Od laserového čipu po systém – Ferdinand-Braun-Institut na Laser World of Photonics

Modul kvantového světla pro optickou koherentní tomografii (OCT) nebo spektrální měření v oblasti MIR pomocí „neodhalených fotonů“. © FBH/Schurian.com / Modul kvantového světla pro optickou koherentní tomografii (OCT) nebo spektrální měření v oblasti MIR s „neodhalenými fotony“. © FBH/Schurian.com

Vysoce proudový nanosekundový laserový řadič s integrovanou laserovou diodou s rýhovaným vlnovodem pro aplikace LiDAR. © FBH/P. Immerz

Na veletrhu v Mnichově opět představí Ferdinand-Braun-Institut své komplexní odborné znalosti v oblasti diodových laserů – od návrhu a vývoje čipů až po hotové moduly a prototypy. Více než 20 přednášek na doprovodné konferenci CLEO Europe (23. - 27.06.2025) poskytne hlubší pohled na aktuální výsledky výzkumu a vývoje.

Opět představí Ferdinand-Braun-Institut, Leibnizův institut pro vysokofrekvenční techniku (FBH), na veletrhu Laser World of Photonics v Mnichově od 24. do 27. června 2025 své komplexní spektrum fotonických výkonů. Na společném stánku v Berlíně-Braniborsku, hala A2.117, ukáže FBH na míru navržené polovodičové laserové čipy, diodové lasery a moduly pro použití ve vesmíru, komunikaci, medicíně, zpracování materiálů a kvantové technologie. Berlínský institut představí nové kvantové světelné a LiDAR moduly, stejně jako výkonný přímý diodový laserový systém „Samba“ pro aditivní výrobu. Představí se také použití 3D tištěné technické keramiky v kompaktních kvantových senzorech, které mají být v budoucnu použity ve vesmíru.

Vybrané klíčové komponenty pro kvantové technologie představí FBH současně na veletrhu World of Quantum v hale A1.240 na stánku Výzkumné továrny mikroelektroniky Německa (FMD).

Kvantové světelné zdroje – zúžené fotony pro medicínu a vědy o životě

Ferdinand-Braun-Institut vyvinulo kvantové světelné zdroje, které mohou být využity v medicíně pro včasnou diagnostiku rakoviny. Pro hyperspektrální zobrazování, při němž jsou zkoumány vzorky tkání, používá FBH jedinečné vysoce výkonné diodové lasery emitující při vlnové délce 720 nm. V nelineárním krystalu jsou generovány zúžené fotonové páry v středním a blízkém infračerveném spektru (MIR a NIR), které jsou uvedeny do interference a používány pro zobrazování. Prostřednictvím inovativní metody „měření pomocí nedetekovaných fotonů“ je vzorek prozkoumáván MIR fotony, zatímco měřicí informace jsou získávány detekcí NIR fotonů. V rámci takzvaného kvantového zobrazování je obraz vytvářen pouze z fotonů, které neinteragují s objektem. To umožňuje diagnostiku v nákladově efektivnějším NIR rozsahu a nevyžaduje drahé zdroje světla a senzory s nižší účinností v MIR oblasti. Ve srovnání se stávajícími řešeními systémy vyvinuté v rámci projektu QEED podporovaného BMFTR výrazně zkracují dobu měření a představují důležitý přínos pro rychlou diagnostiku rakoviny.

Výkonné pulzní nanosekundové laserové zdroje pro ToF-LiDAR

FBH představuje mřížkově stabilizované diodové lasery s několika aktivními oblastmi, které byly vyvinuty pro nanosekundový pulzní režim v systémech ToF-LiDAR. Tyto lasery se například používají pro měření vzdálenosti v automobilovém průmyslu. Vlnovodové lasery s žebrovými strukturami, navržené pro skenování ve středním rozsahu při vysokém výkonu a dobré laterální kvalitě paprsku, dodávají více než 20 W výstupního výkonu a poměr šířky paprsku M² pouze 3. Naopak, širokopásmové diodové lasery realizuje FBH s páskovou šířkou až 200 µm a pulzním výkonem až 420 W. To umožňuje maximalizovat výstupní výkon pro skenování na velké vzdálenosti. Pro zvýšení dosahu skenování byly vyvinuty laserové pásky s 48 emitery a šířkou pásku 50 µm, které umožňují pulzní výkon přes 2000 W. Laser může být integrovaný spolu s vyvinutou řídicí elektronikou, mikrooptikami a tepelným řízením do uzavíratelného butterfly pouzdra. Pomocí jednoduchého plug-and-play demonstrátoru je možné snadno řídit tepelné řízení a elektrické připojení butterfly modulů prostřednictvím počítačem řízeného grafického uživatelského rozhraní. Pro provoz je potřeba pouze jedna stejnosměrná napájecí zdroj.

Vysoce výkonné diodové lasery pro laserovou fúzi, aditivní výrobu a Power Beaming

Vysoce výkonné diodové lasery z FBH jsou klíčové komponenty, které umožňují různé aplikace. Patří mezi ně například získávání energie prostřednictvím inertní fúze (IFE), aditivní výroba (AM) a vesmírně podporované Power Beaming – efektivní bezdrátový přenos energie na větší vzdálenosti pomocí směrovaného elektromagnetického záření. Potenciál těchto laserových komponent pro budoucí aplikace dokládá institut ve třech přednáškách na CLEO Europe. Příkladně představí FBH na svém stánku svůj systém SAMBA přímých laserů s výkonem ve stovkách wattů pro aditivní výrobu hliníku. Tento prototyp je již podrobně testován u projektových partnerů Photon Laser Manufacturing a SKDK. Dále představí výsledky demonstrace jednoproudových laserů pro vesmírně podporované Power Beaming, které vznikly ve spolupráci s Univerzitou v Glasgow. Koordinátor projektu TRUMPF představí vývoj výkonných pumpovacích laserů pro budoucí systémy IFE, přičemž FBH bude vyvíjet a dodávat efektivní, mřížkově stabilizované multi-junction laserové pásky výkonové třídy ve stovkách wattů.

3D tisk keramiky pro kompaktní a odolné kvantové senzory

FBH disponuje výkonnou infrastrukturou pro 3D tisk různorodých materiálů pro náročné aplikace. Tým FBH nyní hlásí poprvé využití lithograficky založeného 3D tisku technické keramiky (oxid hlinitý) v kompaktních kvantových senzorech. Tato inovativní technologie umožňuje výrobu složitých součástí pro miniaturizované systémy s vynikající mechanickou stabilitou a nízkou hmotností. Krátké výrobní cykly umožňují agilní vývoj a škálovatelnou výrobu. Plánuje se další funkční rozšíření prostřednictvím topologické optimalizace a přímé metalizace povrchů, stejně jako tisk dalších materiálů (zirkonoxid, nitrid hlinitý). Pomocí této tiskové metody byla vytvořena optická frekvenční reference založená na spektroskopii rubidia. Optické komponenty byly pomocí vysoce přesné hybridní mikrointegrace umístěny na tištěné keramické substráty a následně sestaveny do odolného celkového systému. Tento systém je ideální pro stabilizaci laserů v kvantových technologiích. Současně bylo možné výrazně snížit objem (7 ml) a hmotnost (15 g) ve srovnání s laboratorními sestavami. Ve spojení s vyvinutými ultra-stabilními, miniaturizovanými optickými systémy pro manipulaci s atomy tento přístup otevírá cestu k odolným a přenosným kvantovým senzorům.

Unikátní know-how v oblasti čipové technologie a vývoje

FBH patří mezi přední mezinárodní výzkumné instituce v oblasti návrhu a výroby čipů diodových laserů na bázi gallium arzenidu (GaAs). Ve dvou přednáškách představí aktuální výzkumné výsledky v oblasti fotonické integrace. Patří sem například nová platforma fotonicky integrovaných obvodů (PIC) na bázi GaAs s on-chip zesilovačem a pasivními, plochými a hlubokými vlnovody. Tato platforma tvoří základ pro laserové zařízení s kruhovým rezonátorem, které emitují až 14 mW při vlnové délce přibližně 1050 nm. Dále FBH představí heterogenní, pomocí transfer tisku integrovatelné GaAs zesilovačové čipletové s vlnovou délkou emise 890 nm. Tyto výsledky plánuje institut v budoucnu využít také v pilotní linii APECS, kterou implementuje Výzkumná továrna mikroelektroniky Německa (FMD) v rámci EU Chips Act. Na FBH se počítá s integrací GaAs laserů a zesilovačových čipletů na pasivní platformy s křemíkovými nitridy.