Миниатюрная оптика MIT может изменить лидарные системы для космоса

Каждый грамм и ватт на борту космического аппарата на вес золота. Долгое время одними из самых тяжёлых и энергоёмких компонентов были оптические и коммуникационные системы, особенно крупные механические зеркала для лазерной связи и лидарных измерений. Но новое исследование учёных из MIT, MITRE и Sandia National Laboratories предлагает революционный подход к оптимизации размеров, веса и энергопотребления (SWaP) таких систем.

Опубликованная в Nature статья описывает технологию «фотонного трамплина», которая потенциально способна коренным образом изменить лидарные системы и другие оптические устройства для космических аппаратов.

Традиционные способы вывода света с чипа в свободное пространство сталкиваются с компромиссами. Дифракционные элементы хорошо масштабируются, но качество луча оставляет желать лучшего, а микромеханические сканеры слишком громоздки и тяжело адаптируются для космических условий. Новый метод обходит эти ограничения полностью.

Фотонный трамплин представляет собой наноразмерный оптический волновод, интегрированный на микрокантилевер с пьезоэлектрическим управлением. Его конструкция создаёт эффект серии миниатюрных «трамплинов», отталкивающихся от поверхности чипа. Изготавливается устройство с использованием стандартного 200-мм CMOS-производства. При охлаждении слоёв чипа кантилевер изгибается под углом 90° вверх, а подача переменного напряжения заставляет наконечник вращаться с частотой килогерц, формируя тысячи управляемых лазерных лучей на площади меньше 0,1 мм² — достаточно для рисования изображения из 30 000 пикселей на площади размером с половину зерна соли.

Первоначальная цель технологии связана с квантовыми вычислениями: для управления миллионами кубитов нужны миллионы точно направленных лазеров, что фотонный трамплин обеспечивает эффективно. В лаборатории исследователи уже проецировали полноцветные изображения и видео в свободное пространство, создав высокодетализированные двухмерные голограммы, а также проверяли систему в криостате для изучения состояния отдельных кремниевых вакансий в квантовых чипах.

Однако одно из наиболее перспективных применений может быть связано с лидарными системами. Сегодня LiDAR широко используется в беспилотных автомобилях, дронах и космических аппаратах, но такие системы известны своими крупными размерами, высокой массой, хрупкостью и значительным энергопотреблением. Миниатюрные фотонные трамплины способны радикально снизить все эти ограничения, делая лидары легче, надёжнее и энергоэффективнее.

На практике технология пока остаётся лабораторной разработкой. Первым массовым применением могут стать очки дополненной реальности, где точные миниатюрные лазеры востребованы. Для космических аппаратов внедрение потребует испытаний на устойчивость к вибрациям, радиации и экстремальным условиям запуска. Если эти испытания будут успешными, фотонные трамплины способны полностью изменить навигацию, связь и лидарные измерения на борту спутников и межпланетных миссий.

Эта разработка открывает путь к созданию компактной, лёгкой и высокоточной оптики, которая сочетает микроразмеры чипа с функционалом, ранее доступным лишь громоздким системам. В будущем она может стать ключевым элементом новых космических технологий, делая аппараты более эффективными и безопасными при работе в ограниченном пространстве.

Читайте также: