NRC inventa tecnologia inovadora para comunicações por satélite baseadas em chips fotônicos

Desde que ouvimos pela primeira vez o comando, “Transfira-nos para cima!” na série de TV Star Trek do século 20 , ficamos fascinados por tecnologias futuristas que realizam feitos incríveis. Uma dessas tecnologias – na época, dispositivos a laser fictícios – cativou o mundo. Seus feixes podem controlar e manobrar objetos, desencadear explosões ou atordoar inimigos e atravessar paredes e pessoas.

Hoje, os feixes de laser são usados ​​em inúmeras aplicações benevolentes, tanto no espaço quanto na Terra. Estes incluem carros autônomos, microscopia de saúde, telefones celulares e comunicações via satélite.

Nos sistemas de comunicação baseados no espaço de próxima geração, os feixes transportarão dados para ajudar milhares de satélites a se comunicarem eficientemente entre si, no espaço profundo e na Terra. Como os satélites voam ao redor do globo em alta velocidade, os feixes saltitantes devem ser constantemente redirecionados para manter os dados se movendo em direção aos alvos eventuais. Fazer isso de forma eficaz é um grande desafio de engenharia, pois as aplicações comerciais exigem dispositivos cada vez mais rápidos, menores e mais eficientes.

Os feixes de laser no espaço livre normalmente são dirigidos por espelhos volumosos usando mecânica de precisão. Mas para aplicação no espaço exterior, os espelhos curvos não fornecem a robustez, velocidade, custo-benefício, precisão ou longevidade necessários.

Nos últimos 3 anos, pesquisadores do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá (NRC) desenvolveram uma alternativa barata usando microchips de silício optoeletrônicos leves, como os encontrados em eletrônicos. “Ao contrário dos espelhos, os chips não se movem e pesam apenas alguns miligramas”, diz o Dr. Jens Schmid, líder da equipe de nanofotônica no Centro de Pesquisa em Eletrônica e Fotônica Avançada (AEP). “A tecnologia de direcionamento de feixe baseada em chip usa matrizes ópticas em fase, que exigem controle eletrônico complexo de um grande número de emissores ópticos dispostos em um chip.”

Colaborações orientam a pesquisa

Em colaboração com a Universidade de Málaga na Espanha e a Universidade Carleton em Ottawa, e apoiada pelo programa High-throughput and Secure Networks (HTSN) Challenge , a equipe do NRC trabalhando com o Dr. Pavel Cheben e o Dr. Schmid abordou grandes desafios específicos para integração fotônica. Por exemplo, eles dominaram o conceito de implementar emissores de luz de grande abertura diretamente em um chip integrado fotônico.

Um projeto de antena inovador mostrou que as técnicas padrão de fabricação fotônica de silício podem ser usadas para criar antenas muito longas (2 mm) emitindo feixes de baixa divergência (divergência de campo distante de 0,1 graus).

“Nossa equipe também inventou guias de ondas de metamateriais nanoestruturados que, em conjunto com um elemento alimentador óptico muito compacto, reduzem o consumo de energia e a complexidade dos controles eletrônicos”, acrescenta Dr. Schmid. “Nós demonstramos uma maneira prática de aumentar o tamanho de matrizes de antenas de direcionamento de feixe baseadas em chip de silício que emitem um feixe mais colimado, aumentando o alcance do dispositivo”.

Ele ressalta que as colaborações são inestimáveis ​​para complementar a experiência no NRC. Com a ajuda de cientistas seniores de ambas as universidades, o trabalho do projeto resultou em 3 publicações revisadas por pares nos últimos 3 anos, incluindo um artigo na edição de julho de 2022 da Laser and Photonics Reviews .

“Nosso aluno de doutorado da Espanha, Pablo Ginel-Moreno, também pôde passar um tempo no NRC sob nossa supervisão direta”, diz ele. “Ele ganhou prêmios na conferência IEEE Group IV Photonics de 2021 e na ePIXfab Silicon Photonics Summer School de 2022 em Paris.”

Para a demonstração experimental do novo conceito, o NRC contratou a Applied Nanotools Inc. , com sede em Edmonton, Alberta, para produzir os chips de silício nanofabricados, usando o serviço de fabricação de fotônica NanoSOI.

A próxima fase deste projeto envolverá trabalhar com a Universidade de Carleton para construir um sistema de direção de feixe funcional com antenas ópticas, bem como desenvolver inovações para melhorias de desempenho que incluem aumentos maciços na taxa de dados sem fio.

“Tais colaborações provam que trabalhar com pessoas que agregam conhecimento e treinamento às nossas equipes multidisciplinares internas pode nos levar à vanguarda de um campo de pesquisa”, acrescenta Dr. Schmid. “Também conseguimos gerar IP valioso em nossas novas abordagens nesta área de interesse comercial em rápido crescimento.”

Iluminando o futuro
Os avanços do NRC em antenas ópticas e design de matrizes podem aumentar a capacidade das constelações de satélites de órbita terrestre baixa (LEO) e sua infraestrutura terrestre complementar. Eles também podem ser adaptados para aplicações como Light Detection and Ranging (LiDAR), que usa lasers para mapear os arredores de veículos autônomos.

A intenção inicial da invenção do NRC é ajudar as comunidades rurais e remotas do Canadá por meio do programa High-throughput and Secure Networks (HTSN) Challenge do NRC . A tecnologia revolucionária, que substitui as redes de fibra por feixes de laser, pode ser usada para oferecer internet segura de alta velocidade em qualquer lugar.

“Em muitas partes de nossas vastas regiões do norte, por exemplo, colocar fibras ópticas no subsolo não é rentável”, diz Dr. Schmid. “Com os feixes de laser, poderíamos carregar os dados das grandes cidades do sul e passar os feixes para vários satélites até atingirem seus alvos, sem nunca tocar o solo”.

Essa tecnologia está em alta demanda porque as comunicações ópticas de espaço livre são uma grande promessa para atender às necessidades futuras em rápida evolução. “Com foco nesta pesquisa, nós e nossos colaboradores estamos no caminho certo para conquistar novas fronteiras”, conclui Dr. Schmid.