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還在用電磁波通訊?準備迎接光子通訊時代啦!

隨著時代更迭,資訊傳輸的方式也多有演進,從古代的驛站到電報的出現,甚至是無線網路的發明,進化的步伐也越來越快速。

封面圖、Psyche spacecraft概念圖

  如國際電信聯盟在2008年首度訂立4G行動通訊的標準,2009年已有廠商展開對5G技術的研究;台灣的電信業者遲至2014年才開始提供4G服務,而新一代的5G網路卻又預計在2020年以前開始取代4G通訊。

  自赫茲在德國科學院提出他對電磁波的發現以來,至今恰好經過130年。而這短短的百年內,電磁波不但取代了實行超過千年的驛站制度,甚至連10年前的人們也難以想像我們現在的生活。這些當代的通訊方式絕大多數都是利用電磁波來達到傳輸資訊的目的,然而,這樣的通訊方式可能於NASA在JPL的工程師們手中永遠地改變。

  目前所有的無線通訊系統都是使用電磁波來完成,電磁波的頻譜如下圖所示:



圖一、電磁波頻譜



  而我們知道,當電磁波的頻率越大,則能量越強,對人體造成的傷害也就更高。因此,若是你不想年紀輕輕就死於癌症,絕對不會想把一支不斷發出γ射線、X射線和紫外線的手機放在身邊。而如果使用可見光,就好像拿兩支手電筒互相照來照去,不僅麻煩,也不太實際。

  相較之下,紅外線、微波以及無線電波,不僅頻率低,不需要非常高的發射能量而較為省電、對人體的傷害較小,並由於長波長的特性,使得它們具有良好的繞射效果,就算你躲在建築物的牆後也能讓你接收到訊息,因此它們也正是目前常用來訊息傳遞的幾種電磁波。



圖二、(a)電磁波頻譜;(b)通訊電磁波頻譜



目前常用的電磁波頻率包含:

  1. 頻率約介於1K~100KHz之間:應用在電話電報、海底電纜與航空無線電。

  2. 頻率約介於1M~500MHz之間:應用在調頻廣播(FM)、業餘無線電、調幅廣播(AM)、行動通訊與無線電視等。

  3. 頻率約介於1GHz~100GHz之間:應用在微波通訊、雷達通訊、衛星定位與衛星通訊等。而其中頻率在30GHz 以上(波長在1 公分以下)的電磁波稱為「毫米波(Millimeter Wave)」,更有公司計劃應用在下一代的5G通訊系統中。

  然而,不論是何種電磁波,其能量的強度會與發射源距離的平方成反比,亦即在傳輸過程中都必然會散失能量,導致通訊效率其實沒有想像中的高。也許在地球上通訊的我們感受不大,然而當距離拉長到行星與行星之間,單位由公里成為天文單位(AU)時,使用頻率又較高的衛星通訊,影響便相當顯著。

  而在NASA的「發現計畫(Discovery Program)」裡,一項將要造訪位於火星與木星間小行星帶中一顆金屬小行星的「精神任務(Psyche mission)」,將使用雷射取代以往所使用的無線電波來進行資料的傳遞。

  不同於上述利用「波」來傳遞訊息,任務中的「深太空光通訊(Deep Space Optical Communications, DSOC)」組件,將直接使用光的基本粒子—光子來傳遞訊息。預計能將通訊的效率提升10~100倍,傳輸的訊息量可以增加1倍,卻又不會增加質量、體積、功率、頻譜等的任務負擔。



圖三、DSOC技術的實驗。(地面訊息將從加州的海因波特山高速傳輸至太空探測器;來自太空的DSOC數據將由位於加州聖地牙哥附近的帕洛馬山天文台的大型光圈地面望遠鏡上接收。)  「這項技術將可以在太空人前往火星途中、甚至是登陸後給予非常大的協助。」Abhijit Biswas說道,他是JPL飛行通訊系統的DSOC項目技術專家,自90年代後期便一直致力於雷射通訊技術。他認為該技術在未來應用範圍相當廣泛,例如在火星周圍建立有力的基礎電信設施。藉此,不管是執行各種火星任務或是傳輸資料(例如高解析度的串流圖像)回地球,有了這項技術將可以大大提升其效率。

  聽起來是未來感十足,不是嗎?但你若是跟十年前的人們講智慧型手機,他們大概會把你當做瘋子吧!在不久的將來,人類即將登陸火星,到時候月球可能會成為熱門旅遊景點。而雷射通訊技術,也許就會是我們習以為常的太空旅遊設備呢!



 



參考資料與圖片來源:

[1]〈Deep Space Communications via Faraway Photons〉 / NASA

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6967

[2]〈LASER〉 / Wikipedia

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%BF%80%E5%85%89

[3]〈4G〉 / Wikipedia

https://zh.wikipedia.org/wiki/4G

[4] 〈三星發表世界首創5GmmWave行動通訊技術〉 /SAMSUNG

http://www.samsung.com/tw/news/product/samsung-5gmmwave-tech-news-release/

[5]〈解析通訊技術:3G、4G、5G 背後的科學意義(上)〉 / TechNews

http://technews.tw/2015/10/06/3g%E3%80%814g%E3%80%815g-meaning/

[6]〈Mission To Metal World〉/ NASA

https://www.jpl.nasa.gov/missions/psyche/



封面圖、Psyche spacecraft概念圖

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6967

圖一、電磁波頻譜https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%9B%BB%E7%A3%81%E6%B3%A2%E8%AD%9C

圖二、(a)電磁波頻譜;(b)通訊電磁波頻譜

http://technews.tw/2015/10/06/3g%E3%80%814g%E3%80%815g-meaning/

圖三、DSOC技術的實驗。

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=6967



 

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