D-Egg: a dual PMT optical module for IceCube
Authors: Abbasi R. , Ackermann M. , Adams J. , Aggarwal N. , Aguilar J.A. , Ahlers M. , Alameddine J.M. , Alves A.A. , Amin N.M. , Andeen K. , Anderson T. , Anton G. , Argüelles C. , Ashida Y. , Athanasiadou S. , Axani S.N. , Bai X. , Balagopal V. A. , Baricevic M. , Barwick S.W. , Basu V. , Bay R. , Beatty J.J. , Becker K.-H. , Becker Tjus J. , Beise J. , Bellenghi C. , BenZvi S. , Berley D. , Bernardini E. , Besson D.Z. , Binder G. , Bindig D. , Blaufuss E. , Blot S. , Bontempo F. , Book J.Y. , Borowka J. , Boscolo Meneguolo C. , Böser S. , Botner O. , Böttcher J. , Bourbeau E. , Braun J. , Brinson B. , Brostean-Kaiser J. , Burley R.T. , Busse R.S. , Campana M.A. , Carnie-Bronca E.G. , Chen C. , Chen Z. , Chirkin D. , Choi S. , Clark B.A. , Classen L. , Coleman A. , Collin G.H. , Connolly A. , Conrad J.M. , Coppin P. , Correa P. , Countryman S. , Cowen D.F. , Dappen C. , Dave P. , De Clercq C. , DeLaunay J.J. , Delgado López D. , Dembinski H. , Deoskar K. , Desai A. , Desiati P. , de Vries K.D. , de Wasseige G. , DeYoung T. , Diaz A. , Díaz-Vélez J.C. , Dittmer M. , Dujmovic H. , DuVernois M.A. , Ehrhardt T. , Eller P. , Engel R. , Erpenbeck H. , Evans J. , Evenson P.A. , Fan K.L. , Fazely A.R. , Fedynitch A. , Feigl N. , Fiedlschuster S. , Fienberg A.T. , Finley C. , Fischer L. , Fox D. , Franckowiak A. , Friedman E. , Fritz A. , Fürst P. , Gaisser T.K. , Gallagher J. , Ganster E. , Garcia A. , Garrappa S. , Gerhardt L. , Ghadimi A. , Glaser C. , Glauch T. , Glüsenkamp T. , Goehlke N. , Gonzalez J.G. , Goswami S. , Grant D. , Gray S.J. , Grégoire T. , Griffin S. , Griswold S. , Günther C. , Gutjahr P. , Haack C. , Hallgren A. , Halliday R. , Halve L. , Halzen F. , Hamdaoui H. , Ha Minh M. , Hanson K. , Hardin J. , Harnisch A.A. , Hatch P. , Haungs A. , Helbing K. , Hellrung J. , Henningsen F. , Heuermann L. , Hickford S. , Hidvegi A. , Hill C. , Hill G.C. , Hoffman K.D. , Hoshina K. , Hou W. , Huber T. , Hultqvist K. , Hünnefeld M. , Hussain R. , Hymon K. , In S. , Iovine N. , Ishihara A. , Jansson M. , Japaridze G.S. , Jeong M. , Jin M. , Jones B.J.P. , Kang D. , Kang W. , Kang X. , Kappes A. , Kappesser D. , Kardum L. , Karg T. , Karl M. , Karle A. , Katz U. , Kauer M. , Kelley J.L. , Kheirandish A. , Kin K. , Kiryluk J. , Klein S.R. , Kochocki A. , Koirala R. , Kolanoski H. , Kontrimas T. , Köpke L. , Kopper C. , Koskinen D.J. , Koundal P. , Kovacevich M. , Kowalski M. , Kozynets T. , Kruiswijk K. , Krupczak E. , Kumar A. , Kun E. , Kurahashi N. , Lad N. , Lagunas Gualda C. , Lamoureux M. , Larson M.J. , Lauber F. , Lazar J.P. , Lee J.W. , Leonard DeHolton K. , Leszczyńska A. , Lincetto M. , Liu Q.R. , Liubarska M. , Lohfink E. , Love C. , Lozano Mariscal C.J. , Lu L. , Lucarelli F. , Ludwig A. , Luszczak W. , Lyu Y. , Ma W.Y. , Madsen J. , Mahn K.B.M. , Makino Y. , Mancina S. , Marie Sainte W. , Mariş I.C. , Marka S. , Marka Z. , Marsee M. , Martinez-Soler I. , Maruyama R. , Mayhew F. , McElroy T. , McNally F. , Mead J.V. , Meagher K. , Mechbal S. , Medina A. , Meier M. , Meighen-Berger S. , Merckx Y. , Merten L. , Meures T. , Micallef J. , Mockler D. , Montaruli T. , Moore R.W. , Morii Y. , Morse R. , Moulai M. , Mukherjee T. , Naab R. , Nagai R. , Naumann U. , Nayerhoda A. , Necker J. , Neumann M. , Niederhausen H. , Nisa M.U. , Noell A. , Nowicki S.C. , Obertacke Pollmann A. , Oehler M. , Oeyen B. , Olivas A. , Orsoe R. , Osborn J. , O'Sullivan E. , Pandya H. , Pankova D.V. , Park N. , Parker G.K. , Paudel E.N. , Paul L. , Pérez de los Heros C. , Peterson J. , Philippen S. , Pieper S. , Pizzuto A. , Plum M. , Popovych Y. , Prado Rodriguez M. , Pries B. , Procter-Murphy R. , Przybylski G.T. , Raab C. , Rack-Helleis J. , Rawlins K. , Rechav Z. , Rehman A. , Reichherzer P. , Renzi G. , Resconi E. , Reusch S. , Rhode W. , Richman M. , Riedel B. , Roberts E.J. , Robertson S. , Rodan S. , Roellinghoff G. , Rongen M. , Rott C. , Ruhe T. , Ruohan L. , Ryckbosch D. , Rysewyk Cantu D. , Athanasiadou S. , Safa I. , Saffer J. , Salazar-Gallegos D. , Sampathkumar P. , Sanchez Herrera S.E. , Sandrock A. , Sandstrom P. , Santander M. , Sarkar S. , Sarkar S. , Savelberg J. , Savina P. , Schaufel M. , Schieler H. , Schindler S. , Schlüter B. , Schmidt T. , Schneider J. , Schröder F.G. , Schumacher L. , Schwefer G. , Sclafani S. , Seckel D. , Seunarine S. , Sharma A. , Shefali S. , Shimizu N. , Shimizu S. , Silva M. , Skrzypek B. , Smithers B. , Snihur R. , Soedingrekso J. , Søgaard A. , Soldin D. , Spannfellner C. , Spiczak G.M. , Spiering C. , Stamatikos M. , Stanev T. , Stein R. , Stezelberger T. , Stürwald T. , Stuttard T. , Sulanke K.H. , Sullivan G.W. , Taboada I. , Ter-Antonyan S. , Thompson W.G. , Thwaites J. , Tilav S. , Tollefson K. , Tönnis C. , Toscano S. , Tosi D. , Trettin A. , Tung C.F. , Turcotte R. , Twagirayezu J.P. , Ty B. , Unland Elorrieta M.A. , Upshaw K. , Valtonen-Mattila N. , Vandenbroucke J. , van Eijndhoven N. , Vannerom D. , van Santen J. , Vara J. , Veitch-Michaelis J. , Verpoest S. , Veske D. , Walck C. , Watson T.B. , Weaver C. , Weber J. , Weigel P. , Weindl A. , Weldert J. , Wendt C. , Werthebach J. , Weyrauch M. , Whitehorn N. , Wiebusch C.H. , Willey N. , Williams D.R. , Wisher I. , Wolf M. , Wrede G. , Wulff J. , Xu X.W. , Yanez J.P. , Yildizci E. , Yoshida S. , Yu S. , Yuan T. , Zhang Z. , Zhelnin P. 
Published: April 2023

The D-Egg, an acronym for “Dual optical sensors in an
Ellipsoid Glass for Gen2,” is one of the optical modules designed
for future extensions of the IceCube experiment at the South Pole.
The D-Egg has an elongated-sphere shape to maximize the
photon-sensitive effective area while maintaining a narrow diameter
to reduce the cost and the time needed for drilling of the
deployment holes in the glacial ice for the optical modules at
depths up to 2700 m.

The D-Egg design is utilized for the IceCube Upgrade, the next stage
of the IceCube project also known as IceCube-Gen2 Phase 1, where
nearly half of the optical sensors to be deployed are D-Eggs. With
two 8-inch high-quantum efficiency photomultiplier tubes (PMTs) per
module, D-Eggs offer an increased effective area while retaining the
successful design of the IceCube digital optical module (DOM). The
convolution of the wavelength-dependent effective area and the
Cherenkov emission spectrum provides an effective photodetection
sensitivity that is 2.8 times larger than that of IceCube DOMs. The
signal of each of the two PMTs is digitized using ultra-low-power
14-bit analog-to-digital converters with a sampling frequency of
240 MSPS, enabling a flexible event triggering, as well as seamless
and lossless event recording of single-photon signals to
multi-photons exceeding 200 photoelectrons within 10 ns. Mass
production of D-Eggs has been completed, with 277 out of the
310 D-Eggs produced to be used in the IceCube Upgrade. In
this paper, we report the design of the D-Eggs, as well as the
sensitivity and the single to multi-photon detection performance of
mass-produced D-Eggs measured in a laboratory using the built-in
data acquisition system in each D-Egg optical sensor module.