Center for Space Microelectronics Technology. 1993 Technical Report

The 1993 Technical Report of the Jet Propulsion Laboratory Center for Space Microelectronics Technology summarizes the technical accomplishments, publications, presentations, and patents of the Center during the past year. The report lists 170 publications, 193 presentations, and 84 New Technology Reports and patents. The 1993 Technical Report of the Jet Propulsion Laboratory Center for Space Microelectronics Technology summarizes the technical accomplishments, publications, presentations, and patents of the Center during the past year. The report lists 170 publications, 193 presentations, and 84 New Technology Reports and patents

LASER Tech Briefs, Spring 1994

Topics in this Laser Tech Brief include: Electronic Components and Circuits. Electronic Systems, Physical Sciences, Materials, Mechanics, Fabrication Technology, and books and reports

Electro-optic frequency combs and their applications in high-precision metrology and high-speed communications

Optische Frequenzkämme haben sich in den letzten Jahren zu einem vielseitigen Werkzeug im Bereich der Optik und Photonik entwickelt. Sie ermöglichen den Zugang zu einer Vielzahl von schmalbandigen Spektrallinien, die einen breiten Spektralbereich abdecken und gleichzeitig hochgenau definierte Frequenzen aufweisen. Dadurch wurden Experimente in vielfältigen Anwendungsgebieten ermöglicht, zum Beispiel in den Bereichen optischer Atomuhren, der Präzisionsspektroskopie, der Frequenzmesstechnik, der Distanzmesstechnik und der optischen Telekommunikation. Allerdings umfassen übliche Frequenzkammquellen und die jeweiligen Laboraufbauten typischerweise komplexe opto-elektronische und opto-mechanische Anordnungen, welche aufgrund von Baugröße und fehlender Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen wie Temperatur bislang kaum Einzug in breitere industrielle Anwendungen gefunden haben. Diese Arbeit legt deshalb ein besonderes Augenmerk auf die praktische Nutzbarkeit von frequenzkamm-basierten Systemen in industriellen Anwendungen. Im Fokus stehen dabei Robustheit, Kompaktheit und flexible Anpassungsmöglichkeiten an die jeweilige Anwendung. Das bezieht sich sowohl auf die Frequenzkammquellen selbst, als auch auf die zugehörigen anwendungsspezifischen optischen Systeme, in welchen die Frequenzkämme genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wird das Potential elektro-optischer Frequenzkämme in der optischen Messtechnik sowie der optischen Kommunikationstechnik anhand ausgewählter experimenteller Demonstrationen untersucht. Als Mittel zur Realisierung miniaturisierter optischer Systeme mit einem Flächenbedarf von wenigen Quadratmillimetern wird die photonische Integration in Silizium verfolgt. Ein integriertes System zur Frequenzkamm-basierten Distanzmessung sowie integriert-optische Frequenzkammquellen werden demonstriert. Die Erzeugung von Frequenzkämmen durch Dauerstrichlaser in Kombination mit elektro-optischen Modulatoren ist dabei ein besonders vielversprechender Ansatz. Zwar werden dabei üblicherweise kleinere optische Bandbreiten erzielt als bei der weitverbreiteten Frequenzkammerzeugung durch modengekoppelte Ultrakurzpulslaser oder durch Kerr-Nichtlinearitäten, aber es bieten sich andere wertvolle Vorteile an. So erlaubt die elektro-optische Kammerzeugung beispielsweise eine nahezu freie Wahl der Mittenfrequenz durch Auswahl oder Einstellung des Dauerstrichlasers. Durch den Einsatz verschiedener Laser können sogar gleichzeitig mehrere Frequenzkämme unterschiedlicher Mittenfrequenz erzeugt werden, was sich in verschiedenen Anwendungen vorteilhaft ausnutzen lässt. Dies wird in dieser Arbeit anhand zweier Beispiele aus der optischen Messtechnik demonstriert, siehe Kapitel 3 und Kapitel 5. Der Kammlinienabstand ist bei elektro-optisch erzeugten Kämmen definiert durch die elektronisch erzeugte Modulationsfrequenz. Das bietet mehrere Vorteile: Der Linienabstand ist frei einstellbar, sehr stabil, und einfach rückführbar auf einen Frequenzstandard. Der Verzicht auf einen optischen Resonator macht die Kammquelle robust gegenüber Umwelteinflüssen wie z.B. Vibration. Zudem machen Fortschritte bei der Entwicklung von hochintegrierten optischen Modulatoren auf Silizium eine Umsetzung der Frequenzkammquellen in Siliziumphotonik möglich. Die erste derartige Komponente und deren Anwendung in der optischen Telekommunikation wird in Kapitel 6 vorgestellt. Photonische Integration in Silizium bietet außerdem das Potential, miniaturisierte optische Systeme mit vielfältiger Funktionalität zu realisieren. Solche Systeme zeichnen sich durch extrem kleinen Platzbedarf, Kompatibilität mit hochentwickelten und massentauglichen Fertigungstechniken aus der CMOS-(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)-Mikroelektronik und durch die Möglichkeit zur Kointegration elektronischer Schaltungen auf demselben Chip aus. Die hohe Integrationsdichte eröffnet die Perspektive, optische Systeme z.B. für Sensorik tief in industriellen Maschinen zu integrieren. Kapitel 1 gibt eine kurze Einführung in optische Frequenzkämme und deren vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Technik. Der Stand der Technik zu unterschiedlichen Ansätzen zur Frequenzkammerzeugung und deren jeweiligen Eigenschaften werden diskutiert, und es werden die Vorzüge der in dieser Arbeit verwendeten elektro-optischen Frequenzkämme erläutert. Des Weiteren wird die Integration photonischer Systeme und Bauelemente auf Silizium vorgestellt. Schließlich werden die sich ergebenden Vorteile bei der Anwendung in optischer Messtechnik und optischer Telekommunikation diskutiert. Kapitel 2 fasst die physikalischen Grundlagen der Arbeit zusammen. Die Funktionsprinzipien elektro-optischer Modulatoren werden beschrieben sowie deren Anwendung zur Erzeugung von Frequenzkämmen. Zusätzlich wird das Konzept sogenannter synthetischer Wellenlängen eingeführt, welches in der optischen Distanzmesstechnik Anwendung findet. Kapitel 3 beschreibt ein Prinzip zur Distanzmessung mittels zweier elektro-optischer Frequenzkämme zur kontaktlosen Vermessung technischer Objekte. Die Leistungsfähigkeit des Ansatzes wird durch eine Erfassung von ausgedehnten Oberflächenprofilen in Form von Punktwolken demonstriert, wobei eine verhältnismäßig kurze Messzeit von 9.1 µs pro Punkt ausreichend ist. Dabei wird der faseroptisch angebundene Sensorkopf von einer Koordinatenmessmaschine über die Oberfläche bewegt. Durch Temperaturschwankungen im faser-optischen Aufbau ausgelöste Messabweichungen werden durch die Messung mit Lasern unterschiedlicher Emissionsfrequenz kompensiert. Kapitel 4 beschreibt ein integriert-optisches System auf Silizium zur frequenzkamm-basierten Distanzmessung. Das System beinhaltet das zum Heterodynempfang genutzte Interferometer inklusive eines einstellbaren Leistungsteilers sowie der Photodetektoren. Der Platzbedarf aller Komponenten auf dem Siliziumchip beträgt 0.25 mm$^{2}$. Der Chip wird in dem in Kapitel 3 eingeführten Messverfahren eingesetzt, wobei Distanzmessungen mit Root-mean-square-Fehlern von 3.2 µm und 14 µs Erfassungszeit demonstriert werden. Kapitel 5 stellt ein Distanzmesssystem vor, bei welchem eine grobauflösende Phasenlaufzeitmessung mit großem Eindeutigkeitsbereich mit einer interferometrischen Distanzmessung mit synthetischen Wellenlängen zur Verfeinerung der Messgenauigkeit kombiniert wird. Die durch vier Laser erzeugten synthetischen Wellenlängen bzw. die Frequenzabstände der Laser werden zeitgleich zur Distanzmessung mittels eines auf elektro-optischer Modulation basierenden Verfahrens vermessen. Durch diese Referenzierung wird der Einsatz freilaufender Laser ohne Wellenlängenstabilisierung ermöglicht. Es werden Messraten von 300 Hz und Genauigkeiten im Mikrometerbereich erreicht. Kapitel 6 beschreibt die weltweit erste Demonstration elektro-optischer Frequenzkammquellen auf Silizium und die hierzu genutzte hybride Materialplattform aus Silizium und organischen Materialien (Silicon-Organic Hybrid, SOH). Spektral flache Frequenzkämme mit 7 Linien innerhalb von 2 dB und Linienabständen von 25 GHz und 40 GHz werden erzeugt. Die praktische Anwendbarkeit solcher Frequenzkämme wird durch eine Reihe von Datenübertragungexperimenten demonstriert. Die einzelnen Kammlinien dienen als Träger für Daten in einem Wellenlängenmultiplex-System, womit eine spektral effiziente Datenübertragung mit Datenraten von über 1 Tbit/s über Distanzen von bis zu 300 km demonstriert wird. Kapitel 7 fasst die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zusammen und gibt einen Ausblick auf die Möglichkeiten, die sich durch weiterentwickelte Kammquellen und fortschreitende Möglichkeiten in der photonischen Integration ergeben

Study of fiber optics standardization, reliability, and applications

The use of fiber optics in space applications is investigated. Manufacturers and users detailed the problems they were having with the use or manufacture of fiber optic components. The general consensus of all the companies/agencies interviewed is that fiber optics is a maturing technology and will definitely have a place in future NASA system designs. The use of fiber optics was found to have two main advantages - weight savings and increased bandwidth

Data systems elements technology assessment and system specifications, issue no. 2

The ability to satisfy the objectives of future NASA Office of Applications programs is dependent on technology advances in a number of areas of data systems. The hardware and software technology of end-to-end systems (data processing elements through ground processing, dissemination, and presentation) are examined in terms of state of the art, trends, and projected developments in the 1980 to 1985 timeframe. Capability is considered in terms of elements that are either commercially available or that can be implemented from commercially available components with minimal development

Optical generation of mm-wave signals for use in broadband radio over fiber systems

In future cellular radio networks Radio over Fiber (RoF) is a very attractive technology to deliver microwave and millimeter-wave signals containing broad band multimedia services to numerous base stations of the network. The radio signals are placed on an optical carrier and distributed by means of an optical fiber network to the base stations (BS). In the BS the optical signals heterodyne in a photodiode to produce the radio signals which are then sent via a wireless link to the mobile units (MU). The optical fiber network provides high frequency, wideband, low loss and a means of signal distribution immune to electromagnetic interference. In this thesis, different methods of electrooptical upconversion were investigated. The generation of an optical double-sideband with suppressed carrier (DSB-SC) signal is a straightforward method due to the fact that only one optical modulator driven at half the millimeter-wave frequency is required. One or both sidebands were ASK-modulated with baseband data rates of up to 10 Gbps. Optical single sideband modulation proves to be dispersion resilient as error free transmission was demonstrated after 53 km of single mode fiber transmission for data rates up to 10 Gbps. Wireless links up to 7 m were also demonstrated, proving the feasibility of this approach for broadband wireless inhouse access systems.Für zukünftige zellulare Funknetze ist „Radio over Fiber (RoF)“ eine sehr attraktive Technologie, um breitbandige Multimedia-Dienste mit Mikro- und Millimeterwellen zu übertragen. Die Funksignale werden dabei auf eine optische Trägerwelle aufmoduliert und mittels eines optischen Fasernetzes zu den Basisstationen (BS) verteilt. In den BS erfolgt die Überlagung der optischen Signale durch eine Fotodiode, um die Funksignale zu erzeugen. Diese werden dann über eine drahtlose Verbindung zu den beweglichen Multimedia-Endgeräten geschickt. Vorteile des optischen Fasernetzes sind Breitbandigkeit, geringe Dämpfung und eine gegenüber elektromagnetischen Störungen immune Signalverteilung. In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden der elektrooptischen Aufwärtskonversion erforscht und die wichtigsten Eigenschaften dieser untersucht. Die Erzeugung eines optischen Zweiseitenbandsignales mit unterdrücktem Träger (DSB-SC) ist eine einfache Methode, da nur ein optischer Modulator, betrieben mit der halben elektrischen Trägerfrequenz, benötigt wird. Eine oder beide Seitenbänder konnten mit Bitraten bis zu 10 Gbps amplitudenmoduliert werden. Optische Einseitenbandmodulation ist extrem tolerant bezüglich der chromatischen Dispersion der Faser, wie die fehlerfreie Übertragung nach 53 km Glasfaser beweist. Drahtlose Links bis zu 7 m wurden realisiert und zeigen die Möglichkeit dieser Verfahren für breitbandige drahtlose Inhouse-Zugangssysteme

Practical free-space quantum key distribution

Within the last two decades, the world has seen an exponential increase in the quantity of data traffic exchanged electronically. Currently, the widespread use of classical encryption technology provides tolerable levels of security for data in day to day life. However, with one somewhat impractical exception these technologies are based on mathematical complexity and have never been proven to be secure. Significant advances in mathematics or new computer architectures could render these technologies obsolete in a very short timescale. By contrast, Quantum Key Distribution (or Quantum Cryptography as it is sometimes called) offers a theoretically secure method of cryptographic key generation and exchange which is guaranteed by physical laws. Moreover, the technique is capable of eavesdropper detection during the key exchange process. Much research and development work has been undertaken but most of this work has concentrated on the use of optical fibres as the transmission medium for the quantum channel. This thesis discusses the requirements, theoretical basis and practical development of a compact, free-space transmission quantum key distribution system from inception to system tests. Experiments conducted over several distances are outlined which verify the feasibility of quantum key distribution operating continuously over ranges from metres to intercity distances and finally to global reach via the use of satellites

Propagation of terahertz radiation in non-homogeneous materials and structures

The work undertaken is concerned with looking at how terahertz frequency radiation (here defined as 300 GHz -10 THz) propagates through media which have a random structure ("non-homogeneous materials"). Materials of this type are important in a wide range of applications, but are of particular interest in security and surveillance. Propagation of terahertz radiation through non-homogeneous materials is not well understood: both interference and scattering effects become important in this spectral range, where the wavelength and size and separation of the scattering centres are often commensurable. A simple model, which uses the phase change of a wave to describe its transmission through media having relatively small changes in refractive index is developed and compared with both exact theories and experimentally obtained measurements. Overall, a satisfactory agreement between the experimental data for transmission through arrays of cylinders, textiles and powders is seen. It is well known that pulses of terahertz radiation from optoelectronic sources have a complex shape. Post detection signal processing routines can be used to clean up the experimentally determined signals. The development of such algorithms is described, before they are applied to experimental results to determine: the minimum size of gaps between slabs to mimic voids in media; and the response of various compounds to a sharply terminated input pulse. The investigation of scattering from random structures requires the construction of a spectrometer having the capability to measure THz pulses scattered at different angles. Such a system ideally requires fibre-fed detection schemes to be used. The construction of a scattering spectrometer is described and its performance outlined. Pulses of terahertz which have been scattered by a sample of interest can be reconstructed, using methods from conventional tomography, to produce images of the phantom under test. Such measurements are outlined here. To our knowledge, this is the first time that tomography has been undertaken using a fixed sample and rotating detector arrangement