Lasery w komunikacji

Globalny ruch internetowy bezustannie rośnie. Z raportu Cisco Visual Networking Index wynika, że w roku 2021 całkowity ruch sieciowy sięgnie około 3,3 zettabajtów, czyli niemal trzykrotnie więcej niż w roku 2016. Średnia przepustowość łączy szerokopasmowych ma się zwiększyć do 53 Mb/s. Do „przyziemnych” problemów dołącza jeszcze jeden, o wiele bardziej doniosły. Już niedługo rozpocznie się era kolonizacji kosmosu. Odległości, które będą musiały przebyć informacje wysyłane np. załogom lecącym na Marsa, są zupełnie nowym wyzwaniem dla naukowców.

Technologia komunikacyjna, którą dysponujemy obecnie, wkrótce stanie się niewystarczająca. Potrzebny jest rewolucyjny krok naprzód – taki, który pozostawi fale radiowe i światłowody daleko w tyle.

Laser nie jest nowością w świecie komputerów. Niewielkie lasery półprzewodnikowe służą już od lat w napędach dysków optycznych czy jako nadajniki w światłowodach. Zasada ich działania jest prosta: przepływający prąd wywołuje błyski stanowiące zakodowaną informację. Od wynalezienia w roku 1962 te urządzenia cieszą się niesłabnącą popularnością. Mają niski koszt produkcji, dużą wydajność i kompaktową konstrukcję.

Na początku do przesyłu danych światłowodem wykorzystywano lasery monochromatyczne. Później przeprowadzano próby skonstruowania systemu z wieloma kolorami, by umożliwić podział przesyłanej informacji na „strumienie.” To podejście wykorzystywane jest od dawna w sieciach Wi-Fi oraz telewizji cyfrowej. Kilka lat temu w eksperymencie przeprowadzonym przez profesora Jürga Leutholda z Instytutu Fotoniki, Elektroniki Kwantowej i Mikrostruktur w Karlsruhe udało się przesłać 26 terabitów w sekundę na odległość 50 kilometrów. Wykorzystano do tego 370 laserów świecących w 325 różnych kolorach, a po stronie odbiornika konieczne było opracowanie zupełnie nowego systemu do odkodowywania napływających danych.

Miniaturowe lasery są też wykorzystywane przy budowie komputerów. Transmisja cyfrowej informacji za pomocą wiązki światła jest o wiele szybsza niż „klasyczna”, z użyciem impulsów elektrycznych w przewodnikach. Dlatego dziś optyczna transmisja nie jest niczym wyjątkowym nawet na płycie głównej komputera. To właśnie w ten sposób firma Lightfleet skonstruowała superszybki komputer wyposażony w 32 procesory, komunikujące się między sobą wiązkami światła. Okazało się, że tak zbudowane urządzenie ma mniejsze zapotrzebowanie na energię niż „normalny” odpowiednik.

Mimo imponujących osiągnięć światłowody mają swoje wady. Światło jest zamknięte w przewodzie wypełnionym zazwyczaj włóknem szklanym lub plastikiem, który uniemożliwia ucieczkę promieni na zewnątrz. Materiały te w pewnym stopniu tłumią impulsy, co wpływa negatywnie na jakość sygnału. Ponadto zachodzi zjawisko dyspersji powodujące, że fale świetlne o różnych długościach docierają do odbiornika z opóźnieniem względem siebie. Im dłuższy przewód, tym bardziej zniekształcony jest sygnał wyjściowy. To znacząco ogranicza maksymalną długość przewodów, a górna granica przepustowości to około trzech terabajtów na sekundę. Kable wypełnione w środku powietrzem mają lepsze parametry, przepustowość sięga aż 74 TB/s.

Światłowody to w zasadzie etap przejściowy. Udało się zaprząc światło do pracy w telekomunikacji, co znacznie przyspieszyło transfer danych, ale doskonale wiadomo, że wyniki mogłyby być jeszcze lepsze. Poza tym nie wszędzie da się poprowadzić kabel.

Światłowody i minilasery wewnątrz komputera mają spore możliwości, ale to jedynie ułamek prawdziwego potencjału, który drzemie w skondensowanych wiązkach światła. Wspomniane wcześniej przewody wypełnione powietrzem umożliwiają rozwijanie niesamowitych prędkości transmisji – a co stałoby się, gdyby wysłać taki sygnał bez wykorzystania kabla?

Niestety nie jest to takie proste. W atmosferze wiązka lasera łatwo ulega rozproszeniu, nawet jeśli po drodze nie napotka przeszkody w postaci ciała stałego. Nie zniechęca to jednak naukowców na całym świecie i próby wykorzystania laserów w bezprzewodowej komunikacji na duże odległości coraz częściej kończą się powodzeniem. Tak było w doświadczeniu przeprowadzonym przez zespół z Uniwersytetu w Maryland. Badacze otoczyli główną wiązkę zawierającą informację czterema innymi wiązkami. Te działały jak ekran odbijający rozpraszające się światło i utrzymujący transmisję „w całości”. Duże nadzieje wiąże się również z laserami impulsowymi: zapewniają mniejszą przepustowość, ale nadają sygnał o większej mocy. Mogą posłużyć jako skuteczny sposób komunikacji między mniej oddalonymi punktami, na przykład na polu bitwy.

W kategorii połączeń bezprzewodowych nie brakuje zresztą spektakularnych sukcesów. Pierwszy działający węzeł komunikacyjny między Ziemią a orbitą powstał 30 stycznia 2016 roku. Łączy satelitę Eutelsat 9B z centralą i zapewnia przepustowość 1,8 gigabita na sekundę. To wielki skok w porównaniu z połączeniami radiowymi, osiągającymi zaledwie paręset megabitów na sekundę. Twórcy systemu SpaceDataHighway, w którego skład wchodzi Eutelsat, już tworzą całą sieć podobnych satelitów mogących komunikować się między sobą i ze znajdującymi się poniżej samolotami, dronami czy odbiornikami naziemnymi. Dodatkową zaletą wykorzystania laserów jest bezpieczeństwo – transmisja jest praktycznie niemożliwa do podsłuchania.

Tematem interesuje się również NASA, która prowadzi podobne eksperymenty wraz z Laboratorium im. Lincolna przy Massachusetts Institute of Technology (MIT). Udało się znacznie usprawnić przesył danych, osiągając prędkość gigabajta na sekundę pomiędzy orbiterem krążącym dookoła Księżyca i stacją na Ziemi. W praktyce oznacza to, że przesłany stamtąd film w jakości HD zamiast po trzech dniach (drogą radiową) dotrze do nas zaledwie w 5 minut. To ważne osiągnięcie, tym bardziej że już wkrótce trzeba będzie sprawnie komunikować się na znacznie większe odległości.

Fala radiowa potrzebuje co najmniej 31 minut, by dotrzeć z okolic Marsa na Ziemię. To bardzo długo, szczególnie jeśli potrzebna jest sprawna komunikacja. Już niedługo rozpocznie się era kolonizacji kosmosu, więc opracowanie skutecznych metod przesyłania danych jest niezbędne. Pierwsze testy łączności laserowej w przestrzeni międzyplanetarnej zostaną przeprowadzone w 2020 roku w ramach misji AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) zorganizowanej przez NASA. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, z kolonistami na Marsie oraz innych planetach będziemy rozmawiali właśnie dzięki skondensowanym wiązkom światła.

Największym problemem, z którym borykają się obecnie naukowcy, jest skonstruowanie lasera na tyle precyzyjnego, by jego wiązka nie ulegała rozproszeniu. W kosmicznej próżni jest to oczywiście łatwiejsze – nie ma tam atmosfery, więc światło biegnie praktycznie cały czas w określonym kierunku. Barierą jest konstrukcja samego urządzenia i jego optyki. Najbardziej precyzyjny laser, który dotychczas skonstruowano, ma pasmo przewodzenia o szerokości jedynie 10 miliherców i utrzymuje „ostrą” wiązkę przez 11 sekund. Wydawałoby się, że to niewiele, ale w tym czasie światło przebywa aż 3,3 miliona kilometrów, czyli dziesięciokrotność dystansu między Ziemią a Księżycem! Wynik jest imponujący, ale wciąż niewystarczający: w najbardziej korzystnym położeniu Mars jest od nas oddalony o 56 milionów kilometrów.

Na powyższych przykładach widać doskonale, że technologia komunikacji laserowej stanowi obowiązkowy krok naprzód – nie tylko ze względu na rosnące potrzeby użytkowników internetu, ale i wobec rozwoju całej cywilizacji. Nic zatem dziwnego, że według analiz finansowych MarketsandMarkets Research globalny rynek technologii laserowych w roku 2022 będzie wart prawie 15,5 miliarda dolarów z największym wzrostem właśnie w sektorze komunikacji optycznej.

Laser to urządzenie generujące uporządkowaną wiązkę światła o właściwościach określonych przez rezonator. Dzięki układowi luster oraz rozmaitych elementów wpływających na wyjściowy charakter wiązki uzyskiwane jest światło w zakresie od podczerwieni do ultrafioletu. Jest ono spójne (każde użycie danego urządzenia da ten sam efekt) oraz spolaryzowane. Moc oraz gęstość energii wiązki lasera również są regulowane przez rezonator.

– Współczesne optyczne systemy transmisji danych wykorzystują jako źródła promieniowania głównie lasery pracy ciągłej. Mają one bardzo dużą szybkość transmisji, sięgającą dziesiątek Gb/s. Jednak lasery impulsowe mogą generować impulsy o kilkadziesiąt razy większej mocy, co automatycznie przekłada się na większy zasięg transmisji bądź na utrzymanie transmisji w dużo trudniejszych warunkach atmosferycznych – mówi Tadeusz Drozd. –Lasery to nie tylko komunikacja na duże odległości, przeznaczona do przesyłu wielkich ilości danych. Można z nich skorzystać w sytuacjach kryzysowych, jako trudny do „podsłuchania” komunikator – dodaje.

Raport CISCO dotyczący prognoz ruchu sieciowego jest doskonałym dowodem na konieczność ulepszenia metod transmisji danych. Zgodnie z obliczeniami światowego lidera IT do roku 2021 liczba użytkowników internetu wzrośnie do 4,6 miliarda osób, co będzie stanowiło aż 58 proc. globalnej populacji. Będziemy też używali większej liczby urządzeń, na osobę przypadnie aż 3,5 sztuki, podczas gdy obecnie wskaźnik ten wynosi około 2,3 na osobę. Dodatkowo dynamicznie rozwija się sektor IoT: połączenia między urządzeniami codziennego użytku już niedługo będą stanowić aż 5 proc. całkowitego ruchu w sieciach IP! Tymczasem sami użytkownicy internetu zapragną możliwości płynnego przesyłania coraz większych pakietów danych. Zgodnie z raportem nagrania wideo w 2021 roku będą stanowiły miażdżące 80 proc. przesyłanych danych! Ma to związek z coraz większą popularnością nowych form rozrywki – w tym transmisją obrazu na żywo. Zaraz za nią wielkimi krokami zbliżają się coraz popularniejsze VR i AR. Dane generowane przez wirtualną rzeczywistość osiągną do 2021 roku około 1 proc. całkowitego ruchu sieciowego związanego z rozrywką.