Temporización y detección cuántica de µm
Existe una necesidad prioritaria y a corto plazo de soluciones de detección y temporización de próxima generación para aplicaciones importantes, entre ellas:
- Navegación autónoma y detección inercial (para uso en entornos sin GPS)
- Detección gravimétrica y magnética (incluida la vigilancia ambiental de la órbita terrestre y la prospección de sitios terrestres)
La tecnología de próxima generación que ofrece estas soluciones utiliza efectos cuánticos µm , siendo un elemento clave la trampa magnetoóptica basada en el átomo de Rubidi µm (Rb-MOT). El Rb-MOT permite utilizar átomos fríos como relojes atómicos ultraprecisos y sensores ultrasensibles para medir la aceleración.1
Se prevé que la demanda de estas y otras aplicaciones impulsará un gran crecimiento en los mercados de detección y temporización cuántica µm . El mercado actual de sensores cuánticos de µm asciende a 260 millones de dólares y se espera que alcance los 565 millones de dólares para 2027 (TCAC del 16,8%).2
Estas aplicaciones de detección y temporización requieren que la tecnología cuántica µm se transfiera "fuera del laboratorio" y esté en una forma robusta capaz de implementarse y operarse en entornos remotos y hostiles (terrestres, marítimos, aéreos o espaciales).
Conversión de longitud de onda
El niobato de litio µm con polarización periódica (PPLN) es un cristal óptico no lineal que permite modificar la longitud de onda de los láseres. Para aplicaciones cuánticas µm , el PPLN permite convertir láseres estándar a longitudes de onda específicas de átomos o iones, difíciles de obtener de otro modo. Para trampas atómicas de Rb, el PPLN permite convertir láseres de telecomunicaciones de 1560 nm, estándar en la industria, a la longitud de onda de 780 nm necesaria para la refrigeración de Rb. Este enfoque resulta especialmente atractivo para entornos hostiles, como el espacio, ya que los láseres de telecomunicaciones son fiables, robustos y tienen una vida útil de miles de horas.
Las guías de ondas PPLN ofrecen el beneficio adicional de eficiencias de conversión muy altas de hasta el 70 % 3 y pueden operar hasta el nivel de Watt, lo que permite un ciclo rápido de mediciones de detección de Rb.
Inversión en el Reino Unido
Se estima que la inversión global actual en tecnologías µm cuántica supera los 20 000 millones de dólares anuales. De esta cantidad, el Reino Unido se ha comprometido a invertir 1000 millones de libras esterlinas durante 10 años. Esto incluye programas de I+D financiados por Innovate UK (IUK) que investigan el potencial de robustez de las tecnologías µm cuántica, incluyendo los sistemas y componentes que las habilitan. Covesion ha participado activamente en µm de estos proyectos
- QT Assemble: un programa de apoyo para desarrollar la cadena de suministro del Reino Unido para productos y sistemas ópticos que permitan la medición cuántica µm .
- CASPA – Carga Espacial de Átomos Fríos. El objetivo de CASPA era construir un sistema capaz de atrapar átomos de Rb de forma autónoma en el entorno espacial. CASPA fue el primer paso para verificar el concepto básico y adquirir experiencia en los subsistemas y el diseño general de un demostrador básico de átomos fríos. Covesion suministró el chip de guía de ondas PPLN para su integración en el subsistema óptico.
- SNORQL – Óptica no lineal con certificación espacial para láseres robustos Quant µm . El objetivo de SNORQL fue demostrar las guías de onda PPLN acopladas a fibra Covesion en un Rb-MOT y realizar ensayos para evaluar el rendimiento del paquete en condiciones ambientales simuladas (térmicas, vibración, impacto, radiación) para la calificación preespacial.
Se estima que la inversión global actual en tecnologías cuánticas µm supera los 20 000 millones de dólares anuales. De esta cantidad, el Reino Unido se ha comprometido a invertir 1000 millones de libras esterlinas en 10 años
Rendimiento de la guía de ondas PPLN
Se deben cumplir tres criterios clave para demostrar que las guías de ondas PPLN son una solución viable para la conversión de longitud de onda en entornos hostiles:
- La guía de ondas debe proporcionar la potencia y la eficiencia de conversión requeridas por la tecnología quant µm (Rb-MOT)
- El empaquetado acoplado a fibra debe estar disponible para poder trasladar la tecnología fuera del laboratorio y proporcionar una integración del sistema plug and play
- El paquete de guía de ondas debe demostrar un funcionamiento confiable a largo plazo y ser capaz de soportar las condiciones ambientales a las que estará expuesto (térmicas, vibraciones, impactos, radiación).
Covesion ha probado nuestro paquete estándar de guía de ondas de componentes estándar según estos criterios. Cabe destacar que este módulo acoplado a fibra no fue diseñado para soportar entornos hostiles, por lo que este trabajo se realizó para evaluar su rendimiento e informar sobre el desarrollo necesario para su robustez.
“Al explotar las propiedades cuánticas de los átomos de Rubidi µm enfriados y atrapados µm µm pueden tomar mediciones de gravedad ultraprecisas, que tienen muchas aplicaciones prácticas potenciales”. Tristan Valenzuela, Jefe de Sensores Cuánticos de µm , STFC RAL Space.
Pruebas de vida útil y eficiencia
El módulo de guía de onda Covesion ha demostrado una conversión de longitud de onda de alta eficiencia durante más de 1000 horas de funcionamiento. Con una eficiencia de conversión de generación de segundo armónico (SHG) de hasta el 50 %, el módulo proporciona la salida en vatios a 780 nm necesaria para permitir mediciones de detección de Rb-MOT con ciclos rápidos.
Un objetivo clave del proyecto SNORQL fue ofrecer una salida SHG de 1 W para una potencia p µm p mínima como requisito principal para la detección gravimétrica basada en el espacio.
Pruebas ambientales
Se han realizado pruebas ambientales (térmicas, de vibración, de impacto y de radiación) según los estándares MIL (MIL-STD-883K) para evaluar la robustez del módulo de guía de ondas y la necesidad de una mayor robustez.
En general, el módulo funciona bien a pesar de no estar diseñado específicamente para un funcionamiento robusto. En la tabla se muestra una µm de los resultados de las pruebas, divididos en cuatro propiedades del encapsulado: mecánica (se refiere a la carcasa del módulo); eléctrica (se refiere a las conexiones eléctricas internas); trayectoria óptica (se refiere a la trayectoria del haz óptico desde la entrada de la fibra hasta la salida de la fibra); chip de guía de ondas (se refiere al chip de guía de ondas PPLN). Para cada propiedad, una marca de verificación indica que el encapsulado ha superado la prueba ambiental específica y una "D" indica que se requiere más trabajo y se ha identificado una ruta de desarrollo.
Cabe destacar que, en todas las pruebas, el chip de guía de ondas PPLN superó sin presentar daños (roturas, grietas, etc.) y realizó la SHG con la misma eficiencia antes y después de la prueba. Esto demuestra que la tecnología del material PPLN subyacente ofrece una solución robusta para su funcionamiento en entornos hostiles.
Tanto las propiedades mecánicas como las eléctricas del encapsulado superaron todas las pruebas, lo que demuestra que su punto débil (como era de esperar) es la trayectoria óptica. Esta se degradó en µm de diferentes maneras según la exposición de la prueba. Los pigtails de fibra sufrieron daños térmicos y por radiación; sin embargo, esto se soluciona fácilmente mediante el uso de fibra óptica resistente a altas temperaturas y radiación. El acoplamiento óptico de los pigtails de fibra en la entrada y la salida sufrió daños durante las pruebas de vibración e impacto. Por lo tanto, se requieren mejoras en la guía de ondas y la estructura de soporte de la fibra. Se ha identificado una solución de bajo riesgo para lograr esto mediante el rediseño de ingeniería y el uso de materiales de unión optimizados.
S µm maría
El enfoque de Covesion ha sido aprovechar su inversión interna mediante la participación en colaboraciones financiadas por la IUK con socios británicos y europeos de la comunidad tecnológica cuántica µm . Esto nos ha permitido desarrollar una vía de comercialización para módulos robustos de conversión de longitud de onda que satisfacen las demandas de aplicaciones en entornos hostiles. Estos módulos son necesarios para la explotación de aplicaciones clave de cuántica µm como relojes atómicos de nueva generación, acelerómetros ultrasensibles y gravitómetros.
Se ha llevado a cabo un exhaustivo programa de pruebas y desarrollo para extender el uso de los módulos de guía de ondas acoplados a fibra (PPLN) a entornos hostiles, incluyendo el espacio. Las pruebas ambientales han demostrado que, con un ligero desarrollo adicional, nuestro paquete de guía de ondas actual es adecuado para la robustez, y se ha identificado una vía de bajo riesgo para desarrollar módulos robustos aptos para operar en entornos hostiles, incluyendo la certificación espacial.
Covesion está deseoso de colaborar con organizaciones interesadas en seguir desarrollando y explotando esta tecnología para su uso en entornos hostiles. Corin Gawith, CTO de Covesion.
Expresiones de gratitud
Covesion agradece el apoyo de Innovate UK, la agencia nacional de innovación del Reino Unido.
Referencias
- M. Odstrcil, et al., “Imágenes difractivas coherentes pticográficas no lineales”, Optics Express, págs. 20245-20252, 2016.
- Hsiang-Yu Lo, et. al, “Sistemas láser de onda continua de estado sólido para ionización, enfriamiento y manipulación cuántica del estado µm de iones µm de berilio”, Applied Physics B, vol. 114, págs. 17-25, 2014.
- Diviya Devani, et al., “Detección de gravedad: trampa de átomos fríos a bordo de un CubeSat 6U”, CEAS Space Journal, vol. 12, pág. 539–549, 2020.
- Sam A. Berry, et al, “Guías de ondas de cresta en cubos indifundidas con Zn en MgO:PPLN que generan 1 vatio de SHG de 780 nm con una eficiencia del 70 %”, OSA Continu µm , vol. 2, n.º 12, págs. 3456-3464, 2019.
- Thomas A. Wright, et al., “Interfaz fotónica bidireccional para vincular la transición Sr+ a 422 nm con la telecomunicación”, Phys. Rev. Applied, vol. 10, p. 044012, 2018.
