Entre otras cosas, se logró cultivar cristales aislantes novedosos con la ayuda de láseres. El proyecto, financiado con 6,22 millones de euros por el Ministerio Federal de Investigación, Tecnología y Espacio (BMFTR), ha logrado avances significativos durante su duración desde noviembre de 2021 hasta julio de 2025. El Fraunhofer ILT en Aquisgrán ha contribuido de manera decisiva.
Todavía las fuentes de radiación para aplicaciones de tecnología cuántica son a menudo complejas, grandes y poco robustas para su uso en el campo. Se requieren sistemas miniaturizados y lo más flexibles posible. Un proyecto de financiación del BMFTR llamado 'HiPEQ - ECDLs basadas en PIC altamente integrados para la tecnología cuántica' ha desarrollado una de estas fuentes de radiación. Coordinado por el posterior integrador de sistemas TOPTICA, un consorcio de la industria y la investigación ha construido demostradores de dos fuentes de radiación miniaturizadas.
Con solo 22 x 9 x 6 cm³ de dimensiones externas, ofrecen espacio para todos los componentes del sistema. El concepto también se puede ampliar a otras longitudes de onda. Por lo tanto, son utilizables en un amplio espectro de aplicaciones de tecnología cuántica.
El Fraunhofer ILT pudo contribuir de manera decisiva al cultivo exitoso de cristales que anteriormente no estaban disponibles para nuevos aislantes Faraday. En un segundo paquete de trabajo, los investigadores de Aquisgrán realizaron un módulo de empaquetado de vidrio con soportes de precisión micrométrica para componentes clave del sistema y para el acoplamiento de fibra.
Compacto, robusto y flexible en su uso
Los sistemas láser se basan en circuitos integrados fotónicos (PIC), guías de luz, un acoplamiento de fibra y un aislante óptico que protege el láser de los reflejos de la radiación. Este componente clave se basa en cristales especiales que muestran el efecto Faraday magnetoóptico: cuando se aplica un campo magnético, el plano de polarización de las ondas de luz incidentes se rota en el cristal. Gracias a esta rotación de Faraday, la luz reflejada -si es que regresa- solo puede llegar de vuelta a la fuente de radiación de manera extremadamente atenuada. De esta manera, los aislantes evitan daños y aseguran la estrecha banda de los láseres, que es esencial para aplicaciones de tecnología cuántica.
Hasta ahora, los aislantes Faraday se basan principalmente en granate de galio de terbio (TGG), que tiene una alta constante de Verdet para luz visible y cercana al infrarrojo; esta indica la fuerza del efecto Faraday. 'Los aislantes TGG suelen tener una longitud de aproximadamente 25 milímetros', informa Florian Rackerseder, el responsable del proyecto del Fraunhofer ILT. Para la miniaturización, se requieren cristales con una constante de Verdet más alta, que ofrezcan protección en menos espacio. Estos cristales para aislantes Faraday se han cultivado y probado en el proyecto HiPEQ.
Se eligió un material basado en óxido de terbio (III) (Tb2O3), que no se encuentra en la naturaleza.
Tiene una constante de Verdet tres veces mayor que la de TGG y es especialmente adecuado para láseres en el rango de longitud de onda azul, para los cuales no había material adecuado hasta ahora. 'Cultivar Tb2O3 monocristalino es un desafío', explica el experto, 'porque a temperaturas de fusión superiores a 2,500 °C se deben mantener gradientes de temperatura precisos durante la transición a la fase estable'. Se refiere a la transición del material cerámico fundido al cristal de Tb2O3. Las tasas de enfriamiento son cruciales para la calidad del cristal; el proceso es tan sensible que con métodos convencionales de cultivo de cristales nunca se logró producir Tb2O3 en el tamaño y calidad requeridos para los aislantes. Para estabilizar la fase cúbica en la que se cultiva el material y así simplificar el proceso de cultivo, se utilizó una co-dopaje con óxido de lutecio (Lu2O3).
La tecnología láser como clave para el cultivo de cristales de alta pureza
En un subproyecto de HiPEQ, SurfaceNet, Laserline y el Fraunhofer ILT desarrollaron y realizaron una nueva planta en la que los cristales aislantes (TbxLu1-x)2O3 crecen mediante el llamado proceso de zona flotante óptica láser (LOFZ). La transición de la cerámica fundida al cristal ocurre en el borde de la zona flotante, donde están dirigidas cuatro ópticas de procesamiento. Estas dirigen la radiación de cuatro láseres de diodo con una potencia óptica máxima de 3 kW hacia la barra cerámica de alimentación y la funden en un cristal único.
La irradiación optimizada en simulaciones con perfiles de haz trapezoidales y extremadamente homogéneos garantiza densidades de potencia térmica uniformes en la zona flotante. La distribución de intensidad en el foco se puede ajustar mediante modificaciones en el camino del haz. 'La geometría trapezoidal tiene la ventaja de que gran parte de la energía láser introducida funde la cerámica y el resto regula la temperatura al solidificarse en el cristal', explica Rackerseder. En el proceso de fusión continua con velocidad de avance constante, el cristal solo debe salir de la zona de temperatura cerca del punto de fusión con tasas de enfriamiento exactamente especificadas. El equipo pudo cumplir con este requisito utilizando el proceso LOFZ controlado con precisión. 'Por primera vez, somos capaces de producir cristales aislantes (TbxLu1-x)2O3 en el tamaño y calidad requeridos', explica.
Sistema completamente integrado
Los nuevos cristales aislantes han sido integrados por el consorcio HiPEQ en fuentes de radiación miniaturizadas modulares en otro subproyecto. El Fraunhofer ILT también ha contribuido de manera decisiva a esto. Ha diseñado un acoplador de chip de fibra adaptable a diferentes configuraciones de sistema y lo ha fabricado en vidrio. La flexibilidad y precisión necesarias fueron alcanzadas por el equipo mediante el grabado inducido por láser selectivo (SLE): un láser expone microestructuras en vidrio, que luego se pueden grabar con precisión. Esto permite realizar cavidades de formas complejas en el interior del vidrio. En el proyecto, esta conformación individual del proceso SLE fue la clave para poder fabricar ambas fuentes de radiación de manera monolítica con longitudes de onda de 461 nm (azul) y 637 nm (rojo), a pesar de que se instalan componentes de diferentes dimensiones. El aislante Faraday está igualmente integrado de manera precisa, al igual que la interfaz flexible diseñada para los respectivos diámetros de fibra desde el PIC hasta las guías de luz, junto con ópticas de entrada y salida y divisores de haz. El proceso SLE garantiza el ajuste micrométrico de los diferentes módulos de ambos demostradores.
»Que el material circundante tenga el mismo coeficiente de expansión térmica que los componentes ópticos hace que el acoplador de fibra-chip sea más robusto frente a las fluctuaciones de temperatura«, explica Sandra Borzek, responsable de esta parte del proyecto en el Fraunhofer ILT. Dado los altos requisitos de precisión, se prohíben tensiones debido a la diferente expansión de materiales. Y había otro impulsor para el enfoque del proyecto: »Hasta ahora, las fuentes de láser para las tecnologías cuánticas se ajustan principalmente de forma manual«, explica. Cada componente, desde las ópticas hasta los aisladores y divisores de haz, hasta las fibras con diámetros de un solo micrómetro, se utiliza y alinea de forma individual.
El objetivo: Minimizar el esfuerzo de ajuste y montaje
La fotónica busca soluciones que minimicen el esfuerzo de montaje y ajuste y mantengan la precisión requerida en gran medida de forma automática. El módulo de embalaje fabricado monolíticamente en un único proceso SLE se acerca a ello. En el mejor de los casos, después de ser equipado con los componentes ópticos, sirve como un conjunto fijo que se puede conectar al PIC mediante el llamado Flip-Chip-Bonding.
Originalmente, el equipo SLE quería fabricar las ópticas para acoplar y desacoplar la luz en el proceso SLE y pulirlas con láser. Sin embargo, el pulido de las lentes en el componente era imposible y su superficie estaba demasiado rugosa después del proceso SLE. »Por eso hemos desarrollado diferentes enfoques de solución para eliminar artefactos y ondulaciones residuales en las superficies. Así hemos avanzado considerablemente hacia el objetivo de ópticas integradas y su pulido«, informa Borzek. El equipo decidió fabricar las ópticas en el proceso SLE sin una conexión fija al cuerpo de vidrio monolítico. De este modo, se pueden retirar para pulir y luego volver a colocar exactamente donde fueron retiradas.
HiPEQ ha generado know-how para futuras fuentes de haz
Con el exitoso cultivo de los cristales aislantes (TbxLu1-x)2O3, la estrategia de proceso optimizada para la fabricación de ópticas basadas en SLE y la integración directa de las estructuras de acoplamiento microscópicas en la carcasa macroscópica, HiPEQ ha alcanzado hitos importantes. El consorcio ha generado el know-how necesario para implementar diseños de sistemas flexibles con varios aislantes con un esfuerzo de montaje y ajuste significativamente reducido. »Sobre esta base, los módulos de embalaje de vidrio para diseños de sistemas flexibles podrían fabricarse en el proceso SLE con precisión de micrómetros en cuestión de días. Los nuevos aislantes de Faraday son una tecnología clave para la futura miniaturización«, están convencidos Borzek y Rackerseder. HiPEQ ha contribuido así a la robustez, versatilidad y reducción del esfuerzo de ajuste de los láseres para aplicaciones en tecnologías cuánticas.
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