Профессии лазера. Связь. Рис. Б. Малышева

Профессии лазера. Связь. Рис. Б. Малышева

СВЯЗЬ

     (См. 2 - 3-ю стр. цветной вкладки)

     Четвертая статья из серии «Профессии лазера» (предыдущие напечатаны в №№ 8, 9 и 12 за 1971 год) рассказывает о широких возможностях, открывающихся перед связью благодаря применению лазерного излучения, о принципах построения систем связи на лазерах, о трудностях, стоящих на пути использования колоссального частотного диапазона лазерного излучения.

     Развитие человеческого общества было бы невозможно без обмена информацией. Какими только способами для обмена информацией не пользовался человек за долголетнюю историю развития средств связи устные донесения гонцов, и голуби, костры и звуки рога, семафорный, электрический, и электромагнитный телеграф, почта и телефон, наконец, радио, и телевидение.

     В течение дня современный человек десятки, а может быть, и сотни раз получает или передает ту или иную информацию, начиная с утренней гимнастики по радио или объявления водителя об остановках автобуса, и кончая сложными телевизионными системами контроля и управления производством.

     Развитие науки, и техники ставит перед существующими видами связи сложные задачи резкого увеличения объема передаваемой информации в единицу времени, обеспечения высокой надежности передач, значительного снижения потребляемой энергии при одновременном уменьшении веса и габаритов приемо-передающих систем.

     Пути решения этих задач четко определены в Директивах XXIV съезда КПСС. Там, в частности, говорится о том, что развитие всех видов средств связи должно происходить на основе новейших достижений науки, и техники.

     Выдающееся достижение науки начала шестидесятых годов - изобретение лазера - сразу привлекло внимание ученых и инженеров, работающих в области связи. Это объясняется уникальными свойствами лазерного излучения колоссальной частотой электромагнитных колебаний, монохроматичностью, и мощностью.

     Как же лазерный луч может работать в системах связи и, какие преимущества дает его использование?

     СУЩНОСТЬ ОДНА, ВОЗМОЖНОСТИ РАЗНЫЕ

     Природа, и радиоволн и света одинакова - это электромагнитные колебания. Отличие заключается лишь в длине их волн. Соответственно, и разная у них частота (скорость - 300 000 км в секунду, деленная на длину волны). Когда говорят, что радиостанция работает на длине волны 1 640 и (1-я радиопрограмма), это значит, что она работает на частоте 182,92 кГц (кГц - килогерц, 10 3 герц). На самом деле радиостанция работает не на одной частоте (182,92 кГц), а занимает некоторую полосу частот, например, от 175 до 185 кГц (то есть ширина полосы равна 10 кГц). Чем это обусловлено?

     Поясним на конкретном примере. Сами по себе радиоволны (или свет) не несут никакой информации. Чтобы в них «заложить» какую-нибудь информацию - пение, речь, изображение, - надо определенным образом изменить характер колебаний этих электромагнитных волн, или, как говорят специалисты, промодулировать сигнал.

     В радиотехнике сигнал модулируется периодическим изменением или частоты, или амплитуды, или фазы колебаний, имеющих синусоидальную форму. Принимающие станции расшифровывают полученный сигнал с помощью демодулирующих систем, преобразуя радиочастотные колебания в звук или изображение.

     Допустим теперь, что по радио на длине волны 1 640, и (несущая частота 182,92 кГц) хотят передать оперную арию. Звуки, как и радиоволны, характеризуются частотой колебаний, но если, например, тон «до» камертона имеет частоту около 262 Гц (первая октава), то «до», взятое певцом, обогащено множеством дополнительных гармоник, занимающих полосу примерно 15 кГц (этим, и объясняется неповторимый тембр голоса). Такая же картина, конечно, наблюдается и в отношении других тонов. Вот почему радиостанция, ведущая оперную передачу, должна занять в эфире полосу шириной около полутора десятков килогерц.

     Современные качественные граммофонные, и магнитофонные записи отличаются именно большой шириной полосы воспроизводимых частот. Для передачи телевизионного изображения требуется полоса частот шириной уже от 6 до 10 МГц (МГц - мегагерц, 106 герц). Так, как на земном шаре работает громадное число радиостанций и телевизионных центров, которые, но должны мешать друг другу, то для всех них требуется, в общем, огромный частотный диапазон. Поэтому с целью получения необходимого «жизненного пространства» связисты начали осваивать все более, и более коротковолновые диапазоны метровый, дециметровый, сантиметровый, миллиметровый и, наконец, субмиллиметровый с длиной волны в доли миллиметра и полосой частот в сотни гигагерц (ГГц, 10° герц).

     Частотный диапазон лазерного излучения (в видимой области) занимает полосу от 430 до 1 000 ТГц (ТГц - терагерц, 1012 герц), то есть 570 ТГц! Отсюда, и возможности одновременной передачи поистине фантастического объема информации по одному лазерному лучу. Это наглядно изображено на цветной вкладке, где объем информации выражен в буквах и страницах печатного текста, причем для одной буквы взята полоса в 10 Гц, что примерно соответствует передаче ее по телеграфу (на этом же рисунке вверху показаны диапазоны, в которых работают некоторые виды связи).

     Передача огромного объема информации с большой скоростью имеет особенно важное значение в системах дальней космической связи, когда необходимо передавать, например, данные бортовых ЭВМ за несколько секунд.

     ОТ ТЕОРИИ - К ПРАКТИКЕ

     Принципиальная схема приемо-передающей лазерной системы связи, в которой могут быть использованы практически любые типы лазеров - твердотельные, газовые, полупроводниковые (что зависит от конкретных условий работы, и задач системы связи), изображена на цветной вкладке, на среднем рисунке справа.

     Для внесения в лазерный луч определенной информации на его пути помещают электрооптический модулятор. Под действием внешнего переменного электрического поля, предварительно промодулированного частотой человеческого голоса (или другим сигналом), меняется интенсивность (яркость) лазерного луча, то есть происходит его амплитудная модуляция. (Возможны также и другие типы модуляции частотная, фазовая). Лазерный луч переменной интенсивности, уже «содержащий» в себе информацию, через оптическую систему выходит во внешнюю среду. Пройдя, какое-то расстояние, луч попадает в приемную систему, где его световая энергия переменной интенсивности с помощью ряда приборов преобразуется в звук или изображение.

     Передающие, и приемные системы в лазерной связи могут быть либо традиционных типов (телекамера, телевизор, телефонный аппарат и т. д.), либо новых (видеконы, ортиконы, цифровые индикаторы), что зависит от длины волны, и несущей частоты лазерного луча.

     На пути полного использования несущей частоты лазерного излучения стоит ряд технических трудностей, мешающих пока создать многоканальные лазерные приемо-передающие системы, внедрение которых будет знаменовать подлинную научно-техническую революцию в средствах связи. Чем же объясняется такой разрыв между фантастическими возможностями лазерной связи и практической их реализацией?

     В первую очередь это обусловлено отсутствием широкополосных многоканальных систем модуляции, и приема (демодуляции), пригодных для использования в световом и инфракрасном диапазонах электромагнитных волн.

     Создание таких широкополосных модуляторов позволило бы полностью «загрузить» лазерный луч информацией, и одновременно, не мешая друг другу, передавать по одному такому лучу миллиарды (!) телефонных разговоров или десятки миллионов (!) телевизионных программ. Но, к сожалению, возможности современных систем модуляции и демодуляции лазерного луча пока еще весьма ограниченны. Даже наиболее современный модулятор лазерного луча имеет полосу шириной всего лишь 15 ГГц, что позволяет использовать только сотые доли процента колоссальной полосы несущей частоты лазерного луча.

     Другая, пока еще тоже не преодоленная трудность, связана с инерционностью существующих фотодетекторов, «не успевающих» следить за изменением интенсивности промодулированного лазерного луча.

     Ученые многих стран считают, что существуют реальные пути преодоления «модуляционного барьера». Например, используя различные способы многоканальной модуляции, советским конструкторам, и ученым удалось уже создать стационарные экспериментальные линии телефонной лазерной связи между Ереваном и Бюраканом, Москвой, и Красногорском, между МГУ и АТС на Зубовской площади в Москве. Пока по опытным линиям ведутся десятки одновременных телефонных разговоров, но ведь это первые шаги лазерной системы связи.

     У лазерной связи есть еще одно важное преимущество перед радиосвязью ничтожная расходимость луча лазера, что обеспечивает высокую степень направленности передачи.

     Радиостанции излучают электромагнитные волны равномерно во всех направлениях (на вкладке это условно изображено в виде окружностей). Применение специальных радиоантенн, и переход в более коротковолновую область диапазона позволяют создать направленное излучение (чем больше размер антенны и короче длина волны, тем меньше угол расходимости радиоволн). Но, и в сравнении с такими системами радиосвязи расходимость лазерного луча будет еще во много раз меньше. Естественно, чем значительнее расходимость (или фронт волны) любого излучения, тем меньше энергии попадет в приемник. Следовательно, надо ставить более мощные усилители сигналов и больше потреблять энергии на питание приемных систем, что, конечно, ведет к увеличению их веса, и габаритов.

     Лазерные системы связи могут иметь угол расходимости луча в несколько десятков угловых секунд, а с применением фокусирующих систем - до нескольких секунд; этот угол в тысячу раз меньше угла расходимости сантиметровых радиоволн (при одинаковых диаметрах передающих антенн). Благодаря столь острой направленности излучаемая энергия посылается только в сторону приемника и не может быть принята другими станциями, не может помешать соседнему приемнику, работающему на той же длине волны. Это создает высокую помехозащищенность, а отсюда, и надежность передачи; кроме того, невозможно запеленговать такую лазерную станцию, не находясь непосредственно в зоне распространения луча.

     Узкая направленность лазерной передачи позволяет расходовать незначительное количество энергии и обходиться передатчиками малой мощности, что особенно важно для бортовой космической аппаратуры.

     НА ЗЕМЛЕ И В КОСМОСЕ

     Современные системы связи должны работать, как в условиях земной атмосферы, так, и в космосе. Широкому использованию лазеров в наземных системах связи пока препятствуют (кроме уже упоминавшихся трудностей) некоторые чисто физические причины. Самая главная из них - поглощение и рассеяние энергии лазерного луча при прохождении через атмосферу (влияние осадков, пыли, тумана, турбулентности воздуха), что резко снижает дальность передачи. Однако оснований для пессимизма нет. Один из наиболее перспективных путей увеличения дальности лазерной связи в земных условиях открылся после разработки специальных систем стекловолоконных световодов, по которым лазерный луч, как электрический ток по проводам, может распространяться в любых направлениях, «укрывшись от непогоды». Опыты по созданию таких систем связи ведутся во многих странах мира. В Англии, например, недавно была продемонстрирована довольно сложная экспериментальная система 1500-канальной телефонной связи по волоконному световоду. Конструкторы, и ученые, разработавшие эту систему, надеются в ближайшем будущем увеличить ее пропускную способность до 30 000 телефонных или 30 цветных телевизионных каналов.

     Известен и другой путь борьбы с вредным влиянием атмосферы. Дело в том, что электромагнитные волны различной длины поглощаются атмосферой не в равной степени (область длин волн, наименьшим образом поглощаемых атмосферой, называется «окном прозрачности»). Экспериментальным путем установлено, что менее всего поглощаются атмосферой инфракрасные волны длиной 10,6 микрометра. Именно на этой длине волны работают газовые лазеры на СО2, причем мощность их непрерывного излучения (при газодинамическом способе накачки) весьма значительна, и может достигать десятков киловатт! Если даже 99,9 процента мощности такого лазера будет поглощено атмосферой, то и тогда оставшейся мощности хватит для установления связи, например, между Землей, и Марсом. Это открывает исключительные перспективы для развития лазерной связи, хотя на пути конструирования таких систем пока еще стоит целый ряд технических трудностей, и в частности, одной-из них является создание пироприемников (приемники инфракрасного диапазона) с чувствительностью выше, чем 10^-9 Вт.  Естественно, что ограничения дальности лазерной связи, вызываемые атмосферными помехами, автоматически отпадают в условиях космоса.

     Для космоса один из главных критериев при сравнении лазерных систем связи, и радиосистем - это отношение веса бортового оборудования к скорости передачи информации, или, как говорят, к пропускной способности системы. При научных исследованиях далекого космоса или осуществлении связи между объектами («Земля - корабль», «корабль - спутник») необходимая пропускная способность, по подсчетам американских ученых, должна составлять десять миллионов бит (единиц информации) в секунду. Такую высокую пропускную способность, скажем, для системы связи «Земля - Луна» может обеспечить лазер мощностью всего в 1 ватт (пропускная способность радиосхем составляет только 600 бит в секунду). Известно также, что диаметр антенны (на долю которой приходится значительная часть всего веса передающего устройства) уменьшается с уменьшением длины волны. Поэтому при осуществлении дальней связи, например, между космическим кораблем, и Землей с помощью лазера оптическая антенна (телескоп) диаметром 10,2 см сможет заменить (по данным американских ученых) радиочастотную антенну диаметром 30 м.

     При создании систем связи с помощью лазеров в космосе приходится считаться со своими специфическими сложностями трудность обнаружения передатчика на фоне звезд, большие относительные скорости космических кораблей, и сложность наведения луча передатчика на фотоприемник принимающей системы. (При стационарных космических системах связи эти трудности отпадают.)

     Лазерная связь в космосе становится уже реальностью. Так, например, во время полета корабля «Джеминай-7» космонавтам удалось установить связь с Землей по лазерному лучу. Она была удовлетворительной, и длилась две минуты, что практически доказало возможность лазерной связи с космическими кораблями. По оценке зарубежных ученых, уже современный уровень лазерной техники в принципе обеспечивает возможность передачи телевизионных изображений с Марса в реальном масштабе времени. Это значит, что наблюдатель на Земле увидит изображение, посланное с Марса, через 5 минут (спустя время, необходимое на покрытие лучом лазера расстояния от Марса до Земли).

     ТЕЛЕВИДЕНИЕ И КИНО

     В современной науке, и технике все чаще, и чаще возникают потребности передачи телевизионных изображений с последующим их воспроизведением на больших экранах размером до десятков, и сотен квадратных метров, причем разрешающая способность, и контрастность таких изображений должны не только не уступать изображению на современных телевизионных экранах, но, и превосходить их. Для этого требуется значительно большая частота строк 2 000 - 10 000, по сравнению с несколькими сотнями строк на современных телевизорах, контрастность изображения должна быть не ниже 100 1 (отношение яркостей светящихся, и темных точек).

     Естественно, что при проецировании изображения с кинескопа телевизора на большие экраны оптическими методами яркость, и контрастность изображения будут заметно падать (как, например, фотография больших размеров всегда будет менее контрастной по сравнению с меньшей фотографией, сделанной с того же негатива).

     Разработанные в настоящее время в СССР, и за рубежом экспериментальные системы оптического проецирования изображений с телевизора на большие экраны исчерпали свои технические возможности, и не удовлетворяют современным требованиям по яркости, и контрастности. Получить большое, яркое изображение с высокой четкостью можно, если перейти к лазерным способам проекции, использующим колоссальную яркость луча лазера.

     В настоящее время определились два основных направления в создании систем проецирования теле изображения на большие экраны. Первое направление основано на использовании лазеров непрерывного действия (газовых или твердотельных); второе - на применении полупроводниковых лазеров с электроннолучевым возбуждением (ПКГ-трубок). Последнее направление разрабатывается в Физическом институте Академии наук СССР имени П. Лебедева (подробно это описано в журнале «Природа» № 8 за 1970 г.).

     Лазеры непрерывного действия излучают остронаправленный узкий луч (с апертурой 1 - 3 мм) чрезвычайно высокой яркости. Если его предварительно промодулировать по интенсивности видеосигналами с телеприемника, то можно затем с помощью специальных систем развертки поэлементно воспроизвести на экране яркое, и четкое телевизионное изображение больших размеров (до сотен квадратных метров). Принципиальная схема одного из экспериментальных вариантов такой системы (демонстрировалась японскими инженерами на выставке «ЭКСПО-70») показана на цветной вкладке.

     Разрешающая способность лазерного телепроектора может составлять 5 000 - 10 000 линий. Такая четкость изображения недостижима никакими другими существующими способами.

     В лазерном телепроекторе отсутствуют вредные засветки, и ореол, свойственный воспроизводящим устройствам с кинескопами, поэтому контрастность изображения может достигать величины 100 1, и такие изображения (учитывая их яркость) можно демонстрировать без всяких затемнений в солнечный день прямо на улице.

     Развитие, и внедрение таких лазерных проекторов несет неоспоримые выгоды. Цветные кинофильмы можно будет записывать на магнитную пленку, и по телеканалам передавать одновременно в десятки, и сотни кинотеатров. Это значительно удешевит процесс производства кинофильмов, так, как резко уменьшится количество необходимых копий.

     Сегодня даже трудно предусмотреть все те возможности, которые откроются благодаря освоению такого способа наглядного воспроизведения любой информации.

     Существует еще один способ, разрабатываемый в настоящее время в США, и в Японии, при котором с помощью лазера можно записать голографическим методом любое изображение на тонкую пластмассовую ленту, и потом воспроизвести это изображение на экране любого телевизора, использовав при этом специальную лазерную приставку. Такой способ видеозаписи будет значительно проще, надежней, и дешевле существующих систем магнитной видеозаписи. Он позволит в будущем в каждом доме иметь фильмотеку с записью самых различных телепрограмм, которые в любой момент могут быть воспроизведены на экранах стандартных телевизоров.

     Дальнейший прогресс лазерной связи во многом зависит от успехов не только квантовой электроники, занимающейся разработкой лазерных систем, но, и многих смежных областей науки, и техники.

     Инженеры Ю. ЛОХОВ, И. ЛЫСОВА, В. СИПЯГИН.