- 文／ 蔡乃玉、游雨婕│ 臺灣大學物理學系學生
即使是目前發現最靠近地球的黑洞，也距離我們遠達上千光年，更別說那些上萬、上億光年的遙遠天體了，面對如此遙不可及的距離，你是否有想過，科學家究竟是得到來自它們的訊息呢？現今人類到底運用了什麼樣的科技，竟然可以獲得億萬光年之外的宇宙訊息？
無線電波，就是科學家的好工具！
整個宇宙，都像是科學家的廣播電台！
所謂的無線電波（Radio Wave），通常是指波長在 100000 公里（108 公尺）到 0.1 毫米（10-4 公尺）之間，頻率為 3 Hz～3000 GHz（3 THz）的電磁波段，一般通訊使用的頻段大約落在 3 kHz ~ 30 GHz，30~300 GHz 的頻段又因波長大小，稱為「毫米波」，是未來 5G 通訊使用的頻段。
（2021 / 4 / 1）編按：更正頻率與波長對應的錯誤，無線電波的定義以國際電信聯盟（ITU）的無線電頻譜為準，毫米波的頻段跟微波重疊，而 3 THz 也已經接近遠紅外線（FIR）的頻段。
事實上，無線電波不只可以拿來接收宇宙資訊，在我們的日常生活中，其實早就有很多使用無線電的裝置，像是廣播、無線電對講機、雷達、Wi-Fi 與藍芽都是透過無線電波來傳訊的唷！
大家在聆聽廣播時，多多少少都有聽過「AM、FM」這兩個字彙，你知道它們分別代表的意思是什麼嗎？
AM、FM 是兩種傳遞信號的技術，也是我們生活中最容易接觸到的傳訊技術之二，它們可以讓「電磁波的振幅」隨著不同的因素而變化，同樣的，我們也可以讓無線電透過這兩種方法來傳遞訊號。
首先，AM，是振幅調變 (amplitude modulation) 的簡寫，它會讓電磁波的振幅隨著聲波的「振幅」而改變，當聲波的振幅變大、電磁波的振幅也變大，早期無線電大多使用這種技術，它可以讓訊號傳遞到比較廣的地方，但缺點是噪音很多。
FM 即為調頻 (frequency modulation) ，它會讓電磁波的振幅隨著聲波的「頻率」而改變，雖然 FM 沒有辦法像 AM 傳遞到那麼遠，但 FM 的優點是噪音比較少。
然而，即使 FM 的噪音已經減少了很多，FM 的噪音仍然很難、很難完全去除，相信大家聆聽 FM 廣播電台時，也有這樣的困擾。對於科學家來說，這可是不能默默忍受的缺點！因此，科學家也不斷努力研發出降低、去除無線電噪音的技術。
無線電波不夠讚，把它變成「光」吧！
光學纖維（俗稱光纖）是一種使用石英玻璃或塑膠製成的纖維，會用「光」進行資料傳輸，比起剛剛所提到的 FM 和 AM ，光纖不僅速度更快、噪音也更少！
由此可知，「光」也是非常棒的傳訊技術，若我們可以將無線電波轉為光波，就可以像光纖一樣，更有效的降低噪音！目前已經有很多種方式能夠將這兩種電磁波進行轉換，在市面上，我們也早就可以很簡單的買到光電轉換器囉！
為了讓光波傳訊的品質更上一層樓，科學家們研發出光學相位調變 (optical phase modulation) 技術，偵測光的「相位」變化來使得精密度提高，可以有效降低無線電噪音，進而提高訊息的完整度。
以 T.Bagci 和 A.Simonsen 曾發表在 Nature 的論文為例，該研究團隊使用了奈米薄膜為材料，而奈米薄膜可以結合「無線電波頻率共振電路 」和 「薄膜表面反射的光」，使得這些無線電頻率訊號能夠透過光學的相位變化的形式被觀測到，也就是將無線電波轉換成了光波，以光波的形式傳遞。
以這種方式傳遞訊息的話，連極小的尺度都能被觀測，非常靈敏。
用數據來比較的話，噪音的單位 V/ √Hz （伏特／√赫茲），現在市面上的光電轉換器能將噪音降低到 nV 尺度（奈米級，10-9），而對這一項技術電路本身的噪音為 800pV/√Hz（飛米級，10-12），轉換成光波後最低可降至 5pV/√Hz！
5pV/√Hz 的噪音有多低呢？論文指出，對 MRI 而言，對噪音的要求只要低於200pV/Hz 就足夠了！噪音被大幅降低後，不但可以讓訊號不失真，也可以讓弱小的訊號更容易被偵測到。
光、電怎麼變身？就像大鼓變芝麻（X）
以下將簡述這個裝置的原理，以及轉換的進行過程。
實驗中使用了鍍了鋁的氮化矽的奈米薄膜，當輸入無線電訊號進去時，奈米薄膜就會像鼓面受到震動一樣，當輸入的訊號不同，鼓面震動的幅度也會不同。
此時，將雷射光照到薄膜上時，就像灑一把芝麻到鼓面上，隨著鼓面著震動，芝麻會跑到不同的地方去，而我們只要藉由觀察芝麻的反應，也就是反射光的變化，就可以得知輸入的訊號了。
科學家們就是透過這樣的方法，順利將無線電訊號以低噪音的方式轉換成光波。
如同前文所提到的數據，在這個實驗進行時，電路本身還是會有些許噪音，大約800pV/√Hz 左右，主要來源為熱擾動，科學家們為了更進一步地減少噪音，除了光學相位調變技術之外，也搭配並採取了降低溫度、施加電壓以抵銷噪音頻率等等措施，成功讓無線電的噪音被降到極低的尺度。
當我們可以聽到更細膩的聲音後…？
這項技術將可以將無線電波轉換成低噪的光波，因此可以用已經建立好的測量模型來觀測這些信號，讓人類得以研究這些微小的電波，使我們可以得到比以前更精準的訊號，觀測到以前所無法得到的宇宙訊息，或是讓核磁共振圖像更精準，是電子學在訊號傳遞上的一大突破！
未來，隨著通訊技術日新月異，你覺得我們可以在宇宙之間得到讓人意想不到的訊息嗎？也許…來自外星生物的打招呼訊息？讓我們一起解開更多來自外太空的秘密吧！
致謝
本文源自於臺灣大學物理學系電子學的課程報告，感謝朱士維教授與程暐瀅助教的協助。
參考資料:
- Bagci, T. et al. Optical detection of radio waves through a nanomechanical transducer. Nature 507, 81–85 (2014).
- A. Horneff; B. Schlecker; M. Häberle; E. Hell; J. Ulrici; V. Rasche; J. Anders. “A New CMOS Broadband, High Impedance LNA for MRI Achieving an Input Referred Voltage Noise Spectral Density of 200pV/Hz√” IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS), 2019.
- 無線電（Radio Waves）
狐禪
