Im Verbundprojekt HiPEQ hat ein Konsortium – darunter TOPTICA und Laserline – neue laserbasierte Ansätze entwickelt, um miniaturisierte robuste Strahlquellen für Quantentechnologieanwendungen zu realisieren. Unter anderem gelang es mithilfe von Lasern neuartige Isolator-Kristalle zu züchten. Das mit 6,2 Millionen Euro vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderte Projekt wurde 2025 abgeschlossen.
Noch sind Strahlquellen für Quantentechnologie-Anwendungen oft komplex, groß und zu wenig robust für den Einsatz im Feld. Dafür bedarf es miniaturisierter und möglichst flexibel einsetzbarer Systeme. Eine solche Strahlquelle hat „HiPEQ – Hochintegrierte PIC-basierte ECDLs für die Quantentechnologie“ entwickelt.
Koordiniert vom späteren Systemintegrator TOPTICA hat ein Konsortium aus Industrie und Forschung Demonstratoren von zwei miniaturisierten Strahlquellen aufgebaut. Bei nur 22 × 9 × 6 cm³ Außenmaß bieten sie Raum für alle Systemkomponenten. Das Konzept ist zudem auf andere Wellenlängen erweiterbar. Sie sind also in einem breiten Spektrum an quantentechnologischen Anwendungen einsetzbar.
Das Fraunhofer ILT konnte im Projekt maßgeblich zur erfolgreichen Zucht bisher nicht verfügbarer Kristalle für neuartige Faraday-Isolatoren beitragen. In einem zweiten Arbeitspaket haben die Aachener ein gläsernes Packaging-Modul mit µm-genauen Halterungen für wichtige Systemkomponenten und für die Faserkopplung realisiert.
Die Lasersysteme basieren auf photonisch integrierten Schaltkreisen (PICs), Lichtleitern, einer Faserkopplung und einem optischen Isolator, der Rückreflexe der Strahlung in den Laser abschirmt. Diese Schlüsselkomponente basiert auf speziellen Kristallen, die den magnetooptischen Faraday-Effekt zeigen: Wird ein Magnetfeld angelegt, dreht sich im Kristall die Polarisationsebene einfallender Lichtwellen. Durch diese Faraday-Rotation kann reflektiertes Licht – wenn überhaupt – dann nur extrem gedämpft zur Strahlquelle zurückgelangen. Auf diese Weise wenden Isolatoren Schäden ab und sorgen für jene Schmalbandigkeit der Laser, die für Quantentechnologieanwendungen essenziell ist. Bisher basieren Faraday-Isolatoren meist auf Terbium-Gallium-Granat (TGG), das bei sichtbarem und nah-infrarotem Licht eine hohe Verdet-Konstante aufweist; diese gibt die Stärke des Faraday-Effekts an. „TGG-Isolatoren haben üblicherweise eine Länge von etwa 25 Millimetern“, berichtet Florian Rackerseder, der Projektverantwortliche des Fraunhofer ILT. Für die Miniaturisierung seien Kristalle mit höherer Verdet-Konstante gefragt, die die Abschirmung auf weniger Bauraum leisten. Diese Kristalle für Faraday-Isolatoren habe man im HiPEQ-Projekt gezüchtet und erprobt.
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Die Wahl fiel auf ein Material basierend auf dem in der Natur nicht vorkommenden Terbium(III)-Oxid (Tb2O3). Es hat eine dreimal höhere Verdet-Konstante als TGG und ist besonders für Laser im blauen Wellenlängenbereich geeignet, für die es bisher kein geeignetes Material gab.
„Tb2O3 monokristallin zu züchten, ist eine Herausforderung“, erläutert der Experte, „weil bei Schmelztemperaturen jenseits von 2.500 °C präzise Temperaturgradienten beim Übergang in die stabile Phase einzuhalten sind“. Gemeint ist der Übergang vom geschmolzenen keramischen Ausgangsmaterial zum Tb2O3-Kristall. Die Abkühlraten sind entscheidend für die Qualität des Kristalls; der Prozess ist derart sensibel, dass es mit konventionellen Methoden der Kristallzucht bisher nie gelang, Tb2O3 in der für Isolatoren erforderlichen Größe und Qualität herzustellen. Um die kubische Phase, in der das Material gezüchtet wird, zu stabilisieren, und dadurch den Züchtungsprozess zu vereinfachen, wurde eine Co-Dotierung mit Lutetiumoxid (Lu2O3) eingesetzt.
In einem HiPEQ-Teilprojekt haben SurfaceNet, Laserline und das Fraunhofer ILT eine neue Anlage entwickelt und realisiert, in der (TbxLu1-x)2O3-Isolator-Kristalle im so genannten laserbasierten optischen Floating-Zone-Verfahren (LOFZ) heranwachsen. Der Übergang von der geschmolzenen Keramik zum Kristall findet am Rand der Floating-Zone statt, auf die rundum vier Bearbeitungsoptiken gerichtet sind. Diese lenken die Strahlung von vier Diodenlasern mit je 3 kW maximaler optischer Leistung auf den keramischen Nährstab und schmelzen ihn zum Einkristall um.
Die neuen Isolator-Kristalle hat das HiPEQ-Konsortium in einem weiteren Teilprojekt in modulare miniaturisierte Strahlquellen integriert. Auch hierzu hat das Fraunhofer ILT maßgeblich beigetragen. Es hat einen individuell an verschiedene Systemauslegungen adaptierbaren Faser-Chip-Koppler konstruiert und diesen aus Glas gefertigt. Die nötige Flexibilität und Präzision erreichte das Team mithilfe des Selektiven Laser-induzierten Ätzens (SLE): Ein Laser belichtet Mikrostrukturen in Glas, die sich danach präzise herausätzen lassen. Das ermöglicht es, komplex geformte Hohlräume im Innern von Glas zu realisieren. In dem Projekt war diese individuelle Formgebung des SLE-Verfahrens der Schlüssel dazu, beide Strahlquellen mit Wellenlängen von 461 nm (blau) und 637 nm (rot) jeweils monolithisch fertigen zu können, obwohl Komponenten unterschiedlicher Abmessungen darin verbaut sind. Der Faraday-Isolator ist ebenso passgenau integriert, wie die flexibel für die jeweiligen Faserdurchmesser auslegbare Schnittstelle vom PIC zu den Lichtleitern samt Ein- und Auskopplungsoptiken und Strahlteilern. Der SLE-Prozess gewährleistet die µm-genaue Einpassung der jeweils unterschiedlichen Module beider Demonstratoren. [FhILT / dre]
Anbieter
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILTSteinbachstraße 15
52074 Aachen
Deutschland
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