Next-Gen High-Performance Laser verbessern Deep-Space-Navigation

Von Atomuhren zu optoelektronischen Oszillatoren

NASAs Deep Space Network (DSN), eine Art GPS für den Weltraum, verlässt sich auf Atomuhren für extreme Genauigkeit. Jedes moderne Navigationssystem muss Funksignale extrem präzise timen, um eine Position zu triangulieren. Aber der Genauigkeitsbedarf ist im Weltraum noch höher, wo große Distanzen selbst winzige Fehler verstärken können.

Fortschritte von Lute Maleki, ehemaliger Forscher am NASA Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, CA, 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 Quantencomputing geführt.

Historische Entwicklung

In den 1980ern, während er Atomuhrentechnologie für das DSN verbesserte, etablierte Maleki die JPL Quantum Sciences and Technologies Group, um neue Fähigkeiten durch Quantenphysik zu entwickeln, die die elementarsten Teilchen regiert – Photonen oder vibrierende Atome in einer Uhr. Das Team entwickelte eine bessere, erschwinglichere Atomuhr und sendete erstmals Atomuhr-Signale durch Glasfaserkabel zu Antennen fast 20 Meilen entfernt.

Anfang der 1990er erfanden Maleki und ein weiteres Labor-Mitglied einen neuen Oszillatortyp. „Er hatte ein Stabilitätsproblem, das er nicht lösen konnte, und ich sagte ihm, er soll es in einen Oszillator verwandeln, um es zu lösen, und wir erfanden den optoelektronischen Oszillator“, sagte Maleki.

Oszillatoren sind entscheidend nicht nur für Zeitmessung, sondern auch für Kommunikation, wo sie zwei oder mehr Geräte auf eine präzise Frequenz zum Senden und Empfangen von Informationen einigen lassen. Während alle vorherigen Oszillatoren elektrischen Strom für ihre Schwingung nutzten, nutzte dieser Laserlicht. Der optoelektronische Oszillator wurde seither kritisch für Anwendungen wie Radar, Weltraumtechnik und drahtlose Kommunikation.

Für konstante Frequenz braucht der Oszillator einen Resonator. Damals war das meist eine Glasfaser, die ein Output-Signal über gute Distanz – ideal eine Meile – tragen und zirkulieren konnte, sodass das System seinen eigenen Output-Frequenz tracken und Rauschen auslöschen konnte, erklärte Maleki. Das machte ein voluminöses System.

Das führte zu seiner zweiten grundlegenden Erfindung: die Nutzung eines Whispering-Gallery-Mode-Optischen-Resonators. Damals hatte NASA wenig Nutzung dafür, aber Maleki war überzeugt, es gäbe einen Markt.

Er gründete OEwaves (OE für optoelektronisch) 1999 mit ca. 30 Patenten aus seiner Team-NASA-Arbeit, lizenziert durch das California Institute of Technology, das JPL managt.

Die Firma brauchte Zeit, in einer sich wandelnden Technologielandschaft Fuß zu fassen, aber ihre Produkte – inklusive der niedrigst-rauschenden Halbleiterlaser – fanden in jüngsten Jahren neue Märkte. Einer: „Smart Structures“, ein Konzept, das seit Jahrzehnten existiert, aber beginnt, in die Praxis umgesetzt zu werden, besonders in Asien. Glasfasersensoren in Gebäuden, Brücken, Eisenbahnen und anderen Strukturen können Stress oder Deformation erfassen – aber das erfordert niedrig-rauschende Laser, um winzige Wellenlängenvariationen zu offenbaren.

Maleki erwartet auch erhöhte Nachfrage in Handy- und Kommunikationsmärkten, da sie zu höheren Frequenzen tendieren, die Information effizienter tragen, aber extrem hohe Fidelität erfordern.

2014 spannte OEwaves Strobe Inc. aus, um LiDAR-Technologie für selbstfahrende Autos zu entwickeln. Ein LiDAR-System nutzt reflektierte Lasersignale, um eine 3D-Karte der Umgebung zu bauen – von vielen autonomen Fahrzeugherstellern als enabling technology angesehen. GM-Tochter Cruise Automation kaufte Strobe 2017.

Maleki sagte, dieselbe Technologie, die am JPL begann, erlaubte Strobe, kleine, effiziente LiDAR-Systeme zu entwickeln, die Frequenz rasant ändern konnten – eine Technik namens „Chirping“ – nur durch den Resonator. Chirping hilft, sowohl Distanz als auch Geschwindigkeit umgebender Objekte zu messen. Und das ganze System konnte auf einen photonic integrated circuit gelegt werden, was Kosten weiter senkt.

Mehrere Universitäten und Firmen kaufen die Laserkomponenten auch für Forschung zukünftiger Quanten-Geräte für Kommunikation, Computing und andere Anwendungen.

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