22.10.2019

Lasertechnik für höhere Zwecke

Hybrid-integrierte, robuste und kompakte Diodenlaser für den Weltraumeinsatz entwickelt.

Das Ferdinand-Braun-Institut hat weltraumtaugliche Diodenlaser-Module entwickelt, die auf der einzig­artigen Mikro­integrations-Technologie des Instituts basieren. Diese und weitere hybrid-integrierte Komponenten aus der Mikrowellentechnik und Terahertz-Elektronik stellt das Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchst­frequenz­technik (FBH) auf dem Mikro­System­Technik-Kongress vor. Vom 28. bis 30. Oktober ist das FBH am Gemeinschafts­stand der Forschungs­fabrik Mikro­elektronik Deutschland (FMD) im Estrel Berlin vertreten.
 

Abb.: Robustes Dioden­laser­modul für Weltraum­anwendungen bei der...
Abb.: Robustes Dioden­laser­modul für Weltraum­anwendungen bei der Präzisions­montage (Bild: FBH / schurian.com)

Das FBH besitzt umfassende Erfahrung bei der Entwicklung und Fertigung von kompakten, hybrid-integrierten Dioden­laser­modulen. Ihr Design wird exakt auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten. Die Technologie ist so in vielfältigen Bereichen einsetzbar, von der Sensorik über die Medizintechnik bis hin zu Weltraum­anwendungen. Am Messestand zeigt das Institut Diodenlaser-Module, die bereits erfolgreich in verschiedenen Experimenten unter Schwerelosig­keit eingesetzt wurden. Die Module bestehen aus Laserdioden, die am FBH entwickelt und hergestellt und gemeinsam mit Optiken und weiteren passiven Elementen mit höchster Stabilität und Präzision – teils in Bereichen von unter 100 Nanometern – aufgebaut werden. Dank der einzigartigen Mikro­integrations­technologie des FBH sind die Module extrem robust und ideal für den Einsatz unter anspruchsvollen Bedingungen im Weltraum geeignet. Sie zeichnen sich zudem durch geringe Abmessungen von nur 130 auf 80 auf 25 Millimetern, eine geringe Masse von rund 750 Gramm sowie exzellente Leistungs­parameter aus: Ausgangs­leistungen von über 500 Milliwatt bei zugleich schmaler intrinsischer Linienbreite unter einem Kilohertz werden erreicht. 

Der Terahertz-Bereich bietet eine gute räumliche Auflösung und kann die meisten nicht-metallischen Materialien durchdringen. Damit eignet er sich für industrielle und sicherheits­relevante Anwendungen. Das FBH zeigt Terahertz-Detektoren, die sich auch zu Arrays anordnen lassen. Die III/V-basierten Terahertz-Detektoren bieten beste Werte für die äquivalente Rausch­leistung mit höchster Empfindlichkeit – und übertreffen damit die besten Terahertz-Detektoren in CMOS-Technologie.

Für die mobile Kommunikation der Zukunft entwickelt das Institut digitale Leistungs­verstärker mit effizienten Verstärker-Chips, die auf dem 0,25 Mikrometer dicken GaN-HEMT-Prozess des FBH basieren. Mit ihnen hat das Institut die erste volldigitale Transmitter­kette realisiert, die breitbandige Signale mit höchster Effizienz und Linearität erfolgreich überträgt. Der kompakte digitale Transmitter eignet sich besonders für Mehr­antennen­systeme, bei denen er auf der Rückseite der Antenne montiert wird. 

Das FBH stellt zudem Konzepte zum Envelope Tracking (ET) vor, eine bekannte Technik zur Effizienz­steigerung von Solid-State Power Amplifiern. Damit lässt sich die Versorgungs­spannung des HF-Leistungs­verstärkers entsprechend der momentanen Hüllkurve des zu verstärkenden Signals modulieren. Zusammen mit der Europäischen Weltraum­agentur ESA hat das FBH einen neuartigen ET-Demonstrator für die Kommunikation im Weltraum bei 1,62 Gigahertz entwickelt. Der Verstärker hat eine Spitzen­ausgangs­leistung von mehr als 90 Watt bei einer Modulationsbandbreite von 40 Megahertz. Mit einem 8,6 PAPR (Peak-to-Average Power Ratio)-Signal liegt der Gesamt­wirkungs­grad bei 40 Prozent. 

Das FBH hat das Konzept der Versorgungs­spannungs-Modulation auch auf Milli­meter­wellen-Verstärker übertragen. Das entsprechende Modul besteht aus zwei identischen MMICs, die in Reihe geschaltet sind. Diese bestehen jeweils aus einem einstufigen Verstärker mit integriertem zweistufigen Spannungs­schalter, der die Versorgungs­spannung des Verstärkers in diskreten Stufen moduliert.

FBH / DE
 

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