prof. Kurts Švarcs

Gaismas kvanti: no Saules dieviem līdz informācijas pārraidei

Nobeigums. sākums “ZV” nr.2 25.01.2016.

3.Gaisma un informācija

Starpkontinentālie telefona sakari uzlabojās tikai pagājušā gadsimta vidü ar pirmo transatlantisko vara metāla koaksālo kabeli, kuru 1956.gadā atklāja starp Eiropu un Ameriku. Šis kabelis nodrošināja vienlicīgi 36 telefona sakarus. Palielinot nesējfrekvenci, 1976.gadā varēja vienlaicīgi pārraidīt 4000 sarunas. Metāla koaksālā kabelī signālus vajadzēja pastiprināt ik 30 kilometrus.

Revolūciju informācijas pārraidē un sakaru tehnikā izraisīja optiskie viļņvadi. Viļņvados izmanto pilnīgo gaismas refleksiju, kas notiek pie gaismas atstarošanās no vides ar mazāku gaismas laušanās koeficientu (6.att., a). Būtiskais pie totālās refleksijas ir lielā atstarotā stara intensitāte (ap 98% no krītošā stara intensitātes). Totālo gaismas atstarošanos atklāja vācu astronoms J. Keplers (Johaness Keppler, 1571 – 1630) 1600.gadā. Tomēr līdz optiskiem viļņvadiem sakaru tehnikā pagāja 250 gadi.Vajadzēja attīstīt stikla šķiedra tehnoloģiju ar diametru 10 – 1500 mikrometriem. Vajadzēja ap optisko šķiedru radīt apvalku ar mazāku laušanās koeficientu un visu to ievietot mehaniskā aizsargslānī. Pirmie optisko viļņvadu pielietojumi bija endoskopi medicīnā iekšējo orgānu apskatam. Nedaudz vēlāk, pagājušā gadsimta astoņdesmitos gados, optiskās šķiedras pielietoja lokālos sakaru tīklos (amgliski – Local Area Network), kurus izmatoja gan telefona sakariem, gan datoru tīkliem. Optiskos viļņvados, izmantojot augsto gaismas viļņu frekvenci (viļņa garumam λ = 1 mikrometrs (µm) atbilst frekvence ν = 3x10¹⁴ Hz) un uzlabotu modulācijas tehniku, informācijas pārraides ātrums bija 40x10⁹ bits/s (40 Gbit/s). Jau 1986.gadā instalēja optisko kabeli starp Angliju un Franciju un 1988.gadā atlantiskais optiskais sakaru kabelis savienoja Eiropu ar Ameriku. Beidzamo kabeli TAT–14 ar uzlabotiem parmetriem instalēja 2001.gadā un tas darbojas līdz šodienai (7.att.).

Optiskais transatlantiskais telefona kabelis ar kopējo garumu 15 000 km sastāv no četriem divdzīslu optiskām šķiedrām ar kopējo informācijas pārraides ātrumu 3x10¹² bit/s. Informācijas pārraidei izmanto 16 dažādus viļņa garumus infrasarkanā spektra diapazonā (λ = 1 - 1.5 µm), kas nodrošina vienlaicīgi 15 miljonus telefona sakarus (7.att.). Infrasarkaniem stariem ir zemāka gaismas izkliede viļņvadā un mazāki intensitātes zudumi. Tomēr pie daudzkārtējās gaismas atstarošanās, optiskos signālus vajaga pastiprināt ik 70 km (kopējā distancē 200 reizes!). Signālu pastiprināšanu veic ar pusvadītāju lāzeriem. Transatlantisko kabeli vajadzēja nodrošināt ar mehaniski izturīgu apvalku, un kabeli iegremdēja metru dziļumā okeāna dibenā. Viss tas prasīja augstu tehnikas un tehnoloģijas līmeni un izmaksāja 1.3 milardus dolārus, darbi ar kabeļa instalāciju ilga vairāk nekā divus gadus. Projekta realizācijā piedalījās 50 vadošās telekomunikācijas firmas. Šodien optiskie kabeļi ir efektīgākais telekomunokācijas sakaru līdzeklis ar vieslielāko pārraides ātrumu un lielāko informācijas kapacitāti. Kaut gan sakaru tīklos uz Zemes pamatā izmanto optiskos viļņvadus, globāliem informācijas sakariem ir nepieciešami arī sakaru pavadoņi.

4.Sakaru pavadoņi

Sakaru pavadoņi ir Zemes mākslīgie pavadoņi, kas retranslē radiosignālus no Zemes un nodrošina globālos radio, televīzijas, telefona, datoru un citus sakarus starp objektiem uz Zemes, atmosfērā un tuvākā kosmiskā telpā. Bez sakaru pavadoņiem nebūtu globālie sakari ar iPhone, dažādās navigācijas sistēmas, globālie datoru tīkli un daudz kā cita.

Pirmais sakaru pavadonis tika palaists 1958. gadā ASV. Šis pavadonis tikai atstaroja signālus no Zemes, noraidot tos citā virzienā. Eiropā sakaru satelīti tika izmantoti kopš 1970.gada. Sakaru satelīti nodrošina informācijas pārraidi starp dažādiem ģeogrāfiskiem punktiem un kontinentiem. Signāls no abonenta A pa sakaru tīklu I tiek noraidīts uz satelītu, kur signāls tiek pastiprināts un novadīts abonentam B caur sakaru tīklu II vai tieši (8.att.). Šodien sakaru satelītu tīkls ir ļoti izvērsts un pārraidēm starp kontinentiem izmanto vairākus satelītus.

Šodien ap Zemi riņķo desmitiem dažādu satelītu, kas nodrošina globālos radio, televīzijas, telefonu un interneta sakarus. Ap mums riņķo arī lielo impēriju militārie satelīti, starptautiskie un nacionālie navigācijas un meteoroloģiskie satelīti. Satelītu dzīves laiks nav mūžīgs un pēc vairākiem gadiem tie ir jāatjauno. Arī šis process prasa savu tehnoloģiju.

Daudzveidīgie satelītu pielietojumi notiek dažādos radioviļņu diapazonos ar frekvenci no 900 MHz līdz 2.5 GHz. Informācija pārraide ar satelītu palīdzību tehniski ir sliktāka nekā ar optiskiem viļņvadiem sakarā ar atmosfēras un Saules aktivitātes izraisītiem traucējumiem. Sakaru satelītu orbitu augstums virs Zemes ir no 5000 līdz 40000 km. Orbitas ir riņķveida ar dažādu noslieci pret ekvatoru vai arī eliptiskas ar Zemi vienā no elipses fokusiem (9.att.). Attēlā parādītā orbita ar apogeja augstumu 40000 km (lielākais attālums no Zemes) dod iespēju pārraidīt informāciju uz plašu Zemeslodes apgabalu, aptverot gandrīz pusi no Zemeslodes (9.att.b). Šī eliptiskā orbita aptuveni 8 stundas (± 4 stundas pirms un pēc apogeja) nodrošin pārraidi plašā Zemeslodes apgabalā un trīs šādi satelīti (8 stundas x 3) nodrošin diennakts pārraides.

Lielais satelītu augstums (40000 km) ietekmē pārraides laiku un prasa arī lielāku signālu pastiprinājumu. Kaut gan radioviļņi no Zemes uz satelītu izplatās ar gaismas ātrumu (c ≈ 300000 km/s), ceļš no Zemes un atpakaļ prasa laiku Δt = 2 x 40000km/300000 km/s ≈ 260 ms. Telefona sarunām, radio un tekevizijas pārraidēm šī nokavēšanās nav būtiska, tomēr datu pārraidei un datoru operācijām tā nav vēlama.

5. Ko gaismas kvanti vēl dos?

Gaisma gadu tūkstošiem bija simbols visam pozitīvam mūsu dzīvē.Ar gaismas palīdzību un optiskiem instrumentiem atklāja gan Visuma tāles, gan bioloģiskās šūnas un bakterijas.No lāpu telegrāfa līdz transatlantiskam optiskam kabelim pagāja vairāk nekā trīs gadu tūkstoši.Gaismas parādības sekmēja arī Einšteina relativitātes teorijas un kvantu fizikas attīstību, kas pārveidoja mūsu uzskatus par laiku, telpu un Visumu. Šodien gaisma tiek izmantota arī informācijas apstrādei. Varbūt nākotnē Latvijas universitātes profesoru R.M. Freivalda un A. Ambaiņa pētījumi pavērs jaunus horizontus kvantu kompjuteros.

6.att. a – Gaismas totālā refleksija optiskā viļņvadā. b – Lāzera stara ceļš viļņvadā. c – Tehniskie optiskie viļņvadi.

7.att. Transantlatikas optiskais kābelis TAT–14: kopējais garums 15 000 km; maksimālais informācijas pārraides ātrums 3x1012 bit/s. Kabelis sastāv no četriem optiskiem viļņvadu pāriem (optiskās šķiedras diametrs ir 50 µm). Pārraidēm izmanto gaismu ar 16 dažādiem viļņa garumiem.Optiskais kābelis ir iegremdēts metru dziļumā okeāna dibenā. Ik ~70 km attālumā optiskais signāls tiek pastiprināts.

8.att. Telefona sakari ar satelītu starpniecību: abonents A Eiropā ar vietējo sakaru tīklu I izvēlās telefona sakarus ar abonentu B ASV. Sakari no abonenta A tiek raidīti uz satelītu, kur tie tiek pastiprināti un noraidīti uz sakara tīklu II ASV, kas abonentu A savieno ar abonentu B  (1 → 2 → 3 → 4). Modernie satelīti primāro signālu (2) pastiprina, kas atļauj arī tiešos sakarus ar B (1 → 2 →5).

9.att. Sakaru satelīta Molnija 3K orbita ir elipse ar inklinācijas leņķi 63.3°, apgriešās periodu ~12 stundas un attālumu apogejā 40000 km. a – satelīta orbita; b – raidījumu pāklāšanās zonas apogejā (zaļā krāsa), pēc 3 stundām (sarkanā) un pēc 4 stundā (zilā). Sakaru satelīts 8 stundas (±4 h no apogeja) nodrošina pārraidi plašā zemes teritorijā un trīs šādi satelīti nodrošina diennakts pārraides.