Između ostalog, uz pomoć lasera uspjelo se uzgojiti nove izolatorske kristale. Projekt koji je financirala Savezna ministrica za istraživanje, tehnologiju i svemir (BMFTR) s 6,22 milijuna € postigao je značajne napretke u razdoblju od studenog 2021. do srpnja 2025. Fraunhofer ILT u Aachenu značajno je pridonio tome.
Još uvijek su izvori zračenja za primjene kvantne tehnologije često složeni, veliki i nedovoljno robusni za upotrebu na terenu. Za to su potrebni miniaturizirani i što fleksibilniji sustavi. Takav izvor zračenja razvijen je u okviru BMFTR projekta »HiPEQ – Visoko-integrirani PIC-bazirani ECDL-ovi za kvantnu tehnologiju«. Koordinirano od strane kasnijeg sustavnog integratora TOPTICA, konzorcij iz industrije i istraživanja izgradio je demonstratore dvaju miniaturiziranih izvora zračenja.
S dimenzijama samo 22 x 9 x 6 cm³ nude prostor za sve sustavne komponente. Koncept se također može proširiti na druge valne duljine. Stoga se mogu koristiti u širokom spektru kvantnotehnoloških primjena.
Fraunhofer ILT je u projektu značajno doprinio uspješnoj kultivaciji do sada nedostupnih kristala za nove Faraday izolatore. U drugom radnom paketu, Aachener su realizirali stakleni paketni modul s µm-preciznim držačima za važne sistemske komponente i za povezivanje vlakana.
Kompaktan, robustan i fleksibilan za upotrebu
Laserski sustavi temelje se na fotonički integriranim krugovima (PIC-ovima), svjetlovodima, vlaknasto spojenim komponentama i optičkom izolatoru koji štiti laser od povratnih refleksija zračenja. Ova ključna komponenta temelji se na posebnim kristalima koji pokazuju magnetooptički Faradayev efekt: Kada se primijeni magnetsko polje, u kristalu se rotira ravnina polarizacije upadnih svjetlosnih valova. Zbog ove Faradayeve rotacije, reflektirano svjetlo – ako uopće – može se vratiti do izvora zračenja samo u ekstremno prigušenom obliku. Na taj način izolatori sprječavaju oštećenja i osiguravaju onu usku propusnost lasera koja je bitna za primjene u kvantnoj tehnologiji.
Dosad su Faraday-izolatori uglavnom temeljeni na terbijevom-galijum-granatu (TGG), koji pri vidljivoj i bliskoinfracrvenoj svjetlosti ima visoku Verdetovu konstantu; ona označava jačinu Faradayevog efekta. "TGG-izolatori obično imaju dužinu od oko 25 milimetara", izvještava Florian Rackerseder, voditelj projekta Fraunhofer ILT. Za miniaturizaciju su potrebni kristali s višom Verdetovom konstantom koji omogućuju zaštitu na manjem prostoru. Ove kristale za Faraday-izolatore uzgajali smo i testirali u HiPEQ-projektu.
Odabran je materijal temeljen na u prirodi nepostojećem Terbij-(III)-oksidu (Tb2O3).
Ima tri puta veću Verdetovu konstantu od TGG-a i posebno je pogodna za lasere u plavom spektru, za koje dosad nije bilo odgovarajućeg materijala. "Uzgoj monokristala Tb2O3 predstavlja izazov", objašnjava stručnjak, "jer je potrebno održavati precizne temperaturne gradijente pri talištima iznad 2.500 °C prilikom prijelaza u stabilnu fazu". Riječ je o prijelazu iz rastopljenog keramičkog sirovog materijala u Tb2O3 kristal. Brzina hlađenja presudna je za kvalitetu kristala; proces je toliko osjetljiv da konvencionalnim metodama uzgoja kristala dosad nikada nije bilo moguće proizvesti Tb2O3 u veličini i kvaliteti potrebnoj za izolatore. Kako bi se stabilizirala kubična faza u kojoj se materijal uzgaja i time pojednostavio proces uzgoja, korištena je ko-dopiranje s lutecijum oksidom (Lu2O3).
Laserska tehnologija kao ključ za uzgoj visokopurih kristala
U projektu HiPEQ, SurfaceNet, Laserline i Fraunhofer ILT razvili su i realizirali novu instalaciju u kojoj rastu (TbxLu1-x)2O3 izolatorski kristali u takozvanom laserski potpomognutom optičkom Floating-Zone postupku (LOFZ). Prijelaz iz rastaljene keramike u kristal događa se na rubu Floating-Zone, na koji su usmjerene četiri obradne optike. One usmjeravaju zračenje četiri diodna lasera s maksimalnom optičkom snagom od po 3 kW na keramičku matičnu šipku i rastapaju je u jedno kristal.
Optimizirano zračenje u simulacijama s trapezoidnim, izuzetno homogenim profilima zrake osigurava ravnomjerne gustoće grijanja u Floating-Zoni. Intenzitet u fokusu može se prilagoditi promjenama u putanji zrake. "Trapezoidna geometrija ima prednost da veći dio unesene laserske energije otapa keramiku, dok ostatak regulira temperaturu pri stvrdnjavanju u kristal", objašnjava Rackerseder. U kontinuiranom procesu ponovnog taljenja s konstantnom brzinom pomaka, kristal ne smije napustiti temperaturni raspon blizu točke taljenja osim s točno specificiranim brzinama hlađenja. Tim je mogao ispuniti ovaj zahtjev pomoću precizno kontrolirane LOFZ metode. "Time smo prvi put u mogućnosti proizvesti (TbxLu1-x)2O3 izolatorske kristale u traženoj veličini i kvaliteti", objašnjava on.
Potpuno integrirani sustav
Novi izolatorni kristali integrirani su u modularne miniaturizirane izvore zračenja u okviru još jednog podprojekta HiPEQ konzorcija. Fraunhofer ILT je također značajno doprinio ovom projektu. Dizajnirao je vlakno-čip spojnik koji se može prilagoditi različitim sustavnim konfiguracijama i izradio ga od stakla. Potrebnu fleksibilnost i preciznost tim je postigao pomoću selektivnog laserski induciranog etching (SLE): Laser osvjetljava mikrostrukture u staklu, koje se zatim precizno mogu izrezati. To omogućuje realizaciju složenih šupljina unutar stakla. U projektu je ova individualna oblikovanje SLE postupka bila ključna za monolitnu proizvodnju oba izvora zračenja s valnim duljinama od 461 nm (plava) i 637 nm (crvena), unatoč tome što su u njima ugrađene komponente različitih dimenzija. Faradayev izolator je također precizno integriran, kao i fleksibilno dizajnirano sučelje od PIC-a do optičkih vlakana, uključujući optiku za ulaz i izlaz te dijeljenje zraka. SLE proces osigurava µm-precizno uklapanje različitih modula oba demonstratora.
»Da okolni materijal ima isti koeficijent toplinske ekspanzije kao optičke komponente, čini Faser-Chip-kopler otpornijim na temperaturne oscilacije«, objašnjava Sandra Borzek, odgovorna za ovaj dio projekta na Fraunhofer ILT. S obzirom na visoke zahtjeve preciznosti, napetosti uzrokovane različitim ekspanzijama materijala su neprihvatljive. A postojala je i još jedna motivacija za pristup projektu: »Do sada su laserski izvori za kvantne tehnologije većinom ručno podešavani«, objašnjava ona. Svaka komponenta, od optike preko izolatora i razdjeljnika do vlakana s promjerima od jednog mikrometra, koristi se i usmjerava pojedinačno.
Cilj: Minimizirani napori u podešavanju i montaži
Fotonika traži rješenja koja minimiziraju napore u montaži i podešavanju te većinom automatski održavaju potrebnu preciznost. Monolitni modul pakiranja izrađen u jednom SLE procesu već se približava tome. U idealnom slučaju, nakon ugradnje optičkih komponenti, služi kao fiksna sklopka koja se može povezati s PIC-om pomoću takozvanog Flip-Chip-bondinga.
Izvorno je SLE tim htio proizvesti optike za ulaz i izlaz svjetlosti u SLE procesu i polirati ih laserom. Međutim, poliranje leća u komponenti bilo je nemoguće, a njihova površina bila je pregruba nakon SLE procesa. »Zato smo razvili različite pristupe rješenju kako bismo eliminirali artefakte i preostale valovitosti na površinama. Tako smo se također značajno približili cilju integriranih optika i njihovog poliranja«, izvještava Borzek. Tim je odlučio proizvesti optike u SLE procesu bez čvrste veze s monolitnim staklenim tijelom. Tako se mogu izvaditi za poliranje i zatim točno postaviti na mjesto odakle su izvađene.
HiPEQ je generirao znanje za buduće izvore zraka
S uspješnim uzgojem (TbxLu1-x)2O3 izolator kristala, optimiziranom procesnom strategijom za SLE-baziranu proizvodnju optike i direktnom integracijom mikroskopskih struktura za spajanje u makroskopsko kućište, HiPEQ je postigao važne prekretnice. Konzorcij je generirao potrebno znanje kako bi mogao provesti fleksibilne sistemske dizajne s različitim izolatorima uz značajno smanjene napore u montaži i podešavanju. »Na ovoj osnovi, stakleni moduli pakiranja za fleksibilne sistemske dizajne mogli bi se u budućnosti u SLE procesu izrađivati unutar nekoliko dana s točnošću od mikrometra. Novi Faraday izolatori su ključna tehnologija za daljnju miniaturizaciju«, uvjereni su Borzek i Rackerseder. HiPEQ je time dao važne doprinose robusnosti, svestranosti i smanjenju napora u podešavanju lasera za kvantno-tehnološke primjene.
Kontakt:
