Többek között sikerült lézerekkel új típusú szigetelő kristályokat tenyészteni. A Szövetségi Kutatási, Technológiai és Űrügyi Minisztérium (BMFTR) által 6,22 millió euróval támogatott projekt 2021 novemberétől 2025 júliusáig terjedő időszakban további figyelemre méltó előrelépéseket ért el. Az Aachen-i Fraunhofer ILT jelentős mértékben hozzájárult ehhez.
Még mindig a sugárforrások a kvantumtechnológiai alkalmazásokhoz gyakran összetettek, nagyok és nem elég robusztusak a terepi használatra. Ehhez miniaturizált és lehetőleg rugalmasan alkalmazható rendszerekre van szükség. Egy ilyen sugárforrást fejlesztett ki a BMFTR támogatási projektje, a »HiPEQ – Magasan integrált PIC-alapú ECDL-ek a kvantumtechnológiához«. A későbbi rendszerintegrátor, a TOPTICA koordinálásával egy ipari és kutatási konzorcium két miniaturizált sugárforrás demonstrátorát állította össze.
Mindössze 22 x 9 x 6 cm³ külső mérettel minden rendszerkomponens számára helyet biztosítanak. A koncepció emellett más hullámhosszakra is bővíthető. Tehát széles spektrumú kvantumtechnológiai alkalmazásokban használhatók.
A Fraunhofer ILT jelentősen hozzájárult a korábban nem elérhető kristályok sikeres tenyésztéséhez új típusú Faraday-izolátorokhoz a projekt keretében. A második munkacsomagban az aacheni kutatók egy üvegből készült csomagolómodult valósítottak meg, amely µm pontos tartókkal rendelkezik fontos rendszerkomponensek és a szálas csatlakozás számára.
Kompakt, robusztus és rugalmasan alkalmazható
A lézerszerek fotonikus integrált áramkörökön (PIC), fényvezetőkön, egy száloptikai csatlakozón és egy optikai izolátoron alapulnak, amely árnyékolja a lézerbe visszaverődő sugárzást. Ez a kulcsfontosságú komponens speciális kristályokon alapul, amelyek a magnetooptikai Faraday-hatást mutatják: ha mágneses mezőt alkalmaznak, a kristályban elfordul a beeső fényhullámok polarizációs síkja. Ezen Faraday-rotációnak köszönhetően a visszaverődött fény – ha egyáltalán – csak rendkívül csillapítva juthat vissza a sugárforráshoz. Ily módon az izolátorok megakadályozzák a károkat, és biztosítják a lézerek keskeny sávszélességét, amely elengedhetetlen a kvantumtechnológiai alkalmazásokhoz.
Eddig a Faraday-izolátorok többsége Terbium-Gallium-Granát (TGG) alapú, amely a látható és közeli infravörös fényben magas Verdet-állandóval rendelkezik; ez jelzi a Faraday-hatás erősségét. "A TGG-izolátorok általában körülbelül 25 milliméter hosszúak" - mondja Florian Rackerseder, a Fraunhofer ILT projektfelelőse. A miniaturizáláshoz olyan kristályokra van szükség, amelyek magasabb Verdet-állandóval rendelkeznek, és kevesebb helyet foglalnak el. Ezeket a kristályokat a Faraday-izolátorokhoz a HiPEQ-projekt keretében tenyésztették és tesztelték.
A választás egy olyan anyagra esett, amely a természetben nem előforduló terbium-(III)-oxidra (Tb2O3) épül.
Háromszor magasabb Verdet-állandóval rendelkezik, mint a TGG, és különösen alkalmas a kék hullámhossztartományú lézerekhez, amelyekhez eddig nem volt megfelelő anyag. „A Tb2O3 monokristály előállítása kihívást jelent” – magyarázza a szakértő –, „mivel a 2500 °C feletti olvadáspontoknál pontos hőmérséklet-gradiens fenntartása szükséges a stabil fázisba való átmenet során.” A folyamat a megolvasztott kerámiai alapanyag és a Tb2O3 kristály közötti átmenetre vonatkozik. A lehűlési sebességek kulcsfontosságúak a kristály minősége szempontjából; a folyamat annyira érzékeny, hogy a hagyományos kristálynövesztési módszerekkel eddig soha nem sikerült a Tb2O3-at az szigetelők számára szükséges méretben és minőségben előállítani. A kubikus fázis stabilizálása, amelyben az anyagot növesztik, és ezzel a növesztési folyamat egyszerűsítése érdekében luténium-oxid (Lu2O3) ko-dózist alkalmaztak.
A lézertechnika kulcs a nagy tisztaságú kristályok tenyésztéséhez.
Egy HiPEQ-alprojekten a SurfaceNet, a Laserline és a Fraunhofer ILT egy új berendezést fejlesztett és valósított meg, amelyben (TbxLu1-x)2O3 szigetelő kristályok a úgynevezett lézeralapú optikai Floating-Zone eljárás (LOFZ) során növekednek. Az átmenet az olvadt kerámiából a kristályba a Floating-Zone szélén történik, amelyre négy feldolgozó optika van irányítva. Ezek a négy, egyenként 3 kW maximális optikai teljesítményű diódalézer sugárzását a kerámiás tápláló rúdra irányítják, és azt egykristállyá olvasztják.
A szimulációkban optimalizált, trapéz alakú, rendkívül homogén sugárprofilokkal végzett besugárzás biztosítja az egyenletes fűtési teljesítménysűrűségeket a lebegő zónában. A fókuszban lévő intenzitáseloszlás a sugárút módosításával állítható be. „A trapéz alakú geometria előnye, hogy a bejuttatott lézerenergia nagy része megolvasztja a kerámiát, míg a maradék a kristály szilárdulásakor szabályozza a hőmérsékletet” – magyarázza Rackerseder. A folyamatos újraolvasztási folyamatban, állandó előtolási sebességgel a kristálynak a megolvadási hőmérséklet közelében csak pontosan meghatározott hűtési sebességekkel szabad elhagynia a hőmérsékleti tartományt. A csapatnak sikerült ezt a követelményt a precízen vezérelt LOFZ eljárás segítségével teljesítenie. „Ezáltal először vagyunk képesek (TbxLu1-x)2O3 szigetelő kristályokat a megkívánt méretben és minőségben előállítani” – mondja.
Teljesen integrált rendszer
Az új izolátor-kristályokat a HiPEQ konzorcium egy újabb részprojekt keretében moduláris miniaturizált sugárforrásokba integrálta. Ehhez a Fraunhofer ILT is jelentős mértékben hozzájárult. Kifejlesztett egy egyedi, különböző rendszertervekhez alkalmazkodó szál-chip csatlakozót, amelyet üvegből készítettek. A szükséges rugalmasságot és precizitást a szelektív lézerindukált maratás (SLE) segítségével érték el: egy lézer mikrostruktúrákat világít meg az üvegben, amelyeket ezután pontosan ki lehet maratni. Ez lehetővé teszi, hogy bonyolult formájú üreges térfogatokat valósítsanak meg az üveg belsejében. A projekt során a SLE eljárás egyedi formázása volt a kulcs ahhoz, hogy mindkét sugárforrást monolitikusan lehessen előállítani 461 nm (kék) és 637 nm (piros) hullámhosszon, bár különböző méretű komponensek vannak beépítve. A Faraday-izolátor is pontosan integrálva van, akárcsak a PIC és a fényvezetők közötti interfész, amely rugalmasan alkalmazkodik a különböző szálátmérőkhöz, beleértve a be- és kimeneti optikákat és a sugármegosztókat. Az SLE folyamat biztosítja a különböző modulok µm pontos illeszkedését mindkét demonstrátor esetében.
»A környező anyag hőmérsékleti tágulási együtthatója az optikai komponensekkel megegyező, így a szál-chip csatlakozó robusztusabb a hőmérséklet-ingadozásokkal szemben«, magyarázza Sandra Borzek, a projekt ezen részének felelőse a Fraunhofer ILT-nél. A magas precizitási követelmények miatt a különböző anyagok tágulásából adódó feszültségek elkerülhetetlenek. És volt még egy további hajtóerő a projekt megközelítésében: »Eddig a kvantumtechnológiák lézersugárforrásait általában manuálisan állították be«, mondja. Minden egyes komponens, az optikáktól kezdve az izolátorokon és a fénymegosztókon át a 10 mikrométer átmérőjű szálakig, egyedileg van beépítve és beállítva.
A cél: minimalizált beállítási és szerelési munka
A fotonika olyan megoldásokat keres, amelyek minimalizálják a szerelési és beállítási munkát, és a megkívánt precizitást nagyrészt automatikusan betartják. A monolitikus, egyetlen SLE folyamatban gyártott csomagoló modul már közel áll ehhez. Ideális esetben, miután az optikai komponensekkel feltöltötték, fix építőegységként szolgál, amely a úgynevezett flip-chip kötés segítségével csatlakoztatható a PIC-hez.
Eredetileg az SLE csapat a fény be- és kiemelésére szolgáló optikákat akarta az SLE folyamatban gyártani és lézerrel polírozni. Azonban a lencsék polírozása a komponensben lehetetlen volt, és a felület a SLE folyamat után túl durva volt. »Ezért különböző megoldásokat dolgoztunk ki a felületeken lévő artefaktumok és maradék hullámosságok eltávolítására. Így a beépített optikák és azok polírozása felé is nagy lépést tettünk«, számolt be Borzek. A csapat úgy döntött, hogy az optikákat az SLE folyamatban nem rögzített kapcsolattal gyártják a monolitikus üvegtesthez. Így a polírozásra kivehetők, majd pontosan oda helyezhetők vissza, ahonnan eltávolították őket.
A HiPEQ tudást generált a jövőbeli sugárforrásokhoz
A (TbxLu1-x)2O3 izolátor kristályok sikeres tenyésztésével, az SLE-alapú optikai gyártás optimalizált folyamatstratégiájával és a mikroszkopikus csatlakozási struktúrák közvetlen integrálásával a makroszkopikus házba a HiPEQ fontos mérföldköveket ért el. A konzorcium megszerezte a szükséges tudást ahhoz, hogy rugalmas rendszerek tervezését különböző izolátorokkal, jelentősen csökkentett szerelési és beállítási munkával valósíthassa meg. »Ezen alapok alapján a üveg csomagoló modulok rugalmas rendszerek tervezéséhez a jövőben az SLE folyamatban napok alatt mikrométer pontosan gyárthatók. Az új típusú Faraday izolátorok kulcstechnológiát jelentenek a további miniaturizáláshoz«, állítják Borzek és Rackerseder. A HiPEQ ezzel fontos hozzájárulásokat tett a lézerek robusztusságához, sokoldalúságához és a kvantumtechnológiai alkalmazásokhoz szükséges csökkentett beállítási munkához.
Kapcsolat:
