Zuverlässige Halbleiter für Space, Satelliten und Quantentechnologien

Das Ferdinand-Braun-Institut zeigt auf der „Space Tech Expo Europe“ in Bremen weltraumtaugliche Diodenlaser-Module mit schmaler Linienbreite und optische Frequenzreferenzen für Satelliten- und Quantentechnologie-Anwendungen.

Vom 15.-17. November 2022 präsentiert das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) seine Entwicklungen am Berlin-Brandenburger Gemeinschaftsstand in Halle 6, R36. Das Berliner Forschungsinstitut verfügt über langjährige, umfassende Erfahrung in der Entwicklung von III/V-Halbleiter-basierten Bauelementen und Subsystemen für weltraum- und satellitengestützte Anwendungen sowie den relevanten Technologien. Es deckt dabei die komplette Wertschöpfungskette im eigenen Haus ab – vom Chipdesign über die Prozessierung bis hin zu mikrointegrierten Modulen und Systemen. Dabei kooperiert das FBH eng mit internationalen Partnern aus Forschung und Industrie, unter anderem in Projekten, die von der Europäischen Weltraumorganisation ESA und dem Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) gefördert werden.

Lasermodule für Satelliten: von Kommunikation bis Klimaschutz

Das FBH entwickelt seit vielen Jahren Pumplaser für Satellitenanwendungen. Laserdiodenbänke (LDB) des Instituts werden unter anderem erfolgreich in Laserkommunikationsterminals (LCT) der Firma Tesat-Spacecom eingesetzt. Damit können hohe Datenmengen der Erdbeobachtung besonders schnell zwischen Satelliten und zur Erde übertragen werden. Die Wellenlänge der LDBs ist exakt auf die Pumpwellenlänge des Nd:YAG-Laser stabilisiert und gewährleistet eine stabile LCT-Leistung. Die LDBs werden nach den Standards der ESA für Weltraumanwendungen entwickelt und qualifiziert. Sie zeichnen sich durch eine exzellente Zuverlässigkeit über die gesamte Missionsdauer von 15 Jahren aus.

Auch für den Klimasatelliten MERLIN, der künftig die Methankonzentration in der Atmosphäre messen wird, hat das FBH Pumplaser entwickelt, qualifiziert und geliefert. Die Module sind jeweils mit zwei Hochleistungslaser-Halbbarren ausgestattet, die 130 W optische Leistung bei 808 nm im Pulsbetrieb liefern. Die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit über die gesamte Missionsdauer wurde anhand umfangreicher Qualifikationen der Technologie nachgewiesen und vom ESA-Technologiezentrum ESTEC bestätigt.

Für zukünftige Weltraummissionen hat das FBH zudem ein neuartiges DBR-Laserarray-Modul entwickelt. Dank eines integrierten Bragg-Reflektors auf Chipebene bietet es sowohl ein geringes Rauschen als auch eine hohe Zuverlässigkeit. Auch für diese Module wurde die Eignung für den Dauerbetrieb von mehr als 15 Jahren nachgewiesen.

Lasersysteme für quantenoptische Präzisionsexperimente & Frequenzreferenzen

Kompakte Diodenlaser und robuste Lasermodule des FBH wurden mehrfach erfolgreich in anspruchsvollen Experimenten unter Schwerelosigkeit eingesetzt. Unter anderem fertigt das FBH derzeit 55 schmalbandige Lasermodule, die es für die BECCAL-Apparatur (Bose-Einstein Condensate – Cold Atom Laboratory) entwickelt hat. Sie sollen für quantenoptische Experimente mit ultra-kalten Atomen an Bord der internationalen Raumstation ISS eingesetzt werden.

Kernstücke der Module sind am Institut entwickelte Laserdioden, die gemeinsam mit Optiken und weiteren passiven Elementen mit höchster Stabilität und Präzision aufgebaut werden. Dank der einzigartigen Mikrointegrationstechnologie des FBH sind die Module extrem robust und eignen sich ideal für den Einsatz im Weltraum. Hinzu kommen exzellente Parameter hinsichtlich Größe, Gewicht und Leistung: Sie liefern 500 mW in einer Single-Mode Faser bei > 20 % Konversionseffizienz (elektrisch zu optisch) und bieten eine geringe intrinsische Linienbreite < 1 kHz. Die Lasermodule können flexibel im Wellenlängenbereich von 630 nm bis 1180 nm realisiert werden. Aufgrund der gestiegenen Nachfrage nach Modulen und Subsystemen mit einer Vielzahl integrierter Funktionalitäten baut das FBH derzeit seine Aktivitäten zu einem „Aerospace Competence Center“ aus. Es erweitert damit sein Know-how und seine Kapazitäten bei Entwicklung und Produktion von Teilsystemen und Kleinserien.

In enger Zusammenarbeit mit der Humboldt-Universität zu Berlin werden derartige Module auch zu kompakten Quantensensoren und optischen Frequenzreferenzen (OFR) für den Einsatz im Weltraum aufgebaut. Das gemeinsame Joint Lab hat eine autonome Frequenzreferenz demonstriert, die auf dem D2-Übergang in Rubidium basiert. Sie erreichte eine Instabilität bei 1 Sekunde von 1,4 x 10-12 innerhalb eines Volumens von nur etwa 400 ml. Solche OFR sind vielversprechende Kandidaten für globale Navigationssatellitensysteme wie GPS. Zudem werden sie in der optischen Kalibrierung und als Absolutreferenz in der atombasierten Quantentechnologie eingesetzt.

https://www.fbh-berlin.de/