Dal chip laser al sistema – Ferdinand-Braun-Institut alla Laser World of Photonics

Modulo di luce quantistica per la tomografia a coerenza ottica (OCT) o misure spettroscopiche nell'intervallo MIR con «fotoni non rilevati». © FBH/Schurian.com / Modulo di luce quantistica per la tomografia a coerenza ottica (OCT) o misure spettroscopiche nell'intervallo MIR con «fotoni non rilevati». © FBH/Schurian.com

Driver laser a nanosecondi ad alta corrente con diodo laser a guida d'onda a cresta integrata per applicazioni LiDAR. © FBH/P. Immerz

Alla fiera di Monaco, l'Istituto Ferdinand-Braun dimostra ancora una volta la sua ampia esperienza nel settore dei diodi laser – dalla progettazione e sviluppo dei chip fino ai moduli pronti all'uso e ai prototipi. Oltre 20 relazioni alla conferenza CLEO Europe (23 - 27.06.2025) offrono approfondimenti sui risultati attuali di ricerca e sviluppo.

Ancora una volta, l'Istituto Ferdinand-Braun, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), presenta il suo ampio spettro di prestazioni fotoniche alla Laser World of Photonics di Monaco dal 24 al 27 giugno 2025. Al padiglione congiunto di Berlino-Brandenburg, Hall A2.117, il FBH mostra chip laser a semiconduttore su misura, diodi laser e moduli per applicazioni nello spazio, nelle comunicazioni, nella tecnologia medica, nella lavorazione dei materiali e nelle tecnologie quantistiche. L'istituto berlinese presenta nuovi moduli di luce quantistica e LiDAR, oltre al potente sistema di diodi laser a emissione diretta "Samba" per la produzione additiva. Viene anche illustrato l'uso di ceramiche tecniche stampate in 3D in sistemi di sensori quantistici compatti, destinati a essere utilizzati in futuro nello spazio.

Componenti chiave selezionati per le tecnologie quantistiche vengono presentati parallelamente all'evento World of Quantum, Hall A1.240, presso lo stand della Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD).

Sorgenti di luce quantistica – fotoni entangled per la medicina e le scienze della vita

L'Istituto Ferdinand-Braun ha sviluppato sorgenti di luce quantistica che possono essere utilizzate in medicina per la diagnosi precoce del cancro. Per l'imaging iperspettroscopico, che analizza campioni di tessuto, utilizza laser a diodi ad alte prestazioni unici, che emettono a una lunghezza d'onda di 720 nm. In un cristallo non lineare vengono generati coppie di fotoni entangled nel medio e vicino infrarosso (MIR e NIR), che vengono portati all'interferenza e utilizzati per l'imaging. Tramite la innovativa tecnica "Misurazione con fotoni non rilevati", il campione viene sondato con i fotoni MIR, mentre le informazioni di misura vengono ottenute rilevando i fotoni NIR. In questa tecnica di imaging quantistico, si crea un'immagine solo con i fotoni che non interagiscono con l'oggetto. Ciò consente diagnosi nel più economico intervallo NIR e richiede meno costosi sistemi di sorgenti di luce e sensori, con minore efficienza nel range MIR. Rispetto alle soluzioni esistenti, i sistemi sviluppati nel progetto QEED, finanziato dal BMFTR, riducono significativamente i tempi di misurazione e contribuiscono in modo importante alla diagnosi rapida del cancro.

Sorgenti laser pulsate ad alta potenza di nanosecondi per ToF-LiDAR

L'FBH presenta laser a diodi stabilizzati a reticolo con più zone attive, sviluppati per il funzionamento a impulsi di nanosecondi in sistemi ToF-LiDAR. Questi vengono utilizzati, ad esempio, per la misurazione della distanza nel settore automobilistico. Laser a onde ripide, progettati per la scansione nel medio intervallo con alte prestazioni e buona qualità del raggio laterale, forniscono più di 20 W di potenza in uscita e un rapporto di propagazione del raggio laterale M² di appena 3. L'FBH realizza invece laser a diodi a banda larga con larghezza di striscia fino a 200 µm e potenza di impulso fino a 420 W. Ciò permette di massimizzare la potenza di uscita per scansioni a lunga distanza. Per aumentare la portata della scansione, sono stati sviluppati barrette di laser con 48 emettitori e larghezza di striscia di 50 µm, che consentono una potenza di impulso superiore a 2000 W. Il laser può essere integrato in un involucro butterfly sigillabile, insieme a elettronica di pilotaggio, micro-ottiche e controllo termico, in modo semplice e rapido. Con un dimostratore plug-and-play, è possibile gestire facilmente il raffreddamento e collegare elettricamente i moduli butterfly tramite un'interfaccia grafica controllata da PC. Per il funzionamento è sufficiente una sola alimentazione CC.

Laser a diodi ad alte prestazioni per fusione laser, produzione additiva e Power Beaming

I laser a diodi ad alte prestazioni dell'FBH sono componenti chiave che rendono possibili molte applicazioni. Tra queste, la produzione di energia tramite fusione inerziale (IFE), la produzione additiva (AM) e il Power Beaming spaziale – il trasferimento di energia senza fili efficiente su lunghe distanze tramite raggi elettromagnetici direzionati. Il potenziale di questi laser per applicazioni future viene illustrato dall'istituto in tre relazioni alla CLEO Europe. Ad esempio, lo stand presenta il sistema laser diretto SAMBA con potenze di kilowatt per la produzione additiva di alluminio. Il prototipo è già sottoposto a test approfonditi presso i partner del progetto, Photon Laser Manufacturing e SKDK. Inoltre, vengono presentati risultati sulla dimostrazione di laser a singolo modo per il Power Beaming spaziale, sviluppati in collaborazione con l'Università di Glasgow. Il coordinatore del progetto, TRUMPF, illustra lo sviluppo di potenti laser a pompa per futuri sistemi IFE, per i quali l'FBH svilupperà e fornirà barre di laser a giunzione multipla, stabilizzate a reticolo, di potenza kilowatt.

Stampa 3D di ceramiche per sensori quantistici compatti e robusti

L'FBH dispone di un'infrastruttura avanzata per la stampa 3D di materiali diversi, destinata a applicazioni complesse. Un team dell'FBH riferisce dell'uso per la prima volta di ceramiche tecniche litografate in 3D (ossido di alluminio) in sistemi di sensori quantistici compatti. La tecnologia innovativa permette di realizzare componenti complessi per sistemi miniaturizzati con elevata stabilità meccanica e peso ridotto. Cicli di produzione brevi consentono uno sviluppo agile e una produzione scalabile. È prevista anche una funzionalizzazione tramite ottimizzazione topologica e metallizzazione diretta delle superfici, oltre alla stampa 3D di altri materiali come ossido di zirconio e nitruro di alluminio. Con questa tecnologia di stampa è stata realizzata una referenza di frequenza ottica basata sulla spettroscopia laser di rubidio. Le componenti ottiche sono state posizionate tramite micro-integrazione ibrida ad alta precisione sui substrati ceramici stampati, formando un sistema robusto. Questo sistema è ideale per la stabilizzazione dei laser in applicazioni di tecnologia quantistica. Allo stesso tempo, volume (7 ml) e massa (15 g) sono stati notevolmente ridotti rispetto a configurazioni di laboratorio. In combinazione con sistemi ottici ultra-stabili e miniaturizzati sviluppati dall'istituto per la manipolazione degli atomi, questa soluzione apre la strada a sensori quantistici robusti e mobili.

Know-how unico nella tecnologia e nello sviluppo di chip

L'FBH è tra le principali istituzioni di ricerca internazionali nel campo della progettazione e produzione di chip diodi laser a base di arsenide di gallio (GaAs). In due relazioni, l'istituto presenta risultati di ricerca attuali nel settore dell'integrazione fotonica. Tra queste, una piattaforma innovativa di circuiti fotonici integrati (PIC) a base di GaAs con amplificazione on-chip e guide d'onda passive, a piano e a profondità. Questa fornisce la base per laser accoppiati a risonatore ad anello, che emettono fino a 14 mW a una lunghezza d'onda di circa 1050 nm. Inoltre, l'FBH presenta chiplet di amplificatori GaAs integrabili in modo eterogeno, tramite transfer printing, su piattaforme di guide d'onda passive, con lunghezza d'onda di emissione di 890 nm. Questi risultati saranno integrati anche nella linea pilota APECS, implementata dalla Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) nell'ambito del EU Chips Act. All'FBH, si prevede di integrare chiplet di laser e amplificatori a base di GaAs su piattaforme di guide d'onda in silicio nitrato passive.