Du puce laser au système – Institut Ferdinand-Braun à la Laser World of Photonics

Module de lumière quantique pour la tomographie par cohérence optique (OCT) ou les mesures par spectroscopie dans la gamme MIR avec « photons non détectés ». © FBH/Schurian.com / Module de lumière quantique pour la tomographie par cohérence optique (OCT) ou mesures par spectroscopie dans la gamme MIR avec « photons non détectés ». © FBH/Schurian.com

Conducteur laser nanoseconde à haute intensité avec diode laser à guide d'ondes en crête intégrée pour applications LiDAR. © FBH/P. Immerz

Lors du salon professionnel de Munich, l'Institut Ferdinand-Braun démontre une nouvelle fois son expertise complète dans le domaine des diodes laser – de la conception et du développement de puces jusqu'aux modules prêts à l'emploi et prototypes. Plus de 20 conférences lors de la conférence CLEO Europe (23 - 27.06.2025) offrent un aperçu approfondi des résultats actuels de la recherche et du développement.

Une fois de plus, l'Institut Ferdinand-Braun, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), présente son large éventail de performances en photonique lors du salon Laser World of Photonics à Munich du 24 au 27 juin 2025. Sur le stand commun de Berlin-Brandenburg, Halle A2.117, le FBH expose des puces laser semi-conductrices sur mesure, des diodes laser et des modules pour des applications dans l'espace, la communication, la technologie médicale, le traitement des matériaux et les technologies quantiques. L'institut berlinois présente des modules innovants de lumière quantique et LiDAR, ainsi que le système laser à diode direct performant « Samba » pour la fabrication additive. Il sera également question de l'utilisation de céramique technique imprimée en 3D dans des systèmes de capteurs quantiques compacts, qui seront prochainement utilisés dans l'espace.

Des composants clés sélectionnés pour les technologies quantiques seront également présentés par le FBH parallèlement à la conférence World of Quantum, Halle A1.240, sur le stand de la Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD).

Sources de lumière quantique – photons intriqués pour la médecine et les sciences de la vie

L'Institut Ferdinand-Braun a développé des sources de lumière quantique qui peuvent être utilisées en médecine pour le diagnostic précoce du cancer. Pour l'imagerie hyperspectrale, qui examine des échantillons de tissus, le FBH utilise des lasers à diode haute puissance uniques, émettant à une longueur d'onde de 720 nm. Dans un cristal non linéaire, des paires de photons intriqués dans le proche infrarouge moyen et proche infrarouge (MIR et NIR) sont générées, puis mises en interference et utilisées pour l'imagerie. Grâce à la méthode innovante « Mesure par photons non détectés », l'échantillon est sondé avec les photons MIR, et les informations de mesure sont obtenues par détection des photons NIR. Dans cette imagerie quantique, une image est créée uniquement avec les photons qui n'interagissent pas avec l'objet. Cela permet un diagnostic dans la gamme NIR moins coûteuse et ne nécessite pas de sources lumineuses ou de systèmes de capteurs coûteux, avec une efficacité moindre dans la gamme MIR. Par rapport aux solutions existantes, les systèmes développés dans le cadre du projet QEED, financé par le BMFTR, réduisent significativement le temps de mesure, contribuant ainsi à un diagnostic rapide du cancer.

Sources laser pulsées à haute puissance pour le ToF-LiDAR

Le FBH présente des lasers à diode stabilisés par réseau avec plusieurs zones actives, conçus pour le fonctionnement en impulsions nanosecondes dans des systèmes LiDAR Time-of-Flight (ToF). Ceux-ci sont par exemple utilisés pour la mesure de distance dans le secteur automobile. Des lasers à guide d'ondes en crête, conçus pour le balayage dans la gamme moyenne à haute puissance avec une bonne qualité de faisceau latéral, délivrent plus de 20 W de puissance de sortie et un rapport de propagation du faisceau latéral M² de seulement 3. Le laser à diode à large bande, quant à lui, réalisé par le FBH avec une largeur de bande de 200 µm et une puissance de pulsation allant jusqu'à 420 W, permet de maximiser la puissance de sortie pour le balayage à grande portée. Pour augmenter la portée de balayage, 48 barres de lasers à 50 µm de large ont été développées, permettant une puissance de pulsation supérieure à 2000 W. Le laser peut être intégré dans un boîtier Butterfly hermétique avec une électronique de pilotage spécialement développée, des micro-optiques et un contrôle thermique. Avec un démonstrateur Plug-and-Play, il est possible de gérer facilement la température et de connecter électriquement les modules Butterfly via une interface graphique contrôlée par PC. Une seule alimentation CC suffit pour le fonctionnement.

Laser à diode haute puissance pour la fusion laser, la fabrication additive et le Power Beaming

Les lasers à diode haute puissance du FBH sont des composants clés qui rendent possibles diverses applications. Parmi celles-ci, la production d'énergie par fusion inertielle (IFE), la fabrication additive (AM) et le Power Beaming spatial – la transmission efficace d'énergie sans fil sur de longues distances par rayonnement électromagnétique dirigé. Le potentiel de ces composants laser pour les applications futures est illustré par l'institut dans trois conférences lors de la CLEO Europe. Par exemple, le stand du FBH présente son système laser direct SAMBA avec une puissance de kilowatts pour la fabrication additive d'aluminium. Le prototype est déjà largement testé par les partenaires du projet Photon Laser Manufacturing et SKDK. De plus, le FBH présente des résultats issus de la démonstration de lasers à mode unique pour le Power Beaming spatial, réalisés en collaboration avec l'Université de Glasgow. Le coordinateur du projet, TRUMPF, présente le développement de pompes laser puissants pour de futurs systèmes IFE, pour lesquels le FBH développera et fournira des barres laser multi-junction stabilisées par réseau, d'une puissance de kilowatts.

Impression 3D de céramique pour des capteurs quantiques compacts et robustes

Le FBH dispose d'une infrastructure performante pour l'impression 3D de matériaux variés pour des applications exigeantes. Une équipe du FBH rapporte l'utilisation pour la première fois de céramique technique imprimée en 3D basée sur la lithographie (alumine) dans des systèmes de capteurs quantiques compacts. Cette technologie innovante permet de fabriquer des composants complexes pour des systèmes miniaturisés avec une excellente stabilité mécanique et un poids léger. Des cycles de production courts permettent un développement agile et une fabrication évolutive. Une fonctionnalisation supplémentaire par optimisation topologique ainsi que la métallisation directe des surfaces et l'impression 3D d'autres matériaux (zircone, nitrure d'aluminium) sont prévues. La méthode d'impression a permis de réaliser une référence de fréquence optique basée sur la spectroscopie laser du rubidium. Les composants optiques ont été positionnés par micro-integration hybride de haute précision sur les substrats en céramique imprimés, puis intégrés dans un système robuste. Ce dernier est idéal pour la stabilisation laser dans les applications en technologie quantique. Par ailleurs, le volume (7 ml) et la masse (15 g) ont été considérablement réduits par rapport aux configurations de laboratoire. Associé aux systèmes optiques ultra-stables et miniaturisés développés également à l'institut pour la manipulation d'atomes, cette approche ouvre la voie à des capteurs quantiques robustes et mobiles.

Savoir-faire unique en technologie et développement de puces

Le FBH figure parmi les principaux centres de recherche internationaux dans le domaine de la conception et de la fabrication de puces laser à base de gallium arsenide (GaAs). Lors de deux conférences, l'institut présente ses résultats de recherche actuels dans le domaine de l'intégration photonique. Cela inclut une nouvelle plateforme de circuits photonique intégrée (PIC) à base de GaAs avec amplification sur puce ainsi que des guides d'ondes passifs, plats et profonds. Elle constitue la base pour des lasers couplés à résonateurs en anneau, émettant jusqu'à 14 mW à une longueur d'onde d'environ 1050 nm. Par ailleurs, le FBH présente des puces amplificatrices GaAs, intégrables de manière hétérogène sur des plateformes passives en nitrure de silicium par transfert d'impression, avec une longueur d'onde d'émission de 890 nm. Ces résultats seront également intégrés à la future ligne pilote APECS, mise en œuvre par la Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) dans le cadre du EU Chips Act. Au sein du FBH, des puces laser et amplificatrices à base de GaAs seront intégrées sur des plateformes passives en nitrure de silicium.