Lasers de Alta Performance de Próxima Geração Impulsionam Navegação Espacial Profunda

A Deep Space Network (DSN) da NASA, uma espécie de sistema GPS para espaço, depende de relógios atómicos para precisão extrema. Qualquer sistema de navegação moderno deve temporizar sinais de rádio com precisão para triangular uma localização. Mas a necessidade de precisão é ainda maior no espaço, onde grandes distâncias podem compor até erros minúsculos.

Avanços feitos por Lute Maleki, ex-investigador no Jet Propulsion Laboratory da NASA em Pasadena, CA, e seus colegas JPL para espaço levaram agora a alguns dos lasers e osciladores mais refinados do mundo para aplicações como comunicações, range finders para carros autónomos, e campos emergentes como computação quântica.

Nos anos 80, enquanto trabalhava para melhorar tecnologia de relógio atómico para a DSN, Maleki estabeleceu o que ficou conhecido como grupo de Quantum Sciences and Technologies do JPL para desenvolver novas capacidades usando física quântica que governa partículas mais elementares, como fotões ou átomos vibratórios num relógio. A equipa desenvolveu um tipo melhor, mais acessível de relógio atómico e também, pela primeira vez, enviou sinais de relógio atómico através de cabos fibra-ótica para antenas quase 20 milhas away.

No início dos anos 90, Maleki e outro membro do seu lab acabaram por inventar um novo tipo de oscilador. "Ele tinha um problema de estabilidade que não conseguia resolver, e eu disse-lhe para transformá-lo num oscilador para o resolver, e inventámos o oscilador optoeletrónico," disse Maleki.

Osciladores são cruciais não só para timekeeping mas também para comunicações, onde permitem a dois ou mais dispositivos concordar numa frequência precisa na qual enviar e receber informação. Enquanto todos os osciladores anteriores usavam corrente elétrica para gerar a sua vibração, este usava luz laser. O oscilador optoeletrónico tornou-se desde então crítico para várias aplicações, como radar, engenharia espacial, e comunicações sem fios.

Para assegurar frequência constante, no entanto, o oscilador precisa de um ressonador. Na altura, este era geralmente uma fibra ótica que podia transportar sinal de output por boa distância — idealmente uma milha ou mais — e circulá-lo de volta, permitindo ao sistema rastrear a sua própria frequência de output e cancelar ruído, explicou Maleki. Fez um sistema volumoso.

Isto levou à sua segunda invenção fundamental: o uso de um ressonador ótico whispering gallery mode. Na altura, a NASA tinha pouco uso para isso, mas Maleki estava confiante que havia mercado.

Fundou a OEwaves (OE significa optoeletrónico) em 1999 com cerca de 30 patentes do trabalho NASA da sua equipa, licenciadas através do California Institute of Technology, que gere o JPL.

A empresa demorou a encontrar o seu pé num panorama tecnológico em mudança, mas os seus produtos, que incluem os lasers semicondutores de menor ruído disponíveis, encontraram novos mercados a abrir nos últimos anos. Um é em "smart structures," um conceito que existe há décadas mas está a começar a ser posto em prática, especialmente na Ásia. Sensores fibra-ótica embutidos em edifícios, pontes, caminhos de ferro e outras estruturas podem detetar stress ou deformação, mas isso requer lasers de baixo ruído para revelar minúsculas variações no comprimento de onda.

Maleki disse que também espera procura aumentada nos mercados de telemóvel e comunicações, à medida que se movem para frequências mais altas, que transportam informação mais eficientemente mas requerem fidelidade extremamente alta.

E em 2014, a OEwaves fez spin-off duma empresa chamada Strobe Inc. para desenvolver tecnologia LiDAR para carros autónomos. Um sistema LiDAR usa sinais laser refletidos para construir mapa tridimensional do seu entorno, que muitas empresas de veículos autónomos consideram tecnologia habilitadora. Subsidiária GM Cruise Automation comprou Strobe em 2017.

Maleki disse que a mesma tecnologia que começou no JPL permitiu à Strobe desenvolver sistemas LiDAR pequenos, eficientes que podiam mudar rapidamente frequência — técnica chamada "chirping" — usando apenas o ressonador. Chirping ajuda a medir tanto distância como velocidade de objetos circundantes. E o sistema todo podia ser posto num circuito integrado fotónico, reduzindo custos ainda mais.

Várias universidades e empresas estão também a comprar componentes laser para investigar futuros dispositivos quânticos para comunicações, computação, e outras aplicações.

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