Konstnärens återgivning av NASAs Lunar Laser Communications Demonstration Image med tillstånd av NASA När lasrar först uppfanns, de kallades en lösning som letade efter ett problem. Alla tyckte att de var lika coola som Bose-Einstein-kondensat, men ingen visste riktigt vad de skulle göra med dessa enheter som kunde producera en mycket fokuserad ljusstråle.
I dag, lasrar har blivit en av världens viktigaste tekniker, används i branscher som sträcker sig från informationsteknik till telekommunikation, medicin, hemelektronik, rättsväsende, militär utrustning, underhållning och tillverkning.
Från de tidigaste dagarna med laserutveckling, forskare insåg att ljus kan överträffa radio när det gäller informationshastighet och densitet. Det kom till fysiken. Ljusvåglängder packas mycket tätare än ljudvågor, och de överför mer information per sekund, och med en starkare signal. Laserkommunikation, en gång uppnått, skulle vara bullet tåget till radioens vagn tåg [källor:Hadhazy; Thomsen].
På sätt och vis, lasrar har använts i kommunikation i åratal. Vi överför information via laser varje dag, om man läser CD -skivor och DVD -skivor, skanna streckkoder vid kassan eller trycka på fiberoptikens ryggrad i telefon- eller internettjänster. Nu ett mer direkt tillvägagångssätt, en som tillåter hög genomströmning punkt-till-punkt-kommunikation-över stora avstånd, genom luften eller rymden, med liten dataförlust - är i horisonten.
Det har varit ett tag att komma hit. Så långt tillbaka som 1964, NASA lekte med tanken att använda lasrar för flygplanskommunikation. Tanken var att först omvandla en pilots röst till elektriska pulser, sedan in i en ljusstråle. En mottagare på marken skulle sedan vända processen [källa:Science News Letter]. I oktober 2013, NASA insåg och överskred denna vision långt när ett fartyg som kretsade runt månen skickade data till en jordstation via en pulserad laserstråle - 239, 000 miles (384, 600 kilometer) överföring med en oöverträffad nedladdningshastighet på 622 megabit per sekund (Mbps) [källa:NASA]. Som jämförelse, höghastighets konsumentdataplaner mäts vanligtvis i tiotals megabit.
Och höghastighet, hög densitet är namnet på spelet. Under större delen av sin historia, NASA har engagerat sig i djärva utforskningsuppdrag bara för att hämmas av motsvarigheten till uppringda nedladdningshastigheter. Med laserkommunikation, byrån går in i höghastighetsåldern, öppna dörren för, bland andra applikationer, högkvalitativa videoöverföringar från framtida rovers.
NASA är inte ensam. Kryptografer och säkerhetsexperter ser på lasrar som en strålande, nästan omedelbart leveranssystem, medan den nya rasen av högfrekvenshandlare på Wall Street är villiga att betala stora pengar för alla anslutningar som kan raka millisekunder av deras handelstid. Datortillverkare, närmar sig gränserna för vad som kan uppnås med koppar och kisel, undersöker också möjliga laserapplikationer.
När hastigheten är allt och ljuset markerar universums hastighetsbegränsning, lasrar kommer säkert att vara svaret - om tekniken kan göras praktisk.
Målet med kommunikationsteknik är att snabbt förmedla information, helt och exakt. Om du någonsin har ätit middag med en boor, då vet du hur lite information en vägg av buller kan innehålla; om du någonsin spelat speltelefonen, du har upplevt hur meningslöshet kan misslyckas när den är dåligt vidarebefordrad.
Historiskt sett långväga kommunikationer har mångfaldigat dessa svårigheter. Transmission - med trumma, bål, rök, flagga eller ljus - först krävs översättning till en nödvändigtvis enkel kod. Telegrafkablar och Morsekod gjorde komplex överföring möjlig men dyr, återigen genomdriva dygden av korthet.
Modern elektronisk kommunikation kräver en sändaranordning som kan koda alla data till en överförbar form och en mottagare som kan skilja mellan meddelandet (signalen) och dess omgivande linje statisk (brus). Informationsteori , en matematisk modell som föddes av den amerikanska ingenjören Claude Shannon 1948, gav den ram som slutligen löste detta problem och tillverkade tekniker som mobiltelefonen, Internet och modemet möjligt [källa:National Geographic].
I princip, laserkommunikationssystem liknar de modem som vi har använt i våra hem sedan Internetets uppkomst. Modem står för MODulation-DEModulation, en process där digital information omvandlas till analog för överföring, sedan tillbaka igen. Tidiga akustiska modem använde ljudvågor för överföring över telefonlinjer. Optiska modem rör sig från ljud till en högre frekvensdel av spektrumet, ljus.
Det är inte ett helt nytt koncept. Audiovisuella enheter med optiskt ljud, som många DVD -spelare, använd en modemliknande enhet som kallas a överföringsmodul för att konvertera digitala signaler till LED- eller laserljus, som sedan färdas längs fiberoptisk kabel till en destinationskomponent såsom en TV- eller ljudmottagare. Det finns en ljusmottagningsmodul konverterar ljuset tillbaka till en digital elektrisk signal som är lämplig för högtalare eller hörlurar.
NASA:s proof-of-concept Lunar laser kommunikation demonstration ( LLCD ), utvecklad av MIT:s Lincoln Laboratory, använder ett liknande system, men avstår från fibern till förmån för laseröverföring genom luft och rymd (kallas ibland ledig optisk kommunikation , eller FSO ). LLCD använder tre komponenter:
Med experimentets framgång, laserkommunikationens framtid blev bara lite ljusare, men finns det en marknad för sådan teknik utanför rymdorganisationen? Du satsar på att det finns.
Fiber Optics Still KingFiberoptik, första gången praktiskt av den brittiske fysikern Harold Hopkins 1952, gradvis överträffade elektronisk kabel när tekniken förbättrades med mer exakt avstämbara lasrar och fiber av högre kvalitet. I dag, det är teknik för kommunikation-åtminstone tills FSO-kommunikation blir mer effektiv och effektiv. Teknologin, som överför data med hjälp av ljuspulser studsade längs internt reflekterande glas eller plastkabel, kan bära mer information per sekund, för längre sträckor och utan nedbrytning, än kan elektriska pulser längs koppartrådar [källa:National Geographic; Thomsen].
Laserkommunikation kan vara en välsignelse för utforskning av rymden, men mycket mer jordiska sysslor kommer att avgöra dess öde som en kommersiell teknik.
Ta, till exempel, Wall Street framväxande ras av höghastighetshandlare som utnyttjar kraften i kvantitativ analys, hastigheten på premiumbredband och en mångfald mikrotransaktioner för att höja intäkterna en bråkdel i slant. För ett företag som bygger på "robo-handlare, "datoralgoritmer som gör millisekundshandlingar enligt en uppsättning regler, överföringstid är pengar, och lasrar är stadens snabbaste spel [källor:Adler; CBS Nyheter; Strasburg].
För att pressa ut det mesta av varje handel, företag som Spread Networks investerade i den bästa tillgängliga fibern och klippte varje knuff och kurva de kunde från dataslangarna som förbinder handelsstäder som Chicago, New York, London och Tokyo (varje extra mil lägger till cirka åtta mikrosekunder till data tur och retur). När det inte var tillräckligt snabbt, andra grupper, som McKay Brothers och Tradeworx, kastade fiberoptik åt sidan till förmån för mikrovågor som strålade genom luften. Även om det bara är ett steg över radion när det gäller kraft och hastighet, mikrovågor färdas snabbare genom luft än ljus passerar genom fiberoptik [källor:Adler; Strasburg].
Lasrar skulle potentiellt lägga ut de snabbaste hastigheterna av alla; ljusets hastighet genom luften är nästan lika snabb som i ett vakuum, och kunde korsa 720 milen (1, 160 kilometer) som separerar New York och Chicago på cirka 3,9 millisekunder-en tur och retur (aka latens) på 7,8 millisekunder, jämfört med 13,0-14,5 millisekunder för nya fiberoptiska system och 8,5-9,0 millisekunder för mikrovågssändare [källa:Adler].
På säkerhetsområdet, lasrar och andra optiska kommunikationssystem erbjuder säkrare kommunikation - och sätten att avlyssna dem. Kvantkryptografi drar fördel av en egenskap hos kvantfysik - nämligen att en tredje part inte kan upptäcka kvanttillståndet för den fotoniska krypteringsnyckeln utan att ändra den och, därför, upptäcks - för att upprätta mycket säker kommunikation med hjälp av strålar av fotoner skapade av dämpade lasrar [källor:Grant; Waks et al.]. Hösten 2008, forskare i Wien började experimentera med ett kvantinternet som delvis baserades på denna princip [källa:Castelvecchi]. Tyvärr, lasrar har också använts för att fånga upp och förfalska sådana signaler på ett icke-kvantiskt sätt, och därigenom kringgå detektionen. Kvantkrypteringsföretag arbetar med att lösa problemet [källor:Dillow; Lydersen et al.].
Faktiskt, de största nackdelarna med laserkommunikation i atmosfären har att göra med störningar av regn, dimma eller föroreningar, men med tanke på teknikens fördelar, dessa frågor kommer sannolikt inte att stoppa teknikens framsteg. Så, bokstavligen eller bildligt, himlen är gränsen för laserkommunikationsteknik.
1, 001 Användningar för laserkommunikationDen snabba datakommunikation som är möjlig mellan nätverk är bara toppen av isberget om vad som är möjligt med laserkommunikation, varav många härrör från bristen på fysisk anslutning som krävs. Strålar kan ansluta datorchips i datorer, korsa mark och vägar utan att kräva vägrätt eller äganderätt, och uppföras som tillfälliga nätverk under strider eller under katastrofförhållanden. De kan tillhandahålla nätverksredundans, ansluta befintliga optiska nätverk eller ta oss närmare konvergerad röstdatainfrastruktur-allt med hög hastighet, låga felfrekvenser och immunitet mot elektromagnetisk störning [källor:Carter och Muccio; Markoff].
Laserkommunikation är ett annat bra exempel på hur vi lever i framtiden, men jag kommer alltid att associera konceptet med ett avsnitt från det förflutna. Under det kalla kriget, Léon Theremin-uppfinnare av videointerlacing såväl som det elektriska instrumentet som hörs i massor av science fiction-filmer-utvecklade en ljusbaserad lyssningsenhet som kan fjärrstyra ett kontor (det var faktiskt en infraröd stråle med låg effekt, inte en laser). Det fungerade genom att detektera vibrationerna på en glasruta orsakade av ljudtrycket som genereras av röster i målrummet. Sovjeterna använde denna enhet, förfader till moderna lasermikrofoner, att avlyssna olika ambassader i Moskva.
