KIP-Veröffentlichungen

Das stark wachsende Forschungsfeld von dünnschicht-Lithium-Niobat auf Isolator (Thin-Film Lithium Niobate, TFLN) ermöglicht kompakte und hocheffiziente Hochgeschwindigkeitsmodulatoren auf Basis des elektrooptischen (EO) Effekts. Diese Arbeit untersucht das Design, die Herstellung und Charakterisierung von leistungsstarken EO-Frequenzverschiebern um ein Argon Trap Trace Analysis (ArTTA) Experiment zur Altersbestimmung mittels radioaktiver Argon-Isotope effizienter und stabiler zu machen. Modulations Bandbreite und Effizienz werden durch Simulationen optimiert und experimentell validiert. Elektrische Bandbreiten von über 54 GHz (mit Extrapolation 74 GHz), sowie EO Bandbreiten von etwa 20 GHz werden demonstriert und ermöglichen Modulationen schnell genug, um die Anforderungen des ArTTA Experiments zu erfüllen. Spannung-Längen Produkte von VπL < 0.8Vcm (bei λ = 780 nm) gewährleisten die Kompatibilität mit Hochgeschwindigkeitstreiberelektronik und eine kompakte Integration. Zur Verbesserung der Kopplungseffizienz auf TFLN werden 3D-gedruckte Polymerkoppler, welche aus der Ebene heraus koppeln, optimiert. Die Kopplungsverluste werden auf unter 0.7 dB im nahen Infrarotbereich (NIR) und unter 3 dB im sichtbaren Bereich reduziert. Ihre breitbandigen Transmissionseigenschaften können zusätzlich zur Vielseitigkeit des ArTTA-Projekts beitragen. Abschließend wird die Frequenzverschiebung mittels Serrodyne-Modulation demonstriert, was das Potenzial der Modulatoren zur Ablösung von akusto-optischen Modulatoren (AOMs) im ArTTASystem bestätigt. Die Ergebnisse unterstreichen die Fähigkeit von TFLN-Photonik für eine kompakte, hocheffiziente Integration in Quanten- und Spurenanalyse-Experimenten mit Atomfallen.

The emerging field of thin-film lithium niobate (TFLN) on insulator enables compact, high-efficiency, and high-speed modulators based on the electro-optic (EO) effect. This thesis explores the design, fabrication, and characterization of high-performance EO frequency shifters to make an Argon Trap Trace Analysis (ArTTA) experiment for dating via radioactive argon isotopes more efficient and stable. Modulation bandwidth and efficiency are optimized through simulation and validated experimentally. Electrical bandwidths exceeding 54 GHz (with extrapolation 74 GHz) and EO responses of approximately 20 GHz are demonstrated, enabling modulations fast enough for the requirements of the ArTTA project. Voltage-length products as low as VπL < 0.8Vcm (at 780 nm) ensure compatibility with highspeed driving electronics and compact integration. To enhance coupling efficiency on TFLN, 3D-printed out-of-plane polymer couplers are optimized. Coupling losses are reduced to below 0.7 dB in the near-infrared (NIR) and below 3 dB for visible light. Their broadband transmission characteristics can further contribute to the versatility of the ArTTA project. Finally, frequency shifting via serrodyne modulation is demonstrated, validating the modulators’ potential to replace acousto-optical modulators (AOMs) in the ArTTA system. These results showcase the capability of TFLN photonics for compact, high-efficiency integration in quantum and atom trap trace analysis experiments.