Entre autres, il a été possible de cultiver des cristaux isolateurs innovants à l'aide de lasers. Le projet financé par le ministère fédéral de la recherche, de la technologie et de l'espace (BMFTR) à hauteur de 6,22 millions d'euros a réalisé d'autres progrès significatifs entre novembre 2021 et juillet 2025. Le Fraunhofer ILT à Aix-la-Chapelle a contribué de manière significative.
Les sources de rayonnement pour les applications de technologie quantique sont encore souvent complexes, grandes et pas assez robustes pour une utilisation sur le terrain. Cela nécessite des systèmes miniaturisés et aussi flexibles que possible. Un tel source de rayonnement a été développée dans le projet de financement BMFTR « HiPEQ – ECDLs PIC hautement intégrés pour la technologie quantique ». Coordonné par le futur intégrateur de systèmes TOPTICA, un consortium de l'industrie et de la recherche a construit des démonstrateurs de deux sources de rayonnement miniaturisées.
Avec des dimensions extérieures de seulement 22 x 9 x 6 cm³, ils offrent de l'espace pour tous les composants du système. Le concept est également extensible à d'autres longueurs d'onde. Ils peuvent donc être utilisés dans un large éventail d'applications en technologie quantique.
Le Fraunhofer ILT a pu contribuer de manière significative à la culture de cristaux jusqu'alors indisponibles pour des isolateurs Faraday innovants dans le projet. Dans un deuxième paquet de travail, les Aixois ont réalisé un module d'emballage en verre avec des supports précis à la micromètre près pour des composants clés du système et pour le couplage de fibres.
Compact, robuste et flexible à utiliser
Les systèmes laser sont basés sur des circuits intégrés photoniques (PIC), des fibres optiques, un couplage de fibres et un isolateur optique qui protège le laser des réflexions de rayonnement. Ce composant clé est basé sur des cristaux spéciaux qui montrent l'effet Faraday magnéto-optique : lorsqu'un champ magnétique est appliqué, le plan de polarisation des ondes lumineuses incidentes tourne dans le cristal. Grâce à cette rotation Faraday, la lumière réfléchie – si elle revient – ne peut alors revenir à la source de rayonnement qu'avec une atténuation extrême. De cette manière, les isolateurs évitent les dommages et assurent la sélectivité des lasers, qui est essentielle pour les applications de technologie quantique.
Jusqu'à présent, les isolateurs Faraday sont principalement basés sur le grenat de gallium-terbium (TGG), qui présente une constante de Verdet élevée pour la lumière visible et proche infrarouge ; celle-ci indique la force de l'effet Faraday. « Les isolateurs TGG ont généralement une longueur d'environ 25 millimètres », rapporte Florian Rackerseder, le responsable du projet au Fraunhofer ILT. Pour la miniaturisation, des cristaux avec une constante de Verdet plus élevée sont nécessaires, qui permettent une protection dans un espace réduit. Ces cristaux pour isolateurs Faraday ont été cultivés et testés dans le projet HiPEQ.
Le choix s'est porté sur un matériau basé sur l'oxyde de terbium (III) (Tb2O3), qui n'existe pas dans la nature.
Il a une constante de Verdet trois fois plus élevée que celle du TGG et est particulièrement adapté aux lasers dans la plage de longueurs d'onde bleues, pour lesquels il n'existait jusqu'à présent aucun matériau adapté. « Cultiver du Tb2O3 monocristallin est un défi », explique l'expert, « car à des températures de fusion dépassant 2 500 °C, il est nécessaire de maintenir des gradients de température précis lors de la transition vers la phase stable ». Cela fait référence à la transition du matériau céramique fondu au cristal de Tb2O3. Les taux de refroidissement sont cruciaux pour la qualité du cristal ; le processus est si sensible qu'avec des méthodes conventionnelles de culture de cristaux, il n'a jamais été possible de produire du Tb2O3 dans la taille et la qualité requises pour les isolateurs. Pour stabiliser la phase cubique dans laquelle le matériau est cultivé et ainsi simplifier le processus de culture, un co-dopage avec de l'oxyde de lutécium (Lu2O3) a été utilisé.
La technologie laser comme clé pour la culture de cristaux hautement purs
Dans un sous-projet HiPEQ, SurfaceNet, Laserline et le Fraunhofer ILT ont développé et réalisé une nouvelle installation où des cristaux isolateurs (TbxLu1-x)2O3 croissent selon le procédé de zone flottante optique basé sur laser (LOFZ). La transition de la céramique fondue au cristal se produit au bord de la zone flottante, vers laquelle quatre optiques de traitement sont dirigées. Celles-ci dirigent le rayonnement de quatre lasers à diodes de 3 kW de puissance optique maximale sur la tige céramique et la fondent en un cristal unique.
L'irradiation optimisée par simulations avec des profils de rayonnement trapézoïdaux, extrêmement homogènes, garantit des densités de puissance thermique uniformes dans la zone flottante. La distribution d'intensité au foyer est ajustable par des modifications dans le chemin optique. « La géométrie trapézoïdale présente l'avantage qu'une grande partie de l'énergie laser introduite fait fondre la céramique et que le reste régule la température lors de la solidification en cristal », explique Rackerseder. Dans le processus de refonte continu avec une vitesse d'avance constante, le cristal ne doit quitter la plage de température proche du point de fusion qu'avec des taux de refroidissement précisément spécifiés. L'équipe a pu répondre à cette exigence grâce à la méthode LOFZ contrôlée avec précision. « Nous sommes ainsi en mesure pour la première fois de produire des cristaux isolateurs (TbxLu1-x)2O3 dans la taille et la qualité requises », déclare-t-il.
Système entièrement intégré
Les nouveaux cristaux isolateurs ont été intégrés par le consortium HiPEQ dans des sources de rayonnement miniaturisées modulaires dans un autre sous-projet. Le Fraunhofer ILT a également contribué de manière significative à cela. Il a conçu un coupleur de puce à fibre adaptable à différentes conceptions de système et l'a fabriqué en verre. La flexibilité et la précision nécessaires ont été atteintes grâce à la gravure laser sélective (SLE) : un laser expose des microstructures dans le verre, qui peuvent ensuite être gravées avec précision. Cela permet de réaliser des cavités de forme complexe à l'intérieur du verre. Dans le projet, cette formation individuelle du processus SLE a été la clé pour pouvoir fabriquer les deux sources de rayonnement avec des longueurs d'onde de 461 nm (bleu) et 637 nm (rouge) de manière monolithique, bien que des composants de tailles différentes y soient intégrés. L'isolateur Faraday est également intégré de manière précise, tout comme l'interface flexible pour les différents diamètres de fibre entre le PIC et les fibres optiques, ainsi que les optiques d'entrée et de sortie et les séparateurs de faisceau. Le processus SLE garantit l'ajustement à la micromètre près des modules différents de chaque démonstrateur.
« Le fait que le matériau environnant ait le même coefficient de dilatation thermique que les composants optiques rend le coupleur fibre-chip plus robuste face aux fluctuations de température », explique Sandra Borzek, responsable de cette partie du projet au Fraunhofer ILT. Dans ce cas, compte tenu des exigences de précision élevées, des tensions dues à une dilatation différente des matériaux sont à éviter. Et il y avait un autre moteur pour l'approche du projet : « Jusqu'à présent, les sources de faisceau laser pour les technologies quantiques sont généralement ajustées manuellement », précise-t-elle. Chaque composant, des optiques aux isolateurs et diviseurs de faisceau jusqu'aux fibres avec des diamètres de quelques micromètres, est utilisé et aligné individuellement.
L'objectif : minimiser l'effort de réglage et de montage
La photonique recherche des solutions qui minimisent l'effort de montage et de réglage tout en respectant largement la précision requise de manière automatique. Le module d'emballage fabriqué monolithiquement dans un seul processus SLE s'en rapproche déjà. Idéalement, après avoir été équipé des composants optiques, il sert de groupe fixe qui peut être connecté au PIC grâce à ce qu'on appelle le flip-chip bonding.
À l'origine, l'équipe SLE voulait fabriquer les optiques pour l'entrée et la sortie de la lumière dans le processus SLE et les polir au laser. Cependant, le polissage des lentilles dans le composant était impossible et leur surface était trop rugueuse après le processus SLE. « Nous avons donc développé différentes approches pour éliminer les artefacts et les ondulations résiduelles sur les surfaces. Ainsi, nous nous sommes également rapprochés de l'objectif d'optique intégrée et de leur polissage », rapporte Borzek. L'équipe a décidé de fabriquer les optiques dans le processus SLE sans liaison fixe au corps en verre monolithique. Elles peuvent ainsi être retirées pour le polissage et ensuite replacées exactement à l'endroit d'où elles ont été retirées.
HiPEQ a généré un savoir-faire pour les futures sources de faisceau
Avec la culture réussie des cristaux isolateurs (TbxLu1-x)2O3, la stratégie de processus optimisée pour la fabrication d'optique basée sur SLE et l'intégration directe des structures de couplage microscopiques dans le boîtier macroscopique, HiPEQ a atteint des jalons importants. Le consortium a généré le savoir-faire nécessaire pour réaliser des conceptions de systèmes flexibles avec différents isolateurs avec un effort de montage et de réglage considérablement réduit. « Sur cette base, les modules d'emballage en verre pour des conceptions de systèmes flexibles pourraient à l'avenir être fabriqués avec une précision de quelques micromètres dans le processus SLE en quelques jours. Les nouveaux isolateurs Faraday sont une technologie clé pour la miniaturisation supplémentaire », sont convaincus Borzek et Rackerseder. HiPEQ a ainsi apporté des contributions importantes à la robustesse, à la polyvalence et à la réduction de l'effort de réglage des lasers pour des applications en technologie quantique.
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