Bunların yanı sıra, lazerler yardımıyla yenilikçi izolasyon kristalleri yetiştirilmesi başarıldı. Federal Araştırma, Teknoloji ve Uzay Bakanlığı (BMFTR) tarafından 6,22 milyon € ile desteklenen proje, Kasım 2021'den Temmuz 2025'e kadar olan sürede dikkate değer ilerlemeler kaydetti. Aachen'deki Fraunhofer ILT bu konuda önemli katkılarda bulundu.
Henüz kuantum teknolojisi uygulamaları için ışın kaynakları genellikle karmaşık, büyük ve saha kullanımına yeterince dayanıklı değildir. Bunun için miniaturize edilmiş ve mümkün olduğunca esnek bir şekilde kullanılabilir sistemlere ihtiyaç vardır. Böyle bir ışın kaynağı, BMFTR destekli "HiPEQ - Yüksek Entegre PIC Tabanlı ECDL'ler için Kuantum Teknolojisi" projesi tarafından geliştirilmiştir. Daha sonra sistem entegratörü olacak olan TOPTICA'nın koordinesinde, sanayi ve araştırma alanından bir konsorsiyum, iki miniaturize ışın kaynağının demonstratörlerini oluşturmuştur.
Sadece 22 x 9 x 6 cm³ dış ölçülerle, tüm sistem bileşenleri için alan sunar. Konsept ayrıca diğer dalga boylarına genişletilebilir. Yani, geniş bir kuantum teknolojisi uygulama yelpazesinde kullanılabilirler.
Fraunhofer ILT, projede daha önce mevcut olmayan kristallerin başarılı bir şekilde yetiştirilmesine önemli katkılarda bulundu. İkinci bir iş paketinde, Achen'deki ekip, önemli sistem bileşenleri ve fiber bağlantısı için µm hassasiyetinde tutuculara sahip cam bir ambalaj modülü gerçekleştirdi.
Kompakt, dayanıklı ve esnek bir şekilde kullanılabilir.
Lazer sistemleri, fotonik entegre devreler (PIC'ler), ışık lifleri, bir fiber bağlantı ve lazerdeki radyasyonun geri yansımasını engelleyen bir optik izolatör üzerine kuruludur. Bu ana bileşen, manyetooptik Faraday etkisini gösteren özel kristallere dayanır: Bir manyetik alan uygulandığında, kristalde gelen ışık dalgalarının polarizasyon düzlemi döner. Bu Faraday rotasyonu sayesinde, yansıtılan ışık - eğer varsa - yalnızca son derece zayıflatılmış bir şekilde ışık kaynağına geri dönebilir. Bu şekilde izolatörler hasarları önler ve kuantum teknolojisi uygulamaları için hayati öneme sahip olan lazerlerin dar bant genişliğini sağlar.
Şu ana kadar Faraday izolasyonları genellikle görünür ve yakın kızılötesi ışıkta yüksek Verdet sabiti gösteren Terbiyum-Galyum Granatı (TGG) üzerine kuruludur; bu, Faraday etkisinin gücünü belirtir. "TGG izolasyonları genellikle yaklaşık 25 milimetre uzunluğundadır," diyor Fraunhofer ILT'nin proje sorumlusu Florian Rackerseder. Miniatürleştirme için daha az alan kaplayan koruma sağlayan daha yüksek Verdet sabitine sahip kristallere ihtiyaç vardır. Bu Faraday izolasyonları için kristaller HiPEQ projesinde yetiştirilmiş ve test edilmiştir.
Seçim, doğada bulunmayan Terbiyum-(III)-oksit (Tb2O3) bazlı bir malzemeye yapıldı.
Üç kat daha yüksek bir Verdet sabiti vardır ve özellikle mavi dalga boyu aralığındaki lazerler için uygundur; bu alanda daha önce uygun bir malzeme yoktu. "Tb2O3 monokristal yetiştirmek bir zorluktur," diye açıklıyor uzman, "çünkü 2.500 °C'nin üzerindeki erime sıcaklıklarında kararlı faza geçişte hassas sıcaklık gradyanlarının korunması gerekmektedir." Kastedilen, erimiş seramik başlangıç malzemesinden Tb2O3 kristaline geçiştir. Soğuma hızları, kristalin kalitesi için belirleyicidir; süreç o kadar hassastır ki, geleneksel kristal yetiştirme yöntemleriyle şimdiye kadar Tb2O3'ü yalıtkanlar için gerekli boyut ve kalitede üretmek mümkün olmamıştır. Malzemenin yetiştirildiği kübik fazı stabilize etmek ve böylece yetiştirme sürecini basitleştirmek için Lutetium oksit (Lu2O3) ile birlikte doping yapılmıştır.
Lazer teknolojisi, yüksek saflıkta kristallerin yetiştirilmesi için anahtar.
Bir HiPEQ alt projesinde, SurfaceNet, Laserline ve Fraunhofer ILT, (TbxLu1-x)2O3 yalıtım kristallerinin lazer tabanlı optik Floating-Zone yöntemi (LOFZ) ile büyütüldüğü yeni bir tesis geliştirmiş ve gerçekleştirmiştir. Sıvı seramikten kristale geçiş, Floating-Zone'un kenarında gerçekleşir ve buraya dört işleme optiği yönlendirilmiştir. Bu optikler, her biri 3 kW maksimum optik güce sahip dört diyot lazerin ışınını seramik besleme çubuğuna yönlendirir ve onu tek kristal haline eritmektedir.
Simülasyonlarla optimize edilmiş, trapez şeklindeki son derece homojen ışın profilleri ile yapılan irradiasyon, Floating-Zone'da eşit ısıtma güç yoğunluklarını garanti eder. Odak noktası üzerindeki yoğunluk dağılımı, ışın yolundaki ayarlamalarla ayarlanabilir. "Trapez geometrisi, uygulanan lazer enerjisinin büyük bir kısmının seramiği eritmesini ve geri kalanının kristalleşme sırasında sıcaklığı düzenlemesini sağlama avantajına sahiptir," diye açıklıyor Rackerseder. Sürekli erime sürecinde sabit bir ilerleme hızı ile kristal, erime noktasına yakın sıcaklık aralığını yalnızca tam olarak belirlenmiş soğuma hızları ile terk edebilir. Ekip, bu gereksinimi hassas bir şekilde kontrol edilen LOFZ yöntemiyle karşılayabildi. "Böylece, (TbxLu1-x)2O3 izolator kristallerini gerekli boyut ve kalitede üretme yeteneğine ilk kez sahip olduk," diyor.
Tam entegre sistem
Yeni izolatör kristalleri, HiPEQ konsorsiyumu tarafından bir başka alt projede modüler miniaturize ışın kaynaklarına entegre edilmiştir. Bu konuda Fraunhofer ILT de önemli katkılarda bulunmuştur. Farklı sistem tasarımlarına uyum sağlayacak şekilde özelleştirilebilen bir fiber çip bağlayıcı tasarlamış ve bunu camdan üretmiştir. Gerekli esneklik ve hassasiyet, Seçici Lazerle Indüklenen Aşındırma (SLE) yöntemiyle sağlanmıştır: Bir lazer, camdaki mikro yapıları aydınlatarak, daha sonra bunların hassas bir şekilde aşındırılmasını sağlar. Bu, camın içinde karmaşık şekilli boşlukların oluşturulmasına olanak tanır. Projede, SLE yönteminin bu özel şekillendirilmesi, her biri farklı boyutlarda bileşenler içermesine rağmen, 461 nm (mavi) ve 637 nm (kırmızı) dalga boylarına sahip her iki ışın kaynağının monolitik olarak üretilmesinin anahtarı olmuştur. Faraday izolatörü, PIC ile ışık lifleri arasındaki arayüzün, her bir fiber çapına esnek bir şekilde uyum sağlaması ve giriş-çıkış optikleri ile ışın bölücülerin de tam entegre edilmesi kadar hassas bir şekilde entegre edilmiştir. SLE süreci, her iki gösterim cihazının farklı modüllerinin µm hassasiyetinde uyumunu garanti eder.
"Etrafındaki malzemenin optik bileşenlerle aynı ısı genleşme katsayısına sahip olması, fiber çip bağlantısını sıcaklık dalgalanmalarına karşı daha dayanıklı hale getiriyor," diyor bu projenin Fraunhofer ILT'deki sorumlusundan Sandra Borzek. Yüksek hassasiyet gereksinimleri göz önüne alındığında, farklı malzeme genleşmelerinin neden olduğu gerilimler kaçınılmazdır. Proje yaklaşımının bir diğer nedeni ise: "Şu ana kadar kuantum teknolojileri için lazer ışın kaynakları genellikle manuel olarak ayarlanıyordu," diyor. Optiklerden izolasyonlara, ışık bölücülerden tek haneli μm çapındaki liflere kadar her bileşen bireysel olarak kullanılıyor ve hizalanıyor.
Amaç: Ayar ve montaj çabasının azaltılması
Fotonik, montaj ve ayar çabasını minimize eden ve gereken hassasiyeti büyük ölçüde otomatik olarak sağlayan çözümler arıyor. Tek bir SLE sürecinde monolitik olarak üretilen paketleme modülü buna oldukça yaklaşıyor. İdeal olarak, optik bileşenlerle doldurulduktan sonra, PIC'e bağlanmak için Flip-Chip-Bonding adı verilen yöntemle sabit bir yapı olarak hizmet ediyor.
Başlangıçta SLE ekibi, SLE sürecinde ışığın giriş ve çıkışını sağlamak için optikleri üretmeyi ve lazerle parlatmayı planlıyordu. Ancak, parçadaki lenslerin parlatılması imkansızdı ve SLE sürecinden sonra yüzeyi çok pürüzlüydü. "Bu nedenle, yüzeylerdeki artefaktları ve kalıntı dalgalanmalarını ortadan kaldırmak için çeşitli çözüm yaklaşımları geliştirdik. Böylece entegre optiklerin ve bunların parlatılmasının hedeflerine de önemli ölçüde daha yakınlaştık," diyor Borzek. Ekip, optikleri SLE sürecinde monolitik cam gövdeye sabit bir bağlantı olmadan üretmeye karar verdi. Böylece, parlatma için çıkarılabilir ve çıkarıldıkları yere tam olarak yerleştirilebilirler.
HiPEQ, gelecekteki ışın kaynakları için bilgi birikimi oluşturdu
Başarılı bir şekilde (TbxLu1-x)2O3 izolator kristallerinin yetiştirilmesi, SLE tabanlı optik üretimi için optimize edilmiş süreç stratejisi ve mikroskobik bağlantı yapıların makroskobik muhafazaya doğrudan entegrasyonu ile HiPEQ önemli kilometre taşlarına ulaştı. Konsorsiyum, farklı izolatorlarla esnek sistem tasarımlarını önemli ölçüde azaltılmış montaj ve ayar çabası ile gerçekleştirmek için gerekli bilgi birikimini oluşturdu. "Bu temelde, cam paketleme modülleri gelecekte SLE sürecinde günler içinde μm hassasiyetle üretilebilir. Yeni nesil Faraday izolatorleri, daha fazla miniaturizasyon için anahtar bir teknoloji," diyor Borzek ve Rackerseder. HiPEQ, kuantum teknolojik uygulamalar için lazerlerin dayanıklılığı, çok yönlülüğü ve azaltılmış ayar çabası konularında önemli katkılarda bulundu.
İletişim:
