расщепляют полупрозрачным зеркалом на два пучка. Один поступает в устройство, являющееся анализатором формы волнового фронта, другой посылается на мишень, находящуюся на приемном конце трассы. Световой пучок создает на мишени
относительно яркий блик. Блик имитирует точечный излучатель; он посылает назад по трассе сферическую световую волну. Распространяясь по трассе в обратном направлении, эта волна испытывает те же искажающие воздействия, что и волна от лазера, прошедшая трассу в прямом направлении. На начальном участке трассы искаженная световая волна, пришедшая от блика, сравнивается (в анализаторе волнового фронта) с неискаженной сферической волной. На основе этого сравнения электронное устройство обработки данных рассчитает необходимое предыскажение, которое надо ввести в посылаемый по трассе волновой фронт, чтобы скомпенсировать искажения, вносимые трассой. Для внесения этих предыскажений должно быть предусмотрено специальное устройство воздействия на волновой фронт.
Отдельного разговора заслуживает вопрос о современном состоянии и перспективах развития систем космической связи. Эти системы развиваются одновременно с бурным развитием космической техники и космонавтики. Осуществляется надежная оперативная двусторонняя связь между Землей и пилотируемыми космическими кораблями и орбитальными станциями, позволяющая передавать четкие телевизионные изображения. С Земли осуществлялось управление советским аппаратом «Луноход», перемещавшимся по лунной поверхности. Большой объем информации получен учеными от автоматических межпланетных станций серий «Марс» и «Венера» (СССР), а также «Пионер» и «Вояджер» (США); совсем недавно советские ученые выполнили уникальный космический эксперимент по изучению кометы Галлея. Уже никого не удивляют обращающиеся вокруг Земли многочисленные спутники и в том числе спутники связи, предназначенные для осуществления дальней телефонно-телеграфной связи и передач программ телевидения. Среди них советские спутники «Молния», «Радуга», «Экран», «Горизонт», американские спутники «Интел- сат».
Следует подчеркнуть, что на современном этапе все задачи космической связи решаются в СВЧ-диапазо- не-с использованием дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волн. Что же касается систем лазерной космической связи, то пока они находятся лишь в стадии проектирования. Можно указать только не
многие эксперименты по практической отработке лазерной связи в космосе. Ряд проектов, разработанных десять и более лет назад, все еще остаются нереализованными. Чем это объясняется? Конечно, при практическом освоении новых методов связи (нового частотного диапазона) неизбежно возникает множество технических проблем. О некоторых из них (необходимости создания широкополосных модуляторов света и быстродействующих фотоприемников) мы уже упоминали. Отметим теперь еще два момента. Во-пер- вых, прямая лазерная связь между космическим аппаратом и Землей затруднена из-за воздействия земной атмосферы на лазерный луч. Надо создавать «радиомост» Земля-спутник, а затем уже осуществлять лазерную связь между спутником и космическим аппаратом. Во-вторых, выгодная в одном отношении высокая направленность лазерного луча оказывается невыгодной в другом. Трудно попадать узким лучом в фотоприемник, находящийся на удаленном космическом аппарате, трудно сопровождать его лучом, не теряя с ним связи.
И тем не менее все эти трудности придется рано или поздно преодолевать (возможно, комбинируя лазерные и сверхвысокочастотные линии связи). Пока СВЧ-диапазон вполне достаточен для космической связи. Однако со временем он уже не сможет «справляться» с усложняющимися задачами. Это произойдет тогда, когда потребуется передавать на Землю из космоса или от одного космического аппарата к другому большой объем информации за малое время. Подсчитано, что для передачи информации из ближнего космоса со скоростью порядка 108 бит/с и выше даже миллиметровый диапазон уже не в состоянии конкурировать с оптическим (с учетом массы, габаритов, энергопотребления бортовой аппаратуры связи). Здесь-то и проявятся преимущества лазерного канала связи-его огромная информационная емкость и высокая направленность.) Уже сегодня мы приблизились к задачам, требующим передачи информации по космической связи с высокой скоростью. Так, в 1983 г. в США запущен спутник IRAS для астрономических исследований в инфракрасной области спектра, передающий на Землю информацию со скоростью 106 бит/с. Высокая скорость передачи информации требуется, в частности, для оперативной связи между
космическим кораблем и реактивным самолетом, между двумя космическими кораблями, между кораблем и орбитальной станцией. Именно для таких целей американская фирма ITT проектирует для НАСА (Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства) лазерную систему связи со скоростью передачи информации 108 бит/с. В системе используется лазер на гранате с неодимом. Дальность действия линии связи до 50 ООО км.
Чем более дальней будет космическая связь, тем сильнее проявятся преимущества оптического диапазона. Например, используя регулярную последовательность наносекундных (1 не = 10“9 с) лазерных импульсов с частотой повторения 10 МГц, можно передавать информацию со скоростью 106 бит/с с орбиты планеты Нептун. При этом должна применяться импульсно-кодовая модуляция излучения, осуществляемая по принципу включено-выюпочено (включено-соответствующий лазерный импульс в импульсной последовательности сохраняется, выключено-импульс отсутствует). Можно вполне уверенно утверждать, что космические путешествия в будущем будут невозможны без сверхдальней лазерной связи.
Отдавая дань научной фантастике, заметим, что лазеры делают возможным осуществление межзвездной связи. Лазерный импульс с энергией 104 Дж, длительностью 1 не, расходимостью 10“6 рад может быть зарегистрирован на Земле с расстояния 100 световых лет. Для приема такого сигнала должен использоваться оптический телескоп с зеркалом диаметром 100 м.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙ И СВЕРХДАЛЬНЕЙ ЛАЗЕРНОЙ СВЯЗИ:

- Популярная физика -