Серед іншого вдалося за допомогою лазерів виростити нові ізоляторні кристали. Проект, що фінансується Федеральним міністерством досліджень, технологій та космічних справ (BMFTR) на суму 6,22 млн євро, досяг значних успіхів у період з листопада 2021 року по липень 2025 року. Fraunhofer ILT в Аахені зміг значно сприяти цьому.
Ще досі джерела випромінювання для застосувань у квантовій технології часто є складними, великими та недостатньо надійними для використання в польових умовах. Для цього потрібні мініатюризовані та максимально гнучкі системи. Таке джерело випромінювання було розроблено в рамках проекту підтримки BMFTR «HiPEQ – Високоінтегровані PIC-основні ECDL для квантової технології». Координоване пізніше системним інтегратором TOPTICA, консорціум з промисловості та досліджень створив демонстраційні зразки двох мініатюризованих джерел випромінювання.
При лише 22 x 9 x 6 см³ зовнішніх розмірів вони забезпечують місце для всіх системних компонентів. Концепція також може бути розширена на інші довжини хвиль. Отже, їх можна використовувати в широкому спектрі квантових технологічних застосувань.
Fraunhofer ILT змогло суттєво сприяти успішному вирощуванню раніше недоступних кристалів для нових Фарадеївських ізоляторів у рамках проекту. У другому робочому пакеті аахенці реалізували скляний пакувальний модуль з мікрометровими точними утримувачами для важливих системних компонентів і для волоконної зв'язки.
Компактний, міцний та гнучкий у використанні
Лазерні системи базуються на фотонно інтегрованих схемах (PIC), світловодах, волоконному з'єднанні та оптичному ізоляторі, який захищає лазер від зворотних відбитків випромінювання. Цей ключовий компонент заснований на спеціальних кристалах, які демонструють магнітооптичний ефект Фарадея: коли прикладається магнітне поле, в кристалі обертається площина поляризації падаючих світлових хвиль. Завдяки цьому обертанню Фарадея відбите світло – якщо воно взагалі є – може лише вкрай ослабленим способом повернутися до джерела випромінювання. Таким чином, ізолятори запобігають пошкодженням і забезпечують ту вузькосмуговість лазерів, яка є суттєвою для застосувань у квантовій технології.
Досі Фарадеєві ізолятори в основному базуються на тербієво-галлієвому гранаті (TGG), який має високу константу Вердета при видимому та ближньому інфрачервоному світлі; ця константа вказує на силу Фарадеєвого ефекту. "Ізолятори TGG зазвичай мають довжину близько 25 міліметрів", повідомляє Флоріан Ракерседер, відповідальний за проект у Fraunhofer ILT. Для мініатюризації потрібні кристали з вищою константою Вердета, які забезпечують екранування на меншій площі. Ці кристали для Фарадеєвих ізоляторів були вирощені та випробувані в проекті HiPEQ.
Вибір впав на матеріал, що базується на тербієвому (III) оксиді (Tb2O3), який не зустрічається в природі.
Вона має втричі вищу константу Вердета, ніж TGG, і особливо підходить для лазерів у синьому діапазоні хвиль, для яких раніше не було підходящого матеріалу. «Вирощування монокристалів Tb2O3 є викликом», пояснює експерт, «оскільки при температурах плавлення понад 2500 °C необхідно дотримуватися точних температурних градієнтів під час переходу в стабільну фазу». Мається на увазі перехід від розплавленого керамічного вихідного матеріалу до кристалу Tb2O3. Швидкість охолодження є вирішальною для якості кристалу; процес настільки чутливий, що за допомогою звичайних методів вирощування кристалів досі не вдалося отримати Tb2O3 у необхідному для ізоляторів розмірі та якості. Для стабілізації кубічної фази, в якій вирощується матеріал, і спрощення процесу вирощування була використана спільна домішка з оксидом лютецію (Lu2O3).
Лазерні технології як ключ до вирощування високочистих кристалів
У рамках підпроекту HiPEQ компанії SurfaceNet, Laserline та Fraunhofer ILT розробили та реалізували нову установку, в якій кристали ізолятора (TbxLu1-x)2O3 вирощуються за так званим лазерним оптичним плаваючим зонним методом (LOFZ). Перехід від розплавленої кераміки до кристала відбувається на краю плаваючої зони, на яку з усіх боків спрямовані чотири обробні оптики. Вони фокусують випромінювання від чотирьох діодних лазерів з максимальною оптичною потужністю 3 кВт на керамічний підклад і розплавляють його в монокристал.
Оптимізоване в симуляціях опромінення з трапецієподібними, надзвичайно однорідними профілями променя забезпечує рівномірні щільності теплової потужності в плаваючій зоні. Розподіл інтенсивності в фокусі можна налаштувати за допомогою коригувань у променевому тракті. «Трапецієподібна геометрія має перевагу в тому, що велика частина введеної лазерної енергії розплавляє кераміку, а решта регулює температуру при затвердінні до кристалу», - пояснює Ракерседер. У безперервному процесі переробки з постійною швидкістю подачі кристал може залишати температурний діапазон поблизу точки плавлення лише з точно специфікованими швидкостями охолодження. Команда змогла виконати цю вимогу за допомогою точно керованого методу LOFZ. «Ми вперше здатні виготовляти (TbxLu1-x)2O3 ізоляторні кристали в необхідному розмірі та якості», - пояснює він.
Повністю інтегрована система
Нові ізоляторні кристали консорціум HiPEQ інтегрував у модульні мініатюризовані джерела випромінювання в рамках ще одного підпроєкту. У цьому також суттєво допомогла лабораторія Fraunhofer ILT. Вона розробила волоконно-чіповий з'єднувач, адаптований до різних конструкцій систем, і виготовила його зі скла. Необхідну гнучкість і точність команда досягла за допомогою селективного лазерно-індукованого травлення (SLE): лазер обробляє мікроструктури в склі, які потім можна точно вирізати. Це дозволяє реалізувати складно сформовані порожнини всередині скла. У проєкті ця індивідуальна форма, створена за допомогою методу SLE, була ключем до того, щоб обидва джерела випромінювання з довжинами хвиль 461 нм (синій) і 637 нм (червоний) можна було виготовити монолітно, незважаючи на те, що в них встановлені компоненти різних розмірів. Фарадеїв ізолятор також точно інтегрований, як і гнучкий інтерфейс від PIC до світловодів, адаптований до відповідних діаметрів волокон, разом із оптикою вводу та виводу та розподільниками променів. Процес SLE забезпечує мікронну точність підгонки різних модулів обох демонстраторів.
«Те, що навколишній матеріал має такий же коефіцієнт теплового розширення, як і оптичні компоненти, робить волоконно-чіповий з'єднувач більш стійким до температурних коливань», пояснює Сандра Борзек, відповідальна за цю частину проекту в Fraunhofer ILT. У цьому випадку, з огляду на високі вимоги до точності, напруги через різне розширення матеріалів є неприйнятними. І був ще один фактор, що спонукає до підходу проекту: «Досі лазерні джерела випромінювання для квантових технологій зазвичай налаштовуються вручну», говорить вона. Кожен компонент, від оптики до ізоляторів і розподільників променів до волокон з діаметрами в одиничні мікрометри, використовується та налаштовується індивідуально.
Мета: мінімізувати зусилля на налаштування та монтаж
Фотоніка шукає рішення, які мінімізують зусилля на монтаж і налаштування та в значній мірі автоматично дотримуються необхідної точності. Монтажний модуль, виготовлений монолітно в одному процесі SLE, вже близький до цього. В ідеалі після оснащення оптичними компонентами він служить як фіксований модуль, який можна підключити до PIC за допомогою так званого Flip-Chip-бондингу.
Спочатку команда SLE хотіла виготовити оптики для вводу та виводу світла в процесі SLE та полірувати їх лазером. Але полірування лінз у компоненті було неможливим, а їхня поверхня після процесу SLE була занадто шорсткою. «Тому ми розробили різні підходи для усунення артефактів і залишкових хвиль на поверхнях. Таким чином, ми також наблизилися до мети інтегрованих оптик і їх полірування», повідомляє Борзек. Команда вирішила виготовити оптики в процесі SLE без фіксованого з'єднання з монолітним скляним корпусом. Так їх можна витягувати для полірування, а потім точно вставляти туди, звідки їх витягнули.
HiPEQ створила ноу-хау для майбутніх джерел випромінювання
З успішним вирощуванням ізоляторних кристалів (TbxLu1-x)2O3, оптимізованою стратегією процесу для виготовлення оптики на основі SLE та прямою інтеграцією мікроскопічних з'єднувальних структур у макроскопічний корпус, HiPEQ досягла важливих етапів. Консорціум створив необхідне ноу-хау для реалізації гнучких системних конструкцій з різними ізоляторами з помітно зменшеними зусиллями на монтаж і налаштування. «На цій основі скляні пакувальні модулі для гнучких системних конструкцій у майбутньому можуть бути виготовлені в процесі SLE протягом кількох днів з точністю до мікрометра. Нові фарадейські ізолятори є ключовою технологією для подальшої мініатюризації», впевнені Борзек і Ракерседер. HiPEQ зробила важливі внески в міцність, універсальність і зменшення зусиль на налаштування лазерів для квантово-технологічних застосувань.
Контакт:
