Tra l'altro, grazie all'uso dei laser, è stato possibile coltivare nuovi cristalli isolatori. Il progetto, finanziato con 6,22 milioni di euro dal Ministero federale per la ricerca, la tecnologia e lo spazio (BMFTR), ha fatto ulteriori notevoli progressi nel periodo da novembre 2021 a luglio 2025. Il Fraunhofer ILT di Aquisgrana ha contribuito in modo significativo.
Ancora oggi, le sorgenti di radiazione per applicazioni nella tecnologia quantistica sono spesso complesse, ingombranti e poco robuste per l'uso sul campo. È necessario sviluppare sistemi miniaturizzati e il più possibile flessibili. Una tale sorgente di radiazione è stata sviluppata dal progetto di finanziamento BMFTR "HiPEQ – ECDL basati su PIC ad alta integrazione per la tecnologia quantistica". Coordinato dal successivo integratore di sistema TOPTICA, un consorzio composto da industria e ricerca ha realizzato dimostratori di due sorgenti di radiazione miniaturizzate.
Con una dimensione esterna di soli 22 x 9 x 6 cm³, offrono spazio per tutti i componenti del sistema. Il concetto è inoltre espandibile ad altre lunghezze d'onda. Sono quindi utilizzabili in un ampio spettro di applicazioni nella tecnologia quantistica.
Il Fraunhofer ILT ha potuto contribuire in modo significativo al progetto per la coltivazione di cristalli finora non disponibili per nuovi isolatori di Faraday. In un secondo pacchetto di lavoro, i ricercatori di Aquisgrana hanno realizzato un modulo di imballaggio in vetro con supporti precisi al µm per componenti chiave del sistema e per il accoppiamento delle fibre.
Compatto, robusto e versatile.
I sistemi laser si basano su circuiti integrati fotonici (PIC), guide d'onda, un accoppiamento in fibra e un isolatore ottico che schermano i riflessi della radiazione nel laser. Questa componente chiave si basa su cristalli speciali che mostrano l'effetto Faraday magnetoottico: quando viene applicato un campo magnetico, il piano di polarizzazione delle onde luminose in arrivo ruota all'interno del cristallo. Grazie a questa rotazione di Faraday, la luce riflessa – se mai – può tornare alla sorgente del fascio solo in modo estremamente attenuato. In questo modo, gli isolatori prevengono danni e garantiscono quella selettività spettrale dei laser che è essenziale per le applicazioni nella tecnologia quantistica.
Finora, gli isolatori di Faraday si basano principalmente su granato di terbio-gallio (TGG), che presenta un'alta costante di Verdet per la luce visibile e nel vicino infrarosso; questa indica l'intensità dell'effetto Faraday. "Gli isolatori TGG hanno solitamente una lunghezza di circa 25 millimetri", riferisce Florian Rackerseder, il responsabile del progetto del Fraunhofer ILT. Per la miniaturizzazione, sono necessari cristalli con una costante di Verdet più alta, che consentano di ridurre lo spazio occupato. Questi cristalli per gli isolatori di Faraday sono stati coltivati e testati nel progetto HiPEQ.
La scelta è caduta su un materiale basato sull'ossido di terbio-(III) (Tb2O3), che non si trova in natura.
Ha una costante di Verdet tre volte superiore a quella del TGG ed è particolarmente adatta per i laser nella gamma delle lunghezze d'onda blu, per i quali finora non esisteva un materiale adeguato. "Coltivare il Tb2O3 monocrystallino è una sfida", spiega l'esperto, "perché a temperature di fusione superiori a 2.500 °C è necessario mantenere gradienti di temperatura precisi durante il passaggio alla fase stabile". Si intende il passaggio dal materiale ceramico fuso al cristallo di Tb2O3. I tassi di raffreddamento sono decisivi per la qualità del cristallo; il processo è così sensibile che con i metodi convenzionali di crescita dei cristalli non è mai stato possibile produrre Tb2O3 nella dimensione e qualità necessarie per gli isolatori. Per stabilizzare la fase cubica in cui il materiale viene coltivato e semplificare così il processo di crescita, è stata utilizzata una co-dopatura con ossido di lantanio (Lu2O3).
La tecnologia laser come chiave per la coltivazione di cristalli ad alta purezza.
In un progetto HiPEQ, SurfaceNet, Laserline e il Fraunhofer ILT hanno sviluppato e realizzato un nuovo impianto in cui i cristalli isolatori (TbxLu1-x)2O3 crescono mediante il cosiddetto processo di Floating-Zone ottico basato su laser (LOFZ). La transizione dalla ceramica fusa al cristallo avviene al bordo della Floating-Zone, su cui sono dirette quattro ottiche di lavorazione. Queste deviano la radiazione di quattro laser a diodi con una potenza ottica massima di 3 kW ciascuno sul bastone di crescita ceramico, fondendolo in un monocrystal.
L'irradiazione ottimizzata in simulazioni con profili di fascio trapezoidali e altamente omogenei garantisce densità di potenza termica uniformi nella zona flottante. La distribuzione dell'intensità nel fuoco è regolabile tramite adattamenti nel percorso del fascio. "La geometria trapezoidale offre il vantaggio che gran parte dell'energia laser immessa fonde la ceramica e il resto regola la temperatura durante il raffreddamento al cristallo", spiega Rackerseder. Nel processo di rifusione continuo con velocità di avanzamento costante, il cristallo deve uscire dall'intervallo di temperatura vicino al punto di fusione solo con tassi di raffreddamento esattamente specificati. Il team è riuscito a soddisfare questo requisito grazie al metodo LOFZ a controllo preciso. "Siamo quindi in grado per la prima volta di produrre cristalli isolatori (TbxLu1-x)2O3 della dimensione e qualità richieste", spiega.
Sistema completamente integrato
I nuovi cristalli isolatori sono stati integrati dal consorzio HiPEQ in un ulteriore progetto parziale in sorgenti di radiazione miniaturizzate e modulari. Anche in questo caso, il Fraunhofer ILT ha contribuito in modo significativo. Ha progettato un accoppiatore a fibra-chip adattabile a diverse configurazioni di sistema e lo ha realizzato in vetro. La necessaria flessibilità e precisione sono state raggiunte dal team grazie all'incisione selettiva laser-indotta (SLE): un laser espone microstrutture nel vetro, che possono poi essere incise con precisione. Questo consente di realizzare cavità complesse all'interno del vetro. Nel progetto, questa formatura personalizzata del processo SLE è stata la chiave per poter produrre monoliticamente entrambe le sorgenti di radiazione con lunghezze d'onda di 461 nm (blu) e 637 nm (rosso), nonostante l'installazione di componenti di dimensioni diverse. L'isolatore di Faraday è stato integrato con la stessa precisione, così come l'interfaccia flessibile progettata per i rispettivi diametri delle fibre, insieme alle ottiche di accoppiamento e decoupling e ai divisori di fascio. Il processo SLE garantisce l'inserimento preciso a livello di µm dei moduli differenti di entrambi i dimostratori.
«Il fatto che il materiale circostante abbia lo stesso coefficiente di dilatazione termica delle componenti ottiche rende il connettore fibra-chip più robusto rispetto alle fluttuazioni di temperatura», spiega Sandra Borzek, responsabile di questa parte del progetto presso il Fraunhofer ILT. Data l'elevata precisione richiesta, le tensioni dovute a diverse dilatazioni dei materiali devono essere evitate. E c'era un altro motivo per l'approccio del progetto: «Fino ad ora, le sorgenti laser per le tecnologie quantistiche sono per lo più regolate manualmente», spiega. Ogni componente, dalle ottiche agli isolatori e ai divisori di fascio fino alle fibre con diametri di pochi micrometri, viene utilizzato e allineato singolarmente.
L'obiettivo: ridurre al minimo lo sforzo di regolazione e montaggio
La fotonica cerca soluzioni che minimizzino lo sforzo di montaggio e regolazione e che rispettino in gran parte la precisione richiesta in modo automatico. Il modulo di imballaggio realizzato monoliticamente in un unico processo SLE si avvicina già a questo. Idealmente, dopo l'assemblaggio con le componenti ottiche, funge da gruppo fisso che può essere collegato al PIC tramite il cosiddetto Flip-Chip-Bonding.
Inizialmente, il team SLE voleva produrre le ottiche per l'accoppiamento e disaccoppiamento della luce nel processo SLE e lucidarle con il laser. Tuttavia, la lucidatura delle lenti nel componente era impossibile e la loro superficie era troppo ruvida dopo il processo SLE. «Abbiamo quindi sviluppato diversi approcci per eliminare artefatti e ondulazioni residue sulle superfici. Così ci siamo avvicinati notevolmente all'obiettivo di ottiche integrate e della loro lucidatura», riporta Borzek. Il team ha deciso di produrre le ottiche nel processo SLE senza un collegamento fisso al corpo di vetro monolitico. In questo modo possono essere estratte per la lucidatura e successivamente reinserite esattamente nel punto in cui sono state estratte.
HiPEQ ha generato know-how per future sorgenti di fascio
Con la riuscita coltivazione dei cristalli isolatori (TbxLu1-x)2O3, la strategia di processo ottimizzata per la produzione ottica basata su SLE e l'integrazione diretta delle strutture di accoppiamento microscopiche nel contenitore macroscopico, HiPEQ ha raggiunto importanti traguardi. Il consorzio ha generato il know-how necessario per implementare configurazioni di sistema flessibili con diversi isolatori con un notevole ridotto sforzo di montaggio e regolazione. «Su questa base, i moduli di imballaggio in vetro per configurazioni di sistema flessibili potrebbero essere prodotti con precisione micrometrica nel processo SLE in pochi giorni. I nuovi isolatori di Faraday sono una tecnologia chiave per la futura miniaturizzazione», sono convinti Borzek e Rackerseder. HiPEQ ha così fornito importanti contributi alla robustezza, versatilità e riduzione dello sforzo di regolazione dei laser per applicazioni tecnologiche quantistiche.
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