Como funciona a comunicação a laser

Quando os lasers foram inventados, eles foram chamados de uma solução à procura de um problema. Todos achavam que eles eram tão legais quanto o condensado de Bose-Einstein, mas ninguém sabia muito bem o que fazer com esses dispositivos que podiam produzir um feixe de luz altamente focalizado.

Hoje, os lasers se tornaram uma das tecnologias mais importantes do mundo, usados ​​em indústrias que vão desde tecnologia da informação a telecomunicações, medicina, eletrônicos de consumo, aplicação da lei, equipamentos militares, entretenimento e manufatura.

Desde os primeiros dias do desenvolvimento do laser, os pesquisadores perceberam que a luz poderia superar o rádio em termos de velocidade e densidade da informação. Chegou à física. Os comprimentos de onda da luz são compactados com muito mais força do que as ondas sonoras e transmitem mais informações por segundo e com um sinal mais forte. As comunicações a laser, uma vez alcançadas, seriam o trem bala para o vagão do rádio [fontes: Hadhazy ; Thomsen ].

De certa forma, os lasers são usados ​​em comunicações há anos. Transferimos informações via laser todos os dias, seja lendo CDs e DVDs, escaneando códigos de barras nas filas de caixas ou acessando o backbone de fibra óptica de serviços de telefone ou Internet. Agora, uma abordagem mais direta, que permitirá a comunicação ponto a ponto de alto rendimento - em grandes distâncias, através do ar ou do espaço, com pouca perda de dados - está no horizonte.

Demorou para chegar aqui. Já em 1964, a NASA brincou com a ideia de usar lasers para comunicações de avião. A ideia era converter a voz de um piloto primeiro em pulsos elétricos, depois em um feixe de luz. Um receptor no solo reverteria o processo [fonte: Science News Letter ]. Em outubro de 2013, a NASA percebeu e superou em muito essa visão quando uma nave orbitando a lua enviou dados para uma estação terrestre por meio de um feixe de laser pulsado - 239.000 milhas (384.600 quilômetros) de transmissão a uma taxa de download inédita de 622 megabits por segundo (Mbps) [fonte: NASA ]. Em comparação, os planos de dados do consumidor de alta velocidade são geralmente medidos em dezenas de megabits.

E alta velocidade, alta densidade é o nome do jogo. Durante a maior parte de sua história, a NASA se envolveu em missões audaciosas de exploração apenas para ser prejudicada pelo equivalente a velocidades de download dial-up. Com comunicações a laser, a agência está entrando na era da alta velocidade, abrindo as portas para, entre outras aplicações, transmissões de vídeo de alta qualidade de futuros rovers.

A NASA não está sozinha. Criptógrafos e especialistas em segurança olham para os lasers como um sistema de entrega quase instantâneo, enquanto a nova geração de operadores de alta frequência em Wall Street está disposta a pagar muito dinheiro por qualquer conectividade que possa reduzir milissegundos em seus tempos de negociação. Os fabricantes de computadores, chegando aos limites do que é possível com cobre e silício, também estão pesquisando possíveis aplicações de laser.

Quando a velocidade é tudo e a luz marca o limite de velocidade do universo , os lasers são a resposta – se a tecnologia puder ser colocada em prática.

O objetivo das tecnologias de comunicação é transmitir informações de forma rápida, completa e precisa. Se você já jantou com um grosseiro, sabe como uma parede de ruído pode conter pouca informação; se você já jogou o telefone do jogo, você experimentou como o significado pode ser desfigurado quando mal retransmitido.

Historicamente, as comunicações de longa distância multiplicaram essas dificuldades. A transmissão - por tambor, fogueira, fumaça, bandeira ou luz - primeiro exigia tradução em um código necessariamente simples. Cabos de telégrafo e código Morse tornaram possível a transmissão complexa, mas cara, reforçando novamente a virtude da brevidade.

A comunicação eletrônica moderna requer um dispositivo de envio que possa codificar qualquer dado em uma forma transmissível e um receptor que possa distinguir entre a mensagem (sinal) e sua linha circundante estática (ruído). A teoria da informação , um modelo matemático iniciado pelo engenheiro americano Claude Shannon em 1948, forneceu a estrutura que finalmente resolveu esse problema e tornou possíveis tecnologias como o telefone celular, a Internet e o modem [fonte: National Geographic ].

Em princípio, os sistemas de comunicação a laser se assemelham aos modems que usamos em nossas casas desde o surgimento da Internet. Modem significa MODulation-DEModulation, um processo no qual a informação digital é convertida em analógica para transmissão e depois de volta. Os primeiros modems acústicos usavam ondas sonoras para transmissão por linhas telefônicas. Os modems ópticos passam do som para uma parte de frequência mais alta do espectro, a luz.

Não é um conceito inteiramente novo. Dispositivos audiovisuais com áudio óptico , como muitos DVD players, usam um dispositivo semelhante a um modem chamado módulo de transmissão para converter sinais digitais em LED ou luz laser, que então viaja ao longo do cabo de fibra óptica para um componente de destino, como uma televisão ou receptor de áudio . Lá, um módulo de recepção de luz converte a luz de volta em um sinal elétrico digital adequado para alto-falantes ou fones de ouvido.

A prova de conceito Lunar Laser Communication Demonstration ( LLCD ), da NASA, desenvolvida pelo Lincoln Laboratory do MIT, usa um sistema semelhante, mas dispensa a fibra em favor da transmissão a laser através do ar e do espaço (às vezes chamado de comunicação óptica de espaço livre , ou FSO ). LLCD usa três componentes:

Com o sucesso do experimento, o futuro das comunicações a laser ficou um pouco mais brilhante, mas existe um mercado para essa tecnologia fora da agência espacial? Pode apostar que existe.

Fibra Óptica Ainda Rei

A fibra ótica , primeiro tornada prática pelo físico britânico Harold Hopkins em 1952, gradualmente ultrapassou o cabo eletrônico à medida que a tecnologia foi aprimorada por lasers ajustáveis ​​com mais precisão e fibra de alta qualidade. Hoje, é a tecnologia para comunicações - pelo menos até que a comunicação FSO se torne mais eficiente e eficaz. A tecnologia, que transmite dados usando pulsos de luz refletidos ao longo de vidro ou cabo plástico internamente refletivo, pode transportar mais informações por segundo, por distâncias maiores e sem degradação, do que pulsos elétricos ao longo de fios de cobre [fonte: National Geographic ; Thomsen ].

As comunicações a laser podem ser uma bênção para a exploração espacial , mas atividades muito mais terrenas determinarão seu destino como tecnologia comercial.

Tomemos, por exemplo, a geração emergente de operadores de alta velocidade de Wall Street que aproveitam o poder da análise quantitativa, a velocidade da banda larga premium e uma multiplicidade de microtransações para acumular ganhos fracionários de um centavo por vez. Para um negócio baseado em "robo-traders", algoritmos de computador fazendo negócios de milissegundos de acordo com um conjunto de regras, o tempo de transmissão é dinheiro, e os lasers são o jogo mais rápido da cidade [fontes: Adler ; CBS News ; Estrasburgo ].

Para extrair o máximo de cada operação, empresas como a Spread Networks investiram na melhor fibra disponível e cortaram todas as dobras e curvas que podiam das mangueiras de dados que conectam capitais comerciais como Chicago, Nova York, Londres e Tóquio (cada milha extra adiciona cerca de oito microssegundos para viagens de ida e volta de dados). Quando isso não foi rápido o suficiente, outros grupos, como McKay Brothers e Tradeworx, deixaram a fibra ótica de lado em favor das microondas transmitidas pelo ar. Embora apenas um passo acima do rádio em termos de potência e velocidade, as micro-ondas viajam mais rápido pelo ar do que a luz passa pela fibra ótica [fontes: Adler ; Estrasburgo ].

Os lasers teriam potencialmente as velocidades mais rápidas de todas; a velocidade da luz através do ar é quase tão rápida quanto no vácuo e pode atravessar as 1.160 quilômetros que separam Nova York e Chicago em cerca de 3,9 milissegundos - uma viagem de ida e volta (também conhecida como latência) de 7,8 milissegundos, em comparação com 13,0-14,5 milissegundos para novos sistemas de fibra óptica e 8,5-9,0 milissegundos para transmissores de microondas [fonte: Adler ].

Na esfera da segurança, lasers e outros sistemas de comunicação óptica oferecem comunicações mais seguras - e os meios para espioná-las. A criptografia quântica tira proveito de uma propriedade da física quântica - ou seja, que um terceiro não pode detectar o estado quântico da chave de criptografia fotônica sem alterá-lo e, portanto, ser detectado - para estabelecer comunicações altamente seguras usando feixes de fótons criados por lasers atenuados [fontes: Grant ; Waks et ai. ]. No outono de 2008, pesquisadores em Viena começaram a experimentar uma Internet quântica baseada em parte nesse princípio [fonte: Castelvecchi]. Infelizmente, os lasers também têm sido usados ​​para interceptar e falsificar esses sinais de maneira não quântica, evitando assim a detecção. As empresas de criptografia quântica estão trabalhando para resolver o problema [fontes: Dillow ; Lydersen et ai. ].

De fato, as principais desvantagens das comunicações a laser na atmosfera têm a ver com a interferência de chuva, neblina ou poluentes, mas, dadas as vantagens da tecnologia, é improvável que esses problemas impeçam o progresso da tecnologia. Assim, literal ou figurativamente, o céu é o limite para as tecnologias de comunicação a laser.

1.001 usos para comunicação a laser

As comunicações de dados de alta velocidade possíveis entre redes são apenas a ponta do iceberg do que é possível com as comunicações a laser, muitas das quais derivam da falta de conexão física necessária. Os feixes podem conectar chips de computador dentro de computadores, cruzar terrenos e estradas sem exigir direito de passagem ou propriedade, e ser erguidos como redes temporárias durante batalhas ou em condições de desastre. Eles podem fornecer redundância de rede, conectar redes ópticas existentes ou nos aproximar da infraestrutura convergente de voz e dados -- tudo com alta velocidade, baixas taxas de erro e imunidade a interferência eletromagnética [fontes: Carter e Muccio ; Markoff ].

Nota do autor: como funciona a comunicação a laser

As comunicações a laser são outro grande exemplo de como estamos vivendo no futuro, mas sempre associo o conceito a um episódio do passado. Durante a Guerra Fria, Léon Theremin - inventor do entrelaçamento de vídeo, bem como do instrumento elétrico homônimo ouvido em dezenas de filmes de ficção científica - desenvolveu um dispositivo de escuta baseado em luz capaz de grampear remotamente um escritório (na verdade, era um aparelho de baixo consumo de energia). feixe infravermelho, não um laser). Funcionava detectando as vibrações em um painel de vidro causadas pela pressão sonora gerada por vozes dentro da sala-alvo. Os soviéticos usaram este dispositivo, o ancestral dos microfones a laser modernos, para espionar várias embaixadas em Moscou.

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