如何激光通信工程

由:尼古拉斯gerbi曾经

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美国宇航局月球激光通信演示的艺术家演绎
图片由美国宇航局

激光它们最初被发明的时候,被称为寻找问题的解决方案。每个人都认为它们和玻色-爱因斯坦凝聚物一样酷,但没有人确切知道如何处理这些能够产生高度聚焦光束的设备。

今天,激光已成为世界上最重要的技术之一,在行业从信息技术,电信,医药,消费电子,执法,军事装备,娱乐和生产使用。

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从激光发展的初期,研究人员意识到,光可在信息的速度和密度方面胜过收音机。它来到了物理学。波长比声波排列得更紧密,每秒钟传输的信息更多,信号也更强。激光通信一旦实现,将成为从子弹头列车到无线电货车列车的纽带[来源:Hadhazy;汤姆森].

从某种意义上说,激光已经用于通信很多年了。我们每天都通过激光传输信息,无论是通过阅读cd和dvd、在收银台排队时扫描条形码,还是利用电话或互联网服务的光纤主干。现在,一种更直接的方法即将出现,这种方法将允许高吞吐量的点对点通信——跨越遥远的距离,通过空中或太空,几乎没有数据丢失。

我花了好长时间才到这里。早在1964年,美国国家航空航天局(NASA)就曾考虑过用激光进行飞机通信。这个想法是先把飞行员的声音转换成电脉冲,然后再转换成光束。而地面上的接收器则会将这一过程逆转过来[来源:科学新闻信].2013年10月,NASA实现并远远超过了这一愿景,一艘绕月飞行器通过脉冲激光光束向地面站发送数据,传输距离为23.9万英里(38.46万公里),下载速度为622兆每秒(Mbps),这是闻所未闻的。美国国家航空航天局].相比之下,高速消费者数据计划通常以数十兆计。

和高速,高密度是游戏的名称。对于其历史上最,NASA已经从事勘探的大胆的任务只能由拨号上网的下载速度相当于受到阻碍。随着激光通信,该机构正进入高速时代,打开大门,其他应用程序,从未来的火星车高品质的视频传输中。

NASA并不孤独。密码学家和安全专家将激光视为一种近乎即时的紧密光束传输系统,而华尔街的高频交易员则愿意花大价钱购买任何能够缩短交易时间的连接。计算机制造商们已经接近铜和硅的极限,也在研究激光的可能应用。

当速度决定一切,光标志着宇宙速度极限,如果这项技术能够实用,激光肯定是答案。

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仅次于亲临现场的事

通信技术的目标是快速、完整、准确地传递信息。如果你曾经和一个乡下人吃过饭,你就会知道一堵嘈杂的墙承载的信息是多么的少;如果你玩过电话游戏,你就会体验到当传达不当时意义是如何被破坏的。

从历史上看,远程通信增加了这些困难。传输——通过鼓、篝火、烟雾、旗帜或灯光——首先需要转换成必要的简单代码。电报电缆和莫尔斯电码使复杂的传输成为可能,但代价昂贵,再次加强了简洁的优点。

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现代电子通信需要一个能够将任何数据编码成可传输形式的发送设备和一个能够区分信息(信号)和周围线路静态(噪声)的接收器。信息论的数学模型由美国工程师克劳德香农在1948年率先推出,提供了一个框架,最终解决了这个问题,并提出技术,如手机,互联网和调制解调器可能[来源:国家地理].

原则上,激光通信系统类似于自互联网兴起以来我们在家中使用的调制解调器。调制解调器是调制-解调的缩写,是将数字信息转换为模拟进行传输,然后再回来。早期的声学调制解调器使用声波传输通过电话线。光学调制解调器从声音移到光谱,光的较高频率部分。

这并不是一个全新的概念。视听设备光音频,例如许多DVD播放机,使用一种类似调制解调器的设备传输模块将数字信号转换为LED或激光,然后通过光纤电缆传输到目的地组件,如电视或音频接收器。有一个光接收模块将光转换成适合于扬声器或耳机的数字电信号。

美国宇航局的概念月球激光通信演示LLCD),由麻省理工学院林肯实验室开发的,使用了类似的系统,但有利于通过空气和空间激光传输的纤维次分配(有时称为自由空间光通信, 或者FSO).LLCD使用三个组件:

  1. 调制解调器模块(MM)
  2. 的光学模块(OM),其发送和接收调制的激光通过一个4英寸(10厘米)的望远镜梁
  3. 控制器电子(CE)模块,其关系的前两个在一起。行政长官也将捆绑到LLCD人造卫星,美国航空航天局的月球大气与粉尘环境探测器(LADEE),并进行测序一样,稳定,和传递命令和遥测[来源的重要任务:大英百科全书;美国国家航空航天局;美国国家航空航天局].

随着实验的成功,激光通信的未来变得更加光明,但在太空总署之外,这种技术还有市场吗?当然有。

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激光通信应用:从外太空到华尔街

激光通信可能是一个福音太空探索,但更多的世俗追求将决定其作为商业技术的命运。

以华尔街新兴的高速铁路为例交易员他们利用定量分析的力量、付费宽带的速度和多样的微交易,一次积累一分钱的收入。对于建立在“机器人交易员”基础上的业务,计算机算法根据一套规则进行毫秒级交易,传输时间就是金钱,激光是最快的游戏。CBS新闻;斯特拉斯堡].

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为了最大限度地利用每一笔交易,Spread Networks等公司投资了可用的最佳光纤,尽可能地切断连接芝加哥、纽约、伦敦和东京等贸易之都的数据软管的每一个弯角和曲线(每多走一英里,数据的往返时间就会增加大约8微秒)。当这还不够快时,麦凯兄弟(McKay Brothers)和Tradeworx等其他组织就放弃了光纤,转而采用通过空气发射的微波。虽然只有一步之遥广播就功率和速度而言,微波在空气中的传播速度比光在光纤中的传播速度要快[来源:阿德勒;斯特拉斯堡].

激光器将有可能发布的所有速度最快;通过空气中的光速是几乎一样快,在真空中,并可能穿越720英里(1160公里)在约3.9毫秒分离纽约和芝加哥 - 7.8毫秒的往返(又名延迟),相比13.0-14.5毫秒新光纤系统和8.5-9.0毫秒微波发射机[来源:阿德勒]。

在安全领域,激光和其他光通信系统提供了更安全的通信——以及窃听它们的手段。量子密码学利用了量子物理的一种特性——即第三方无法在不改变光子加密密钥的情况下检测到它的量子状态,从而被检测到——利用衰减激光器产生的光子束建立高度安全的通信[来源:授予;wak et al。].在2008年秋季,研究人员在维也纳开始部分基于这一原理[来源量子互联网试验:Castelvecchi].不幸的是,激光也被用来以非量子的方式拦截和欺骗这类信号,从而绕过探测。量子加密公司正在努力解决这个问题[来源:Dillow;Lydersen et al。].

事实上,大气中激光通信的主要缺点与雨、雾或污染物的干扰有关,但考虑到这项技术的优势,这些问题不太可能阻止这项技术的进步。所以,无论从字面上还是比喻上来说,激光通信技术的极限是天空。

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作者的笔记:激光通信是如何工作的

激光通信是我们如何活在未来的另一个很好的例子,但我会永远的概念,从过去的一个插曲关联。在冷战期间,利昂·雷米 - 的视频交织发明者以及在科幻电影中的得分听到同名电表 - 发展能够远程窃听办公室中的基于光听设备(它实际上是一个低功耗红外光束,而不是一个激光器)。它的工作由上引起由目标房间内的声音产生的声压,玻璃板检测所述振动。苏联人使用这种设备,现代激光麦克风的祖先,窃听在莫斯科各使馆。

相关文章

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  • Castelvecchi,大卫。。“欢迎来到量子互联网。”科学新闻。2008年8月16日。(2013年11月15日)https://www.sciencenews.org/node/21502
  • 哥伦比亚广播公司新闻。"速度交易者如何改变华尔街"2011年6月5日。(2013年11月15日)http://www.cbsnews.com/8301-18560_162-20066899.html
  • 考恩,抢劫。"发明神奇之光"科学新闻。2010年5月8日。(2013年11月15日)https://www.sciencenews.org/node/21675
  • Dillow,粘土。“量子黑客使用激光破解强大的加密系统,不留痕迹。”受欢迎的科学。2010年8月30日。(2013年11月15日)http://www.popsci.com/technology/article/2010-08/quantum-hackers-use-lasers-crack-quantum-encryption-scheme-leaving-no-trace
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  • 格兰特,安德鲁。《量子密码学腾飞》科学新闻。2013年4月1日。(2013年11月15日)https://www.sciencenews.org/article/quantum-cryptography-takes-flight
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  • 国家地理。《伟大的想法:过去的突破如何塑造未来》国家地理。2011年9月6日。
  • 《科学新闻快报》,《激光通信系统的发展》,1964年1月25日。
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  • 汤姆森,D. E.“清洁通信的纯激光。”科学新闻。1983年4月23日。
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