Zuverlässige Halbleiter für Space, Satelliten und Quantentechnologien
Vom 22. bis 24. Juni 2022 präsentiert das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) auf der Internationalen Luft- und Raumfahrtausstellung (ILA) in Berlin zuverlässige Halbleiter für Anwendungen in den Bereichen Space, Satelliten und Quantentechnologie. Das Institut deckt dabei die komplette Wertschöpfungskette ab – vom Chipdesign über die Prozessierung bis hin zu Modulen und Systemen. Seine Entwicklungen stellt das FBH am Gemeinschaftsstand der Berlin-Brandenburg Aerospace Allianz, in Halle 1, Stand 240 aus.
Lasersysteme für quantenoptische Präzisionsexperimente
Das FBH entwickelt und fertigt seit vielen Jahren robuste und kompakte Diodenlasermodule für anspruchsvolle Weltraumanwendungen. Diese Module haben ihre Leistungsfähigkeit bereits mehrfach in Experimenten unter Schwerelosigkeit bewiesen. Am Stand zeigt das Institut eines der 55 ultra-schmalbandigen Lasermodule, die es für die BECCAL-Apparatur (Bose-Einstein Condensate – Cold Atom Laboratory) entwickelt hat und aktuell fertigt. Sie sollen ab 2024 in der Forschungsanlage für quantenoptische Experimente mit ultra-kalten Atomen an Bord der internationalen Raumstation ISS eingesetzt werden. Fundamentalphysikalische Fragestellungen mit Quantenobjekten sollen damit nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt (-273,15 °C) hochgenau untersucht werden.
Kernstücke dieser und bisheriger Diodenlasermodule sind am FBH entwickelte Laserdioden, die gemeinsam mit Optiken und weiteren passiven Elementen mit höchster Stabilität und Präzision aufgebaut werden. Die mikrointegrierten Lasermodule basieren auf der institutseigenen, patentierten MiLas®-Technologie die speziell für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurde. Sie sind extrem robust, zeichnen sich durch geringe Abmessungen von nur 125 x 75 x 23 mm³ und eine geringe Masse (750 g) aus. Dabei erreichen sie exzellente Ausgangsleistungen von > 500 mW bei zugleich schmaler intrinsischer Linienbreite < 1 kHz. Parallel arbeitet das FBH schon an einer noch kompakteren Variante und überträgt das bewährte Konzept der hybrid-aufgebauten Extended Cavity Diode Laser (ECDL) derzeit auf einen einzigen Chip.
In enger Zusammenarbeit mit der Humboldt-Universität zu Berlin werden derartige Module auch zu kompakten Quantensensoren und optischen Uhren für den Einsatz im Weltraum und für industrietaugliche Systemlösungen in der Quantentechnologie aufgebaut. Das gemeinsame Joint Lab präsentiert eine völlig autonome frequenzstabilisierte Laserquelle mit integrierter DFB-Laserdiode, die auf dem D2-Übergang in Rubidium bei 780 nm basiert.
Lasermodule für Satelliten: von Kommunikation bis Klimaschutz
Zu den Entwicklungen zählen auch Pumplaserquellen, die in Laserkommunikationsterminals zur optischen Datenübertragung (EDRS) oder zur Satellitenüberwachung des klimaschädlichen Methangases (MERLIN) genutzt werden. Jedes FBH-Modul für MERLIN ist mit zwei Hochleistungslaser-Halbbarren ausgestattet, die 130 W gepulste Emission bei 808 nm Wellenlänge liefern. Ihre Zuverlässigkeit über die gesamte Missionsdauer wurde in unabhängigen Tests bestätigt. Neu entwickelte DBR-Laserarray-Module bieten dank eines integrierten Bragg-Reflektors auf Chipebene sowohl ein geringes Rauschen als auch eine hohe Zuverlässigkeit. Qualifiziert wurden die Module im Dauerbetrieb für mehr als 15 Jahre. Damit eigenen sie sich als Flughardware beispielsweise zum Pumpen von Nd:YAG-Lasern für die optische Datenkommunikation.
Energieeffiziente Komponenten für Satellitenkommunikation und -sensorik
Wegen ihrer hohen Strahlungshärte und der möglichen hohen Schaltfrequenzen eignen sich Galliumnitrid (GaN)-Schalttransistoren besonders für das Power Conditioning in Satelliten. Der vom FBH entwickelte 10 A/400 V Aluminiumnitrid Power Core mit GaN-Leistungstransistoren in Halbbrücken-Konfiguration minimiert Streuinduktivitäten und Kapazitäten der Schaltzelle. Dabei werden Leistungsschalter, Gatetreiber und DC-Link-Kondensatoren extrem kompakt heterointegriert und die Wärme wird effizient durch das Aluminiumnitrid-Substrat abgeführt. So konnten die Schaltzeiten der Leistungszelle gegenüber einem konventionellen Aufbau mit diskreten Bauelementen halbiert werden. Hohe Schaltfrequenzen bei gleichzeitig hohem Konverter-Wirkungsgrad sind die Voraussetzung für Leistungskonverter mit besonders hoher Leistungsdichte. Ein zentraler Aspekt, da jedes Gramm im Weltraum zählt. Erst kürzlich ist es gelungen, die Größe eines Konverters weiter zu reduzieren – bei gleicher Leistung.
Wirkungsgrad und Verlustleistung sind kritische Punkte auch bei den Sendeverstärkern in Satelliten. Daher entwickelt das FBH Konzepte zum Envelope Tracking – eine bekannte Technik, um die Effizienz von Hochfrequenz-Leistungsverstärkern zu steigern.
