Comment fonctionne la communication laser

Lorsque les lasers ont été inventés pour la première fois, ils étaient appelés une solution à la recherche d'un problème. Tout le monde pensait qu'ils étaient aussi cool que le condensat de Bose-Einstein, mais personne ne savait vraiment quoi faire de ces appareils capables de produire un faisceau de lumière hautement focalisé.

Aujourd'hui, les lasers sont devenus l'une des technologies les plus importantes au monde, utilisées dans des secteurs allant des technologies de l'information aux télécommunications, en passant par la médecine, l'électronique grand public, l'application de la loi, l'équipement militaire, le divertissement et la fabrication.

Dès les premiers jours du développement du laser, les chercheurs ont réalisé que la lumière pouvait surpasser la radio en termes de vitesse et de densité d'informations. C'est venu à la physique. Les longueurs d'onde lumineuses sont beaucoup plus serrées que les ondes sonores, et elles transmettent plus d'informations par seconde, et avec un signal plus fort. Les communications laser, une fois réalisées, seraient du train à grande vitesse au train de wagons radio [sources : Hadhazy ; Thomson ].

Dans un sens, les lasers sont utilisés dans les communications depuis des années. Nous transférons quotidiennement des informations par laser, que ce soit en lisant des CD et des DVD, en scannant des codes-barres aux caisses ou en exploitant la dorsale à fibre optique des services téléphoniques ou Internet. Désormais, une approche plus directe, qui permettra une communication point à point à haut débit - sur de grandes distances, dans les airs ou dans l'espace, avec peu de perte de données - se profile à l'horizon.

Ça fait un moment que j'arrive ici. Dès 1964, la NASA a caressé l'idée d'utiliser des lasers pour les communications aériennes. L'idée était de convertir la voix d'un pilote d'abord en impulsions électriques, puis en faisceau lumineux. Un récepteur au sol inverserait alors le processus [source : Science News Letter ]. En octobre 2013, la NASA a réalisé et dépassé de loin cette vision lorsqu'un engin en orbite autour de la Lune a envoyé des données à une station terrestre via un faisceau laser pulsé - 239 000 miles (384 600 kilomètres) de transmission à un taux de téléchargement inouï de 622 mégabits par seconde. (Mbit/s) [source : NASA ]. En comparaison, les forfaits de données haut débit grand public se mesurent généralement en dizaines de mégabits.

Et haute vitesse, haute densité est le nom du jeu. Pendant la majeure partie de son histoire, la NASA s'est engagée dans des missions d'exploration audacieuses pour être entravée par l'équivalent des vitesses de téléchargement commutées. Avec les communications laser, l'agence entre dans l'ère du haut débit, ouvrant la porte, entre autres applications, aux transmissions vidéo de haute qualité des futurs rovers.

La NASA n'est pas seule. Les cryptographes et les experts en sécurité considèrent les lasers comme un système de livraison à faisceau étroit et quasi instantané, tandis que la nouvelle génération de commerçants à haute fréquence de Wall Street est prête à payer beaucoup d'argent pour toute connectivité qui peut réduire de quelques millisecondes leurs temps de négociation. Les fabricants d'ordinateurs, qui approchent des limites de ce qui est réalisable avec le cuivre et le silicium, étudient également les applications laser possibles.

Lorsque la vitesse est primordiale et que la lumière marque la limite de vitesse de l'univers , les lasers sont forcément la réponse - si la technologie peut être rendue pratique.

L'objectif des technologies de communication est de transmettre des informations rapidement, complètement et avec précision. Si vous avez déjà dîné avec un rustre, vous savez à quel point un mur de bruit peut contenir peu d'informations ; Si vous avez déjà joué au jeu par téléphone, vous avez constaté à quel point le sens peut être mutilé lorsqu'il est mal relayé.

Historiquement, les communications longue distance ont multiplié ces difficultés. La transmission - par tambour, feu de joie, fumée, drapeau ou lumière - exigeait d'abord une traduction en un code nécessairement simple. Les câbles télégraphiques et le code Morse ont rendu possible une transmission complexe mais coûteuse, renforçant à nouveau la vertu de la brièveté.

La communication électronique moderne nécessite un appareil émetteur capable de coder toutes les données sous une forme transmissible et un récepteur capable de faire la distinction entre le message (signal) et sa ligne statique environnante (bruit). La théorie de l'information , un modèle mathématique mis au point par l'ingénieur américain Claude Shannon en 1948, a fourni le cadre qui a finalement résolu ce problème et rendu possibles des technologies comme le téléphone portable, Internet et le modem [source : National Geographic ].

En principe, les systèmes de communication laser ressemblent aux modems que nous utilisons chez nous depuis l'essor d'Internet. Modem signifie MODulation-DEModulation, un processus dans lequel l'information numérique est convertie en analogique pour la transmission, puis à nouveau. Les premiers modems acoustiques utilisaient des ondes sonores pour la transmission sur les lignes téléphoniques. Les modems optiques passent du son à une partie du spectre à haute fréquence, la lumière.

Ce n'est pas un concept entièrement nouveau. Les appareils audiovisuels avec audio optique , tels que de nombreux lecteurs de DVD, utilisent un appareil semblable à un modem appelé module de transmission pour convertir les signaux numériques en lumière LED ou laser, qui se déplace ensuite le long d'un câble à fibre optique jusqu'à un composant de destination tel qu'un téléviseur ou un récepteur audio. . Là, un module de réception de lumière convertit la lumière en un signal électrique numérique adapté aux haut-parleurs ou aux écouteurs.

La preuve de concept de la NASA Lunar Laser Communication Demonstration ( LLCD ), développée par le Lincoln Laboratory du MIT, utilise un système similaire, mais se passe de la fibre en faveur de la transmission laser dans l'air et l'espace (parfois appelée communication optique en espace libre , ou FSO ). LLCD utilise trois composants :

Avec le succès de l'expérience, l'avenir des communications laser s'est un peu amélioré, mais existe-t-il un marché pour une telle technologie en dehors de l'agence spatiale ? Vous pariez qu'il y en a.

La fibre optique toujours reine

La fibre optique , mise en pratique pour la première fois par le physicien britannique Harold Hopkins en 1952, a progressivement dépassé le câble électronique à mesure que la technologie était améliorée par des lasers accordables plus précisément et des fibres de meilleure qualité. Aujourd'hui, c'est la technologie incontournable pour les communications - du moins jusqu'à ce que la communication FSO devienne plus efficace et efficiente. La technologie, qui transmet des données à l'aide d'impulsions lumineuses rebondies le long d'un câble en verre ou en plastique réfléchissant à l'intérieur, peut transporter plus d'informations par seconde, sur de plus longues distances et sans dégradation, que les impulsions électriques le long de fils de cuivre [source : National Geographic ; Thomson ].

Les communications laser peuvent être une aubaine pour l'exploration spatiale , mais des activités bien plus terrestres détermineront son destin en tant que technologie commerciale.

Prenons, par exemple, la race émergente de traders à grande vitesse de Wall Street qui tirent parti de la puissance de l'analyse quantitative, de la vitesse du haut débit premium et d'une multiplicité de microtransactions pour accumuler des revenus d'un centime à la fois. Pour une entreprise fondée sur des "robo-traders", des algorithmes informatiques effectuant des transactions à la milliseconde selon un ensemble de règles, le temps de transmission est de l'argent et les lasers sont le jeu le plus rapide de la ville [sources : Adler ; Nouvelles de CBS ; Strasbourg ].

Pour tirer le meilleur parti de chaque commerce, des entreprises comme Spread Networks ont investi dans la meilleure fibre disponible et ont coupé tous les nœuds et toutes les courbes possibles des tuyaux de données reliant les capitales commerciales comme Chicago, New York, Londres et Tokyo (chaque mile supplémentaire ajoute environ huit microsecondes aux allers-retours de données). Lorsque cela n'était pas assez rapide, d'autres groupes, comme McKay Brothers et Tradeworx, ont abandonné la fibre optique au profit des micro-ondes diffusées dans l'air. Bien qu'ils ne dépassent que la radio en termes de puissance et de vitesse, les micro-ondes se déplacent plus rapidement dans l'air que la lumière ne traverse les fibres optiques [sources : Adler ; Strasbourg ].

Les lasers afficheraient potentiellement les vitesses les plus rapides de tous ; la vitesse de la lumière dans l'air est presque aussi rapide que dans le vide et pourrait parcourir les 720 miles (1 160 kilomètres) séparant New York et Chicago en environ 3,9 millisecondes - un aller-retour (aka latence) de 7,8 millisecondes, par rapport à 13,0 à 14,5 millisecondes pour les nouveaux systèmes à fibre optique et 8,5 à 9,0 millisecondes pour les émetteurs à micro-ondes [source : Adler ].

Dans le domaine de la sécurité, les lasers et autres systèmes de communication optique offrent des communications plus sécurisées - et les moyens de les espionner. La cryptographie quantique tire parti d'une propriété de la physique quantique, à savoir qu'un tiers ne peut pas détecter l'état quantique de la clé de chiffrement photonique sans l'altérer et, par conséquent, être détecté, pour établir des communications hautement sécurisées à l'aide de faisceaux de photons créés par lasers atténués [sources : Grant ; Wax et al. ]. À l'automne 2008, des chercheurs de Vienne ont commencé à expérimenter un Internet quantique basé en partie sur ce principe [source : Castelvecchi]. Malheureusement, les lasers ont également été utilisés pour intercepter et usurper ces signaux de manière non quantique, contournant ainsi la détection. Les sociétés de chiffrement quantique travaillent à résoudre le problème [sources : Dillow ; Lydersen et al. ].

En fait, les principaux inconvénients des communications laser dans l'atmosphère sont liés aux interférences causées par la pluie, le brouillard ou les polluants, mais étant donné les avantages de la technologie, il est peu probable que ces problèmes arrêtent les progrès de la technologie. Ainsi, au sens propre ou figuré, le ciel est la limite des technologies de communication laser.

1 001 utilisations pour la communication laser

Les communications de données à haut débit possibles entre les réseaux ne sont que la pointe de l'iceberg par rapport à ce qui est possible avec les communications laser, dont beaucoup découlent du manque de connexion physique requise. Les faisceaux peuvent connecter des puces informatiques dans des ordinateurs, traverser des terres et des routes sans nécessiter de droit de passage ou de propriété, et être érigés en réseaux temporaires pendant les batailles ou dans des conditions de catastrophe. Ils peuvent fournir une redondance de réseau, connecter des réseaux optiques existants ou nous rapprocher d'une infrastructure voix-données convergée, le tout avec une vitesse élevée, de faibles taux d'erreur et une immunité aux interférences électromagnétiques [sources : Carter et Muccio ; Markoff ].

Note de l'auteur : Comment fonctionne la communication laser

Les communications laser sont un autre excellent exemple de la façon dont nous vivons dans le futur, mais j'associerai toujours le concept à un épisode du passé. Pendant la guerre froide, Léon Theremin - inventeur de l'entrelacement vidéo ainsi que de l'instrument électrique homonyme entendu dans de nombreux films de science-fiction - a développé un dispositif d'écoute basé sur la lumière capable de mettre sur écoute à distance un bureau (il s'agissait en fait d'un appareil à faible faisceau infrarouge, pas un laser). Il fonctionnait en détectant les vibrations sur une vitre causées par la pression sonore générée par les voix dans la pièce cible. Les Soviétiques ont utilisé cet appareil, l'ancêtre des microphones laser modernes, pour espionner diverses ambassades à Moscou.

Articles Liés