Artist's vertolking van NASA's Lunar Laser Communications Demonstration Afbeelding met dank aan NASA

Toen lasers voor het eerst werden uitgevonden, ze werden een oplossing op zoek naar een probleem genoemd. Iedereen dacht dat ze zo cool waren als Bose-Einstein condensaat, maar niemand wist precies wat te doen met deze apparaten die een zeer gerichte lichtstraal konden produceren.

Vandaag, lasers zijn een van 's werelds belangrijkste technologieën geworden, gebruikt in industrieën variërend van informatietechnologie tot telecommunicatie, medicijn, consumentenelektronica, politie, militaire uitrusting, amusement en productie.

Vanaf de vroegste dagen van laserontwikkeling, onderzoekers realiseerden zich dat licht beter zou kunnen presteren dan radio in termen van informatiesnelheid en dichtheid. Het kwam neer op natuurkunde. Lichtgolflengten zijn veel dichter opeengepakt dan geluidsgolven, en ze verzenden meer informatie per seconde, en met een sterker signaal. Lasercommunicatie, eenmaal bereikt, zou de kogeltrein zijn naar de wagentrein van de radio [bronnen:Hadhazy; Thomsen].

In zekere zin, lasers worden al jaren in communicatie gebruikt. We dragen elke dag informatie over via laser, hetzij door het lezen van cd's en dvd's, het scannen van streepjescodes bij kassa's of het aftappen van de glasvezel-backbone van telefoon- of internetdiensten. Nu een meer directe benadering, een die punt-naar-punt communicatie met hoge doorvoer mogelijk maakt - over grote afstanden, door de lucht of de ruimte, met weinig gegevensverlies -- is aan de horizon.

Het is een tijdje geleden om hier te komen. Al in 1964, NASA speelde met het idee om lasers te gebruiken voor vliegtuigcommunicatie. Het idee was om eerst de stem van een piloot om te zetten in elektrische pulsen, dan in een lichtstraal. Een ontvanger op de grond zou het proces dan omkeren [bron:Science News Letter]. In oktober 2013 NASA realiseerde zich en overtrof deze visie ver toen een ruimtevaartuig in een baan om de maan gegevens naar een aardstation stuurde via een gepulseerde laserstraal -- 239, 000 mijl (384, 600 kilometer) aan transmissie met een ongekende downloadsnelheid van 622 megabits per seconde (Mbps) [bron:NASA]. Ter vergelijking, high-speed data-abonnementen voor consumenten worden meestal gemeten in tientallen megabits.

En hoge snelheid, hoge dichtheid is de naam van het spel. Voor het grootste deel van zijn geschiedenis, NASA heeft gedurfde verkenningsmissies ondernomen, alleen om te worden gehinderd door het equivalent van inbel-downloadsnelheden. Met lasercommunicatie, het agentschap gaat het tijdperk van hoge snelheden in, de deur openen voor, onder andere toepassingen, hoogwaardige video-uitzendingen van toekomstige rovers.

NASA is niet de enige. Cryptografen en beveiligingsexperts beschouwen lasers als een bijna onmiddellijk leveringssysteem, terwijl het nieuwe ras van hoogfrequente handelaren op Wall Street bereid is veel geld te betalen voor elke connectiviteit die milliseconden van hun handelstijden kan halen. computerfabrikanten, de grenzen naderen van wat haalbaar is met koper en silicium, onderzoeken ook mogelijke lasertoepassingen.

Als snelheid alles is en licht de maximumsnelheid van het universum markeert, lasers zijn ongetwijfeld het antwoord - als de technologie praktisch kan worden gemaakt.

Het op één na beste ding om daar te zijn

Het doel van communicatietechnologieën is om informatie snel, volledig en nauwkeurig. Als je ooit met een boer hebt gegeten, dan weet je hoe weinig informatie een muur van ruis kan bevatten; als je ooit de speltelefoon hebt gespeeld, je hebt ervaren hoe betekenis kan worden verminkt als het slecht wordt doorgegeven.

historisch, langeafstandscommunicatie heeft deze moeilijkheden verveelvoudigd. Transmissie -- door trommel, vreugdevuur, rook, vlag of licht -- eerst vereiste vertaling in een noodzakelijkerwijs eenvoudige code. Telegraafkabels en morsecode maakten complexe transmissie mogelijk, maar duur, nogmaals het afdwingen van de deugd van beknoptheid.

Moderne elektronische communicatie vereist een verzendend apparaat dat alle gegevens in een verzendbare vorm kan coderen en een ontvanger die onderscheid kan maken tussen het bericht (signaal) en de statische omringende lijn (ruis). Informatie theorie , een wiskundig model ontwikkeld door de Amerikaanse ingenieur Claude Shannon in 1948, zorgde voor het raamwerk dat dit probleem uiteindelijk oploste en maakte technologieën zoals de mobiele telefoon, het internet en de modem mogelijk [bron:National Geographic].

In principe, lasercommunicatiesystemen lijken op de modems die we thuis gebruiken sinds de opkomst van internet. Modem staat voor MODulation-DEModulation, een proces waarbij digitale informatie wordt omgezet in analoog voor verzending, dan weer terug. Vroege akoestische modems gebruikten geluidsgolven voor transmissie via telefoonlijnen. Optische modems verplaatsen zich van geluid naar een deel van het spectrum met een hogere frequentie, licht.

Het is niet een geheel nieuw concept. Audiovisuele apparaten met optische audio, zoals veel dvd-spelers, gebruik een modem-achtig apparaat genaamd a transmissie module om digitale signalen om te zetten naar led- of laserlicht, die vervolgens via glasvezelkabel naar een bestemmingscomponent zoals een televisie- of audio-ontvanger reist. daar een lichtontvangstmodule zet het licht weer om in een digitaal elektrisch signaal dat geschikt is voor luidsprekers of koptelefoons.

NASA's proof-of-concept Demonstratie van maanlasercommunicatie ( LLCD ), ontwikkeld door het Lincoln Laboratory van MIT, maakt gebruik van een soortgelijk systeem, maar ziet af van de vezel ten gunste van lasertransmissie door lucht en ruimte (soms optische communicatie in vrije ruimte , of FSO ). LLCD gebruikt drie componenten:

1. Een modemmodule (MM)
2. Een optische module (OM), die gemoduleerde laserstralen verzendt en ontvangt via een 4-inch (10 centimeter) telescoop
3. Een controller elektronica (CE) module die de eerste twee met elkaar verbindt. De CE verbindt de LLCD ook met de orbiter, NASA's Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE), en voert vitale taken uit zoals sequencing, stabilisatie, en doorgeven van opdrachten en telemetrie [bronnen:Britannica; NASA; NASA].

Met het succes van het experiment, de toekomst van lasercommunicatie is net een beetje rooskleuriger geworden, maar is er een markt voor dergelijke technologie buiten de ruimtevaartorganisatie? Reken maar dat die er is.

Glasvezel nog steeds koning

Glasvezel, voor het eerst praktisch gemaakt door de Britse natuurkundige Harold Hopkins in 1952, geleidelijk de elektronische kabel inhaalde naarmate de technologie werd verbeterd door nauwkeuriger afstembare lasers en glasvezel van hogere kwaliteit. Vandaag, het is de go-to-tech voor communicatie - tenminste totdat FSO-communicatie efficiënter en effectiever wordt. De technologie, die gegevens verzendt met behulp van lichtpulsen die worden teruggekaatst langs intern reflecterend glas of plastic kabel, meer informatie per seconde kan dragen, voor langere afstanden en zonder degradatie, dan elektrische pulsen langs koperdraden [bron:National Geographic; Thomsen].

Toepassingen voor lasercommunicatie:van de ruimte tot Wall Street

Lasercommunicatie kan een zegen zijn voor verkenning van de ruimte, maar veel meer aardse bezigheden zullen zijn lot als commerciële technologie bepalen.

Nemen, bijvoorbeeld, Wall Street's opkomende ras van snelle handelaren die gebruikmaken van de kracht van kwantitatieve analyse, de snelheid van premium breedband en een veelvoud aan microtransacties om de inkomsten voor een fractie van een cent tegelijk op te stapelen. Voor een bedrijf gebouwd op "robohandelaren, " computeralgoritmen die millisecondentransacties maken volgens een reeks regels, zendtijd is geld, en lasers zijn het snelste spel in de stad [bronnen:Adler; CBS-nieuws; Straatsburg].

Om het meeste uit elke transactie te halen, bedrijven zoals Spread Networks investeerden in de best beschikbare glasvezel en sneden elke knik en bocht die ze konden uit de dataslangen die handelshoofdsteden als Chicago, New York, Londen en Tokio (elke extra mijl voegt ongeveer acht microseconden toe aan gegevensretours). Toen dat niet snel genoeg was, andere groepen, zoals McKay Brothers en Tradeworx, glasvezel terzijde geschoven ten gunste van microgolven die door de lucht worden gestraald. Hoewel slechts een stap boven radio in termen van kracht en snelheid, microgolven reizen sneller door lucht dan licht door glasvezel gaat [bronnen:Adler; Straatsburg].

Lasers zouden mogelijk de hoogste snelheden van allemaal opleveren; de snelheid van het licht door de lucht is bijna net zo snel als in een vacuüm, en kon de 720 mijl (1, 160 kilometer) tussen New York en Chicago in ongeveer 3,9 milliseconden -- een retour (ook bekend als latentie) van 7,8 milliseconden, vergeleken met 13,0-14,5 milliseconden voor nieuwe glasvezelsystemen en 8,5-9,0 milliseconden voor microgolfzenders [bron:Adler].

Op het gebied van veiligheid, lasers en andere optische communicatiesystemen bieden veiligere communicatie - en de middelen om ze af te luisteren. Kwantumcryptografie maakt gebruik van een eigenschap van de kwantumfysica -- namelijk, dat een derde partij de kwantumstatus van de fotonische coderingssleutel niet kan detecteren zonder deze te wijzigen en, daarom, wordt gedetecteerd - om zeer veilige communicatie tot stand te brengen met behulp van fotonenstralen die zijn gemaakt door verzwakte lasers [bronnen:Grant; Waks et al.]. In het najaar van 2008 onderzoekers in Wenen begonnen te experimenteren met een kwantuminternet, gedeeltelijk gebaseerd op dit principe [bron:Castelvecchi]. Helaas, lasers zijn ook gebruikt om dergelijke signalen op een niet-kwantummanier te onderscheppen en te vervalsen, waardoor detectie wordt omzeild. Quantum-encryptiebedrijven werken eraan het probleem aan te pakken [bronnen:Dillow; Lydersen et al.].

In feite, de belangrijkste nadelen van lasercommunicatie in de atmosfeer hebben te maken met interferentie door regen, mist of verontreinigende stoffen, maar gezien de voordelen van de technologie, het is onwaarschijnlijk dat deze problemen de vooruitgang van de technologie zullen stoppen. Dus, letterlijk of figuurlijk, the sky is the limit voor lasercommunicatietechnologieën.

1, 001 Gebruik voor lasercommunicatie

De snelle datacommunicatie die mogelijk is tussen netwerken is slechts het topje van de ijsberg van wat mogelijk is met lasercommunicatie, waarvan vele voortkomen uit het ontbreken van een fysieke verbinding die nodig is. Beams kunnen computerchips in computers verbinden, land en wegen oversteken zonder voorrang of eigendom te vereisen, en worden opgericht als tijdelijke netwerken tijdens gevechten of in rampsituaties. Ze kunnen netwerkredundantie bieden, verbind bestaande optische netwerken of breng ons dichter bij geconvergeerde spraak-data-infrastructuur -- allemaal met hoge snelheid, lage foutenpercentages en immuniteit voor elektromagnetische interferentie [bronnen:Carter en Muccio; Afvinken].

Veel meer informatie

Notitie van de auteur:Hoe lasercommunicatie werkt

Lasercommunicatie is een ander goed voorbeeld van hoe we in de toekomst leven, maar ik zal het concept altijd associëren met een aflevering uit het verleden. Tijdens de Koude Oorlog, Léon Theremin -- uitvinder van video-interlacing en het gelijknamige elektrische instrument dat in tientallen sciencefictionfilms te horen is -- ontwikkelde een op licht gebaseerd luisterapparaat dat op afstand een kantoor kan afluisteren (het was eigenlijk een infraroodstraal met laag vermogen, geen laser). Het werkte door de trillingen op een ruit te detecteren die werden veroorzaakt door de geluidsdruk die werd gegenereerd door stemmen in de doelkamer. De Sovjets gebruikten dit apparaat, de voorloper van moderne lasermicrofoons, om verschillende ambassades in Moskou af te luisteren.

gerelateerde artikelen

• Hoe glasvezel werkt
• Hoe lasers werken
• Hoe kwantumcomputers werken
• Hoe kwantumcryptologie werkt
• Wat is optische audio?

bronnen

• Adler, Jerry. "Raging Bulls:hoe Wall Street verslaafd raakte aan light-speed trading." Bedrade. 3 augustus 2012. (15 november, 2013) http://www.wired.com/business/2012/08/ff_wallstreet_trading/all/
• Castelvecchi, Davide. "Welkom op het kwantuminternet." Wetenschap nieuws. 16 aug. 2008. (15 november, 2013) https://www.sciencenews.org/node/21502
• CBS-nieuws. "Hoe Speed ​​Traders Wall Street veranderen." 5 juni 2011. (15 november, 2013) http://www.cbsnews.com/8301-18560_162-20066899.html
• Koeien, Beroven. "Het fantastische licht uitvinden." Wetenschap nieuws. 8 mei 2010. (15 november, 2013) https://www.sciencenews.org/node/21675
• dille, Klei. "Quantumhackers gebruiken lasers om krachtige encryptie te kraken zonder een spoor achter te laten." Populaire wetenschap. 30 aug. 2010. (15 november, 2013) http://www.popsci.com/technology/article/2010-08/quantum-hackers-use-lasers-crack-quantum-encryption-scheme-leaving-no-trace
• Duarte, F. J. "Beveiligde interferometrische communicatie in de vrije ruimte." Optische communicatie. Vol. 205, Nee. 4. Pagina 313. Mei 2002.
• Duarte, F.J. et al. "N-slit interferometer voor veilige optische communicatie in vrije ruimte:527 m intra-interferometrische padlengte." Tijdschrift voor optica. Vol. 13, Nee. 3. 3 februari 2011.
• Studiebeurs, Andreas. "Quantumcryptografie neemt vlucht." Wetenschap nieuws. 1 april, 2013. (15 november, 2013) https://www.sciencenews.org/article/quantum-cryptography-takes-flight
• Hadhazy, Adam. "Hoe het werkt:NASA's experimentele lasercommunicatiesysteem." Populaire mechanica. 6 september 2011. (15 november, 2013) http://www.popularmechanics.com/science/space/nasa/how-it-works-nasas-experimental-laser-communication-system
• Instituut voor Natuurkunde. "Casestudy:lasers." (15 november, 2013) http://www.iop.org/cs/page_43644.html
• jones, Stacy V. "OCTROOIEN; Lasers van satellieten een link naar onderzeeërs." De 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. "Commerciële kwantumcryptografiesystemen hacken door op maat gemaakte heldere verlichting." Natuur fotonica. Vol. 4. Pagina 686. 2010.
• Afvinken, John. "Een chip die gegevens kan overbrengen met behulp van laserlicht." De New York Times. 18 september 2006. (15 nov., 2013) http://www.nytimes.com/2006/09/18/technology/18chip.html?_r=0
• MIT-nieuws. "3Q:Don Boroson over NASA's recordbrekende gebruik van lasercommunicatie." 28 okt. 2013. (15 november, 2013) http://web.mit.edu/newsoffice/2013/3q-don-boroson-1028.html
• Nasa. "LLCD-ruimteterminal." (15 november, 2013) http://esc.gsfc.nasa.gov/267/271/Space-Terminal.html
• Nasa. "ASA lasercommunicatiesysteem vestigt record met datatransmissies van en naar de maan." 22 okt. 2013. (15 november, 2013) http://www.nasa.gov/press/2013/october/nasa-laser-communication-system-sets-record-with-data-transmissions-to-and-from/#.UmlK6JyZAUU
• National Geographic. "Het grote idee:hoe doorbraken uit het verleden de toekomst vormgeven." National Geographic. 6 september 2011.
• Wetenschap Nieuwsbrief. "Lasercommunicatiesysteem ontwikkeld." 25 januari 1964.
• Straatsburg, Jenny. "Op je plaats, Zet je schrap..." Wall Street Journal. 10 oktober 2011. (15 november, 2013) http://online.wsj.com/news/articles/SB10001424052970204524604576610860386189444
• Thomsen, D.E. "Een zuivere laser voor schone communicatie." Wetenschap nieuws. 23 april 1983.
• Waaks, Edo, et al. "Beveiligde communicatie:kwantumcryptografie met een fotontourniquet." Natuur. Vol. 420. 19 december 2002.