Lasery połączą amerykańskie siły zbrojne?

Armia do prowadzenia komunikacji korzysta przede wszystkim z widma radiowego, które ma swoje wady i zalety. Przede wszystkim jest podatne na zakłócenia elektromagnetyczne, w tym coraz powszechniej stosowany cyberatak. Ponadto widmo radiowe ma swoje ograniczenia przepustowości wobec obrazów o wysokiej rozdzielczości, prowadzenia wideokonferencji i przesyłania danych w czasie rzeczywistym. Obecnie jest to nie do zaakceptowania w procesie przekazywania danych i dowodzenia na współczesnym polu walki. Z kolei, zdaniem wielu specjalistów, łączność satelitarna nie sprawdzi się gdy działania militarne będą prowadzone na dużym terytorium (a nie lokalnie, jak miało to miejsce w kilku ostatnich konfliktach zbrojnych). Dlatego postanowiono szerzej wykorzystać widmo widzialne i podczerwone (IR) przy użyciu technologii laserowej, która jest w stanie zapewnić bezpieczny transfer danych ze względu na swoją odporność na zakłócenia elektromagnetyczne.

Niska rozbieżność i spójność wiązki optycznej zapewniają małe prawdopodobieństwo przechwycenia sygnału laserowego a jej  wysoce kierunkowy  charakter powoduje, że laser jest traktowany jako nowej generacji broń o ukierunkowanej energii. Ponadto czujniki laserowe, rozmieszczone na Ziemi lub w kosmosie są przeznaczone do śledzenia pojazdów wojskowych, pocisków, samolotów, BSP, okrętów itp. Oczywiście, nadal jednym z głównych zastosowań laserów pozostaje wykorzystanie ich właściwości w dalmierzach i oznacznikach celów. Impulsem, który sprawia, że nowoczesne systemy wojskowe bazujące na technice laserowej w coraz szerszym stopniu trafiają do eksploatacji są szeroko prowadzone badania w obszarze fotoniki. To dzięki nim powstają m.in. nowej generacji lasery (o coraz większym spektrum zastosowania bojowego), urządzenia przeznaczone do prowadzenia szybkich obliczeń czy te wykorzystywane w tzw. komunikacji optycznej. Nowe pomysły w zakresie zastosowania fotoniki pozwalają na dokonywanie zmian w sposobie funkcjonowania pewnych urządzeń elektronicznych służących do przesyłu danych. Przechowywanie i przekazywanie informacji odbywać się bowiem może za pomocą światła, a nie tylko powszechnie znanej energii elektrycznej.

Dzięki wykorzystaniu zalet fizycznych jakie daje energia świetlna (m.in. prędkości przesyłu, zdolność upakowania olbrzymich ilości informacji itp.) skokowo poprawiamy jakość i szybkość transmisji oraz zmniejszamy ilość potrzebnej do tego celu energii. Podstawowym warunkiem na dziś jest jednak zapewnienie mniejszych, wydatniejszych i stabilniej pracujących źródeł światła. Najlepiej do tego celu właśnie nadają się lasery. Dziś wysoką efektywność otrzymujemy za pomocą jednomodowych laserów wielkiej mocy, które są szeroko stosowane w technice militarnej w tym komunikacji optycznej, czujnikach i sensorach optycznych oraz urządzeniach typu LIDAR. Jednym z warunków zbudowania jeszcze efektywniejszych systemów jest powstanie wydatniejszych źródeł laserowych. Źródeł które nie pracują tylko w zaciszu laboratoriów, ale w każdych warunkach operowania wojska.

Z kolei, sam sposób gromadzenia informacji z wykorzystaniem tej technologii może mieć istotne znaczenie w rozwoju komputerów fotonicznych i systemów komunikacyjnych nowej generacji. Już teraz zaprojektowano i zbudowano dwuwymiarowe macierze ciasno upakowanych mikro-laserów, które zapewniają stabilność odpowiadającą pojedynczemu mikro-laserowi, przy czym wspólnie osiągają gęstość mocy o rząd wielkości wyższą. Ta technologia w prosty sposób może nas doprowadzić do zbudowania ulepszonych laserów, systemów szybkich obliczeń i łączność optycznej, przeznaczonych do zastosowań militarnych. odpowiednie źródła światła to jednak jeszcze nie wszystko, bowiem by efektownie zadziałała komunikacja laserowa potrzebnych jest również szereg zaawansowanych technologii wywodzących się z elektroniki kwantowej, zaawansowanej optyki i elementów optycznych, detektory, elementy sterujące, światłowody, podsystemy przetwarzania sygnałów i tzw. lekkie konstrukcje.

Technologia nowej generacji

Warunkiem efektywnego działania łączności laserowej jest stabilność i spójność wykorzystywanego w nich źródła laserowego. Lasery jednomodowe eliminują wpływ szumów w ich wiązkach i poprawiają ich spójność, ale są przy tym słabsze i mniej wydajne niż lasery, które zawierają wiele jednoczesnych trybów. Dzięki dwuwymiarowym macierzom ciasno upakowanych mikro laserów (które mają stabilność pojedynczego mikro-lasera) możliwe jest osiąganie dużo lepszych gęstości mocy. Ze względu na ich złożoność związaną z systemem sprzężonym będą również posiadały wiele tzw. super-trybów (ich liczba wzrasta kwadratowo), przy czym „konkurencja” między trybami sprawia, że matryca laserowa jest jednak mniej spójna. Samo działanie w pojedynczym trybie ma tu kluczowe znaczenie, ponieważ blask i jasność macierzy laserowej zwiększają się wraz z liczbą laserów tylko wtedy, gdy wszystkie są zsynchronizowane fazowo w jednym super-trybie. Fizyczna koncepcja super-symetrii pozwala inżynierom na opracowanie jednomodowego lasera z synchronizacją fazową w macierzy laserowej poprzez dodanie rozpraszającego superpartnera.

W fizyce cząstek elementarnych super-symetria jest teorią, według której wszystkie cząstki elementarne z dwóch głównych klas, bozonów i fermionów, mają jeszcze nieodkrytego superpartnera w drugiej klasie.  Specjalne obliczenia matematyczne pozwalają nam przewidzieć właściwości hipotetycznego super-partnera każdej cząstki. można to zastosować do poprawy efektywności wykorzystania laserów. Bowiem w porównaniu ze „światem” cząstek elementarnych, wytworzenie super-partnera pojedynczego mikro-lasera jest już dużo prostsze. Cała trudność polega tu na dostosowaniu matematycznych transformacji super-symetrii w celu wytworzenia całego układu super-partnera, który ma odpowiednie poziomy energii, aby wyeliminować wszystkie oprócz pożądanego pojedynczego trybu oryginału. Wcześniej super-partnerskie macierze laserowe mogły być tylko jednowymiarowe, a każdy z elementów lasera był wyrównany w rzędzie. Rozwiązując matematyczne zależności, które rządzą kierunkami, w których poszczególne elementy łączą się ze sobą, nowe badania pozwalają na uzyskanie macierzy z pięcioma rzędami i pięcioma kolumnami mikro-laserów. Wówczas wszystkie super-tryby z wyjątkiem trybu podstawowego są rozpraszane, co skutkuje laserowaniem jednomodowym z 25-krotną mocą i ponad 100-krotną gęstością mocy oryginalnej tablicy.

Eksperymenty wykazały, że technika ta jest zgodna z badaniami nad laserami wirowymi, które mogą precyzyjnie kontrolować moment pędu orbity lub sposób, w jaki promień lasera wiruje wokół własnej osi ruchu. Zdolność do manipulowania tą właściwością światła mogłaby umożliwić systemom fotonicznym kodowanie przy nawet dużo wyższych gęstościach niż wcześniej to sobie wyobrażano.

Praktyczne zastosowanie łączności laserowej

7. batalion łączności III Marine Expeditionary Force Information Grup USMC, testował już w 2018 roku Free Space Optics w bazie Camp Hansen na Okinawie. To mobilny system przeznaczony do zapewnienia łączności na Ziemi, ale zmodyfikowany, tak by współpracował również ze statkami powietrznymi. Z kolei U.S. Navy testuje sieć operacyjną TALON. A ta zapewnia przesyłanie danych na odległość ponad 50 km z prędkością transmisji 1000-krotnie wyższą niż obecnie wykorzystywane technologie RF. Działający od 2016 roku satelita telekomunikacyjny Eutelsat-9B została wyposażony w terminal łączności laserowej The European Data Relay System (EDRS-A). Transmisja danych odbywa się za pomocą lasera, dzięki czemu przepustowość może osiągnąć nawet 1800 Mbit/s. Zebrane dane w czasie rzeczywistym są przekazywane z orbity geostacjonarnej do stacji naziemnej z niemal taką samą prędkością. Mamy więc zapewnioną wysoką przepustowość, nieprzerwane połączenie, dzięki czemu od razu po dokonaniu transmisji nadający satelita może przystąpić do dalszej pracy. Dzienna ilość danych możliwych do przesłania wyniesie ok. 50 terabajtów.

Dla NASA systemy komunikacji laserowej są potrzebne w wielu obszarach. Od sieciowania satelitów na orbicie po komunikację z Ziemią za pomocą satelitów geosynchronicznych i orbitujących na niskiej orbicie oraz jako sposób na zapewnienie szybkich i dokładnych połączeń z sondami kosmicznymi. Trwają też badania dotyczące sprawdzenie opłacalności wysłania satelity orbitującego wokół Marsa, który za pomocą laserów komunikowałby się z Ziemią. Program Blackjack zakłada testowanie pary małych satelitów, które będą przenosić optyczne łącza międzysatelitarne. Ma on udowodnić, że można zapewnić globalną bezpieczną komunikację dla amerykańskiej armii. Również koncern Airbus, TNO i Holenderskie Biuro Kosmiczne (NSO) realizują program dotyczący opracowania demonstratora technologii terminalu komunikacji laserowej dla samolotów - UltraAir. Jest on elementem programu ScyLight (technologia komunikacji bezpiecznej i laserowej) Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA).

W UltraAir wykorzystane będzie stabilny i precyzyjny optyczny system mechatroniczny co pozwoli na dokonywanie bezpiecznych i szybkich połączeń laserowych między samolotami a satelitami znajdującym się na orbicie geostacjonarnej 36 000 km nad Ziemią. Pokładowy laserowy system łączności ALCoS (Airborne Laser Communication System) umożliwia np. dokonanie połączenia z satelitą GEO (Geo-synchronous Earth Orbit) z pomocą terminalu komunikacji laserowej Tesat-Spacecom (TESAT) GEO (LCT) 135. Zapewnia nawet 300- krotne zwiększenie pojemności przenoszonych danych w stosunku do konwencjonalnych systemów używanych obecnie (RF SATCOM).

Podsumowanie

Jak podkreślają naukowcy, wprowadzenie super-symetrii do dwuwymiarowych macierzy laserowych zapewni odpowiednie narzędzie dla potencjalnych wielkoskalowych zintegrowanych systemów fotonicznych. Wspomniane osiągnięcia można z powodzeniem wykorzystać w rozwoju robotów lub innych pojazdów autonomicznych wykorzystujących LIDAR do wykrywania optycznego oraz technik pomiaru odległości, produkcji i obróbki materiałów wykorzystujących lasery itp. Jednak dla wojskowych nowa technologia byłaby w szczególności przydatna do budowy nowych systemów łączności w których laser odgrywać będzie zasadniczą rolę w procesie kodowania, zapewnienia dużej pojemności oraz stabilności przesyłu danych.

To właśnie technologie łączności laserowej zapewniają wysoką szybkość transmisji, bezpieczeństwo danych i odporność na zakłócenia. Podczas gdy dziś najbardziej złożone systemy uzyskują prędkość transmisji 10 megabitów na sekundę, już niedługo 2 megabity na sekundę zapewnią nam proste, przenośne środki komunikacji. Obecnie kilka światowych firm produkuje zaawansowane terminale optyczne do komunikacji w kosmosie bazując na wspólnych standardach. Ale np. nie ma przyjętych standardów dla optycznych łączy międzysatelitarnych na niższych orbitach poniżej zasięgu geosynchronicznego. Należało by to również zmienić i wprowadzić pewne regulacje na których oparte byłby badania i kolejno eksploatację nowych systemów komunikacji laserowej/optycznej w przyszłości.