自从我们在电影《星际迷航》中第一次听到 "把我们送上去！"的命令后，我们就被那些能完成惊人壮举的未来主义技术所吸引。其中一项技术-- 在当时，虚构的激光设备 -- 吸引了全世界。其光束可以控制和操纵物体，引发爆炸或击晕敌人，并炸穿墙壁和人。
今天，激光束被用于无数有益的应用，无论是在太空还是在地球。其中包括自动驾驶汽车、医疗显微镜、手机和卫星通信。
在下一代天基通信系统中，激光束将携带数据，帮助数以千计的卫星，彼此之间和深空与地球之间进行有效通信。由于卫星在全球范围内高速翱翔，反弹的光束必须不断调整方向，以保持数据向最终目标移动。要有效地做到这一点是一个相当大的工程挑战，因为商业应用需要更快、更小和更有效的设备。
自由空间的激光束通常是由笨重的镜子利用精密机械来引导的。但是对于外太空的应用，弯曲的镜子不能提供所需的坚固性、速度、成本效益、准确性或寿命。
在过去的3年里，加拿大国家研究委员会（NRC）的研究人员利用轻型光电硅基微芯片（如电子产品中的芯片）开发了一种廉价的替代方案。"先进电子和光子学（AEP）研究中心的纳米光子学团队负责人Jens Schmid博士说："与镜子不同，芯片不会移动，重量只有几毫克。基于芯片的光束转向技术使用光学相控阵，这需要对排列在芯片上的大量光学发射器进行复杂的电子控制。"
合作引领研究
在与西班牙马拉加大学和渥太华卡尔顿大学的合作下，在高通量和安全网络（HTSN）挑战计划的支持下，NRC团队与帕维尔-切本博士和施密德博士合作，解决了集成光子学的巨大挑战。例如，他们掌握了在光子集成芯片上直接实现大孔径光发射器的概念。
一个突破性的天线设计表明，标准的硅光子制造技术可以用来创建非常长的天线（2毫米），发射低发散光束（0.1度远场发散）。
"我们的团队还发明了纳米结构的超材料 (metamaterial) 波导，它与一个非常紧凑的光学馈送单元相结合，降低了电子控制的功耗和复杂性"。施密德博士补充说："我们展示了一种实用的方法来扩大基于硅芯片的光束转向天线阵列的尺寸，该阵列发射的光束更加准直，增加了设备的范围。"
他指出，合作对于补充NRC的专业知识是非常宝贵的。在两所大学的高级科学家的帮助下，项目工作在过去3年中发表了3篇经同行评审的文章，包括2022年7月的《Laser and Photonics Reviews》上的一篇文章。
"我们来自西班牙的博士生Pablo Ginel-Moreno也能够在我们的直接指导下在NRC度过一段时间"，他说："他后来在2021年IEEE第四组光子学会议和2022年巴黎ePIXfab硅基光子学暑期学校中获奖。"
对于新概念的实验演示，NRC与总部位于阿尔伯塔省埃德蒙顿的Applied Nanotools Inc.公司签订了合同，利用NanoSOI光子学制造服务，生产纳米硅基芯片。
该项目的下一阶段将涉及与卡尔顿大学合作，建立一个带有光学天线的功能性波束转向系统，以及为性能改进的设计创新，包括大规模提高无线数据速率。
"这样的合作证明，与那些为我们的内部多学科团队增加专业知识和培训的人合作，可以把我们都推向一个研究领域的前沿"，施密德博士补充说："在这个商业兴趣迅速增长的领域，我们也能够用我们的新方法产生有价值的IP"。
面向未来的光束
NRC在光学天线和阵列设计方面的进展可以提高低地球轨道（LEO）卫星群及其配套的地面基础设施的容量。它们还可以适用于光探测和测距（LiDAR）等应用，该应用使用激光来绘制自动驾驶车辆的周围环境。
NRC发明的最初意图是通过NRC的高通量和安全网络（HTSN）挑战计划来帮助加拿大的农村和偏远社区。 这项改变游戏规则的技术，用激光束取代了光纤网络，可用于在任何地方提供安全的高速互联网。
"例如，在我们广大的北方地区的许多地方，在地下铺设光纤并不符合成本效益"，施密德博士说。"有了激光束，我们可以从南方的大城市上传数据，并将激光束交给各种卫星，直到它们到达目标，而不需要接触地面。"
这项技术的需求量很大，因为自由空间光通信在满足快速发展的未来需求方面有着巨大的前景。"施密德博士总结说："随着对这项研究的关注，我们和我们的合作伙伴正前进在追寻新技术前沿的道路上。
微信公众号 
bilibili 
微信视频号