Hochleistungslaser der nächsten Generation

Das Deep Space Network (DSN) der NASA, eine Art GPS-System für den Weltraum, verlässt sich auf Atomuhren für extreme Genauigkeit. Jedes moderne Navigationssystem muss Funksignale genau zeitlich abstimmen, um einen Ort zu triangulieren. Aber der Bedarf an Genauigkeit ist im Weltraum noch größer, wo große Entfernungen sogar winzige Fehler verschlimmern können.

Fortschritte von Lute Maleki, ehemaliger Forscher am Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, und seinen JPL-Kollegen für den Weltraum haben nun zu einigen der weltweit raffiniertesten Laser und Oszillatoren für Anwendungen wie Kommunikation, Entfernungsmesser für selbstfahrende Autos, und aufstrebende Felder wie Quantencomputer.

In den 1980er Jahren, als er an der Verbesserung der Atomuhrtechnologie für das DSN arbeitete, gründete Maleki die Gruppe für Quantenwissenschaften und -technologien des JPL, um neue Fähigkeiten unter Verwendung der Quantenphysik zu entwickeln, die die elementarsten Teilchen wie Photonen oder schwingende Atome steuert in einer Uhr. Das Team entwickelte eine bessere, erschwinglichere Art von Atomuhr und sendete außerdem zum ersten Mal Atomuhrsignale über Glasfaserkabel an fast 20 Meilen entfernte Antennen.

In den frühen 1990er Jahren erfanden Maleki und ein anderes Mitglied seines Labors schließlich einen neuen Oszillatortyp. „Er hatte ein Stabilitätsproblem, das er nicht lösen konnte, und ich sagte ihm, er solle es in einen Oszillator verwandeln, um es zu lösen, und wir erfanden den optoelektronischen Oszillator“, sagte Maleki.

Oszillatoren sind nicht nur für die Zeitmessung, sondern auch für die Kommunikation von entscheidender Bedeutung, bei der sich zwei oder mehr Geräte auf eine genaue Frequenz zum Senden und Empfangen von Informationen einigen können. Während alle vorherigen Oszillatoren einen elektrischen Strom zur Erzeugung ihrer Schwingung verwendeten, verwendete dieser Laserlicht. Der optoelektronische Oszillator ist seitdem für mehrere Anwendungen, wie Radar, Raumfahrttechnik und drahtlose Kommunikation, von entscheidender Bedeutung.

Um eine konstante Frequenz zu gewährleisten, benötigt der Oszillator jedoch einen Resonator. Zu dieser Zeit war dies normalerweise eine Glasfaser, die ein Ausgangssignal über eine große Entfernung – idealerweise etwa eine Meile – übertragen und zurückleiten konnte, sodass das System seine eigene Ausgangsfrequenz verfolgen und Rauschen unterdrücken konnte, erklärte Maleki . Es machte für ein sperriges System.

Dies führte zu seiner zweiten grundlegenden Erfindung:der Verwendung eines flüsternden optischen Resonators im Galeriemodus. Damals hatte die NASA wenig Verwendung dafür, aber Maleki war überzeugt, dass es einen Markt gab.

Er gründete OEwaves (das OE steht für Optoelektronik) im Jahr 1999 mit etwa 30 Patenten aus der NASA-Arbeit seines Teams, lizenziert durch das California Institute of Technology, das JPL verwaltet.

Das Unternehmen brauchte eine Weile, um in einer sich verändernden Technologielandschaft Fuß zu fassen, aber seine Produkte, zu denen die rauschärmsten Halbleiterlaser auf dem Markt gehören, haben in den letzten Jahren neue Märkte erschlossen. Eine davon sind „intelligente Strukturen“, ein Konzept, das seit Jahrzehnten existiert, aber vor allem in Asien langsam in die Praxis umgesetzt wird. Faseroptische Sensoren, die in Gebäuden, Brücken, Eisenbahnen und anderen Strukturen eingebettet sind, können Spannungen oder Verformungen erkennen, aber dies erfordert rauscharme Laser, um winzige Variationen der Wellenlänge aufzudecken.

Maleki sagte, er erwarte auch eine steigende Nachfrage in den Mobilfunk- und Kommunikationsmärkten, da sie sich zu höheren Frequenzen bewegen, die Informationen effizienter übertragen, aber eine extrem hohe Wiedergabetreue erfordern.

Und 2014 hat OEwaves ein Unternehmen namens Strobe Inc. ausgegliedert, um die Li-DAR-Technologie für selbstfahrende Autos zu entwickeln. Ein LiDAR-System verwendet reflektierte Lasersignale, um eine dreidimensionale Karte seiner Umgebung zu erstellen, die viele Hersteller von autonomen Fahrzeugen als Basistechnologie ansehen. Die GM-Tochtergesellschaft Cruise Automation kaufte Strobe im Jahr 2017.

Maleki sagte, dass dieselbe Technologie, die am JPL begann, es Strobe ermöglichte, kleine, effiziente LiDAR-Systeme zu entwickeln, die in der Lage waren, die Frequenz schnell zu ändern – eine Technik, die als „Zwitschern“ bezeichnet wird – und nur den Resonator nutzte. Zwitschern hilft, sowohl die Entfernung als auch die Geschwindigkeit von Objekten in der Umgebung zu messen. Und das gesamte System könnte auf einen photonischen integrierten Schaltkreis gesetzt werden, was die Kosten weiter senkt.

Mehrere Universitäten und Unternehmen kaufen die Laserkomponenten auch, um zukünftige Quantengeräte für Kommunikation, Computer und andere Anwendungen zu erforschen.

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