Med drugim je s pomočjo laserjev uspelo gojiti nove vrste izolatorskih kristalov. Projekt, ki ga je z 6,22 milijona € financiralo Zvezno ministrstvo za raziskave, tehnologijo in vesolje (BMFTR), je v obdobju od novembra 2021 do julija 2025 dosegel še dodatne pomembne napredke. Fraunhofer ILT v Aachnu je k temu bistveno prispeval.
Še vedno so izvori žarkov za aplikacije kvantne tehnologije pogosto kompleksni, veliki in premalo robustni za uporabo na terenu. Potrebni so miniaturizirani in čim bolj fleksibilni sistemi. Takšen vir žarkov je razvilo BMFTR-podjetje »HiPEQ – Visoko integrirani PIC-podprti ECDL-ji za kvantno tehnologijo«. Pod koordinacijo kasnejšega sistemskega integratorja TOPTICA je konzorcij iz industrije in raziskav zgradil demonstratorje dveh miniaturiziranih virov žarkov.
Pri samo 22 x 9 x 6 cm3 zunanjih dimenzijah nudijo prostor za vse sistemske komponente. Koncept je prav tako razširljiv na druge valovne dolžine. Tako so uporabni v širokem spektru kvantnotehnoloških aplikacij.
Fraunhofer ILT je v projektu pomembno prispeval k uspešni vzgoji doslej nedostopnih kristalov za nove vrste Faraday izolatorjev. V drugem delovnem paketu so Aachenci realizirali stekleni paketni modul z µm-natančnimi nosilci za ključne sistemske komponente in za vlaknasto povezavo.
Kompakt, robust in fleksibilno uporabno.
Laserski sistemi temeljijo na fotonsko integriranih vezjih (PIC), optičnih vlaknih, povezavi z vlaknom in optičnem izolatorju, ki ščiti laser pred povratnimi odboji sevanja. Ta ključna komponenta temelji na posebnih kristalih, ki kažejo magnetooptični Faradayev učinek: Ko se uporabi magnetno polje, se v kristalu vrti polarizacijska raven padajočih svetlobnih valov. S to Faradayevo rotacijo lahko odbojna svetloba – če sploh – le zelo oslabljena pride nazaj do vira žarka. Na ta način izolatorji preprečujejo poškodbe in zagotavljajo tisto ozkopasovno naravo laserjev, ki je ključna za aplikacije kvantne tehnologije.
Doslej so bili Faraday-izolatorji večinoma zasnovani na terbijevem-galijevem granatu (TGG), ki pri vidni in bližnji infrardeči svetlobi izkazuje visoko Verdetovo konstanto; ta označuje moč Faradayevega učinka. »TGG-izolatorji običajno merijo približno 25 milimetrov,« poroča Florian Rackerseder, vodja projekta na Fraunhofer ILT. Za miniaturizacijo so potrebni kristali z višjo Verdetovo konstanto, ki omogočajo zaščito na manjši prostornini. Te kristale za Faraday-izolatorje so vzgojili in preizkusili v projektu HiPEQ.
Izbira je padla na material, ki temelji na v naravi neobstoječem terbij-(III)-oksidu (Tb2O3).
Ima trikrat višjo Verdetovo konstanto kot TGG in je še posebej primeren za laserje v modrem valovnem območju, za katere doslej ni bilo primernega materiala. »Rast monokristalnega Tb2O3 je izziv,« pojasnjuje strokovnjak, »saj je pri tališčih nad 2.500 °C potrebno natančno vzdrževati temperaturne gradientne pri prehodu v stabilno fazo.« Govori se o prehodu iz taline keramičnega izhodiščnega materiala v Tb2O3 kristal. Hitrosti ohlajanja so odločilne za kakovost kristala; postopek je tako občutljiv, da doslej s konvencionalnimi metodami rasti kristalov ni bilo mogoče proizvesti Tb2O3 v velikosti in kakovosti, ki sta potrebni za izolatorje. Za stabilizacijo kubične faze, v kateri se material goji, in s tem poenostavitev procesa rasti, so uporabili so-dotacijo z lutecijevim oksidom (Lu2O3).
Laserska tehnologija kot ključ za vzgojo visokopurih kristalov
V projektu HiPEQ so SurfaceNet, Laserline in Fraunhofer ILT razvili in realizirali novo napravo, v kateri rastejo (TbxLu1-x)2O3 izolatorski kristali po tako imenovanem lasersko podprtem optičnem Floating-Zone postopku (LOFZ). Prehod iz taljene keramike v kristal poteka na robu Floating-Zone, na katerega so usmerjene štiri obdelovalne optike. Te usmerjajo sevanje štirih diodnih laserjev, vsak z največjo optično močjo 3 kW, na keramični hranilni palici in jo talijo v enokristal.
V simulacijah optimizirana obsevanje s trapezno oblikovanimi, izjemno homogeno obsežnimi profili zagotavlja enotne gostote toplotne moči v plavajoči coni. Porazdelitev intenzivnosti v fokusu je mogoče prilagoditi z nastavitvami v optični poti. »Trapezna geometrija ponuja prednost, da večina vnesene laserske energije stopi keramiko, preostanek pa regulira temperaturo pri strjevanju v kristal,« pojasnjuje Rackerseder. V kontinuiranem procesu ponovnega taljenja s konstantno hitrostjo pomika mora kristal zapustiti temperaturno območje blizu tališča le z natančno določenimi hitrostmi hlajenja. Ekipa je to zahtevo uspela izpolniti s pomočjo natančno nadzorovanega postopka LOFZ. »S tem smo prvič sposobni proizvesti (TbxLu1-x)2O3 izolatorske kristale v zahtevani velikosti in kakovosti,« pojasnjuje.
Popolnoma integriran sistem
Novi izolatorni kristali so bili v okviru še enega podprojekta konsorcija HiPEQ integrirani v modularne miniaturizirane izvorne naprave. Fraunhofer ILT je prav tako pomembno prispeval k temu. Zasnoval je vlakneni čipni povezovalnik, ki se lahko prilagodi različnim zasnovam sistemov, in ga izdelal iz stekla. Potrebno fleksibilnost in natančnost je ekipa dosegla s pomočjo selektivnega lasersko induciranega etanjenja (SLE): laser osvetli mikrostrukture v steklu, ki jih je mogoče nato natančno izžgati. To omogoča realizacijo kompleksno oblikovanih votlin znotraj stekla. V projektu je bila ta individualna oblikovna zasnova postopka SLE ključna za monolitno izdelavo obeh izvorov z valovnimi dolžinami 461 nm (modra) in 637 nm (rdeča), čeprav so v njih vgrajeni različni komponenti. Faradayeva izolatorja sta prav tako natančno integrirana, kot tudi fleksibilno zasnovan vmesnik od PIC do optičnih vlaken, vključno z optiko za vnos in iznos ter delilniki žarkov. Postopek SLE zagotavlja µm-natančno prileganje različnih modulov obeh demonstratorjev.
»Da ima okoliški material enak koeficient toplotne razširitve kot optične komponente, je vlaknasti čipni spojnik bolj odporen na temperaturne spremembe«, pojasnjuje Sandra Borzek, odgovorna za ta del projekta na Fraunhofer ILT. Glede na visoke zahteve po natančnosti so napetosti zaradi različne razširitve materialov nesprejemljive. In še en dejavnik je bil gonilna sila projekta: »Doslej so bile laserske svetlobne vire za kvantne tehnologije večinoma ročno nastavljene«, dodaja. Vsaka komponenta, od optike do izolatorjev in delilnikov žarkov ter vlaken z enomilimetrskimi premeri, je bila uporabljena in usklajena posamično.
Cilj: Minimalizacija napora pri nastavitvi in montaži
Fotonika išče rešitve, ki bi zmanjšale napor pri montaži in nastavitvi ter v veliki meri avtomatizirale zahtevano natančnost. Monolitno izdelan paketni modul v enem samem SLE procesu je že blizu tega. V idealnem primeru služi po namestitvi optičnih komponent kot fiksna gradbena enota, ki se lahko poveže s PIC s pomočjo tako imenovanega Flip-Chip-Bondinga.
Sprva je ekipa SLE želela izdelati optike za vstop in izstop svetlobe v SLE procesu in jih polirati z laserjem. Vendar pa je bila poliranje leč v komponenti nemogoča in njihova površina po SLE procesu pregroba. »Zato smo razvili različne pristope za odpravo artefaktov in preostalih valov na površinah. Tako smo se tudi znatno približali cilju integriranih optik in njihovega poliranja«, poroča Borzek. Ekipa se je odločila, da bo optike v SLE procesu izdelala brez trdne povezave z monolitnim steklenim telesom. Tako jih je mogoče odstraniti za poliranje in nato natančno vrniti na mesto, kjer so bile odstranjene.
HiPEQ je pridobil znanje za prihodnje svetlobne vire
Z uspešno gojitvijo (TbxLu1-x)2O3 izolatorskih kristalov, optimizirano procesno strategijo za SLE osnovano proizvodnjo optike in neposredno integracijo mikroskopskih povezovalnih struktur v makroskopsko ohišje je HiPEQ dosegel pomembne mejnike. Konzorcij je pridobil potrebno znanje za izvajanje fleksibilnih sistemskih zasnov z različnimi izolatorji z znatno zmanjšanim naporom pri montaži in nastavitvi. »Na tej osnovi bi lahko steklena paketna modula za fleksibilne sistemske zasnove v prihodnje v SLE procesu natančno izdelali v nekaj dneh. Novodobni Faraday izolatorji so ključna tehnologija za nadaljnjo miniaturizacijo«, sta prepričana Borzek in Rackerseder. HiPEQ je tako prispeval pomembne prispevke k robustnosti, vsestranskosti in zmanjšanemu naporu pri nastavitvi laserjev za kvantno tehnološke aplikacije.
Kontakt:
