Одна из самых больших технологических проблем в современном мире - ограниченный доступ в Интернет. Несмотря на широкое применение опто-волоконных линий связи, это решение не может применяться повсеместно. Это сложно в густонаселенных городских районах и даже невозможно в некоторых местах, особенно на дорогах, водоемах или в определенных архитектурных районах, таких как исторические районы города.
Помимо кабельной связи, в прошлом веке большой популярностью пользовались микроволновые линии связи, основанные на высокочастотных лучах радиоволн. Такая технология обеспечивает высокую пропускную способность передаваемых данных; однако установка микроволновых каналов затруднена из-за перенасыщения радиочастот в крупных городах.
С учетом таких факторов, как чувствительность к помехам, повышенный риск утечки конфиденциальных данных, опасения по поводу неблагоприятных последствий для здоровья и высокие лицензионные сборы, начался поиск альтернативных решений. Здесь появились системы связи Optical Wireless Links или Free-Space Optics, которые доставляют меньше неудобств, чем микроволновые каналы.
Связь Free-Space Optics - это лазерная технология, которая позволяет нам предоставлять доступ в Интернет там, где раньше это было невозможно. Это также позволяет быстро восстанавливать системы связи, поврежденные в результате стихийных бедствий, таких как наводнения, пожары или торнадо. Он обеспечивает передачу данных на большие расстояния, даже до 8 километров, с высокой пропускной способностью до терабит в секунду.
В настоящее время трудно представить эффективный и быстрый поток информации без оптической технологии в свободном пространстве, которая использует свет, распространяющийся в воздухе, космосе и вакууме. Однако эффективность передачи информации зависит от среды, в которой она происходит. Такие факторы, как дождь, туман, дымка, физические препятствия, взаимодействие с атомами и молекулами, а также атмосферная турбулентность ухудшают его характеристики.
Как эта технология облегчает нам повседневную жизнь? Чтобы понять, как это возможно, и улучшить это, мы должны сначала понять атмосферу и распространение света.
Связь между оптикой в свободном пространстве и атмосферой
Оптика свободного пространства основана на передаче света между двумя точками: источником и детектором.
В качестве волоконной оптики Free-Space Optics использует инфракрасный лазер; однако информация летает по воздуху, а не по стекловолоконному кабелю. Это может показаться простым, но это сильно зависит от атмосферных условий, таких как турбулентность воздуха.
Каналы Free-Space Optics передают данные на расстояние до 8 километров с высокой пропускной способностью, достигающей 100 гигабит в секунду на частотах выше 300 гигагерц. Каждое препятствие, такое как газы, присутствующие в атмосфере, стоящие на пути проходящего света, вызывает уменьшение сигнала, поступающего на детектор.
Основная роль атмосферы - защита живых организмов от опасных ультрафиолетовых (УФ) лучей Солнца. Это позволяет жизни существовать на Земле. Он состоит из азота (78%), кислорода (21%) и около 1% других газов, таких как аргон, углекислый газ, гелий и другие. Он также содержит аэрозоли, которые представляют собой крошечные объекты, рассеянные в воздухе, как морской бриз, туман; или крошечные частицы, такие как пыль из пустыни или вулкана, дым от огня или даже частицы замороженной воды. Концентрация аэрозолей в атмосфере меняется в зависимости от географического положения и деятельности человека.
Как воздух влияет на оптические сигналы?
Свет состоит из субатомных частиц, называемых фотонами. Когда фотоны пересекают атмосферу, чтобы достичь поверхности Земли, присутствие испаренных аэрозолей в воздухе - их тип, размер и концентрация - влияет на их перемещение.
Например, в морском климате аэрозоли образуются в основном каплями соленой воды, такими как туман, пена, изморось или дождь. В городских районах основным источником аэрозолей является промышленная деятельность, и они имеют различный химический состав. Когда свет проходит через атмосферу, каждый отдельный фотон подобен сверхбыстрому твердому телу, движущемуся по очень многолюдной дороге. То, что фотоны находят на своем пути, влияет на эффективность света, передаваемого в коммуникационных технологиях.
Представьте, что вы стоите на вершине горы и включаете фонарик. На другой горе есть детектор, который измеряет интенсивность света вашего источника. Чем дальше находится детектор, тем меньше света передается. И, конечно же, на путях распространения света не должно быть больших объектов, таких как деревья или строительные конструкции.
Идея технологии Free-Space Optics
В отличие от белого света от Солнца, который имеет все цвета радуги, свет от лазера имеет только один цвет. Кроме того, фотоны лазерного луча идут в определенном направлении; Он не мигает во всех направлениях, как лампочка.
Когда лазерный луч проходит через воздух, содержащий различные аэрозоли, он может рассеиваться и, следовательно, быть замечен в другом месте, как и ожидалось. Колебания воздуха, вызванные ветром и жарой, влияют на путь лазерного луча, изменяя его интенсивность и размер пятна. Такое взаимодействие лазерного луча с веществом приводит к потере мощности оптического сигнала, что влияет на качество передачи данных.
Несмотря на все эти проблемы взаимодействия лазера с внешним миром, эта технология работает быстрее, чем волоконная оптика, поскольку свет распространяется в атмосфере быстрее, чем в стекле. Он не подвержен радиопомехам и может быть установлен за окнами, что устраняет множество проблем, связанных с использованием крыш, таких как судебные издержки и обслуживание оборудования.
Компании должны проектировать каналы связи Free-Space Optics, чтобы поддерживать компромисс между хорошей дальностью и безопасностью глаз для посторонних. Источники и приемники часто устанавливаются на крыше высоких зданий, чтобы избежать несчастных случаев с появлением людей на пути луча, которые могут заблокировать сигнал и повредить глаза. Кроме того, установки в высоких дворцах сложно подслушивать, поддерживая хороший уровень безопасности передаваемых данных.
Приложения
Оптика свободного пространства имеет множество приложений для связи между зданиями, кораблями, спутниками с землей, самолетами и военными. Благодаря этой технологии мы можем отправлять межконтинентальные сообщения всего за несколько секунд. Мы используем этот способ общения ежедневно, когда совершаем покупки со смартфоном, консультируемся с врачом или участвуем в дистанционном обучении.
Быстрое развитие различных регионов требует быстрых решений в передаче данных и продвигает оптику вместо кабельной связи. Технология Free-Space Optics предлагает гибкость, низкие затраты на установку канала, огромную емкость и широкую полосу пропускания. Его инфраструктура должна быть адаптирована к стандартам пятого поколения (5G) и шестого поколения (6G) на первом этапе. Следующим шагом в развитии этой технологии является оптическая связь дальнего действия или дальнего космоса, которая обеспечивает связь за пределами орбитального пространства Луны. НАСА также возглавляет коммуникационный проект под названием Deep-Space Optical Terminals, чтобы разработать инструмент, который позволяет живое видео высокой четкости, телеприсутствие и исследование космоса человеком.