captcha image

Hasło zostanie wysłane na twojego e-maila.

Zaczęło się od ognia, potem był świetlny telegraf, światłowód, a całkiem współcześnie satelity komunikują się ze sobą za pomocą lasera. Na tym nie koniec, bo niewykluczone, że niebawem zamiast Wi-Fi będziemy korzystać z Li-Fi, light fidelity, które zamienią w nadajniki wszystko to co świeci.

Komunikacja optyczna jest równie stara jak ludzkość. Światło od zawsze wykorzystywane było jako nośnik informacji. Ogień palony na brzegach mórz wskazywał drogę do portu żeglarzom. Potem przyszły bardziej wyrafinowane rozwiązania.

Zajączki, lampy Aldisa i modulacja światła

Heliograf – proste urządzenie składające się z ustawionego na statywie lustra skupiającego i odbijającego światło słoneczne – było używane w armii brytyjskiej i australijskiej do lat 60. XX wieku, a afgańskie wojsko puszczało „zajączki” podczas agresji ZSSR w latach 80. Trudno się temu dziwić, bo niezwykle proste urządzenie pozwalało na komunikację bez dodatkowych instrumentów na dystansie do 48 km. Rekordową łączność – 295 km – udało się uzyskać amerykańskiemu Korpusowi Sygnalistów w 1894 roku.

Heliograf używany na Alasce ok. 1910 roku (Fot. Wikimedia)

Ciekawostka: Antyczni Grecy używali wypolerowanych tarcz by dawać sygnał do bitew.

Heliograf, co zrozumiałe, nie działał po zachodzie słońca. Zastępowały go wtedy lampy sygnalizacyjne (tzw. lampy Aldisa). Do dziś wykorzystywane są na okrętach wojennych. Dlaczego? Bo komunikacja światłem ma ważny atut, dzięki któremu tak długo utrzymuje się w wojsku. Ze względu na jej lokalny charakter znacznie trudniej ją  podsłuchać.  Trzeba tylko dodać, że zamiast widzialnego źródła światła w marynarce wykorzystuje się również podczerwień.

Taki sposób wymiany informacji miał dwie podstawowe wady. Wymagał dobrej pogody i był stosunkowo wolny. W czasach wojen burskich, gdy swój tryumf święcił heliograf, szybkość porozumiewania się za jego pomocą wynosiła od 8 do 16 słów na minutę. Podobnie rzecz się miała z lampami Aldisa, które również do przekazywania wiadomości na odległość używały alfabetu Morse’a. Było to za mało w porównaniu z szybkością normalnej konwersacji odbywającej się z szybkością 120-150 słów na minutę.

Ciekawostka: prowadzący licytację wypowiada 250 słów w ciągu minuty.

We wszystkich tych metodach komunikacji informację niosła opozycja świeci-nie świeci, a nie samo światło. W efekcie światło, które porusza się przecież z największą możliwą prędkością ograniczone było przez sposób, w jaki z niego  korzystano. Żeby światło niosło ludzki głos tak, jak znany nam telefon, trzeba było go nieco inaczej użyć. Zrobił to już w 1880 roku Graham Bell. W cztery lata po wynalezieniu klasycznego telefonu, opatentował jego bezprzewodową odmianę Photophone.
„Świetlny telefon” wykorzystał światło słoneczne do transmisji nie kropek i kresek, ale głosu.

W przeciwieństwie do klucza telegraficznego, Photophone nie przerywał strumienia światła, ale go modulował. Ten fakt, że falą nośną było światło, a przekazywanym sygnałem był ludzki głos miał fundamentalne znaczenie dla przyszłych pomysłów, w których strumień światła miał nieść informacje na odległość.

Pony Experss i petabitowy światłowód

W tym samym 1880 roku niejaki William Wheeler zgłosił patent na rurociąg świetlny.  Wykorzystał w nim eksperyment Jean-Daniela Colladona przeprowadzony w 1841 roku i przypisywany Johnowi Tyndallowi (vide efekt Tyndalla, 1854 r.). Zamiast przewodami dostarczać elektryczność do żarówek, chciał rurami doprowadzić pod sufit wiązkę światła.

Fontanna Colladona (fot. Wikimedia)

Już się pewnie domyślacie, że był to pierwszy krok do odkrycia światłowodu. Nie będę się rozpisywał o jego historii. Poznacie ją ze szczegółami w moim wcześniejszym tekście. Jeśli będziecie mieli ochotę, to może nawet zrobicie sami pokazane w tamtym artykule doświadczenia. Są one dobrym punktem wyjścia do zrozumienia tego, jak działa światłowód.

By jednak można go było stosować na szeroką skalę musiało upłynąć sporo czasu. Przełom nastąpił w 1966 roku, kiedy Charles K. Kao wraz zespołem stworzył włókno z krzemowego szkła optycznego, za co został uhonorowany w 2009 roku nagrodą Nobla.
Kiedy jego pracodawca, firma Standard Telephones and Cables, przedstawiła możliwości włókien światłowodowych w informacji prasowej użyła takich słów „Wykazują one nośność informacyjną o wielkości jednego gigacyklu, co odpowiada [możliwości równoczesnego przesłania] około 200 kanałom telewizyjnym lub ponad 200 000 kanałów telefonicznych.”

Dziś wiemy, że Kao niedoszacował możliwości swojego odkrycia co najmniej 10 000 razy! Przytoczę tutaj pewne porównanie, które bardzo mi się spodobało.

Cofamy się do 1860 roku i wysyłamy list amerykańskim Pony Expressem. Konie wiozą go przez spory kawałek Ameryki i pokonują w ciągu 10 dni 3200 km. Dziś nasz e-mail pokonuje ten dystans światłowodem w ciągu kilkudziesięciu milisekund.

Obecnie pisanie o tym, że list dojdzie szybciej to oczywiście frazes. Znacznie bardziej istotna jest informacja o pojemności. Przyjmijmy, że konny ekspres w dwóch przytroczonych workach zabierał w drogę 640 listów i jechał z nimi 50 km. Jeśli każdy z nich miałby 4 kB tekstu, to jeden kurier wiózłby 2,5 MB danych przez 10 dni. Gdyby taką wysyłkę zlecić przez petabitową sieć światłowodów to w ciągu chwili wysłalibyśmy 53 687 091 podobnych przesyłek albo ponad 34,3 biliony pojedynczych listów (tu źródło estymacji).

To dlatego cała Ziemia opleciona jest światłowodami. Prognoza, jaką pokazała w 2013 roku prof. Polina Bayvel z Head of the Optical Networks Group na University College London, zakładała, że w dwa lata później łączna liczba kabli optycznych na Ziemi będzie wynosić ok. 3 mld kilometrów. Starczyłoby ich na opasanie naszej planety na równiku 76 000 razy albo pociągnięcie światłowodu na oddaloną o 2,8 mld km planetę Uran.

Ale to czas przeszły i rozwój technologii światłowodowej widać gołym okiem. W całej Polsce dostępne są 1-gigabajtowe łącza optyczne w technologii Fiber To The Home (FTTH) , które Orange Polska doprowadza do pojedynczego mieszkania. Usługa do prędkości 1 Gb/s dostępna jest już w 76 gminach (tutaj można sprawdzić swoją lokalizację). Niższe prędkości do 300 Mb/s i do 100 Mb/s pokrywają już duży obszar kraju.

Jeśli wysyłamy tylko maile, to możne nam się wydawać, że 1 Gb/s to za dużo. Jednak szybkość światłowodu przekłada się bezpośrednio na jego pojemność. Im więcej osób w domu z niego korzysta w tym samym czasie, tym bardziej ma to znacznie.

Ciekawostka: Wiecie jak wygląda przesłanie 1 TB danych przez światłowód? Jeśli nie, to zobaczcie co to znaczy puścić przez światłowód cztery sezony Gry o Tron. Puszczenie tego samego po klasycznych łączach szerokopasmowych byłoby co najmniej 4000 razy wolniejsze*.

Li-Fi – świetlna alternatywa dla Wi-Fi

Światłowód to z pewnością najbardziej rozpowszechnione na świecie zaawansowane technologicznie rozwiązanie, w którym światło jest nośnikiem informacji. Jak się pewnie domyślacie, niejedyne. Naukowcy zainspirowani prostymi rozwiązaniami, jakim był photophone, chcą przenieść komunikację za pomocą światła widzialnego (Visual Light Communication: VLC) na wyższy poziom.

Jeden z pomysłów kryje się pod terminem Li-Fi, który w 2011 roku ukuł dr Harlad Haas z University of Edinburgh. Bezprzewodowa łączność Light Fidelity ma być alternatywą do Wi-Fi. W tej technologii zamiast sygnałów radiowych, do szybkiej komunikacji bezprzewodowej wykorzystywane jest światło diod LED.

Li-Fi bazuje na tych samych zasadach, co Wi-Fi. Różnica sprowadza się do tego, że w pierwszym przypadku wykorzystywane są fale elektromagnetyczne z pasma widzialnego, a w drugim nie. Diody przesyłają informacje poprzez modulację światła, czyli zmieniają swoją jasność. Dzieje się to jednak tak szybko, że ludzkie oko nie jest w stanie tego dostrzec. Tutaj właśnie ma tkwić potencjał Li-Fi.

Jak zauważył Haas, łączność radiowa opiera się na stacjach bazowych – w terenie są to stacje sieci komórkowej, w domu rutery. Komunikacja VLC również opiera się na takiej sieci, a są nią żarówki. Znajdziemy je w każdym pomieszczeniu i na ulicy.
Idea Li-Fi zakłada, że LED-owa żarówka przestaje być już tylko źródłem światła, ale jest także bezprzewodowym punktem dostępowym.

VLC nie jest na razie w pełni ustandaryzowane, ale zostało już przypisane jako podpunkt nr 7 do grupy roboczej 802.15 Instytutu Inżynierów Elektryków i Elektroników (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE). Naukowcy z różnych ośrodków badawczych już od kilku lat pracują nad tą metodą komunikacji (1, 2).

Rekordowy wynik, jaki udało się uzyskać, należy do zespołu badaczy brytyjskich skupionych wokół projektu Ultra-Parallel VLC. Zarejestrowali oni transfery na poziomie wyższym niż 10 Gb/s. Najpierw w 2013 roku naukowcy w swoim eksperymencie wykorzystali trzy diody LED. Każda z nich przesyłała dane z szybkością  3,5 Gb/s i emitowała światło w jednym z kolorów triady czerwony-niebieski-zielony. W efekcie łączny transfer wyniósł 10,5 Gb/a, a emitowane trzy kolory złożyły się w białe światło. W 2015 roku choć transfer wciąż pozostał na podobnym poziomie, to takie same parametry udało się uzyskać przy wykorzystaniu już tylko dwóch mikro LED-ów.

Transmisja Li-Fi ma swoje zalety. Według naukowców wystarczy jeden 1-watowy LED, żeby zapewnić połączenie z internetem dla czterech komputerów. Poza tym widmo światła widzialnego wraz z pasmem podczerwieni jest 2600 razy bardziej pojemne, niż używane obecnie pasma radiowe. Daje to bardzo dużą pojemność pasma. Li-Fi ma też wadę, która może być również zaletą. Światło nie przechodzi przez ściany jak fale radiowe i, o ile każda żarówka w mieszkaniu nie będzie transmitować tych samych danych, to będą one dostępne tylko lokalnie. Z drugiej strony, dzięki temu znacznie trudniej będzie je podsłuchać.

Ciekawostka: Jeśli zastanawiacie się czy Li-Fi będzie działać w ciągu dnia to zobaczcie ten fragment filmu:

Laser w kosmosie

Bezprzewodowa komunikacja optyczna (Free Space Optics, FSO), jakiej dał początek heliograf, doczekała się również współczesnych realizacji. Rozwiązania takie jak Artolink rosyjskiej firmy Mostcom, zapewniają komunikację z prędkością nawet do 30 Gb/s na dystansie 1,5 km. 1-gigabitowy transfer można uzyskać nawet na odległość ponad 4 km (maks. 7 km).

Tutaj już nie promienie słoneczne, a światło lasera wykorzystywane jest do komunikacji np. pomiędzy budynkami rządowymi, gdzie należy ograniczać do minimum ryzyko przechwycenia danych. Problem w tym, że tego typu połączenie jest bardzo zależne od warunków atmosferycznych. Deszcz, mgła czy nawet upał mogą drastycznie wpłynąć na parametry transmisji.

Komunikacja Ziemia-kosmos również narażana jest na problemy z łącznością spowodowane chmurami, ale taką niedogodność można przeboleć. Zwłaszcza kiedy ma się świadomość, że światło emitowane przez laser może zostać przechwycone 6 000 000 km dalej. Tak przynajmniej się stało w 1992 roku, kiedy świetlny sygnał odebrała sonda Galileo (w 1967 roku laser dotarł na Księżyc do znajdującego się na nim Surveyor 7).

Promień lasera widziany przez kamerę zamontowaną na sondzie Galileo (fot. NASA)

Trzeba też pamiętać, że powyżej pewnego pułapu niebo staje się coraz czystsze. Skorzystał z tego m.in. Google łącząc ze sobą laserem dwa balony stratosferyczne (o Projekcie Loon pisaliśmy tutaj) oddalone od siebie o 100 km – transfer na poziomie 1 Gb/s.

9 lat później miała miejsce pierwsza laserowa transmisja danych w kosmosie. Połączenie zostało ustanowione pomiędzy dwoma satelitami Europejskiej Agencji Kosmicznej. Artemis orbitowała wtedy na 32 000 km, a satelita Spot 4 krążył 8832 km nad Ziemią, którą non stop fotografował. Podczas testu zdjęcia robione przez Spota i odebrane optycznie przez Atremis transmitowane były już dalej na Ziemię drogą radiową. Takie hybrydowe rozwiązanie pozwalało przesyłać zdjęcia satelitarne w czasie rzeczywistym z prędkością 50 Mb/s.

Dziś na podobnej zasadzie funkcjonuje European Data Relay System. EDRS łączy za pomocą lasera satelity obserwacyjne, krążące na orbicie LEO, z dwoma satelitami geostacjonarnymi (w 2020 roku dołączy do nich trzeci i utworzą pokrywającą całą Ziemie sieć GlobeNet). Transmisja z wykorzystaniem Laserowego Terminala Komunikacyjnego może odbywać się na odległość do 45 000 km z prędkością do 1,8 Gb/s. W przyszłości może sięgnąć nawet do 7,2 Gb/s i przesyłać na Ziemię przynajmniej 50 TB danych każdego dnia. Ten ostatni etap odbywa się już drogą radiową w mikrofalowym paśmie Ka (26–40 GHz) także z prędkością 1,8 Gb/s.

Bez EDSR nie byłoby możliwe działanie praktycznie w czasie rzeczywistym takich systemów jak Copernicus, komunikacja z ISS, działanie serwisów pogodowych i ostrzegających przez kataklizmami. Gdyby satelity obserwacyjne, które okrążają Ziemię co 100 minut nie korzystałyby z lasera, to na zebrane przez nie dane trzeba by czekać co najmniej 90 minut – bo tylko na 10 minut otwierałoby się okno komunikacyjne, w czasie którego mogłyby radiowo nadać zebrane dane.

i laserem w kosmos

W 2013 roku inżynierowie NASA przeprowadzili z kolei inny pionierski eksperyment. Ze stacji nadawczej Goddard Flight Center w Merlyand wysłali laserem w kosmos cyfrową kopię Mona Lisy. Szybkość, z jaką odbywała się cała ta operacja, nie była zbyt spektakularna. Obraz podzielony został na fragmenty o wielkości 150 na 200 pikseli, które poprzez pulsację lasera zostały przesłane z szybkością około 300 b/s. Imponujący był jednak dystans tej transmisji. Mona Lisa została odebrana 384 400 km dalej przez krążący od 2009 roku wokół Księżyca Lunar Reconnaissance Orbiter. Znajdujące się na orbiterze oprogramowanie złożyło słynne dzieło i odesłało z powrotem na Ziemię drogą radiową.

Po lewej cyfrowa kopia Mona Lisy odebrana przez Lunar Reconnaissance Orbiter. Po prawej obraz po zastosowaniu korekcji błędów, który już drogą radiową wrócił na Ziemię. (fot. NASA)

W 2013 roku NASA zrobiła odwrotny eksperyment. W ramach programu OPALS (Optical Payload for Lasercomm Science) umieściła laserowy nadajnik na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, który w ciągu 3,5 sekundy był w stanie przesłać 175 MB danych na Ziemię.

Ten niewielki tubus to laserowy nadajnik systemu OPLAS podczepiony do ExPRESSa (Expedite the Processing of Experiments to Space Station). (fot. NASA)

Żeby docenić ten wyczyn potrzeba kilka słów wyjaśnienia. OPALS może tylko nadawać, kiedy ISS przelatuje nad teleskopem odbiorczym znajdującym się na Ziemi.  Oznacza to, że laser i teleskop muszą się zgrać i przez cały czas trwania okna transmisyjnego utrzymywać nawiązane połączenie. I tu kryje się cały majstersztyk tego rozwiązania. Bogdan Oaida z NASA Jet Propulsion Lab porównuje to do próby wskazania za pomocą lasera obszaru, który jest średnicy ludzkiego włosa… z odległości 10 metrów i jeszcze dokładając do tego fakt, że ten włos przemieszcza się z prędkością 0,5 m na sekundę. Trudne do wyobrażenie, ale działa i to jeszcze potrafi się automatycznie repozycjonować kiedy straci sygnał np. z powodu pojawienia się chmur.

Dlaczego światło jest lepsze niż fale radiowe? NASA wierzy, że dzięki niemu będzie taniej i szybciej. Jedna z aproksymacji agencji mówi, że wykorzystując komunikację w paśmie S, statek kosmiczny potrzebowałby 639 godzin na pobranie średniej długości filmu HD. Dzięki laserowi czas pobierania skróciłby się do mniej niż ośmiu minut.

Komunikator używany w filmie przez E.T. (fot. Mattingly23, CC BY 3.0)

A czy E.T. mógł zadzwonić do domu latarką? Biorąc pod uwagę datę premiery filmu Spielberga – rok 1982 – myślę, że to byłoby możliwe. Pewnie latarkę trzeba by zastąpić laserem, ale jak pokazuje wspomniany przykład Surveyora 7 (1967), nie byłoby niczym nowym. Dlaczego tego nie zrobił? To jest pytanie do reżysera i scenarzysty. Może mała kropka na niebie nie byłaby tak spektakularna jak połączenie gramofonu, syntezatora mowy Speak & Spell, puszki i kabli.

Tekst jest elementem współpracy z firmą Orange Polska. Partner nie miał wpływu na treść ani opinie, które wyrażamy.

Czy E.T. mógł zadzwonić do domu latarką? Ciekawa historia i niezwykła przyszłość komunikacji światłem
5 (100%) 1 głosów

Nie ma więcej wpisów