Le tecnologie optoelettroniche nascono dall'integrazione dell'ottica classica con l'elettronica, al fine di realizzare componenti e dispositivi come laser, strumenti satellitari e sistemi di illuminazione. Si tratta di un settore particolarmente strategico e trasversale, che sviluppa componenti hi-tech per prodotti tecnologici; è quindi una tecnologia abilitante, che fornisce supporto essenziale ad altre tecnologie e le integra. Ma come si inserisce l'optoelettronica nella realizzazione delle tecnologie per lo spazio? Apparati di telecomunicazioni e sistemi di star tracking per il posizionamento di satelliti, esperimenti in microgravità, sensori e radar devono avere caratteristiche particolari. In questo articolo analizzeremo alcuni progetti sviluppati proprio in questo ambito.
Sistemi Aerospaziali
I sistemi aerospaziali richiedono conoscenze altamente qualificate e capacità progettuali e realizzative specializzate, poiché si tratta di realizzare componenti ed apparati che opereranno in ambienti sottoposti a radiazioni ionizzanti, forti sbalzi termici e che devono essere pressoché indistruttibili. Le tecnologie spaziali coprono moltissime applicazioni, dall'osservazione, con sensori multi e iperspettrali e laser, al monitoraggio ambientale alle telecomunicazioni, dai sistemi di posizionamento, come il GPS, ai sistemi di sorveglianza e difesa. I progressi nelle tecnologie optoelettroniche hanno aperto nuove prospettive per le future configurazioni satellitari. I circuiti fotonici incorporati sono il mix su scala di chip di vari componenti ottici o parti che potenziano capacità complesse senza differenze con i chip elettrici coordinati.
Man mano che questi chip aumentano in complessità e utilità, si stanno scoprendo nuove applicazioni spaziali; spettrometri in scala miniaturizzata, giroscopi a stato solido incorporati, controllo della barra laser, regolazione/demodulazione ottica complessa. A seguire, alcune applicazioni di tecnologie optoelettroniche per lo spazio. Successivamente analizzeremo alcuni componenti sviluppati per migliorare queste tecnologie. Potrete notare che sono necessari moltissimi test, per verificare le caratteristiche di questi elementi come stress test, test di contaminazione, resistenza, durata e caratterizzazioni degli strumenti.
Sistemi di comunicazione
La comunicazione ottica che utilizza sistemi line-of-sight ha un'applicazione limitata nei sistemi di terra. Tale comunicazione è realizzabile usando i laser per collegamenti da satellite a satellite, e auspicabile per alte velocità di dati. I collegamenti da orbita satellitare geostazionaria (GSO) a GSO e da orbita terrestre bassa (LEO) a GSO possono avvenire tramite sistemi laser. I principali problemi da risolvere sono i requisiti dei sistemi laser ad alta potenza e telescopi di alta precisione sui satelliti che devono seguire l'un l'altro in quadri di riferimento mobili.
Sistemi di potenza
I satelliti traggono essenzialmente la loro energia elettrica dai pannelli solari, e le batterie di immagazzinamento sono usate per i periodi di eclissi/carico massimo. Celle solari avanzate miglioreranno l'efficienza della conversione dell'energia solare in energia elettrica. I futuri satelliti di grandi dimensioni trasporteranno pannelli flessibili con incorporati sensori a fibre ottiche per misurazioni di deformazione/deflessione e micro sensori solari a fibre ottiche. I sensori a fibra ottica troveranno applicazione nel monitoraggio della corrente, nel monitoraggio remoto del bus e nei sistemi di protezione, per evitare sbalzi di tensione. Gli opto-accoppiatori sostituiranno alcuni elementi di feedback induttivi nei regolatori e nei convertitori per ridurre i transienti di commutazione. Le grandi stazioni spaziali avranno bus di alimentazione ad alta tensione e sistemi di illuminazione efficienti, sia all'interno che all'esterno.
Sistemi di controllo di assetto e orbita
L'optoelettronica trova nuove applicazioni anche nei sistemi di controllo dell'assetto e dell'orbita. Le direzioni degli assi dei satelliti in orbita sono determinate usando vari sensori come quelli solari, terrestri e stellari. Questi sensori vedranno migliorate le prestazioni utilizzando migliori rilevatori e dispositivi. I giroscopi sono usati per rilevare l'orientamento nel quadro di riferimento inerziale; i giroscopi meccanici saranno sostituiti da giroscopi laser a fibre ottiche che diventeranno pacchetti standard nei sistemi di guida. I sensori di nutazione/accelerazione a fibre ottiche saranno utilizzati per le operazioni di manovra di assetto. Per le missioni che comportano l'attracco con le stazioni spaziali, saranno importanti i sensori di distanza laser e di assetto, assistiti da telecamere CCD.
I sensori a fibra ottica troveranno applicazione nei sistemi di controllo della reazione per monitorare la temperatura e la pressione del combustibile, dell'ossidante e dell'elio pressurizzato. Anche nei sottosistemi convenzionali come le ruote di reazione/momento, i dispositivi optoelettronici saranno usati per il rilevamento della posizione angolare e della velocità. Si farà ricorso al controllo attivo per contrastare la flessibilità della struttura con l'aiuto di un array di sensori di deflessione a fibre ottiche. Nella determinazione autonoma dell'orbita e della guida, dove i satelliti trovano la propria posizione in orbita, i sensori optoelettronici saranno ampiamente utilizzati; saranno usati altimetri laser, sensori di distanza satellite-satellite e sistemi di tracciamento laser. La navigazione autonoma, usando sensori stellari e di punti di riferimento, formerà pacchetti standard per i satelliti in orbita attorno alla terra. I computer ottici sono l'ultima novità nell'area dei sistemi di calcolo. Computer completamente ottici o ibridi di computer ottici ed elettronici saranno realizzati nel prossimo futuro. I progressi nella velocità di calcolo usando i futuri computer ottici o dispositivi di memoria ottica troveranno immediata applicazione nei sistemi di guida e controllo.
Alcuni esempi di tecnologie optoelettroniche per lo spazio
Array monolitico di fototransistori per encoder ottici ad uso aerospaziale, resistente alle radiazioni
Riportiamo qui gli aspetti principali della fabbricazione del componente, insieme alle più rappresentative prestazioni elettro-ottiche. Il dispositivo è un array di fototransistor a 8 canali per encoder ottici di ultima generazione. Ogni canale è un fototransistor verticale npn a base di silicio con base flottante e terminazione di emettitore. Il collettore sul retro è comune a tutto il dispositivo (8 canali). La base del transistor corrisponde alla zona fotosensibile. Le dimensioni sono 2,25 x 1,70 x 0,30 mm. Il pacchetto è un LCC (Leadless Chip Carrier) con terminazioni placcate in oro che misura 4,57 x 4,57 x 1,14 mm. Il pacchetto microelettronico assemblato è infine chiuso con un coperchio in vetro borosilicato ottico che misura 4,50 x 4,50 x 0,55 mm, tramite l'utilizzo di un adesivo. Il componente assemblato risultante è illustrato nella Figura 1.
Figura 1: Fototransistor a 8 canali (Fonte: Development and ESCC evaluation of a monolithic silicon phototransistor array for optical encoders)
I test elettrici ed elettro-ottici sui dispositivi sono rappresentati dalla corrente di buio del dispositivo, il guadagno del fototransistor, la dinamica e la corrente di fotoni. I requisiti dell'applicazione implicano il funzionamento del fototransistor con bassi segnali luminosi in entrata; il LED infrarosso dovrebbe portare il fototransistor a generare valori di corrente bassi come 20-100 µA, con una resistenza di carico pari a 10 kOhm. Sui componenti assemblati, il guadagno del fototransistor è stato misurato su dispositivi con una variante di pin-out, dove sono collegati solo 4 canali. Questo permette l'incollaggio delle basi, necessario per eseguire la misurazione del guadagno elettrico, ma non è effettivamente rappresentativo dell'applicazione in cui tutti gli 8 emettitori di fototransistor sono collegati.
La corrente di fotoni è stata valutata con una fonte di luce calibrata in due modi:
- risposta di potenza: la fotocorrente è misurata per diversi valori di potenza ottica incidente a lunghezza d'onda fissa (865 nm); la potenza ottica è misurata con un rilevatore di riferimento calibrato rilevatore;
- risposta spettrale: la fotocorrente viene misurata a diverse lunghezze d'onda; dato che l'irradianza della sorgente è dipendente dalla lunghezza d'onda, la fotocorrente è stata divisa per il valore misurato dell'irraggiamento ottico acquisito utilizzando un rivelatore calibrato, al fine di ottenere il parametro che corrisponde alla responsività della giunzione base-collettore moltiplicata per il guadagno del transistor, quindi tiene conto sia delle proprietà ottiche che proprietà elettriche del fototransistor (trasmittanza del rivestimento antiriflesso, efficienza quantica e guadagno elettrico).
Tutti i parametri misurati sono risultati conformi ai requisiti di prestazione dell'applicazione.
Nel test di irraggiamento, circa 130 dispositivi sono stati sottoposti a irradiazione e sono stati sottoposti ad analisi comparative prima e dopo essere stati irradiati. Sono stati inclusi nei test sia dispositivi biased che unbiased, i primi simulando il fototransistor nelle condizioni della sua applicazione di riferimento.
Test sotto raggi gamma sono stati condotti con una sorgente 60Co (Cobalto 60). Le irradiazioni sono state condotte a due tassi di dose comparativi, e le irradiazioni di protoni sono state condotte a due energie di fascio.
La resistenza contro le radiazioni gamma si è dimostrata in linea con le aspettative, basate su analisi precedenti, ed equivalente alle tecnologie non europee attualmente utilizzate per le stesse applicazioni. Tutti i parametri dinamici mostrano una diminuzione di valore con l'aumento della dose gamma, portando a un miglioramento delle prestazioni dei dispositivi. Sia la risposta di potenza che la risposta spettrale mostrano una diminuzione relativa della corrente di fotoni. Questo corrisponde alla degradazione trovata sul guadagno, e poiché la fotocorrente tiene conto delle proprietà sia elettriche che ottiche del fototransistor, questo risultato suggerisce che gli effetti dei raggi gamma agiscono principalmente sul guadagno elettrico, e meno sulla trasmittanza del rivestimento antiriflesso o sull'efficienza quantica del dispositivo.
La resistenza alle radiazioni di protoni è l'aspetto più critico all'interno dello studio delle radiazioni, anche se sono stati attestati miglioramenti rispetto al passato.
Figura 2: Degradazione del guadagno elettrico in funzione della Displacement Damage Dose, la dose di radiazione associata al danno (Fonte: Development and ESCC evaluation of a monolithic silicon phototransistor array for optical encoders)
Sia la risposta di potenza che la risposta spettrale, come si vede in Figura 2, mostrano una diminuzione relativa della fotocorrente di circa il 70%. Questo valore è superiore alla degradazione trovata sul guadagno, indicando che l'effetto dei protoni agisce principalmente sulla trasmittanza del rivestimento antiriflesso o sull'efficienza quantica del dispositivo, e meno sul guadagno elettrico.
I risultati ottenuti sono stati confrontati con quelli ottenuti nel passato e con le tecnologie equivalenti non europee.
Per quanto riguarda l'irradiazione gamma, i recenti risultati confermano la robustezza dei dispositivi.
Per quanto riguarda l'irradiazione di protoni, nella presente campagna di test è stato eseguito uno studio più completo per estrapolare la degradazione completa della tecnologia attuale. Confrontando i risultati recenti con le passate attività, è visibile un miglioramento nella robustezza. In conclusione, la tecnologia sviluppata è considerata compatibile con i requisiti relativi all'applicazione di riferimento, cioè gli encoder ottici per lo spazio, e la sua resistenza alle radiazioni è paragonabile alle controparti non europee attualmente utilizzate nello stesso contesto.
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