Ein Gyroskop auf einem photonisch integrierten Chip
Das EU-finanzierte Projekt MERMIG(öffnet in neuem Fenster) (Modular CMOS photonic integrated micro-gyroscope) hat Platz für zusätzliche Satellitennutzlast geschaffen, indem der sperrige und schwere Faserkreisel, ein Gyroskop mit Glasfaser, ersetzt wurde. Für diese neue Generation von Mikro-Gyroskopen wurde im Rahmen von MERMIG die richtige Mischung aus siliziumphotonischer CMOS-kompatibler Komponentenfertigung und Nanoprägelithografie-Laserfertigung genutzt. Im Zuge von MERMIG wurden beide Technologien an Weltraumsensorsysteme angepasst. Im Rahmen des Projekts wurden erhebliche Fortschritte bei der Modellierung optischer Halbleiterwelle-Komponenten erzielt, die das Herzstück der Technologie bilden. Ein umfassender Multiphysik-Ansatz für die siliziumoptische Nanostruktur, der die nichtlineare Optik sowie die Auswirkungen von Wärme und Belastungen berücksichtigt, wurde verfolgt, um die fundamentalen Entwurfsrichtlinien zu skizzieren und um einen effizienten Gyro-Chip zu erreichen, mit dem industriellen Anforderungen entsprochen werden kann. Es wurde ein photonischer Siliziumchip mit Dimensionen von 9,3 х 3,7 mm entwickelt, in den ein Streckenhohlraum, Pin-Verbindungsstellen und ein Phasendecoder integriert sind. Zusätzlich wurde ein spezifischer aufbau- und verbindungstechnischer Gyro-Chip-Prozess entwickelt, bei dem insbesondere auf die optische Zuführung und die Wärmeableitung geachtet wurde, um die Leistung des Gyro-Chips über die Laufzeit einer Weltraummission sicherzustellen. Die sieben Projektpartner integrierten die unterschiedlichen Module (Laser, Gyro-Chip und Readout) in eine voll funktionsfähige optoelektronische Gyroskop-System-Brettschaltung. Die Brettschaltung wog weniger als 1 Kilogramm und hat einen potenziellen Verbrauch von weniger als 5 Watt sowie einen CO2-Ausstoß von wenigen Kubikzentimetern. Hierdurch werden die von der Weltraumindustrie vorgegebenen Anforderungen erfüllt. Bevor Inertialsystemprüfungen durchgeführt werden, die über die Laufzeit von MERMIG hinausreichen, soll unter Einhaltung des MERMIG-Testplans die Brettschaltung anhand der Neigungsstabilität und von Geräuschmessungen weiter validiert werden. Die Leistung in Weltraumumgebungen soll ebenfalls bestätigt werden, wobei Strahlungstests an dem Gyro-Chip im Fokus stehen. Das neue Mikro-Gyroskop wird dazu in der Lage sein, den widrigen Umgebungen von Telekommunikationsmissionen in einem geostationären Orbit zu entsprechen sowie den strengen Massebeschränkungen von Rovern zu genügen, die bei Planetenerkundungsmissionen mit Robotern zum Tragen kommen. Die photonischen Gyroskop-Schaltkreise können in großen Mengen zu niedrigen Kosten hergestellt werden, was der europäischen Raumfahrtindustrie spannende Zukunftsaussichten bietet.
