Mini-BOT – Miniaturized Board-mountable Optical Transceiver for high data rate Military Satellite Communications
Streszczenie popularnonaukowe
Współczesne satelity przetwarzają coraz większe ilości informacji pochodzących z systemów komunikacyjnych, obserwacyjnych i sensorycznych. Wraz ze wzrostem ilości danych klasyczne połączenia elektryczne pomiędzy urządzeniami znajdującymi się na pokładzie satelity stają się ograniczeniem pod względem szybkości transmisji, zużycia energii, masy i rozmiarów systemu. Zastąpienie ich komunikacją światłowodową pozwala na znacznie szybszą transmisję danych przy jednoczesnym ograniczeniu masy i zapotrzebowania na energię.
Celem projektu Mini-BOT jest opracowanie miniaturowego, montowanego bezpośrednio na płytce elektronicznej transceivera optycznego przeznaczonego do szybkiej komunikacji światłowodowej wewnątrz satelitów. Urządzenie ma osiągać przepływność przekraczającą 100 Gb/s, zachowując bardzo małe wymiary, masę poniżej 2 g oraz wysoką odporność na promieniowanie i warunki panujące w przestrzeni kosmicznej.
W jednym module zostaną połączone ultraszybkie lasery VCSEL i fotodetektory, specjalizowane układy elektroniczne SiGe BiCMOS oraz miniaturowe elementy optyczne wykorzystujące metapowierzchnie. Projekt rozwija więc nie tylko nowy transceiver, ale również technologie jego podstawowych elementów, które w przyszłości mogą znaleźć zastosowanie w innych kompaktowych i energooszczędnych systemach fotonicznych.
Cel projektu
Głównym celem projektu Mini-BOT jest opracowanie europejskiej technologii wysokoprzepustowego, miniaturowego i odpornego na promieniowanie transceivera optycznego do komunikacji wewnątrz systemów satelitarnych. Opracowany moduł ma zapewnić transmisję danych z szybkością przekraczającą 100 Gb/s przy bardzo małym zużyciu energii i powierzchni montażowej.
Realizacja tego celu obejmuje zaprojektowanie kompletnego transceivera, opracowanie jego układów optoelektronicznych i elektronicznych, rozwój miniaturowych elementów optycznych opartych na metapowierzchniach oraz przygotowanie technologii pozwalającej na integrację wszystkich elementów w jednym module. Zakres prac jest podzielony na zadania dotyczące specyfikacji i szczegółowego projektu transceivera, układów optoelektronicznych i elektronicznych, optyki metastrukturalnej oraz upowszechniania i wykorzystania wyników.
Istotnym celem projektu jest również stworzenie europejskiego łańcucha dostaw wysokowydajnych transceiverów optycznych i ograniczenie zależności europejskiego sektora kosmicznego i obronnego od pozaeuropejskich źródeł kluczowych komponentów.
Partnerzy projektu
Konsorcjum Mini-BOT tworzą: LEO Space Photonics R&D, Grecja – koordynator projektu, VIGO Photonics S.A., Polska, NAPA Technologies, Francja, Centre National de la Recherche Scientifique – CNRS, Francja, Politechnika Łódzka, Polska.
Partnerzy konsorcjum łączą kompetencje w zakresie projektowania systemów optycznych dla zastosowań kosmicznych, technologii laserów VCSEL i fotodetektorów, szybkiej elektroniki, metapowierzchni oraz modelowania i charakteryzacji przyrządów optoelektronicznych.
Rola Politechniki Łódzkiej w projekcie
Politechnika Łódzka odpowiada w projekcie przede wszystkim za projektowanie, modelowanie numeryczne, optymalizację oraz charakteryzację ultraszybkich laserów VCSEL stanowiących kluczowy element nadajnika optycznego Mini-BOT.
Prace prowadzone na PŁ obejmują projektowanie struktur VCSEL umożliwiających bardzo szybką modulację sygnału optycznego oraz analizę wzajemnie powiązanych zjawisk optycznych, elektrycznych i cieplnych wpływających na parametry lasera. Opracowane konstrukcje są następnie wykorzystywane do realizacji struktur epitaksjalnych i przyrządów we współpracy z partnerami technologicznymi projektu.
Istotną częścią prac PŁ jest również charakteryzacja wysokoczęstotliwościowych właściwości opracowanych VCSEL-i oraz porównanie wyników eksperymentalnych z modelami numerycznymi. W projekcie przewidziano w tym celu m.in. wykorzystanie specjalistycznego stanowiska do pomiarów wysokoczęstotliwościowych oraz infrastruktury obliczeniowej do projektowania laserów. Największy udział zespołu PŁ przypada na pakiet prac WP3 „Transceiver opto-electronic and electronic integrated circuits”.
Oczekiwany wpływ projektu
Mini-BOT ma przyczynić się do rozwoju nowej generacji systemów komunikacji optycznej dla satelitów, umożliwiających przesyłanie bardzo dużych ilości danych przy mniejszym zużyciu energii, masie i powierzchni zajmowanej przez urządzenia pokładowe. Ma to szczególne znaczenie dla systemów satelitarnych wyposażonych w coraz bardziej zaawansowane sensory oraz układy lokalnego przetwarzania danych.
W zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem i obronnością rozwój niezawodnej i odpornej na promieniowanie komunikacji optycznej może zwiększyć możliwości europejskich systemów satelitarnych i jednocześnie ograniczyć zależność od technologii dostarczanych spoza Europy. Jednym z głównych zakładanych rezultatów projektu jest stworzenie pierwszego europejskiego łańcucha dostaw wysokowydajnych transceiverów optycznych dla takich zastosowań.
Projekt ma również szersze znaczenie technologiczne. Rozwijane w nim ultraszybkie lasery VCSEL, fotodetektory, energooszczędne układy elektroniczne i metasoczewki mogą znaleźć zastosowanie w innych kompaktowych systemach optycznej transmisji danych i fotoniki zintegrowanej. Szczególnie istotna jest możliwość połączenia elementów optoelektronicznych, elektronicznych i metastrukturalnych w bardzo małym module wytwarzanym z wykorzystaniem technologii kompatybilnych z produkcją na poziomie płytki półprzewodnikowej.
W wymiarze gospodarczym rezultaty projektu mogą wzmocnić kompetencje europejskich przedsiębiorstw i ośrodków badawczych w obszarze szybko rozwijających się technologii fotonicznych dla przemysłu kosmicznego i obronnego, tworząc jednocześnie podstawę do dalszego rozwoju europejskich komponentów dla szybkiej komunikacji optycznej.
Finansowanie projektu
Projekt Mini-BOT – „Miniaturized Board-mountable Optical Transceiver for high data rate Military Satellite Communications” jest finansowany w ramach European Defence Fund (EDF), konkurs EDF-2021-OPEN-R-SME. Projekt ma charakter badawczy i obejmuje działania typu Studies oraz Design.
Całkowita wartość projektu wynosi 3 429 599 EUR. Projekt jest finansowany w 100% ze środków Unii Europejskiej w ramach European Defence Fund.
Kwota przypadająca na Politechnikę Łódzką wynosi 390 565 EUR i jest również finansowana w 100% ze środków UE.