Micro-integrated Diode Laser Modules for
Quantum Optical Sensors in Space
vorgelegt von
Anja Kohfeldt,
M.Sc.
geb. in Malchin
von der Fakultät IV – Elektrotechnik und Informatik
Technische Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Naturwissenschaften
– Dr. rer. nat. –
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender: Prof. Dr. Klaus Petermann
Gutachter: Prof. Dr. Günther Tränkle
Gutachter: Prof. Achim Peters, Ph.D.
Gutachter: Prof. Dr. Klaus Brieß
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 20.07.2017
Berlin 2017
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 interferom-
eter 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) configura-
tion, 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 sep-
arate 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
80mmx25mm. 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 inte-
grated 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, re-
vealing that a FWHM linewidth of <400kHz and an intrinsic linewidth of <15kHz
(3mm long DFB diode at 100mW DFB output power) can be achieved. The laser
modules provide a spectral single-mode tuning range of >1.5nm, an optical free space
output power of >1W, and an electrical-to-optical efficiency of almost 30%.
The robustness against environmental influences was validated with random-
vibration tests up to 29gRMS, a half-sine shock test at 1500g, 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.
Zusammenfassung
Für Quantensensoren spielen Laser eine entscheidende Rolle, sowohl bei der Auf-
bereitung als auch bei der Manipulation der zu untersuchenden Quantenproben. Mit
den Bestrebungen Quantensensoren in Schwerelosigkeit zu betreiben um die Messge-
nauigkeit 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, ro-
bust und energieeffizient sein um aus außerhalb des Labors, gar außerhalb der Erdme-
sosphäre betrieben werden zu können.
Mit FOKUS, der ersten optischen Uhr im Weltraum, und MAIUS, dem ersten Atom-
interferometer im Weltraum, sind zwei ambitionierte Höhenforschungsraketenmissio-
nen ins Leben gerufen worden, welche sowohl die Quantensensortechnologie, als auch
die Lasertechnologie voranbringen. Im Rahmen dieser Dissertation wurden die Laser-
module 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 Masteroszil-
lator (MO) dient ein Distributed-Feedback (DFB) Laser, welcher für die Emission mit
schmaler Linienbreite optimiert wurde. Der MO wird mit Hilfe von optischen Isola-
toren 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. Zu-
dem bietet die MIOB ein elektrisches Interface mit Coaxialanschlüssen und der Op-
tion, 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 kön-
nen, 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 <15kHz (3mm lange
DFB-Diode, bei je 100 mW Ausgangsleistung) erreichen können. Die Lasermodule sind
spektral single-mode über einen Wellenlängenbereich von 1,5nm durchstimmbar, erre-
ichen eine optische Ausgangsleistung von >1W und weisen eine Effizienz von nahezu
30% bei der Wandlung von elektrischer zu optischer Energie auf.
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