Wie Laserkommunikation funktioniert

Als Laser erfunden wurden, nannte man sie eine Lösung, die nach einem Problem sucht. Jeder dachte, sie seien so cool wie Bose-Einstein-Kondensat, aber niemand wusste so recht, was er mit diesen Geräten anfangen sollte, die einen stark fokussierten Lichtstrahl erzeugen konnten.

Heute sind Laser zu einer der weltweit wichtigsten Technologien geworden, die in Branchen wie Informationstechnologie, Telekommunikation, Medizin, Unterhaltungselektronik, Strafverfolgung, Militärausrüstung, Unterhaltung und Fertigung eingesetzt werden.

Seit den frühesten Tagen der Laserentwicklung erkannten die Forscher, dass Licht das Radio in Bezug auf Informationsgeschwindigkeit und -dichte übertreffen könnte. Es kam auf die Physik an. Lichtwellenlängen sind viel dichter gepackt als Schallwellen, und sie übertragen mehr Informationen pro Sekunde und mit einem stärkeren Signal. Sobald die Laserkommunikation erreicht ist, wäre sie der Hochgeschwindigkeitszug zum Waggonzug des Radios [Quellen: Hadhazy ; Thomsen ].

In gewissem Sinne werden Laser seit Jahren in der Kommunikation eingesetzt. Wir übertragen jeden Tag Informationen per Laser, sei es durch das Lesen von CDs und DVDs, das Scannen von Barcodes an Kassen oder das Anzapfen des Glasfaser-Backbones von Telefon- oder Internetdiensten. Jetzt zeichnet sich ein direkterer Ansatz ab, der eine Punkt-zu-Punkt-Kommunikation mit hohem Durchsatz ermöglicht – über große Entfernungen, durch die Luft oder den Weltraum, mit geringem Datenverlust –.

Es ist eine Weile her, bis wir hier sind. Bereits 1964 spielte die NASA mit der Idee, Laser für die Flugzeugkommunikation einzusetzen. Die Idee war, die Stimme eines Piloten zuerst in elektrische Impulse und dann in einen Lichtstrahl umzuwandeln. Ein Empfänger am Boden würde dann den Vorgang umkehren [Quelle: Science News Letter ]. Im Oktober 2013 hat die NASA diese Vision verwirklicht und weit übertroffen, als ein Schiff, das den Mond umkreist, Daten über einen gepulsten Laserstrahl an eine Erdstation sendete – eine Übertragung von 239.000 Meilen (384.600 Kilometer) mit einer unerhörten Download-Rate von 622 Megabit pro Sekunde (Mbps) [Quelle: NASA ]. Im Vergleich dazu werden Hochgeschwindigkeitsdatenpläne für Verbraucher normalerweise in mehreren zehn Megabit gemessen.

Und High-Speed, High-Density ist der Name des Spiels. Während des größten Teils ihrer Geschichte hat sich die NASA an kühnen Erkundungsmissionen beteiligt, nur um durch das Äquivalent von DFÜ-Download-Geschwindigkeiten behindert zu werden. Mit der Laserkommunikation tritt die Agentur in das Hochgeschwindigkeitszeitalter ein und öffnet die Tür unter anderem für hochwertige Videoübertragungen von zukünftigen Rovern.

Die NASA ist nicht allein. Kryptographen und Sicherheitsexperten betrachten Laser als engstrahlendes, nahezu verzögerungsfreies Liefersystem, während die neue Generation von Hochfrequenzhändlern an der Wall Street bereit ist, viel Geld für jede Konnektivität zu zahlen, die ihre Handelszeiten um Millisekunden verkürzen kann. Auch Computerhersteller, die mit Kupfer und Silizium an die Grenzen des Machbaren stoßen, forschen an möglichen Laseranwendungen.

Wenn Geschwindigkeit alles ist und Licht die Geschwindigkeitsbegrenzung des Universums markiert , sind Laser die Antwort – wenn die Technologie praktikabel gemacht werden kann.

Das Ziel von Kommunikationstechnologien ist es, Informationen schnell, vollständig und genau zu übermitteln. Wenn Sie schon einmal mit einem Rüpel zu Abend gegessen haben, dann wissen Sie, wie wenig Informationen eine Lärmwand enthalten kann; Wenn Sie jemals das Spieltelefon gespielt haben, haben Sie erfahren, wie die Bedeutung verstümmelt werden kann, wenn sie schlecht weitergegeben wird.

In der Vergangenheit haben Fernkommunikationen diese Schwierigkeiten vervielfacht. Die Übertragung – durch Trommeln, Freudenfeuer, Rauch, Flagge oder Licht – erforderte zunächst die Übersetzung in einen notwendigerweise einfachen Code. Telegraphenkabel und Morsecode machten eine komplexe Übertragung möglich, aber teuer, was wiederum die Tugend der Kürze durchsetzte.

Moderne elektronische Kommunikation erfordert ein sendendes Gerät, das beliebige Daten in eine übertragbare Form kodieren kann, und einen Empfänger, der zwischen der Nachricht (Signal) und dem umgebenden Leitungsrauschen (Rauschen) unterscheiden kann. Die Informationstheorie , ein mathematisches Modell, das 1948 vom US-Ingenieur Claude Shannon entwickelt wurde, lieferte den Rahmen, der dieses Problem letztendlich löste und Technologien wie das Mobiltelefon, das Internet und das Modem möglich machte [Quelle: National Geographic ].

Im Prinzip ähneln Laserkommunikationssysteme den Modems, die wir seit dem Aufkommen des Internets in unseren Häusern verwenden. Modem steht für MODulation-DEModulation, ein Verfahren, bei dem digitale Informationen zur Übertragung in analoge und dann wieder zurück umgewandelt werden. Frühe akustische Modems verwendeten Schallwellen zur Übertragung über Telefonleitungen. Optische Modems bewegen sich vom Ton zu einem höherfrequenten Teil des Spektrums, dem Licht.

Es ist kein völlig neues Konzept. Audiovisuelle Geräte mit optischem Audio , wie z. B. viele DVD-Player, verwenden ein modemähnliches Gerät, das als Übertragungsmodul bezeichnet wird , um digitale Signale in LED- oder Laserlicht umzuwandeln, das dann über Glasfaserkabel zu einer Zielkomponente wie einem Fernseh- oder Audioempfänger wandert . Dort wandelt ein Lichtempfangsmodul das Licht wieder in ein digitales elektrisches Signal um, das für Lautsprecher oder Kopfhörer geeignet ist.

Die vom Lincoln Laboratory des MIT entwickelte Proof-of-Concept Lunar Laser Communication Demonstration ( LLCD ) der NASA verwendet ein ähnliches System, verzichtet jedoch zugunsten der Laserübertragung durch Luft und Weltraum (manchmal auch als optische Freiraumkommunikation oder FSO bezeichnet) auf die Faser ). LLCD verwendet drei Komponenten:

Mit dem Erfolg des Experiments wurde die Zukunft der Laserkommunikation etwas heller, aber gibt es einen Markt für eine solche Technologie außerhalb der Weltraumbehörde? Sie wetten, es gibt.

Glasfaser immer noch König

Faseroptik , die erstmals 1952 vom britischen Physiker Harold Hopkins praktisch umgesetzt wurde, überholte allmählich das elektronische Kabel, als die Technologie durch präziser abstimmbare Laser und hochwertigere Fasern verbessert wurde. Heute ist es die Technologie der Wahl für die Kommunikation – zumindest bis die FSO-Kommunikation effizienter und effektiver wird. Die Technologie, die Daten mithilfe von Lichtimpulsen überträgt, die entlang von innen reflektierenden Glas- oder Kunststoffkabeln reflektiert werden, kann mehr Informationen pro Sekunde über größere Entfernungen und ohne Beeinträchtigung übertragen als elektrische Impulse entlang Kupferdrähten [Quelle: National Geographic ; Thomsen ].

Laserkommunikation mag ein Segen für die Weltraumforschung sein , aber weitaus irdischere Bestrebungen werden ihr Schicksal als kommerzielle Technologie bestimmen.

Nehmen Sie zum Beispiel die aufstrebende Art von Hochgeschwindigkeitshändlern an der Wall Street, die die Leistungsfähigkeit der quantitativen Analyse, die Geschwindigkeit von Premium-Breitband und eine Vielzahl von Mikrotransaktionen nutzen, um Gewinne um einen Cent nach dem anderen anzuhäufen. Für ein Unternehmen, das auf „Robo-Tradern“ aufgebaut ist, Computeralgorithmen, die Millisekunden-Trades gemäß einer Reihe von Regeln durchführen, ist Übertragungszeit Geld, und Laser sind das schnellste Spiel der Stadt [Quellen: Adler ; CBS-Nachrichten ; Straßburg ].

Um das Beste aus jedem Trade herauszuholen, investierten Unternehmen wie Spread Networks in die besten verfügbaren Glasfasern und schnitten jeden Knick und jede Kurve, die sie konnten, aus den Datenschläuchen heraus, die Handelshauptstädte wie Chicago, New York, London und Tokio verbinden (jede zusätzliche Meile fügt etwa acht hinzu Mikrosekunden zu Daten-Roundtrips). Als das nicht schnell genug war, verwarfen andere Gruppen wie McKay Brothers und Tradeworx Glasfasern zugunsten von Mikrowellen, die durch die Luft gestrahlt wurden. Obwohl sie hinsichtlich Leistung und Geschwindigkeit nur einen Schritt über dem Radio liegen, bewegen sich Mikrowellen schneller durch die Luft als Licht durch Glasfasern [Quellen: Adler ; Straßburg ].

Laser würden möglicherweise die höchsten Geschwindigkeiten von allen erreichen; Die Lichtgeschwindigkeit durch Luft ist fast so schnell wie in einem Vakuum und könnte die 720 Meilen (1.160 Kilometer) zwischen New York und Chicago in etwa 3,9 Millisekunden durchqueren – eine Hin- und Rückfahrt (auch bekannt als Latenz) von 7,8 Millisekunden im Vergleich zu 13,0–14,5 Millisekunden für neue Glasfasersysteme und 8,5–9,0 Millisekunden für Mikrowellensender [Quelle: Adler ].

Im Sicherheitsbereich bieten Laser und andere optische Kommunikationssysteme eine sicherere Kommunikation – und die Möglichkeit, sie abzuhören. Die Quantenkryptographie nutzt eine Eigenschaft der Quantenphysik aus – nämlich, dass ein Dritter den Quantenzustand des photonischen Verschlüsselungsschlüssels nicht erkennen kann, ohne ihn zu verändern, und daher erkannt wird –, um eine hochsichere Kommunikation mit Hilfe von erzeugten Photonenstrahlen herzustellen abgeschwächte Laser [Quellen: Grant ; Wakset al. ]. Im Herbst 2008 begannen Forscher in Wien damit, mit einem Quanteninternet zu experimentieren, das teilweise auf diesem Prinzip basiert [Quelle: Castelvecchi]. Leider wurden Laser auch verwendet, um solche Signale auf nicht-quantenmechanische Weise abzufangen und zu fälschen, wodurch die Erkennung umgangen wurde. Quantenverschlüsselungsfirmen arbeiten daran, das Problem anzugehen [Quellen: Dillow ; Lydersenet al. ].

Tatsächlich haben die Hauptnachteile der Laserkommunikation in der Atmosphäre mit Störungen durch Regen, Nebel oder Schadstoffe zu tun, aber angesichts der Vorteile der Technologie ist es unwahrscheinlich, dass diese Probleme den Fortschritt der Technologie aufhalten. Also, buchstäblich oder im übertragenen Sinne, der Himmel ist die Grenze für Laserkommunikationstechnologien.

1.001 Anwendungen für die Laserkommunikation

Die zwischen Netzwerken möglichen Hochgeschwindigkeitsdatenkommunikationen sind nur die Spitze des Eisbergs hinsichtlich dessen, was mit Laserkommunikation möglich ist, von denen viele auf das Fehlen einer erforderlichen physischen Verbindung zurückzuführen sind. Balken können Computerchips innerhalb von Computern verbinden, Länder und Straßen überqueren, ohne dass Vorfahrt oder Eigentum erforderlich sind, und während Kämpfen oder Katastrophenbedingungen als temporäre Netzwerke errichtet werden. Sie können Netzwerkredundanz bereitstellen, vorhandene optische Netzwerke verbinden oder uns einer konvergierten Sprachdateninfrastruktur näher bringen – alles mit hoher Geschwindigkeit, niedrigen Fehlerraten und Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen [Quellen: Carter und Muccio ; Abschlag ].

Anmerkung des Autors: Funktionsweise der Laserkommunikation

Laserkommunikation ist ein weiteres großartiges Beispiel dafür, wie wir in der Zukunft leben, aber ich werde das Konzept immer mit einer Episode aus der Vergangenheit in Verbindung bringen. Während des Kalten Krieges entwickelte Léon Theremin – Erfinder des Video-Interlacing sowie des namensgebenden elektrischen Instruments, das in zahlreichen Science-Fiction-Filmen zu hören ist – ein lichtbasiertes Abhörgerät, das ein Büro fernabhören konnte (es war eigentlich ein Low-Power-Gerät). Infrarotstrahl, kein Laser). Es funktionierte, indem es die Vibrationen auf einer Glasscheibe erfasste, die durch den Schalldruck verursacht wurden, der von Stimmen im Zielraum erzeugt wurde. Die Sowjets benutzten dieses Gerät, den Vorläufer moderner Lasermikrofone, um verschiedene Botschaften in Moskau zu belauschen.

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