Инженеры НАСА собираются создать первый модем с интегрированной фотоникой

Команда НАСА была привлечена к созданию нового типа коммуникационного модема, который будет использовать новую, потенциально революционную технологию, которая может изменить все: от телекоммуникаций, медицинской визуализации, передового производства до национальной обороны.

 

Первый в мире модем с интегрированной фотоникой космического агентства будет испытан на борту Международной космической станции, начиная с 2020 года, в рамках многолетней демонстрации НАСА лазерной связи (LCRD). Устройство размером с сотовый телефон включает в себя оптические функции, такие как лазеры, переключатели и провода, на микрочипе — очень похоже на интегральную схему, присутствующую во всем электронном оборудовании.

На борту космической станции так называемый интегрированный пользовательский модем и усилитель LCRD LEO (Low-Earth Orbital) (ILLUMA) будет служить терминалом на низкой околоземной орбите для LCRD НАСА, демонстрируя еще одну возможность высокоскоростной лазерной связи. основанные коммуникации.

Скорость передачи данных требует новых технологий

С момента своего создания в 1958 году НАСА полагалось исключительно на радиочастотную (РЧ) связь. Сегодня, когда миссии требуют более высоких скоростей передачи данных, чем когда-либо прежде, потребность в LCRD стала более острой, сказал Дон Корнуэлл, директор Отдела перспективной связи и навигации НАСА в рамках Программы космической связи и навигации, которая финансирует разработку модема.

LCRD обещает изменить способы отправки и получения данных, видео и другой информации НАСА. Он будет использовать лазеры для кодирования и передачи данных со скоростью от 10 до 100 раз быстрее, чем современное коммуникационное оборудование, требуя значительно меньших массы и мощности. Такой скачок в технологии может обеспечить видеосъемку и измерения высокого разрешения с космических кораблей над планетами Солнечной системы, что позволит исследователям проводить детальные исследования условий в других мирах, подобно тому, как сегодня ученые отслеживают ураганы и другие изменения климата и окружающей среды здесь, на Земле.

Проект, реализация которого, как ожидается, начнется в 2019 году, не является первой попыткой НАСА в области лазерной связи. В 2013 году полезная нагрузка на борту корабля Lunar Atmography and Dust Environment Explorer (LADEE) продемонстрировала рекордные скорости загрузки и выгрузки на лунную орбиту и обратно — 622 мегабит в секунду (Мбит/с) и 20 Мбит/с соответственно.

Однако LCRD задуман как действующая система после первоначального двухлетнего демонстрационного периода. Он включает в себя размещенную полезную нагрузку и два специально оборудованных наземные станции. Первые два года миссия посвятит демонстрации полностью работоспособной системы — от геостационарной орбиты до наземных станций. По словам Корнуэлла, как только НАСА продемонстрирует эту возможность, оно планирует использовать ILLUMA для проверки связи между геосинхронными и низкоорбитальными космическими аппаратами.

Исключительный терминал

ILLUMA включает в себя новую технологию — интегрированную фотонику, которая, как ожидается, изменит любую технологию, использующую свет. Это включает в себя все, от Интернет-коммуникаций до опто-волоконный кабель спектрометры, химические детекторы и системы наблюдения, и это лишь некоторые из них.

«Интегральная фотоника подобна интегральной схеме, за исключением того, что она использует свет, а не электроны для выполнения широкого спектра оптических функций», — сказал Корнуэлл. Недавние разработки в области наноструктур, метаматериалов и кремниевых технологий расширили диапазон применения этих высокоинтегрированных оптических чипов. Более того, их можно будет массово печатать литографическим способом — точно так же, как современные электронные схемы, — что еще больше снизит стоимость фотонных устройств.

«Эта технология позволит выполнять все типы миссий НАСА, а не только оптическую связь на LCRD», — добавил Корнуэлл.

«Мы настаивали на этом в течение долгого времени», — сказал Майк Крайнак, который возглавляет разработку модема в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Эта технология упростит конструкцию оптической системы. Это уменьшит размер и энергопотребление оптических устройств, а также повысит надежность, одновременно предоставляя новые функции в более дешевой системе. Очевидно, что наша стратегия по использованию интегрированных фотонных схем приведет к революции в земной и планетарно-космической связи, а также в научных инструментах».

Помимо руководства разработкой ILLUMA, Крайнак является представителем НАСА в первом в стране консорциуме по развитию интегрированной фотоники. Некоммерческий Американский институт производства интегрированной фотоники, финансируемый Министерством обороны США, со штаб-квартирой в Рочестере, штат Нью-Йорк, объединяет ведущие технологические таланты страны для установления мирового лидерства в области интегрированной фотоники. Его основной целью является разработка недорогих и крупносерийных методов производства, позволяющих объединить электронные интегральные схемы со встроенными фотонными устройствами.

Управление космических технологий НАСА (STMD) также назначило Крайнака руководителем комплексной фотоники в своей программе грантов на исследования космических технологий, которая поддерживает инновации на ранних стадиях. Программа недавно объявила о присуждении ряда наград за исследования в этой области технологий (см. статью по теме).

Первый шаг в демонстрации фотоники

В рамках проекта НАСА Крайнак и его команда уменьшат размер терминала, который теперь равен размеру двух тостеров. Задача упрощается, поскольку все функции, связанные со освещением, будут втиснуты в микрочип. Хотя ожидается, что в модеме будет использоваться оптоволокно, ILLUMA станет первым шагом в создании и демонстрации интегрированной схемы фотоники, которая в конечном итоге встроит эти функции в чип, сказал он.

ILLUMA проведет летную квалификацию этой технологии, а также продемонстрирует ключевые возможности будущих космических кораблей. По его словам, помимо связи с наземными станциями будущим спутникам потребуется возможность общаться друг с другом.

«Мы хотим обеспечить более быстрый обмен данными с научным сообществом. Модемы должны быть недорогими. Они должны быть маленькими. Нам также необходимо снизить их вес», — сказал Крайнак. Цель состоит в том, чтобы разработать и продемонстрировать технологию, а затем сделать ее доступной для промышленности и других государственных учреждений, создавая экономику масштаба, которая приведет к дальнейшему снижению затрат. «Это расплата», — сказал он.

Хотя интегрированная фотоника обещает совершить революцию в космической науке и межпланетных коммуникациях, ее влияние на наземное использование также столь же глубоко, добавил Крайнак. Одно из таких применений – центры обработки данных. В этих дорогостоящих и очень крупных объектах размещаются серверы, соединенные оптоволоконным кабелем для хранения, управления и распространения данных.

Интегрированная фотоника обещает значительно сократить потребность в этих гигантах и их размеры, особенно потому, что оптическое оборудование, необходимое для работы этих объектов, будет напечатано на чипе, во многом подобно современным электронным схемам. Помимо снижения затрат, эта технология обещает более высокую вычислительную мощность.

«Google, Facebook, они все начинают на это обращать внимание. технологии- сказал Крайнак. "Как интегрированная фотоника станет более экономически эффективным, чем оптоволокно, оно будет использоваться», — сказал Крайнак. «Все идет именно к этому».