WHITE PAPER: Wellenlängenumwandlung in rauen Umgebungen

Quant µm Zeitmessung und Sensorik

Es besteht kurzfristig und mit hoher Priorität ein Bedarf an Zeitmess- und Sensorlösungen der nächsten Generation für wichtige Anwendungen, darunter:

• Autonome Navigation und Trägheitssensorik (für den Einsatz in Umgebungen ohne GPS-Empfang)
• Gravimetrische und magnetische Messungen (einschließlich Umweltüberwachung aus der Erdumlaufbahn und landgestützter Standortvermessung)

Die nächste Generation von Technologien, die diese Lösungen ermöglicht, nutzt Quanteneffekte µm . Ein Schlüsselelement ist die magneto-optische Falle auf Basis des Rubidi µm (Rb-MOT). Mit der Rb-MOT können „kalte Atome“ als hochpräzise Atomuhren und hochempfindliche Sensoren zur Beschleunigungsmessung eingesetzt werden.¹

Es wird prognostiziert, dass die Nachfrage in diesen und weiteren Anwendungsbereichen ein starkes Wachstum des Marktes für quantitative µm Sensorik und Zeitmessung bewirken wird. Derzeit hat der Markt für quantitative µm Sensoren ein Volumen von 260 Mio. US-Dollar und soll bis 2027 auf 565 Mio. US-Dollar anwachsen (jährliche Wachstumsrate: 16,8 %).²

Diese Sensor- und Zeitmessanwendungen erfordern, dass die µm Quantentechnologie aus dem Labor in eine robuste Form überführt wird, die den Einsatz und Betrieb in abgelegenen und rauen Umgebungen (an Land, auf See, in der Luft oder im Weltraum) ermöglicht.

Wellenlängenumwandlung

Periodisch gepoltes µm (PPLN) ist ein nichtlinearer optischer Kristall, mit dem sich die Wellenlänge von Lasern verändern lässt. Für Anwendungen im µm ermöglicht PPLN die Umwandlung handelsüblicher Laser in atom- oder ionenspezifische Wellenlängen, die andernfalls schwer zu realisieren wären. Für Rubidium-Atomfallen ermöglicht PPLN die Umwandlung von branchenüblichen 1560-nm-Telekommunikationslasern in die für die Rubidiumkühlung benötigte Wellenlänge von 780 nm. Dieser Ansatz ist besonders attraktiv für den Betrieb in rauen Umgebungen wie dem Weltraum, da Telekommunikationslaser zuverlässig, robust und für Tausende von Betriebsstunden ausgelegt sind.

PPLN-Wellenleiter bieten darüber hinaus den Vorteil sehr hoher Umwandlungseffizienzen von bis zu 70³ ^und können bis in den Wattbereich betrieben werden, was ein schnelles Zyklieren von Rb-Sensormessungen ermöglicht.

Investitionen in Großbritannien

Die weltweiten Investitionen in Quanten µm -Technologien werden derzeit auf über 20 Milliarden US-Dollar pro Jahr geschätzt. Davon hat sich Großbritannien verpflichtet, über einen Zeitraum von 10 Jahren 1 Milliarde Pfund zu investieren. Dies umfasst von Innovate UK (IUK) finanzierte Forschungs- und Entwicklungsprogramme, die das Potenzial für die Robustheit von Quanten- µm -Technologien einschließlich der zugehörigen Systeme und Komponenten untersuchen. Covesion hat sich aktiv an einer µm dieser Projekte beteiligt;

• QT Assemble – ein Rahmenprogramm zur Entwicklung der britischen Lieferkette für optische Produkte und Systeme, die die µm ermöglichen.
• CASPA – Nutzlast für kalte Atome im Weltraum. Ziel von CASPA war der Bau eines Systems, das Rubidiumatome im Weltraum autonom einfangen kann. CASPA war der erste Schritt zur Überprüfung des Grundkonzepts und zum Sammeln von Erkenntnissen über die Subsysteme und das Gesamtdesign eines grundlegenden Demonstrators für kalte Atome. Covesion lieferte den PPLN-Wellenleiterchip zur Integration in das optische Subsystem.
• SNORQL – Weltraumzertifizierte nichtlineare Optik für robuste Quant- µm -Laser. Ziel von SNORQL war die Demonstration von Covesion-fasergekoppelten PPLN-Wellenleitern in einem Rb-MOT und die Durchführung von Tests zur Bewertung der Gehäuseleistung unter simulierten Umgebungsbedingungen (thermisch, Vibration, Stoß, Strahlung) zur Vorbereitung der Weltraumqualifizierung.

„Die aktuellen weltweiten Investitionen in quantitative µm -Technologien werden auf mehr als 20 Milliarden US-Dollar pro Jahr geschätzt. Davon hat sich Großbritannien verpflichtet, über einen Zeitraum von 10 Jahren 1 Milliarde Pfund zu investieren.“

PPLN-Wellenleiterleistung

Um nachzuweisen, dass PPLN-Wellenleiter eine praktikable Lösung für die Wellenlängenumwandlung in rauen Umgebungen darstellen, müssen drei wichtige Kriterien erfüllt sein;

• Der Wellenleiter muss die für die Quant- µm -Technologie (Rb-MOT) erforderliche Leistung und Umwandlungseffizienz liefern
• Um die Technologie aus dem Labor herauszuführen und eine Plug-and-Play-Systemintegration zu ermöglichen, müssen fasergekoppelte Gehäuse verfügbar sein
• Das Wellenleiterpaket muss einen zuverlässigen Langzeitbetrieb nachweisen und den Umgebungsbedingungen, denen es ausgesetzt sein wird (thermische Belastung, Vibrationen, Stöße, Strahlung), standhalten können.

Covesion hat unser standardmäßiges, handelsübliches Komponenten-Wellenleitergehäuse anhand dieser Kriterien getestet. Es sei darauf hingewiesen, dass dieses fasergekoppelte Modul NICHT für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen ausgelegt ist und dass diese Untersuchung daher durchgeführt wurde, um seine Leistungsfähigkeit zu bewerten und die für eine robustere Ausführung notwendige Entwicklung zu unterstützen.

„Durch die Nutzung der µm gekühlter und eingefangener Rubidi µm Atome im Quanten-µm-Bereich lassen sich hochpräzise Gravitationsmessungen durchführen, die viele potenzielle praktische Anwendungen bieten.“ Tristan Valenzuela, Leiter der Abteilung Quanten- µm -Sensoren, STFC RAL Space.

Lebensdauer- und Effizienztests

Das Covesion-Wellenleitermodul hat über 1000 Betriebsstunden eine hohe Wellenlängenumwandlungseffizienz bewiesen. Mit einem Gesamtwirkungsgrad der Frequenzverdopplung (SHG) von bis zu 50 % liefert das Modul die für schnelle Rb-MOT-Messungen erforderliche Watt-Ausgangsleistung bei 780 nm.

Ein Hauptziel des SNORQL-Projekts war die Bereitstellung einer 1W SHG-Ausgangsleistung bei minimalem p µm p-Leistungsbedarf als primäre Voraussetzung für die weltraumgestützte gravimetrische Sensorik.

Umweltprüfung

Umweltprüfungen (thermisch, Vibration, Schock, Strahlung) wurden gemäß MIL-Standards (MIL-STD-883K) durchgeführt, um die Robustheit des Wellenleitermoduls und den Bedarf an weiterer Robustheitsverbesserung zu beurteilen.

Insgesamt funktioniert das Modul gut, obwohl es nicht speziell für µm Einsatz unter rauen Bedingungen ausgelegt ist. Wie die Tabelle zeigt, sind die Testergebnisse in vier Komponenten unterteilt: mechanische Eigenschaften (Modulgehäuse), elektrische Eigenschaften (interne elektrische Verbindungen), optischer Pfad (Lichtweg vom Fasereingang zum Faserausgang) und Wellenleiterchip (PPLN-Wellenleiterchip). Ein Häkchen bedeutet, dass die Komponente den jeweiligen Umwelttest bestanden hat, ein „D“ hingegen, dass weiterer Entwicklungsbedarf besteht und ein Entwicklungspfad identifiziert wurde.

Es ist anzumerken, dass der PPLN-Wellenleiterchip selbst alle Tests ohne Anzeichen von Beschädigungen (Bruch, Rissbildung etc.) bestanden hat und vor und nach dem Test die gleiche SHG-Effizienz aufwies. Dies beweist, dass die zugrundeliegende PPLN-Materialtechnologie eine robuste Lösung für den Betrieb unter rauen Umgebungsbedingungen bietet.

Sowohl die mechanischen als auch die elektrischen Eigenschaften des Gehäuses blieben in allen Tests intakt, was zeigt, dass die Schwachstelle (wenig überraschend) im optischen Pfad liegt. Dieser wurde je nach Testbelastung auf unterschiedliche Weise im µm beeinträchtigt. Die Faseranschlüsse erlitten sowohl thermische als auch Strahlungsschäden, die sich jedoch durch die Verwendung hochtemperatur- und strahlungsbeständiger Glasfasern leicht beheben lassen. Die optische Kopplung der Faseranschlüsse am Ein- und Ausgang wurde bei Vibrations- und Stoßtests beschädigt. Daher sind Verbesserungen an der Wellenleiter- und Faserträgerstruktur erforderlich. Ein risikoarmer Weg zur Erreichung dieser Verbesserungen wurde durch eine technische Neukonstruktion und die Verwendung optimierter Verbindungsmaterialien identifiziert.

S µm Mary

Covesions Ansatz bestand darin, die eigenen Investitionen durch die Teilnahme an IUK-geförderten Kooperationen mit britischen und europäischen Partnern im Bereich der µm zu nutzen. Dadurch konnten wir einen Marktzugang für robuste Wellenlängenkonvertierungsmodule entwickeln, die den Anforderungen von Anwendungen in rauen und unwirtlichen Umgebungen gerecht werden. Diese Module sind notwendig, um die Nutzung wichtiger µm zu ermöglichen, darunter Atomuhren der nächsten Generation, hochempfindliche Beschleunigungsmesser und Gravitometer.

Um den Einsatz von PPLN-Faserwellenleitermodulen auch unter extremen Bedingungen, einschließlich im Weltraum, zu ermöglichen, wurde ein umfangreiches Test- und Entwicklungsprogramm durchgeführt. Umwelttests haben gezeigt, dass unser bestehendes Wellenleitergehäuse mit geringfügigen Weiterentwicklungen für die Robustheitsprüfung geeignet ist. Zudem wurde ein risikoarmer Weg identifiziert, um robuste Module zu entwickeln, die für den Betrieb unter extremen Bedingungen, einschließlich der Weltraumzertifizierung, geeignet sind.

„Covesion ist daran interessiert, mit Organisationen zusammenzuarbeiten, die diese Technologie weiterentwickeln und für den Einsatz in rauen Umgebungen nutzen möchten.“ Corin Gawith, CTO , Covesion

Danksagungen

Covesion dankt Innovate UK, der nationalen Innovationsagentur Großbritanniens, für ihre Unterstützung.

Referenzen

1. M. Odstrcil et al., „Nichtlineare ptychographische kohärente diffraktive Bildgebung“, Optics Express, S. 20245-20252, 2016.
2. Hsiang-Yu Lo et al., „Vollständige Festkörperlasersysteme für die Ionisierung, Kühlung und µm von Berylli- µm Ionen“, Applied Physics B, Band 114, S. 17-25, 2014.
3. Diviya Devani et al., „Schwerkraftmessung: Kalte Atomfalle an Bord eines 6U CubeSat“, CEAS Space Journal, Bd. 12, S. 539–549, 2020.
4. Sam A. Berry, et al, „Zn-indiffusionierte würfelförmige Wellenleiter in MgO:PPLN erzeugen 1 Watt 780 nm SHG bei 70% Effizienz“, OSA Continu µm , Bd. 2, Nr. 12, S. 3456-3464, 2019.
5. Thomas A. Wright, et al, „Zwei-Wege-Photonikschnittstelle zur Verknüpfung des Sr+-Übergangs bei 422 nm mit der Telekommunikation“, Phys. Rev. Applied, Bd. 10, S. 044012, 2018.