Między innymi udało się za pomocą laserów hodować nowatorskie kryształy izolatorów. Projekt, który otrzymał dofinansowanie w wysokości 6,22 mln € od Federalnego Ministerstwa Badań, Technologii i Przestrzeni Kosmicznej (BMFTR), osiągnął w okresie od listopada 2021 do lipca 2025 dalsze znaczące postępy. Fraunhofer ILT w Akwizgranie odegrał w tym kluczową rolę.
Wciąż źródła promieniowania dla zastosowań w technologii kwantowej są często złożone, duże i zbyt mało odporne na warunki terenowe. Potrzebne są miniaturowe i jak najbardziej elastyczne systemy. Takie źródło promieniowania opracował projekt wspierany przez BMFTR „HiPEQ – wysoko zintegrowane oparte na PIC ECDL dla technologii kwantowej”. Koordynowane przez późniejszego integratora systemów TOPTICA, konsorcjum złożone z przemysłu i badań stworzyło demonstratory dwóch miniaturowych źródeł promieniowania.
Przy zewnętrznych wymiarach zaledwie 22 x 9 x 6 cm3 oferują miejsce dla wszystkich komponentów systemowych. Koncepcja ta jest również rozszerzalna na inne długości fal. Można je zatem stosować w szerokim zakresie zastosowań w technologii kwantowej.
Fraunhofer ILT mogło w projekcie znacząco przyczynić się do udanej hodowli dotychczas niedostępnych kryształów do nowatorskich izolatorów Faradaya. W drugim pakiecie roboczym inżynierowie z Akwizgranu zrealizowali szklany moduł opakowaniowy z uchwytami o dokładności µm dla ważnych komponentów systemowych oraz do sprzężenia włókien.
Kompakt, solidny i elastyczny w zastosowaniu
Systemy laserowe opierają się na fotonowo zintegrowanych układach scalonych (PIC), światłowodach, sprzężeniu światłowodowym oraz optycznym izolatorze, który chroni laser przed odbiciem promieniowania. Ten kluczowy komponent oparty jest na specjalnych kryształach, które wykazują efekt magnetooptyczny Faradaya: gdy zostaje nałożone pole magnetyczne, w kryształach obraca się płaszczyzna polaryzacji padających fal świetlnych. Dzięki temu obrotowi Faradaya, światło odbite – jeśli w ogóle – może wrócić do źródła promieniowania tylko w skrajnie stłumionej formie. W ten sposób izolatory zapobiegają uszkodzeniom i zapewniają wąskopasmowość laserów, która jest niezbędna w zastosowaniach technologii kwantowej.
Dotychczas izolatory Faradaya opierają się głównie na granacie terbium-galowym (TGG), który przy świetle widzialnym i bliskiej podczerwieni wykazuje wysoką stałą Verdet'a; ta wartość określa siłę efektu Faradaya. "Izolatory TGG mają zazwyczaj długość około 25 milimetrów", relacjonuje Florian Rackerseder, odpowiedzialny za projekt w Fraunhofer ILT. W celu miniaturyzacji potrzebne są kryształy o wyższej stałej Verdet'a, które zapewniają ekranowanie na mniejszej przestrzeni. Te kryształy do izolatorów Faradaya zostały wyhodowane i przetestowane w projekcie HiPEQ.
Wybór padł na materiał oparty na tlenku terbium(III) (Tb2O3), który nie występuje w naturze.
Ma trzy razy wyższą stałą Verdet'a niż TGG i jest szczególnie odpowiedni dla laserów w niebieskim zakresie fal, dla których dotąd nie było odpowiedniego materiału. „Hodowanie monokryształów Tb2O3 to wyzwanie”, wyjaśnia ekspert, „ponieważ przy temperaturach topnienia przekraczających 2500 °C należy utrzymać precyzyjne gradienty temperatury podczas przejścia do stabilnej fazy”. Chodzi o przejście z topionego ceramicznego materiału wyjściowego do kryształu Tb2O3. Tempo chłodzenia jest kluczowe dla jakości kryształu; proces jest tak wrażliwy, że dotąd nie udało się przy użyciu konwencjonalnych metod hodowli kryształów wyhodować Tb2O3 w wymaganej dla izolatorów wielkości i jakości. Aby ustabilizować kubiczną fazę, w której materiał jest hodowany, i w ten sposób uprościć proces hodowli, zastosowano współdotację tlenkiem lutetu (Lu2O3).
Technika laserowa jako klucz do hodowli wysokopurej krystalizacji.
W ramach projektu HiPEQ, SurfaceNet, Laserline i Fraunhofer ILT opracowały i zrealizowały nową instalację, w której kryształy izolatora (TbxLu1-x)2O3 rosną w tzw. laserowej optycznej metodzie Floating-Zone (LOFZ). Przejście z topionej ceramiki do kryształu odbywa się na krawędzi strefy unoszenia, na którą skierowane są cztery optyki obróbcze. Skierowują one promieniowanie z czterech laserów diodowych o maksymalnej mocy optycznej 3 kW na ceramiczny pręt, topniejąc go w jednolity kryształ.
Optymalizowane w symulacjach naświetlanie z trapezoidalnymi, niezwykle jednorodnymi profilami promieniowania zapewnia równomierne gęstości mocy grzewej w strefie pływającej. Rozkład intensywności w ognisku można dostosować poprzez zmiany w torze promieniowania. „Geometria trapezoidalna ma tę zaletę, że znaczna część wprowadzonej energii laserowej topi ceramikę, a reszta reguluje temperaturę podczas krystalizacji”, wyjaśnia Rackerseder. W ciągłym procesie przetopienia z stałą prędkością posuwu kryształ może opuścić zakres temperatury blisko punktu topnienia tylko przy ściśle określonych szybkościach chłodzenia. Zespół mógł spełnić ten wymóg dzięki precyzyjnie kontrolowanej metodzie LOFZ. „Dzięki temu po raz pierwszy jesteśmy w stanie wytwarzać kryształy izolatora (TbxLu1-x)2O3 w wymaganym rozmiarze i jakości”, wyjaśnia.
Całkowicie zintegrowany system
Nowe kryształy izolatorów zostały zintegrowane przez konsorcjum HiPEQ w ramach kolejnego projektu w modułowych, zminiaturyzowanych źródłach promieniowania. W tym zakresie znaczący wkład miał również Fraunhofer ILT. Opracował on włóknowy chip-koppler, który można dostosować do różnych konfiguracji systemów i wykonał go ze szkła. Zespół osiągnął niezbędną elastyczność i precyzję dzięki selektywnemu laserowemu trawieniu (SLE): laser naświetla mikrostruktury w szkle, które następnie można precyzyjnie wytrawić. Umożliwia to realizację skomplikowanych kształtów wnęk wewnątrz szkła. W projekcie ta indywidualna forma SLE była kluczem do monolitycznej produkcji obu źródeł promieniowania o długościach fal 461 nm (niebieski) i 637 nm (czerwony), mimo że zainstalowane są w nich komponenty o różnych wymiarach. Izolator Faradaya jest równie precyzyjnie zintegrowany, jak elastycznie zaprojektowane interfejsy od PIC do światłowodów, w tym optyki wprowadzające i wyprowadzające oraz dzielniki promieni. Proces SLE zapewnia precyzyjne dopasowanie modułów obu demonstratorów na poziomie mikrometrów.
»To, że otaczający materiał ma ten sam współczynnik rozszerzalności cieplnej co komponenty optyczne, sprawia, że złączka włóknowa jest bardziej odporna na wahania temperatury«, wyjaśnia Sandra Borzek, odpowiedzialna za tę część projektu w Fraunhofer ILT. W obliczu wysokich wymagań precyzyjnych napięcia spowodowane różną rozszerzalnością materiałów są niedopuszczalne. Istniał także inny czynnik napędzający podejście projektu: »Dotychczas źródła laserowe dla technologii kwantowych były głównie regulowane ręcznie«, dodaje. Każdy komponent, od optyki po izolatory i dzielniki wiązki, aż po włókna o średnicy jednocyfrowej w mikrometrach, jest stosowany i ustawiany indywidualnie.
Cel: zminimalizowanie wysiłku regulacyjnego i montażowego
Photonika poszukuje rozwiązań, które zminimalizują wysiłek montażowy i regulacyjny oraz w dużym stopniu automatycznie zapewnią wymaganą precyzję. Monolityczny moduł pakujący wytwarzany w jednym procesie SLE jest już bliski temu celowi. W idealnym przypadku po zaopatrzeniu w komponenty optyczne służy jako stały zespół, który można podłączyć do PIC za pomocą tzw. flip-chip bondingu.
Początkowo zespół SLE chciał wytwarzać optykę do wprowadzania i wyprowadzania światła w procesie SLE i polerować ją laserowo. Jednak polerowanie soczewek w elemencie było niemożliwe, a ich powierzchnia po procesie SLE była zbyt szorstka. »Opracowaliśmy różne podejścia, aby wyeliminować artefakty i resztkowe falistości na powierzchniach. Dzięki temu zbliżyliśmy się znacznie do celu zintegrowanej optyki i jej polerowania«, relacjonuje Borzek. Zespół zdecydował się wytwarzać optykę w procesie SLE bez stałego połączenia z monolitycznym korpusem szklanym. Dzięki temu można je wyjąć do polerowania, a następnie dokładnie włożyć z powrotem w miejsce, z którego zostały wyjęte.
HiPEQ wygenerowało wiedzę na temat przyszłych źródeł promieniowania
Dzięki udanemu hodowaniu kryształów izolatorów (TbxLu1-x)2O3, zoptymalizowanej strategii procesowej dla wytwarzania optyki opartej na SLE oraz bezpośredniej integracji mikroskopijnych struktur sprzęgających w makroskopowej obudowie, HiPEQ osiągnęło ważne kamienie milowe. Konsorcjum wygenerowało niezbędną wiedzę, aby móc wdrożyć elastyczne konstrukcje systemowe z różnymi izolatorami przy znacznie zredukowanym wysiłku montażowym i regulacyjnym. »Na tej podstawie szklane moduły pakujące dla elastycznych konstrukcji systemowych mogłyby być w przyszłości wytwarzane w procesie SLE z dokładnością do mikrometrów w ciągu kilku dni. Nowatorskie izolatory Faradaya są kluczową technologią dla dalszej miniaturyzacji«, są przekonani Borzek i Rackerseder. HiPEQ wniosło istotny wkład w odporność, wszechstronność i zredukowany wysiłek regulacyjny laserów do zastosowań technologii kwantowej.
Kontakt:
