(English follows Dutch)
SRON en Nikhef ontvangen een ENW-M subsidie (€500.000) van NWO voor de ontwikkeling van de photoreceivers voor de zwaartekrachtsgolvendetector LISA. Met de beurs kunnen ze het bestaande prototype doorontwikkelen tot een ruimtewaardige versie die voldoet aan de strenge nauwkeurigheidseisen. De twee instituten werken samen met de Nederlandse bedrijven BRIGHT Photonics en SMART Photonics om een fotodiode te maken die groot en ruisloos genoeg is om LISA’s zwakke lasersignalen van een nanoWatt op te pikken.
Astronomen en natuurkundigen gebruiken zwaartekrachtsgolven om gebeurtenissen in het heelal waar te nemen die meestal onzichtbaar zijn voor onze telescopen, zoals botsingen tussen stellaire zwarte gaten of neutronensterren. Maar observatoria op aarde zijn niet in staat om zwaartekrachtsgolven met een lengte van meer dan 10.000 kilometer waar te nemen, zodat bijvoorbeeld superzware zwarte gaten alsnog onzichtbaar blijven. ESA lanceert daarom halverwege de jaren 2030 de Laser Interferometer Space Antenna (LISA), die met zijn meetarmen van 2,5 miljoen kilometer veel langere golflengtes kan detecteren. Met behulp van die enorme meetarmen—gevormd door laserstralen tussen drie afzonderlijke satellieten—detecteert LISA zwaartekrachtsgolven via picometer-variaties in de onderlinge afstanden.
ENW-M subsidie
SRON en Nikhef zijn samen kandidaat om de photoreceivers voor LISA’s laserstralen te leveren. Ze hebben de afgelopen jaren een prototype ontwikkeld en ontvangen nu een ENW-M subsidie van NWO, met als hoofdaanvrager Jean in ’t Zand, om dit door te ontwikkelen tot een volwaardige photoreceiver voor LISA. Die moet bestand zijn tegen de extreme omstandigheden in de ruimte, een hoge betrouwbaarheid tonen en voldoen aan de hoge eisen die LISA stelt om de minieme trillingen te detecteren die dwars door ons zonnestelsel razen.
Hoge eisen
Nadat LISA’s laserstralen hun 2,5 miljoen km hebben afgelegd blijft er slechts een nanoWatt over, waardoor de photoreceivers een laag ruisniveau nodig hebben om het signaal niet te overstemmen. Bovendien moeten ze een diameter van twee millimeter hebben om het ontwerp van LISA’s optiek zo eenvoudig mogelijk te houden. Zo’n diameter is tien tot honderd maal groter dan gebruikelijk in fotonica-applicaties.
Fotodiode
Vanwege de specifieke eisen moeten SRON en Nikhef de photoreceivers vanaf nul opbouwen, samen met de Nederlandse bedrijven BRIGHT Photonics en SMART Photonics. Ze maken een fotodiode door micrometer-dunne laagjes van het halfgeleidermateriaal indium-gallium-arsenide te kweken op een wafer. Om de ruis laag te houden moet de capaciteit van de diode laag zijn, en dus ook de dotering van de halfgeleider. Het prototype heeft al de vereiste lage ruis voor diameters tot 1 mm, maar er is nog verbetering nodig voor een diameter van 2 mm.
Behuizing
Als de fotodiode volledig is ontwikkeld, moet hij ook nog ingepast worden in één behuizing met de uitlees-elektronica die elders wordt ontwikkeld. Die behuizing wordt ook door SRON en Nikhef ontwikkeld. Dat is weer een uitdaging op zichzelf omdat de behuizing niet teveel mag uitzetten en krimpen door temperatuurschommelingen en hij de fotodiode op minder dan een micrometer nauwkeurig stabiel moet houden. Uiteindelijk heeft LISA 72 exemplaren nodig voor haar drie ruimtevaartuigen, plus enkele tientallen als back-up.
LISA-NL consortium
De Nederlandse (astro)fysici die zich bezighouden met zwaartekrachtsgolven hebben zich verenigd in het LISA-NL consortium, dat op vrijdag 1 oktober haar eerste bijeenkomst organiseert. Betrokkenheid bij de bouw van LISA betekent behalve ontwikkelde expertise ook betere toegang tot de data die LISA levert als ze eenmaal door de ruimte zweeft.
Header image: Credit NASA
SRON and Nikhef receive ENW-M grant for development LISA photoreceivers
SRON and Nikhef receive an ENW-M grant (€500,000) from NWO for the development of the photoreceivers for the gravitational wave detector LISA. It enables them to further develop the existing prototype towards a final version that meets the strict accuracy requirements. They work together with the Dutch companies BRIGHT Photonics and SMART Photonics to produce a photodiode that is large and noiseless enough to pick up LISA’s laser beams of only one nanoWatt.
Astronomers and physicists use gravitational waves to observe events in the Universe that are mostly invisible to our telescopes, such as collisions between stellar black holes or neutron stars. However, ground-based observatories are unable to detect gravitational waves with a length exceeding 10,000 kilometers, meaning that for example supermassive black holes remain invisible. Therefore ESA will launch the Laser Interferometer Space Antenna (LISA) in the mid-2030s, which will use its 2.5 million kilometer arms to detect much longer wavelengths. These arms consist of laser beams between three separate satellites and are able to detect picometer variations in distance.
ENW-M grant
Together, SRON and Nikhef are a candidate to provide the photoreceivers for LISA’s laser beams. In the past few years they have developed a prototype and now receive an ENW-M grant from NWO, with lead applicant Jean in ‘t Zand, to further develop a full-fledged detector for LISA. It should be able to withstand the extreme conditions in space, show a strong reliability and meet LISA’s strict requirements to detect the minuscule vibrations raging through our Solar System.
Strict requirements
After LISA’s laser beams have traveled their 2.5 million km long path, only one nanoWatt of power remains, so the detectors need a low noise level to not drown out the signal. In addition, they must have a diameter of two millimeters to keep the design of LISA’s optics as simple as possible. This is ten to a hundred times larger than usual within photonics applications.
Photodiode
Because of the specific requirements, SRON and Nikhef have to build the photodiode from scratch, together with the Dutch companies BRIGHT Photonics and SMART Photonics. They fabricate a photodiode by growing micrometer-thin layers of the semiconductor indium-gallium-arsenide on a wafer. In order to keep the noise low, the capacitance of the diode must be low, and therefore also the doping level of the semiconductor. The prototype already has the required low noise for diameters up to 1 mm, but improvement is needed for a diameter of 2 mm.
Housing
When the photodiode has been fully developed, it must be fitted in a housing together with the readout electronics, which are developed elsewhere. That housing is also being developed by SRON and Nikhef, which is a whole new challenge because it shouldn’t expand and contract too much due to temperature fluctuations and it must keep the photodiode stable to less than a micrometer. In the end, LISA will need 72 copies for its three spacecraft, plus several dozen as backup.
LISA-NL consortium
The Dutch (astro)physicists involved in gravitational waves are collaborating under the flag of the LISA-NL consortium, which will organize its first meeting on Friday October 1st. Involvement in the construction of LISA means, in addition to developed expertise, also better access to the data that LISA provides once it is launched into space.
