نسل آتی ارتباطات جهانی نوری می‌شود

سیناپرس/ ناسا علاوه بر ارتقا و تجهیز کامل‌تر شبکه‌ ارتباط جهانی فعلی، تحقیقاتی برای یافتن روش‌هایی موثرتر و با قابلیت‌های بیشتر انجام می‌دهد.

ناسا در نظر دارد با گذر از بخش‌های رادیویی و بخش‌های مایکروویو از طیف الکترومغناطیسی به سمت استفاده از بخش‌های نزدیک به مادون‌قرمز و در قلمرو فوتون‌های نوری برود.

رویکرد رایج برای برقراری ارتباط بین ماهواره‌ها و ایستگاه‌های زمینی از طریق شبکه‌های ارتباطی جهانی است که در حال حاضر بر ارتباطات مبتنی بر فرکانس رادیویی (RF) متکی است. در طول سال‌های متمادی، این شبکه‌­های جهانی که متشکل از ایستگاه‌های زمینی و ماهواره‌ها هستند، خدمات ارتباطاتی را به میزان زیادی بهبود بخشیده‌اند؛ اما در ماموریت‌های ارتباطاتی آتی انتظار می رود که نرخ داده بالاتر و سریع‌تر باشد. علاوه بر این، نیازمندی‌های ارتباطاتی ماموریت‌های فعلی گاهی ممکن است بیش از توانمندی‌های شبکه‌های ارتباطاتی فعلی باشند؛ ناسا در کنار ارتقا و تجهیز کامل‌تر شبکه‌ فعلی، تحقیقاتی برای یافتن روش‌هایی موثرتر و با قابلیت‌های بیشتر نیز انجام می‌دهد.

یکی از ایده‌های ناسا گذر از بخش‌های رادیویی و بخش‌های مایکروویو از طیف الکترومغناطیسی و رفتن به سمت استفاده از بخش‌های نزدیک به مادون‌قرمز و در قلمرو فوتون‌های نوری است. فوتون‌های نور بسته‌های کوچکی از امواج الکترومغناطیسی هستند و هنگامی که تعداد زیادی از آنها به طور همزمان و همراه با هم منتقل شوند، پرتویی به نام پرتوی لیزر را تشکیل می‌دهند. ناسا در حال آغاز عصری جدید در ارتباطات فضایی با استفاده از لیزر است که با ماموریت اثبات فناوری ارتباطات لیزری شروع می‌شود.

ماموریت LCD توانایی رمزگذاری اطلاعات بر روی یک پرتوی نور لیزر را ایجاد می‌کند و در صورت موفقیت، فرم جدیدی از ارتباطات از فضا یعنی «ارتباطات اپتیکی» را تحقق می‌بخشد. عبارت «ارتباطات اپتیکی» به مفهوم استفاده از نور به عنوان وسیله‌ای برای انتقال داده می‌باشد. هدف اصلیِ ماموریت LCD، استفاده از لیزر مادون ­قرمز با قابلیت اطمینان بالاست، مشابه آنچه که برای آوردن اطلاعات با سرعت بالا به وسیله‌ کابل فیبر نوری به محل کار و خانه‌ها به کار می رود. ماموریت LCD توانایی انتقال داده با سرعت 622 مگابیت بر ثانیه را دارد.

چرا ارتباطات نوری؟

در اوایل دهه 70 میلادی و در سایه ابداع لیزر و فیبرهای شیشه‌ای، با اتلاف مطلوب 20 دسی‌بل بر کیلومتر در آن زمان، شبکه‌های نوری به رقیبی مناسب برای شبکه‌های الکترونیکی بدل شدند. فرکانس‌های نوری مورد استفاده در این شبکه‌ها به طوری‌که بسیار بزرگتر از پهنای باند سیگنال در شبکه‌های مخابراتی نوری در مقایسه با همتایان الکتریکی خود هستند، برای جلب رضایت روزافزون تقاضا برای پهنای باند بسیار مناسب هستند.

در دو دهه اخیر، مقادیر قابل توجهی لینک فیبری با تضعیف پایین به کار گرفته شده‌اند. در ابتدا این لینک‌ها، لینک‌های دیجیتالی شامل خطوط صوتی 34 مگابایت بر ثانیه‌ای برای دکل‌های تلفن بودند. بعدها در نرخ بیت‌های بسیار بالاتر و تکنیک‌های انتقال پیچیده‌تری مورد توجه واقع شدند.

برای کاهش تعداد تکرارکننده‌ها و تقویت‌کننده‌های گران‌قیمت در شبکه‌های نوری، تضعیف سیگنال نوری باید تا جای ممکن کوچک باشد. از آنجا که کمترین تضعیف فیبر در طول موج‌های نزدیک به 1550 نانومتر رخ می‌دهد (0.15 dB/cm)، پنجره طول موج 1550 نانومتر نسبت به پنجره 1300 نانومتری با پاشندگی صفر ترجیح داده می‌شود. در دسترس بودن تقویت کننده‌های فیبری آلائیده به عنصر اربیم (EDFA) جهت تقویت سیگنال در بازه طول موجی 1530 تا 1560 نانومتر مزیت دیگر استفاده از پنجره 1550 نانومتر است.

پنجره طول موجی EDFA پهنای باندی در حدود 4 گیگاهرتز دارد و این مفهوم را می‌رساند که حامل سیگنال نوری در 1550 نانومتر به صورت تئوری حداکثر ظرفیت انتقالی در حدود 8 ترابیت بر ثانیه خواهد داشت. پنجره طول موجی 1550 نانومتر که از پنجره EDFA گسترده‌تر است به صورت تئوری حتی با داشتن حداکثر ظرفیت انتقال 6 برابر (~50Tb/s) قبل از تلفات فیبر نیز انتقال را محدود می‌کند.

در طول چند دهه‌ گذشته، حجم داده‌ها در ماموریت‌های ناسا نیز به طور سرسام‌آوری افزایش یافته است و انتظار می رود که حتی در نرخ‌های بزرگ‌تری نیز ادامه یابد. اگرچه ارتباطات مبتنی بر فرکانس رادیویی در حال حاضر قابل‌اعتمادترین شکل از ارتباطات فضایی هستند، بخش‌های رادیویی و مایکروویو از طیف الکترومغناطیسی در حال نزدیک شدن به پایان ظرفیت خود هستند. ارتباطات لیزری باعث می‌شود که برقراری ارتباط در بخش جدیدی از طیف الکترومغناطیسی که شلوغی کمتری دارد انجام شود. یکی دیگر از انگیزه‌های کاوش در مورد ارتباطات لیزری، توسعه‌ تجهیزات ارتباطات فضایی کارآمدتر و با صرفه‌ اقتصادی بیشتر است. از آنجا که طول موج‌های رادیویی بلندتر هستند، اندازه‌ی پرتوی انتقال آنها منطقه‌ وسیع‌تری (حدود 100 مایل) را پوشش می‌دهد، بنابراین آنتن­های انتقال داده در فرکانس رادیویی باید بسیار بزرگ باشند. طول موج‌های لیزری 10000 بار کوتاه‌تر هستند که همین امر امکان انتقال داده از طریق پرتوهای باریک‌تر را فراهم می‌کند. در ارتباطات مبتنی بر لیزر طول موج کوچک‌تر امن‌تر است و نیز همان اندازه توان سیگنال را به آنتن‌های جمع‌آوری بسیار کوچک‌تر تحویل می‌دهد.

کاهش اندازه‌ آنتن هم برای گیرنده‌ زمینی و هم گیرنده‌ فضایی اعمال می‌شود که اندازه و جرم ماهواره را کاهش می‌دهد. پایانه‌های ارتباطی لیزری می‌توانند نرخ دادهای بالاتر با جرم، حجم و قدرت پایین­تر را پشتیبانی نمایند و همچنین در هزینه‌ ماموریت‌های آتی صرفه­جویی نمایند. برای اینکه ارتباطات لیزری به استاندارد تبدیل شود، باید ابتدا اثبات شود که این روش یک گزینه قابل دوام است.

مهندسین انتظار دارند که در ماموریت‌های فضایی آتی از تکنولوژی ارتباطات لیزری به میزان زیادی بهره بگیرند. این توانایی جدید افزایش انتقال داده در ارتباطات زمان واقعی و ویدیوهای سه بعدی با کیفیت بالا را فراهم می‌کند، درحالی‌که مزایایی مانند جرم کمتر در مدار و مصرف توان پایین تر را نیز به همراه دارد.