Các kỹ sư của NASA khai thác để xây dựng modem quang tử tích hợp đầu tiên

Một nhóm của NASA đã được giao nhiệm vụ xây dựng một loại modem truyền thông mới sử dụng một công nghệ mới nổi, có khả năng mang tính cách mạng, có thể biến đổi mọi thứ từ viễn thông, hình ảnh y tế, sản xuất tiên tiến đến quốc phòng.

 

Modem quang tử tích hợp đầu tiên của cơ quan vũ trụ sẽ được thử nghiệm trên Trạm vũ trụ quốc tế bắt đầu vào năm 2020 như một phần của Cuộc trình diễn chuyển tiếp truyền thông bằng laser hay LCRD kéo dài nhiều năm của NASA. Thiết bị có kích thước bằng điện thoại di động kết hợp các chức năng dựa trên quang học, chẳng hạn như tia laser, công tắc và dây dẫn, vào một vi mạch—giống như một mạch tích hợp có trong tất cả phần cứng điện tử.

Khi ở trên trạm vũ trụ, cái gọi là Modem và Bộ khuếch đại người dùng LCRD LEO (Quỹ đạo Trái đất thấp) tích hợp (ILLUMA) sẽ đóng vai trò là thiết bị đầu cuối quỹ đạo Trái đất thấp cho LCRD của NASA, thể hiện một khả năng khác cho tốc độ cao, laser- truyền thông dựa trên.

Tốc độ dữ liệu yêu cầu công nghệ mới

Kể từ khi thành lập vào năm 1958, NASA đã hoàn toàn dựa vào thông tin liên lạc dựa trên tần số vô tuyến (RF). Don Cornwell, giám đốc Bộ phận Điều hướng và Truyền thông Nâng cao của NASA trong Chương trình Điều hướng và Truyền thông không gian, nơi đang tài trợ cho sự phát triển của modem, cho biết, ngày nay, với các sứ mệnh đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao hơn bao giờ hết, nhu cầu về LCRD trở nên quan trọng hơn.

LCRD hứa hẹn sẽ thay đổi cách NASA gửi và nhận dữ liệu, video và các thông tin khác. Nó sẽ sử dụng tia laser để mã hóa và truyền dữ liệu với tốc độ nhanh hơn từ 10 đến 100 lần so với thiết bị liên lạc ngày nay, đòi hỏi khối lượng và năng lượng ít hơn đáng kể. Bước nhảy vọt về công nghệ như vậy có thể cung cấp các phép đo video và độ phân giải cao từ tàu vũ trụ trên các hành tinh trong hệ mặt trời - cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện các nghiên cứu chi tiết về điều kiện trên các thế giới khác, giống như các nhà khoa học ngày nay theo dõi các cơn bão cũng như các thay đổi khí hậu và môi trường khác trên Trái đất.

Dự án dự kiến bắt đầu hoạt động vào năm 2019, không phải là bước đột phá đầu tiên của NASA vào lĩnh vực truyền thông laser. Trọng tải trên Tàu thăm dò môi trường bụi và khí quyển mặt trăng (LADEE) đã chứng minh tốc độ tải xuống và tải lên kỷ lục đến và đi từ quỹ đạo mặt trăng ở mức lần lượt là 622 megabit/giây (Mbps) và 20 Mbps vào năm 2013.

Tuy nhiên, LCRD được thiết kế để trở thành một hệ thống hoạt động sau thời gian trình diễn hai năm đầu tiên. Nó liên quan đến một tải trọng được lưu trữ trên máy chủ và hai thiết bị được trang bị đặc biệt. trạm mặt đất. Sứ mệnh sẽ dành hai năm đầu tiên để chứng minh một hệ thống hoạt động đầy đủ, từ quỹ đạo địa không đồng bộ đến các trạm mặt đất. Cornwell cho biết, khi NASA chứng minh được khả năng đó, họ có kế hoạch sử dụng ILLUMA để kiểm tra thông tin liên lạc giữa tàu vũ trụ địa không đồng bộ và tàu vũ trụ có quỹ đạo Trái đất thấp.

Một nhà ga đặc biệt

ILLUMA kết hợp một công nghệ mới nổi—quang tử tích hợp—được kỳ vọng sẽ biến đổi bất kỳ công nghệ nào sử dụng ánh sáng. Điều này bao gồm mọi thứ từ truyền thông Internet qua cáp quang đến máy quang phổ, máy dò hóa chất và hệ thống giám sát, chỉ kể tên một số.

“Quang tử tích hợp giống như một mạch tích hợp, ngoại trừ việc chúng sử dụng ánh sáng thay vì điện tử để thực hiện nhiều chức năng quang học,” Cornwell nói. Những phát triển gần đây về cấu trúc nano, siêu vật liệu và công nghệ silicon đã mở rộng phạm vi ứng dụng cho các chip quang tích hợp cao này. Hơn nữa, chúng có thể được in thạch bản hàng loạt – giống như mạch điện tử ngày nay – giúp giảm chi phí hơn nữa cho các thiết bị quang tử.

Cornwell cho biết thêm: “Công nghệ này sẽ cho phép thực hiện tất cả các loại sứ mệnh của NASA, không chỉ liên lạc quang học trên LCRD”.

Mike Krainak, người đứng đầu bộ phận phát triển modem tại Trung tâm bay không gian Goddard của NASA ở Greenbelt, Maryland, cho biết: “Chúng tôi đã thúc đẩy điều này trong một thời gian dài. “Công nghệ này sẽ đơn giản hóa việc thiết kế hệ thống quang học. Nó sẽ giảm kích thước và mức tiêu thụ điện năng của các thiết bị quang học, đồng thời cải thiện độ tin cậy, đồng thời kích hoạt các chức năng mới từ hệ thống có chi phí thấp hơn. Rõ ràng là chiến lược của chúng tôi nhằm tận dụng mạch quang tử tích hợp sẽ dẫn đến một cuộc cách mạng về truyền thông trên Trái đất và các hành tinh-không gian cũng như trong các thiết bị khoa học.”

Ngoài việc lãnh đạo sự phát triển của ILLUMA, Krainak còn là đại diện của NASA tại tập đoàn đầu tiên của đất nước nhằm thúc đẩy quang tử tích hợp. Được tài trợ bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, Viện Sản xuất Quang tử Tích hợp phi lợi nhuận của Hoa Kỳ, có trụ sở chính tại Rochester, New York, quy tụ những tài năng công nghệ hàng đầu của quốc gia để thiết lập vị trí dẫn đầu toàn cầu về quang tử tích hợp. Mục tiêu chính của nó là phát triển các phương pháp sản xuất chi phí thấp, khối lượng lớn để hợp nhất các thiết bị điện tử mạch tích hợp với các thiết bị quang tử tích hợp.

Ban Giám đốc Sứ mệnh Công nghệ Vũ trụ (STMD) của NASA cũng đã bổ nhiệm Krainak làm người đứng đầu về quang tử học tích hợp cho Chương trình Tài trợ Nghiên cứu Công nghệ Vũ trụ, hỗ trợ những đổi mới ở giai đoạn đầu. Chương trình gần đây đã công bố một số giải thưởng nghiên cứu thuộc lĩnh vực công nghệ này (xem câu chuyện liên quan).

Bước đầu tiên trong việc chứng minh quang tử

Theo dự án của NASA, Krainak và nhóm của ông sẽ giảm kích thước của thiết bị đầu cuối, bây giờ có kích thước bằng hai lò nướng bánh mỳ – một thách thức được thực hiện dễ dàng hơn vì tất cả các chức năng liên quan đến ánh sáng sẽ được nén vào một vi mạch. Ông nói, mặc dù modem dự kiến sẽ sử dụng một số sợi quang, nhưng ILLUMA là bước đầu tiên trong việc xây dựng và trình diễn một mạch quang tử tích hợp mà cuối cùng sẽ nhúng các chức năng này vào một con chip.

ILLUMA sẽ chứng nhận công nghệ bay này cũng như chứng minh khả năng quan trọng cho tàu vũ trụ trong tương lai. Ngoài việc liên lạc với các trạm mặt đất, các vệ tinh trong tương lai sẽ cần có khả năng liên lạc với nhau, ông nói.

“Điều chúng tôi muốn làm là cung cấp khả năng trao đổi dữ liệu nhanh hơn cho cộng đồng khoa học. Modem phải rẻ tiền. Chúng phải nhỏ. Chúng tôi cũng phải giảm trọng lượng của họ,” Krainak nói. Mục tiêu là phát triển và trình diễn công nghệ, sau đó cung cấp nó cho ngành công nghiệp và các cơ quan chính phủ khác, tạo ra nền kinh tế quy mô giúp giảm chi phí hơn nữa. “Đây là sự trả giá,” anh nói.

Krainak nói thêm, mặc dù quang tử tích hợp hứa hẹn sẽ cách mạng hóa khoa học dựa trên không gian và liên lạc giữa các hành tinh, nhưng tác động của nó đối với việc sử dụng trên mặt đất cũng sâu sắc không kém. Một cách sử dụng như vậy là với các trung tâm dữ liệu. Những cơ sở vật chất rất lớn và tốn kém này có các máy chủ được kết nối bằng cáp quang để lưu trữ, quản lý và phân phối dữ liệu.

Quang tử tích hợp hứa hẹn sẽ giảm đáng kể nhu cầu và kích thước của những vật thể khổng lồ này—đặc biệt vì phần cứng quang học cần thiết để vận hành các cơ sở này sẽ được in trên một con chip, giống như mạch điện tử ngày nay. Ngoài việc giảm chi phí, công nghệ này còn hứa hẹn khả năng tính toán nhanh hơn.

“Google, Facebook, tất cả họ đều đang bắt đầu xem xét điều này công nghệ,” Krainak nói. "BẰNG quang tử tích hợp ngày càng có hiệu quả về mặt chi phí hơn cáp quang, nó sẽ được sử dụng,” Krainak nói. “Mọi thứ đều hướng về phía này.”