Micro-integrated diode laser modules for quantum optical sensors in space
| dc.contributor.advisor | Tränkle, Günther | |
| dc.contributor.author | Kohfeldt, Anja | |
| dc.contributor.grantor | Technische Universität Berlin | en |
| dc.contributor.referee | Peters, Achim | |
| dc.contributor.referee | Brieß, Klaus | |
| dc.contributor.referee | Tränkle, Günther | |
| dc.date.accepted | 2017-07-20 | |
| dc.date.accessioned | 2017-12-27T14:04:31Z | |
| dc.date.available | 2017-12-27T14:04:31Z | |
| dc.date.issued | 2017 | |
| dc.description.abstract | Quantum sensors are rely on laser technology for preparation and for manipulation of their quantum probes. With the endeavour of operating quantum sensors in micro-gravity in order to gain measurement precision, laser technology has to be developed further to meet the new requirements. In addition to high frequency stability at specific wavelengths and sufficient optical output power, the laser modules have to be small in size, lightweight, mechanically robust and energy efficient to be suitable for operations outside the laboratory, even outside Earth‘s mesosphere. With FOKUS, the first optical clock in space, and MAIUS, the first atom interferometer in space, two ambitious sounding rocket experiments were initiated that push the boundaries of both quantum technology and laser technology further. In this thesis, the laser modules for both quantum sensor missions were developed, assembled, characterized, and validated. Semiconductor laser diodes are best suited for small, robust, and energy efficient laser sources. However, the optical output power of a single diode is limited, and they suffer from frequency stability issues, such as distortions induced by feedback reflection, and thermal drift. To overcome these issues, a master oscillator power amplifier (MOPA) configuration, embedded in a hybrid micro-integrated design was chosen. As optical master oscillator (MO) a distributed feedback (DFB) diode optimized for narrow linewidth emission at the designated wavelength is used. The MO is shielded against external feedback by optical isolators. The optical emission of the DFB diode is guided to a separate optical amplifier chip, boosting the optical output power. All optical components are hosted on a micro-optical bench (MIOB) made of aluminium nitride for mechanical stiffness and good thermal conductivity. In addition to the optical and electro-optical components, it contains temperature sensors for monitoring and thermal stabilization, as well as an electrical interface supporting the frequency stabilization by allowing the on-board modulation of the laser diodes injection current. The MIOB has a footprint of 80 mm x 25 mm. It omits movable parts to increase mechanical stability, and it provides space for an optical fibre coupler on board the MIOB. To ensure that the requirements on the laser modules can be fulfilled components are run through a qualification process as described in this thesis before being integrated onto the MIOB. Further, an assembly procedure with active alignment and in-assembly-characterization is presented. After integration the laser modules undergo an electro-optical characterization, revealing that a FWHM linewidth of <400 kHz and an intrinsic linewidth of <15 kHz (3 mm long DFB diode at 100 mW DFB output power) can be achieved. The laser modules provide a spectral single-mode tuning range of >1.5 nm, an optical free space output power of >1 W, and an electrical-to-optical efficiency of almost 30%. The robustness against environmental influences was validated with random-vibration tests up to 29 g RM S , a half-sine shock test at 1500 g, and thermal cycles up to a temperature range of – 55°C to + 85°C. The laser modules still operated according to the requirements after these stress tests.The suitability of these laser modules for spaceborne quantum-optical sensors is proven in the FOKUS and MAIUS experiments. FOKUS was launched successfully in April 2015, hosting a DFB module based on the technology developed in this thesis. The FOKUS apparatus was still operational after returning to Earth. MAIUS was launched in January 2017, hosting 5 MOPA modules and a DFB module. All laser modules operated as expected during and after the mission. The laser modules developed in this thesis are suitable for Earth-bound experiments as well, e.g. in mobile measurement setups or to save space in laboratories. The concept is adaptable to other wavelengths, not only increasing the number of atom species that can be manipulated but also enabling usage in other applications, such as in optical communications. | en |
| dc.description.abstract | Für Quantensensoren spielen Laser eine entscheidende Rolle, sowohl bei der Aufbereitung als auch bei der Manipulation der zu untersuchenden Quantenproben. Mit den Bestrebungen Quantensensoren in Schwerelosigkeit zu betreiben um die Messgenauigkeit zu erhöhen, muss sich auch die Lasertechnologie weiterentwickeln. Neben den Anforderungen nach hoher Frequenzstabilität bei bestimmten Wellenlängen und ausreichender optischer Ausgangsleistung müssen Lasermodule kompakt, leicht, robust und energieeffizient sein um aus außerhalb des Labors, gar außerhalb der Erdmesosphäre betrieben werden zu können. Mit FOKUS, der ersten optischen Uhr im Weltraum, und MAIUS, dem ersten Atominterferometer im Weltraum, sind zwei ambitionierte Höhenforschungsraketenmissionen ins Leben gerufen worden, welche sowohl die Quantensensortechnologie, als auch die Lasertechnologie voranbringen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Lasermodule für diese beiden Missionen entwickelt, integriert, charakterisiert und validiert. Halbleiterlaserdioden sind sehr kompakt und robust, sowie energieeffizient. Jedoch ist die optische Ausgangsleistung einzelner Dioden begrenzt und sie sind anfällig für spektrale Störungen, wie optisches Feedback und thermische Drifts. Um diesen Limitierungen entgegenzuwirken wurde das Konzept eines hybriden, mikro-integrierten Masteroszillator-Poweramplifier (MOPA) gewählt. Als Masteroszillator (MO) dient ein Distributed-Feedback (DFB) Laser, welcher für die Emission mit schmaler Linienbreite optimiert wurde. Der MO wird mit Hilfe von optischen Isolatoren vor externem Feedback abgeschirmt. Der optische Beam des MO wird zu einer separaten Verstärkerdiode geführt, welche die optische Ausgangsleistung erhöht. Alle optischen und elektro-optischen Komponenten des Lasermoduls sitzen auf einer mikro-optischen Bank (MIOB) aus Aluminiumnitrid mit hoher mechanischer Steifigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit. Neben den optischen Komponenten sitzen auf der MIOB Temperatursensoren zur Überwachung und Stabilisierung der Modultemperatur. Zudem bietet die MIOB ein elektrisches Interface mit Coaxialanschlüssen und der Option, den Injektionsstrom für die Frequenzstabilisierung der Halbleiterdioden auf der MIOB direkt zu modulieren. Die MIOB hat eine Grundfläche von 80 mm x 25 mm und verzichtet komplett auf bewegliche Teile um die mechanische Stabilität zu erhöhen. Um sicherzustellen, dass die Lasermodule die Missionsanforderungen erfüllen können, werden die optischen und elektro-optischen Komponenten vor der Integration einem Qualifizierungsprozess unterzogen, welcher in dieser Arbeit beschrieben ist. Des Weiteren wird der Integrationsprozess der Komponenten in die MIOB ausgeführt. Nach Fertigstellung der Integration werden die Lasermodule einer elektro-optischen Charakterisierung unterzogen. Diese zeigt auf, dass die Lasermodule FWHM-Linienbreiten von <400kHz und intrinsische Linienbreiten von <15 kHz (3 mm lange DFB-Diode, bei je 100 mW Ausgangsleistung) erreichen können. Die Lasermodule sind spektral single-mode über einen Wellenlängenbereich von 1,5 nm durchstimmbar, erreichen eine optische Ausgangsleistung von >1 W und weisen eine Effizienz von nahezu 30% bei der Wandlung von elektrischer zu optischer Energie auf. Die Widerstandsfähigkeit gegen externe Umwelteinflüsse wird mit Random-Vibration-Tests mit bis zu 29 g RM S , Halb-Sinus-Schocktest mit Amplituden bis zu 1500 g, und Thermalzyklentests im Temperaturbereich von – 55°C bis + 85°C validiert. Die Performance der Lasermodule entsprach auch nach den Umwelttests noch den Missionsanforderungen. Die Eignung der Lasermodule für den Einsatz in Quantensensoren im Weltraum wird durch die FOKUS und MAIUS-Missionen unter Beweis gestellt. Die FOKUS-Apparatur, welche ein DFB-Modul basierend auf der Technologie dieser Arbeit enthielt, wurde im April 2015 erfolgreich gestartet. Die Apparatur war auch nach Rückkehr auf die Erde noch voll funktionsfähig. Die MAIUS Mission wurde im Januar 2017 erfolgreich durchgeführt, mit 5 MOPA-Modulen und einem DFB-Modul an Bord. Auch bei MAIUS funktionierten die Lasermodule während und nach dem Raketenflug einwandfrei. Die Lasermodule, die während dieser Dissertation entwickelt wurden, eignen sich auch für den Einsatz in erdgebundenen Experimenten. Das Konzept ist für andere Wellenlängen adaptierbar. Damit erweitern sich nicht nur die Zahl der manipulierbare Atomspezien in Quantenexperimenten, auch der Einsatz der Lasermodule für andere Anwendungen, wie etwa optische Kommunikation, wäre denkbar. | de |
| dc.identifier.uri | https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/7311 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6584 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | en |
| dc.subject.ddc | 535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene | de |
| dc.subject.ddc | 537 Elektrizität, Elektronik | de |
| dc.subject.other | diode laser module | en |
| dc.subject.other | Distributed Feedback Laser | en |
| dc.subject.other | micro-gravity | en |
| dc.subject.other | quantum optics | en |
| dc.subject.other | Linewidth | en |
| dc.subject.other | Halbleiterlaser | de |
| dc.subject.other | Master Oscillator Power Amplifier | de |
| dc.subject.other | Quantenoptik | de |
| dc.subject.other | Mikrogravitation | de |
| dc.subject.other | Linienbreite | de |
| dc.title | Micro-integrated diode laser modules for quantum optical sensors in space | en |
| dc.title.translated | Mikrointegrierte Diodenlasermodule für quantenoptische Sensoren im Weltraum | de |
| dc.type | Doctoral Thesis | en |
| dc.type.version | acceptedVersion | en |
| tub.accessrights.dnb | free | en |
| tub.affiliation | Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik::Inst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien | de |
| tub.affiliation.faculty | Fak. 4 Elektrotechnik und Informatik | de |
| tub.affiliation.institute | Inst. Hochfrequenz- und Halbleiter-Systemtechnologien | de |
| tub.publisher.universityorinstitution | Technische Universität Berlin | en |