JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.

Med en lättviktig laserlänkterminal på bara 180 gram kan även nanosatelliter på ett kilo börja rapportera via bredband. Tekniken är redo att tas i bruk och är ytterligare en i raden av tillämpningar för Rise Acreos berömda kvantbrunnar. Professor Qin Wang och hennes student Adrien Chopard demonstrerar för Elektroniktidningen. 

Den väger 180 gram, drar två watt och knådar ihop en datatakt på en gigabit per sekund om man lyser på den med laser.
 

Modulatorn säljer sig själv

Länkterminalen tas fram inom ett tvåårigt EU- och FMV-finansierat projekt kallat C3PO, som tar slut i sommar.

C3PO betyder Advanced Concept for Laser Uplink/Downlink Com­mu­ni­ca­tion with Space Objects.

Ett dussin personer från Acreo med­verkar. Internationella partners är bland annat Airbus, Thales och nederländska och tyska rymd­forsknings­instituten NLR respektive DLR.

Leder projektet gör Qin Wang, som doktorerade på Lunds universitet 1999 och har jobbat på Acreo sedan år 2000. Hon anställdes just för att jobba med projekt kring modulatorn. 

Qin Wang har medverkat till att göra Acreo världsledande inom EAM. Den enda medtävlaren är amerikanska flottan, som utforskar tekniken för kommunikation mellan skepp. 

– Jag vågar säga att i världen är vi två ensamma i toppen, säger Qin Wang.

De två har goda kontakter och brukar mäta sin prestanda mot varandra.

Acreo fokuserar på grundtekniken medan US Navy Research Labo­ratory (NREL) arbetar på tillämp­nings­nivå och med system. NREL studerar exempelvis problem som att rikta lasern, att koda sig­nalen och att matematiskt kompensera för brus.

EAM-modulatorn marknadsför i det närmaste sig själv. 

– Andra projekt som jag leder måste vi vanligen gå ut och försöka sälja. Men när det gäller mo­du­la­torn är det alltid kunden som söker upp oss. Det finns inte många som kan producera den här sortens komponent med så hög kvalitet, säger Qin Wang.

– Vår teknikplattform är mycket bra och vidareutvecklad under drygt 20 år. Om andra vill komma ikapp har de en lång resa framför sig. 

Kvantbrunnar har varit forsknings­bolaget Acreos specialitet sedan ett par decennier. De är bland annat grunden för detektormatrisen i den högupplösta IR-kameran från Acreos gamla kund Flir. 

Även Acreos EAM-teknik är beprövad, också för kommu­nika­tions­­tillämpningar. Kunder finns inom såväl inom rymd och försvar som inom industri och civilt. Inom biofotonik – en växande gren för Acreo – används EAM för att skicka signaler genom hud.

Acreo tillverkar modulatorerna med vanlig halvedarteknik i III-V-material i KTH:s och Acreos gemensamma renrum i Kista.

– Vi sitter på en solid kunskap inom kvantmekanik. Och så har vi våra renrum av världsklass, det är det inte så många som har. Alla dessa faktorer sammantagna gör oss unika.

US Navy Research har de­mon­stre­rat 45 Mbit/s i en laser­reflektor­modulator mellan skepp, medan Acreo tillsammans med Airbus och Oxforduniversitetet demonstrerat 150 Mbit/s över 600 meter utomhus.

– Det låter kanske inte så snabbt jämfört med fiber, men för free space-kommunikation är det mycket snabbt.

I mars hoppas projektet kunna demonstrera en datalänk på en Gbit/s till en obemannad luftfakost (UAV).

I labbet går det i alla fall bra, kan Elektroniktidningen verifiera. Vi får det demonstrerat för oss via Skype. 

Adrien Chopard, fransk magister­student på Acreos nano­teknik­program, kopplar upp senaste versionen av sitt examens­arbete i labbet. 

En laser­signalpå 1562 nm får färdas via en spegel den blyg­samma sträckan av tio meter. En snygg sinus­våg på 500 MHz skickas och reflekteras, och skulle modulerad ge länken en band­bredd på 1 Gbit/s. 

Sändaren i labbet använder några milliwatt. Upp till en satellit krävs betydligt mer.

|aserkommunikation tycks vara på väg att etableras som en teknik för kommunikation i rymden, både mellan satelliter och mellan satellit och jord.

Dagens satelliter kommunicerar med radio, men experiment på Nasa och Esa sedan år 2001 visar att laser skulle kunna ge 10–100 gånger högre bandbredd.

Bandbredder på upp till 5 Gbit/s har testats i stora satelliter med utrustning som typiskt drar mer än hundra watt och väger dussintals kilo. För mindre satelliter har det utvecklats teknik som kan ge 5 Mbits/s till en vikt av 3 kilo och en effekt på 50 watt.

Men Rise Acreo i Kista har en betydligt smidigare lösning under utveckling. Den gör laserkommunikation realistisk även i små nanosatelliter på ett kilo – också sådana är för övrigt en framtidstrend.

Det är Acreos välbeprövade kvantbrunnar som hittat ytterligare en tillämpning. Med hjälp av dem hoppas projektet kunna krympa datalänkterminalen i satelliten till ynka 180 gram. Och dra ner effekten till ett par watt.

Knepet är att lägga så mycket av hårdvaran som möjlig i markstationen – inklusive lasern. Kvar i satelliten finns bara en liten lins, drivelektronik och en lasermodulator med en reflektor bakom.

Själva laserkällan sitter i markstationen. Den lyser på satelliten som speglar tillbaka signalen, modulerad i flykten i en kvantbrunn. Mätt i watt/bit/sekund uppe i satelliten, är detta helt överlägset alla alternativ.

En lika snabb radiolänk drar dussintals watt och väger 20 gånger mer.

Den här typen av komponent kallas för en modulerad retroreflektor (MRR). Har man inga kvantbrunnar kan man använda LCD eller mikroelektromekanik för moduleringen, men den ger långt ifrån samma bandbredd. Memsbaserade mikrospeglar kommer bara upp i kHz.

En Gbit/s är målet för Acreo, som har modulatorer som klarar mer, men här sätter drivelektroniken gränsen.

MRR:en består av en ytnormal elektroabsorptionsmodulator (EAM). Den modulerar kvantbrunnar med hjälp elektriska fält. Fälten påverkar brunnens ljusabsorptionsspektrum via en effekt som kallas QCSE (quantum-confined Stark effect) och som växlar en optisk signal mellan att vara på och av.

Det som Acro byggt ska alltså sammanfattningsvis beskrivas som en EAM-baserad MRR för att få alla termer och förkortningar rätt.

Utöver ökad bandbredd är laserkommunikation säkrare mot avlyssning och lider inte av interferenser. Den behöver heller inga frekvenslicenser från ITU – det har börjat bli trångt i etern kring jorden.

Å andra sidan behövs tillstånd för får att lysa en laser rakt upp i himlen, något som C3PO ansöker om just nu. Under tiden sker testerna horisontellt – partners i Tyskland och Polen skjuter laser mot UAV-farkoster.

Och så finns problemet med att sikta på ett rörligt mål långt bort. Det problemet attackeras bland annat av den tyska partnern DLR med en teknik som liknar lidar.

– De gör ett jättebra jobb för nanosatelliten. Det är en orsak till att vår komponent kan byggas så liten, säger Qin Wang på Acreo.

– En trevlig egenskap hos den här sortens komponent är att om du lyser på den så kan du mäta upp en liten ström. Så du vet när din stråle lyckats fokusera på en pixel, och då kan du starta moduleringen, kommenterar nanoteknikstudenten Adrien Chopard.

Ytterligare en utmaning är moln och annat optiskt störande väder. Det problemet ska mildras via användandet av flera markstationer.

Någon skarp sjösättning av tekniken är inte planerad. Men Qin Wang tror att tekniken är redo i och med att både modulator och siktande tycks fungera.

Acreo hoppas kunna hitta fler tillämpningar för sin EAM-baserade MRR:er, även i rymden.

– Särskilt intressant skulle det vara att kunna samarbeta med svenska industriföretag och rymdinstitut, säger Qin Wang.


FOTNOT: Bilderna är tagna av MAGNUS RYSJÖ

MER LÄSNING:
 
magasinet

221 stycken elektronik­konsulter

Registrera ditt företag nu!
 
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik
Anne-Charlotte
Sparrvik
+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)