Mezi jinými se podařilo pomocí laserů vypěstovat nové izolační krystaly. Projekt, který byl financován částkou 6,22 milionu € od Spolkového ministerstva pro výzkum, technologie a vesmír (BMFTR), dosáhl během doby trvání od listopadu 2021 do července 2025 dalších významných pokroků. Fraunhofer ILT v Aachenu se na tom zásadně podílel.
Stále jsou zdroje záření pro aplikace kvantové technologie často složité, velké a nedostatečně robustní pro použití v terénu. Je zapotřebí miniaturizovaných a co nejvíce flexibilně použitelných systémů. Takový zdroj záření vyvinul projekt BMFTR „HiPEQ – Vysoce integrované PIC-založené ECDL pro kvantovou technologii“. Koordinovaný pozdějším systémovým integrátorem TOPTICA, konsorcium z průmyslu a výzkumu vytvořilo demonstrátory dvou miniaturizovaných zdrojů záření.
Při pouhých 22 x 9 x 6 cm³ vnějších rozměrech nabízejí prostor pro všechny systémové komponenty. Koncept je navíc rozšiřitelný na jiné vlnové délky. Jsou tedy použitelné v širokém spektru kvantově technologických aplikací.
Fraunhofer ILT se v projektu významně podílelo na úspěšném pěstování dosud nedostupných krystalů pro novodobé Faradayovy izolátory. V druhém pracovním balíčku realizovali aachenské laboratoře skleněný obalový modul s µm-přesnými držáky pro důležité systémové komponenty a pro optické spojení.
Kompaktní, robustní a flexibilně použitelný
Laserové systémy jsou založeny na fotonicky integrovaných obvodech (PIC), optických vláknech, vláknovém spojení a optickém izolátoru, který chrání laser před zpětnými odrazy záření. Tato klíčová součástka je založena na speciálních krystalech, které vykazují magnetooptický Faradayův efekt: Když je aplikováno magnetické pole, otáčí se v krystalu rovina polarizace dopadajících světelných vln. Díky této Faradayově rotaci se odražené světlo – pokud vůbec – může vrátit ke zdroji paprsku pouze v extrémně potlačené formě. Tímto způsobem izolátory zabraňují poškození a zajišťují tu úzkopásmovost laserů, která je pro aplikace kvantové technologie zásadní.
Dosud jsou Faradayovy izolátory většinou založeny na terbiovém-galiumovém granátu (TGG), který vykazuje vysokou Verdetovu konstantu při viditelném a blízkém infračerveném světle; tato konstanta udává sílu Faradayova efektu. "TGG izolátory obvykle mají délku přibližně 25 milimetrů," uvádí Florian Rackerseder, projektový vedoucí Fraunhofer ILT. Pro miniaturizaci jsou potřeba krystaly s vyšší Verdetovou konstantou, které poskytují stínění na menším prostoru. Tyto krystaly pro Faradayovy izolátory byly vypěstovány a testovány v projektu HiPEQ.
Volba padla na materiál založený na v přírodě se nevyskytujícím terbiových-(III)-oxid (Tb2O3).
Má třikrát vyšší Verdetovu konstantu než TGG a je obzvlášť vhodná pro lasery v modrém vlnovém rozsahu, pro které dosud neexistoval vhodný materiál. „Pěstování monokrystalického Tb2O3 je výzvou,“ vysvětluje expert, „protože při teplotách tání přes 2 500 °C je třeba dodržovat přesné teplotní gradienty při přechodu do stabilní fáze.“ Mluví se o přechodu z roztaveného keramického výchozího materiálu na Tb2O3 krystal. Rychlosti ochlazení jsou rozhodující pro kvalitu krystalu; proces je natolik citlivý, že se dosud pomocí konvenčních metod pěstování krystalů nikdy nepodařilo vyrobit Tb2O3 v požadované velikosti a kvalitě pro izolátory. Aby se stabilizovala kubická fáze, ve které je materiál pěstován, a tím se zjednodušil proces pěstování, byla použita ko-dotace s oxidy lutetia (Lu2O3).
Laserová technologie jako klíč k pěstování vysoce čistých krystalů
V rámci projektu HiPEQ vyvinuli a realizovali SurfaceNet, Laserline a Fraunhofer ILT nové zařízení, ve kterém rostou (TbxLu1-x)2O3 izolační krystaly v takzvaném laserovém optickém Floating-Zone procesu (LOFZ). Přechod z roztavené keramiky na krystal probíhá na okraji Floating-Zone, na kterou jsou zaměřeny čtyři optiky pro zpracování. Tyto optiky směrují záření ze čtyř diodových laserů s maximálním optickým výkonem 3 kW na keramický výchozí tyč a přetavují ho na monokrystal.
Optimalizované ozařování v simulacích s trapezoidními, vysoce homogenními profilovými paprsky zajišťuje rovnoměrné hustoty tepelného výkonu v plovoucí zóně. Intenzitní rozložení ve fóku je nastavitelné prostřednictvím úprav v paprskové dráze. „Trapezoidní geometrie má tu výhodu, že většina dodávané laserové energie taví keramiku a zbytek reguluje teplotu při tuhnutí na krystal,“ vysvětluje Rackerseder. V kontinuálním procesu přetavování s konstantní rychlostí posuvu nesmí krystal opustit teplotní rozsah blízko bodu tání s přesně specifikovanými rychlostmi chlazení. Tým tuto požadavek splnil pomocí precizně řízeného LOFZ procesu. „Jsme tak poprvé schopni vyrábět (TbxLu1-x)2O3 izolační krystaly v požadované velikosti a kvalitě,“ dodává.
Kompletně integrovaný systém
Nové izolační krystaly byly integrovány konsorciem HiPEQ v dalším podprojektu do modulárních miniaturizovaných zdrojů paprsků. K tomu významně přispěl také Fraunhofer ILT. Navrhl a vyrobil optický čipový spojovač z skla, který je možné individuálně přizpůsobit různým systémovým uspořádáním. Tým dosáhl potřebné flexibility a přesnosti pomocí selektivního laserem indukovaného leptání (SLE): Laser osvětluje mikrostruktury ve skle, které lze poté přesně vyřezat. To umožňuje realizaci složitě tvarovaných dutin uvnitř skla. V projektu byla tato individuální formace SLE procesu klíčem k tomu, aby bylo možné obě zdroje paprsků s vlnovými délkami 461 nm (modrá) a 637 nm (červená) vyrobit monoliticky, i když obsahují komponenty různých rozměrů. Faradayův izolátor je také přesně integrován, stejně jako flexibilní rozhraní od PIC k optickým vláknům, které je navrženo pro různé průměry vláken, včetně optiky pro vstup a výstup a děličů paprsku. Proces SLE zajišťuje µm-přesné zapasování různých modulů obou demonstrátorů.
„Že okolní materiál má stejný koeficient tepelné roztažnosti jako optické komponenty, činí vláknový čipový spojovač odolnějším vůči teplotním výkyvům,“ vysvětluje Sandra Borzek, odpovědná za tuto část projektu na Fraunhofer ILT. Vzhledem k vysokým požadavkům na přesnost jsou napětí způsobená různou roztažností materiálů nepřípustná. A byl tu ještě jeden důvod pro přístup k projektu: „Dosud byly laserové zdroje pro kvantové technologie většinou nastavovány ručně,“ dodává. Každá komponenta od optiky přes izolátory a děliče paprsku až po vlákna s jednocifernými průměry mikrometrů je individuálně nasazena a nastavena.
Cíl: Minimalizace nákladů na nastavení a montáž
Fotonika hledá řešení, která minimalizují náklady na montáž a nastavení a požadovanou přesnost dodržují převážně automaticky. Monoliticky vyrobený balicí modul v jediném SLE procesu se k tomu již blíží. V ideálním případě slouží po osazení optickými komponenty jako pevná sestava, která se pomocí takzvaného Flip-Chip-bondingu může připojit k PIC.
Původně chtěl tým SLE vyrábět optiky pro vstup a výstup světla v SLE procesu a leštit je laserem. Avšak leštění čoček v komponentě bylo nemožné a jejich povrch byl po SLE procesu příliš drsný. „Proto jsme vyvinuli různé přístupy k odstranění artefaktů a zbytkových vlnění na površích. Tak jsme se také o velký kus přiblížili cíli integrovaných optik a jejich leštění,“ říká Borzek. Tým se rozhodl vyrábět optiky v SLE procesu bez pevného spojení s monolitickým skleněným tělesem. Tak je lze vyjmout k leštění a následně přesně vložit zpět na místo, odkud byly vyjmuty.
HiPEQ získal know-how pro budoucí zdroje paprsku
Úspěšným pěstováním (TbxLu1-x)2O3 izolátorových krystalů, optimalizovanou procesní strategií pro SLE založenou výrobu optiky a přímou integrací mikroskopických spojovacích struktur do makroskopického pouzdra dosáhl HiPEQ důležitých milníků. Konsorcium vytvořilo potřebné know-how pro realizaci flexibilních systémových návrhů s různými izolátory s výrazně sníženými náklady na montáž a nastavení. „Na tomto základě by mohly být skleněné balicí moduly pro flexibilní systémové návrhy v budoucnu v SLE procesu vyráběny s přesností na mikrometry během dnů. Nové Faradayovy izolátory jsou klíčovou technologií pro další miniaturizaci,“ jsou přesvědčeni Borzek a Rackerseder. HiPEQ tak přispěl k robustnosti, všestrannosti a sníženým nákladům na nastavení laserů pro kvantově technologické aplikace.
Kontakt:
