Fotonika zintegrowana: od autonomicznych pojazdów po komunikację kwantową
Oczekuje się, że do 2040 r. na drogi całego świata wyjedzie pół miliarda nowych samochodów i w coraz większym stopniu będą to pojazdy autonomiczne. Zastąpienie części elektroniki fotoniką mogłoby poprawić rozdzielczość czujników, otwierając nowe możliwości dla komponentów i systemów samochodowych. Jednocześnie umożliwiłoby to zmniejszenie rozmiaru, wagi i zużycia energii. W związku z tym zintegrowana fotonika i hybrydowa optoelektronika będą kluczowymi elementami przyszłych generacji autonomicznych pojazdów, od samochodów po drony. Dzisiejsze narzędzia projektowe w dużej mierze zajmują się albo elektroniką albo fotoniką, co w konsekwencji powoduje utratę wszystkich efektów optoelektronicznych na interfejsie. Realizowany przy wsparciu programu działania „Maria Skłodowska-Curie” projekt DRIVE-In dostarczył narzędzi projektowych i dokładniejsze przygotowanie początkujących badaczy (ESR) w zintegrowanej fotonice w całym łańcuchu wartości.
Następna generacja komponentów fotonicznych
Trzecia generacja komponentów fotonicznych, która jest obecnie opracowywana, będzie ukierunkowana na zintegrowane produkty i technologie o wyższej wartości. Będą one wspierać pozyskiwanie i wyświetlanie informacji o środowisku za pomocą takich rozwiązań, jak radar, wizja i noktowizja, umożliwiając aktywne bezpieczeństwo. Według koordynatora projektu Francisco Javiera Diaza Otero z Uniwersytetu w Vigo: „Oczekuje się, że fotoniczne układy scalone będą jedynymi czynnikami umożliwiającymi mapowanie 3D za pomocą wykrywania światła i odległości (LIDAR), 13 różnych kamer, czujników fotodiodowych do wykrywania deszczu i jasności, wyświetlaczy head-up do wyświetlania kluczowych informacji dotyczących bezpieczeństwa, systemów adaptacyjnego oświetlenia przedniego oraz systemów komunikacji wewnętrznej i aplikacji multimedialnych. Projekt DRIVE-In skupił się na ich kluczowych elementach i podzespołach”.
Czworo początkujących badaczy, mnóstwo osiągnięć technicznych i komercyjnych
Projekt DRIVE-In zapewnił podstawy naukowe i doświadczenie w rozwoju przemysłowym w pionierskiej dziedzinie symulacji, projektowania i modelowania oprogramowania i sprzętu fotonicznych układów scalonych. Pracujący przy nim naukowcy wypełnili krytyczną lukę nowym modelem symulacji hybrydowego interfejsu fotonika-elektronika, który jest kompatybilny z istniejącym komercyjnym oprogramowaniem symulacyjnym. Początkujący badacze opracowali również nowe komponenty do zastosowań motoryzacyjnych, w tym nowatorskie lasery. Ponadto „kompletny pasywny system LIDAR oparty na innowacyjnym podejściu wykorzystującym ukośne i pasiaste sprzęgacze siatek dyfrakcyjnych został zasymulowany, zaprojektowany, wyprodukowany i przetestowany w różnych środowiskach motoryzacyjnych. Jego wydajność była porównywalna z istniejącymi urządzeniami, które są większe, cięższe lub bardziej energochłonne” — zauważa Diaz. Postępowe rozwiązania motoryzacyjne znalazły zastosowanie w innych obszarach. „Siatki dyfrakcyjne, lasery i fotodetektory dla naszego urządzenia LIDAR znalazły zastosowanie w komunikacji optycznej i kwantowej. Zaprojektowano również kwantowy emiter pojedynczego fotonu. Dało to interesujące wyniki, gdy zastosowano je do obwodów dystrybucji kluczy kwantowych” — dodaje Diaz. Ostatecznie uzyskano kilka patentów, a spółka spinoff, SPARC została założona w 2022 r. jako odlewnia, która będzie produkować różne rozwiązania fotoniczne wykorzystujące półprzewodniki III-V. Biznesplan i model komercyjny przyciągnęły kilku inwestorów oraz hiszpańskie władze publiczne. Przewiduje się, że komercyjna eksploatacja rozpocznie się w 2026 roku.
Napędzanie innowacji w europejskiej fotonice
Pomimo pandemii COVID-19 i wynikających z niej zamknięć odlewni oraz szkoleń i spotkań online, DRIVE-In z powodzeniem zrealizował swoje cele. Poza wynikami technicznymi i komercyjnymi, wykształcił naukowców z doskonałymi umiejętnościami przekrojowymi i zdolnością do przekształcania abstrakcyjnych i trudnych pomysłów we wpływowe i praktyczne wyniki. Wszyscy początkujący badacze zostali zatrudnieni przez organizacje badawcze i technologiczne lub firmy technologiczne natychmiast po zakończeniu projektu. Jak podsumowuje Diaz „projekt stworzył aktywną, długoterminową sieć młodych badaczy. Ich osobiste kontakty i wiedza specjalistyczna pomogą Europie kształtować przyszłość badań w dziedzinie zintegrowanej fotoniki”.
Słowa kluczowe
DRIVE-In, fotonika, LIDAR, optoelektronika, lasery, pojazdy autonomiczne, fotoniczne układy scalone, komunikacja kwantowa, dystrybucja kluczy kwantowych, bezpieczeństwo aktywne
