Ny mikrobrikke kan bane vei for alternativ til GPS-navigasjon

Satellittnavigasjon er en uunnværlig del av hverdagen, både i sivilsamfunnet og for militæret. Men som de siste årene har vist, kan systemer som er avhengige av GPS eller andre satellittsystemer, lett forstyrres eller settes ut av spill.

Det finnes alternativer til satellittnavigasjonssystemer på markedet, men de fleste er verken særlig presise eller stabile.

Gjennom akselerasjonsmålinger med et atom-interferometer, også kalt et kvante-akselerometer, er det imidlertid mulig å lage et svært presist og stabilt navigasjonssystem. Det kan nevnes at DTU Space ved Danmarks Tekniske Universitet, i samarbeid med det franske firmaet Onera, brukte et slikt kvante-akselerometer i 2023 for å kartlegge gravitasjonsfeltet over Grønland ved hjelp av flyvninger med et propellfly.

Problemet er at slike systemer, som inneholder lasere, elektronikk og vakuumsystemer, både er store, tunge og kostbare – noe som begrenser bruksområdene deres.

Flere steder i verden jobber forskere med å redusere størrelsen og kostnadene på kvante-akselerometre. Et av disse stedene er Sandia National Laboratories i USA.

I en ny artikkel i tidsskriftet Science Advances beskriver forskere et nytt gjennombrudd i form av en fotonisk brikke utviklet ved Sandias National Security Photonics Center.

Lasere styrer materiebølger

Mens et laser-interferometer er basert på at lysbølger styres av speil og stråledelere, er et atom-interferometer en slags motsatt verden, hvor materiebølger styres ved hjelp av forskjellige lasersignaler. Et konvensjonelt atom-interferometer krever flere lasere, alle med forskjellige frekvenser. Det kan produseres ved hjelp av diskrete optiske komponenter, men dette gjør systemet stort og dyrt.

Med den nye brikken kan man nøye seg med én enkelt laser, ettersom modulatorer på den kan endre frekvensen på lasersignalet når de brukes til de ulike funksjonene. Dette kan redusere kostnadene for den optiske delen av et atom-interferometer.

Når frekvensen på et signal endres, oppstår det ofte uønskede og forstyrrende «ekkoer» i såkalte sidebånd.

En helt avgjørende egenskap ved den nye brikken er at disse sidebåndene undertrykkes med 47,8 dB. Som Ashok Kodigala, hovedforfatteren av den vitenskapelige artikkelen, forklarer i en pressemelding, er dette en dramatisk forbedring sammenlignet med hva som tidligere har vært mulig. Den tidligere rekorden var på 39,1 dB.

Godt på vei, men…

Tidligere har Sandia-forskerne også forenklet andre deler, inkludert det nødvendige vakuumkammeret.

I den vitenskapelige artikkelen konkluderer de derfor med at de er godt på vei til å oppnå en SWaP-fordel – en forkortelse som står for «size, weight and power».

De bemerker imidlertid at ettersom den nye brikken blant annet baserer seg på frekvensdobling, der et lasersignal på 1560 nm omdannes til 780 nm, er det fortsatt utfordrende å kombinere alle de optiske delene på en enkelt brikke.

Det er altså fremdeles et stykke igjen til målet, som en av forskerne, Peter Schwindt, uttrykker det i pressemeldingen:

– Min lidenskap er å se disse teknologiene brukt i praktiske applikasjoner.

Artikkelen ble først publisert på Ingeniøren for deres abonnenter. Den er tilgjengelig på norsk for abonnenter av Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.