Van de laserchip tot het systeem – Ferdinand-Braun-Institut op de Laser World of Photonics

Quantumlichtmodul für die Optische Kohärenztomographie (OCT) oder Spektroskopiemessungen im MIR-Bereich mittels „nicht detektierter Photonen“. © FBH/Schurian.com / Quantumlichtmodul für die optische Kohärenztomographie (OCT) oder Spektroskopiemessungen im MIR-Bereich mit „nicht detektierten Photonen“. © FBH/Schurian.com

Hoge stroom nanoseconde laser driver met geïntegreerde ribbenwaveguide laser diode voor LiDAR-toepassingen. © FBH/P. Immerz / High current nanosecond laser driver with integrated ridge-waveguide laser diode for LiDAR applications. © FBH/P. Immerz

Op de Münchner vakbeurs demonstreert het Ferdinand-Braun-Institut opnieuw zijn uitgebreide expertise op het gebied van diodelasers – van ontwerp en chipontwikkeling tot inzetklare modules en prototypes. Meer dan 20 lezingen op de begeleidende CLEO Europe-conferentie (23. - 27.06.2025) bieden diepgaande inzichten in actuele onderzoeks- en ontwikkelingsresultaten.

Opnieuw presenteert het Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) op de Laser World of Photonics in München van 24. - 27. juni 2025 zijn uitgebreide fotonicaprestaties. Aan de gezamenlijke stand van Berlijn-Brandenburg, Hal A2.117, toont het FBH op maat gemaakte halfgeleider-laserchips, diodelasers en modules voor toepassingen in de ruimtevaart, communicatie, medische technologie, materiaalkunde en kwantumtechnologieën. Het Berlijnse instituut presenteert nieuwe quantumlicht- en LiDAR-modules, evenals het krachtige direct-diodelasersysteem "Samba" voor de additieve productie. Daarnaast wordt de toepassing van 3D-geprinte technische keramiek in compacte kwantumsensoren getoond, die in de toekomst in de ruimte zullen worden ingezet.

Geselecteerde kerncomponenten voor kwantumtechnologieën worden parallel gepresenteerd door het FBH op de World of Quantum in Hal A1.240, op de stand van de Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD).

Kwantumlichtbronnen – verscherpte fotonen voor geneeskunde en life sciences

Het Ferdinand-Braun-Institut heeft kwantumlichtbronnen ontwikkeld die in de geneeskunde kunnen worden ingezet voor vroege diagnose van kanker. Voor hyperspectrale beeldvorming, waarmee weefselmonsters worden onderzocht, gebruikt het FBH unieke hoogvermogen diodelasers die bij een golflengte van 720 nm uitzenden. In een niet-lineair kristal worden verscherpte fotonenparen in het midden- en nabij-infrarood (MIR en NIR) geproduceerd, die worden gebracht voor interferentie en voor beeldvorming worden gebruikt. Door de innovatieve methode "meting met niet-gedetecteerde fotonen" wordt het monster gescand met de MIR-fotonen, terwijl de meetinformatie wordt verkregen door detectie van de NIR-fotonen. Bij deze zogenaamde kwantumbeeldvorming wordt een afbeelding alleen met de fotonen gegenereerd die niet met het object interageren. Dit maakt diagnose in het kosteneffectievere NIR-gebied mogelijk en vereist geen dure lichtbronnen en sensorsystemen met lagere efficiëntie in het MIR-gebied. In vergelijking met bestaande oplossingen verkorten de in het BMFTR-ondersteunde QEED-project ontwikkelde systemen de meettijden aanzienlijk en leveren zo een belangrijke bijdrage aan snelle kankerdiagnostiek.

Krachtige gepulseerde nanoseconden-lasersystemen voor ToF-LiDAR

Het FBH presenteert gittergestabiliseerde diodelasers met meerdere actieve gebieden, ontwikkeld voor nanoseconden-pulsgebruik in Time-of-Flight (ToF)-LiDAR-systemen. Deze worden bijvoorbeeld gebruikt voor afstandsmeting in de automotive sector. Ribbel-waveguidelaser, ontworpen voor scannen in het middenbereik bij hoge vermogens en goede laterale straalkwaliteit, levert meer dan 20 W uitgangsvermogen en een M² van slechts 3. Het breedbandige diodelasersysteem wordt gerealiseerd met een strookbreedte tot 200 µm en een pulsvvermogen tot 420 W. Hiermee kan het uitgangsvermogen voor scans met grote reikwijdte worden gemaximaliseerd. Om de scanreikwijdte te vergroten, zijn 48-emitter-laserbarren ontwikkeld met een strookbreedte van 50 µm, die een pulsvvermogen van meer dan 2000 W mogelijk maken. De laser kan samen met een speciaal ontwikkelde driver-elektronica, micro-optieken en thermische regeling in een afsluitbare Butterfly-behuizing worden geïntegreerd. Met een plug-and-play-demonstrator is eenvoudig thermisch beheer en elektrische aansluiting van de Butterfly-modules mogelijk via een door PC bestuurde grafische gebruikersinterface. Voor gebruik is slechts één DC-voeding nodig.

High-performance diodelasers voor laserfusie, additieve productie en Power Beaming

High-performance diodelasers van het FBH zijn sleutelcomponenten die verschillende toepassingen mogelijk maken. Daartoe behoren onder andere energieopwekking door inertiële fusie (IFE), de additieve productie (AM) en ruimtegebaseerde Power Beaming – de efficiënte draadloze energieoverdracht over grotere afstanden via gerichte elektromagnetische straling. Het potentieel van deze lasercomponenten voor toekomstige toepassingen wordt door het instituut in drie lezingen op CLEO Europe bevestigd. Als voorbeeld presenteert het FBH op de stand zijn SAMBA-directlasersysteem met kilowatt-uitgangsvermogen voor de additieve productie van aluminium. De prototype wordt al uitgebreid getest bij de projectpartners Photon Laser Manufacturing en SKDK. Daarnaast presenteert het FBH resultaten uit de demonstratie van single-mode diodelasersystemen voor ruimtegebaseerde Power Beaming, ontwikkeld in samenwerking met de Universiteit van Glasgow. De projectcoördinator TRUMPF presenteert de ontwikkeling van krachtige pumplasers voor toekomstige IFE-systemen, waarvoor het FBH efficiënte, gittergestabiliseerde multi-junction diodelasersbarren van kilowatt-klasse zal ontwikkelen en leveren.

3D-printen van keramiek voor compacte en robuuste kwantumsensoren

Het FBH beschikt over een krachtige infrastructuur voor 3D-printen van diverse materialen voor veeleisende toepassingen. Een team van het FBH rapporteert nu over het eerste gebruik van lithografie-gebaseerde 3D-geprinte technische keramiek (aluminiumoxide) in compacte kwantumsensoren. De innovatieve technologie maakt het mogelijk om complexe onderdelen te produceren voor miniaturiseerde systemen met uitstekende mechanische stabiliteit en laag gewicht. Korte productcycli maken agile ontwikkeling en schaalbare productie mogelijk. Verdere functionalisering door topologische optimalisatie en directe metallisering van oppervlakken, evenals 3D-printen van andere materialen (zirkoniumoxide, aluminiumnitride), is gepland. Met de printtechnologie is een optische frequentiereferentie gerealiseerd op basis van rubidium-laserspectroscopie. De optische componenten werden met behulp van hoogprecisie hybride micro-integratie op de geprinte keramische substraten geplaatst en vervolgens samengevoegd tot een robuust totaal systeem. Dit is ideaal voor laserstabilisatie in kwantumtechnologische toepassingen. Tegelijkertijd konden het volume (7 ml) en het gewicht (15 g) aanzienlijk worden verminderd ten opzichte van laboratoriumopstellingen. In combinatie met de door het instituut ontwikkelde ultra-stabiele, miniatuur optische systemen voor atoommanipulatie opent deze aanpak de weg naar robuuste en mobiele kwantumsensoren.

Uniek knowhow in chiptechnologie en -ontwikkeling

Het FBH behoort tot de toonaangevende internationale onderzoeksinstellingen op het gebied van chipontwerp en -fabricage van diodelasers op Galliumarsenide (GaAs). In twee lezingen presenteert het instituut actuele onderzoeksresultaten op het gebied van fotonische integratie. Daartoe behoort een nieuwe GaAs-gebaseerde fotonicisch geïntegreerde schakelingen (PIC)-platform met on-chip versterking en passieve, vlak- en diepte-geëtste waveguides. Deze vormen de basis voor ringresonator-gekoppelde lasers die tot 14 mW bij een golflengte van ongeveer 1050 nm uitzenden. Daarnaast presenteert het FBH heterogeen geïntegreerde GaAs-versterker-chiplets die via transferdruk op passieve waveguide-platformen kunnen worden aangebracht, met een emissiegolflengte van 890 nm. Deze resultaten worden door het FBH in de toekomst ook meegenomen in de APECS-pilootlijn, die wordt geïmplementeerd door de Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) in het kader van de EU Chips Act. Bij het FBH worden GaAs-gebaseerde lasers en versterker-chiplets geïntegreerd op passieve siliciumnitride-waveguide-platformen.