17 Juni Faser-PIC-Verbindungen für Quantentechnologien
Ein klebstofffreies Laserschweißverfahren zur Kopplung photonisch integrierter Schaltkreise (PICs) mit optischen Glasfasern haben Forschende am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM realisiert. Die Kopplung soll sich auch in kryogenen Umgebungen von bis zu vier Kelvin, also -269.15 °C, einsetzen lassen.
Im Rahmen des Forschungsprojekts QWeld entwickelten die Forschenden das Laserschweißverfahren für vertikale, optische Verbindungen unter Verwendung des Prozessanlageprototypen PICWeld, der bereits in einem vorangegangenen Forschungsprojekt aufgebaut und installiert wurde. Mit der Anlage konnte man nach Aussage der Entwicklerinnen und Entwicklern das erste Mal überhaupt eine direkte Kantenverbindung zwischen einer Glasfaser und einem PIC aus Quarzglas mithilfe des Laserschweißens erreichen. Die Langlebigkeit und thermische Robustheit soll einen klaren Vorteil gegenüber der konventionellen Verbindungsmethode mittels Klebstoffen bieten.
Anpassungen an hohe Prozessanforderungen
Eine Besonderheit ist die vertikale Kopplung der Faser mit dem PIC, die üblicherweise mit einem spezifischen Anstellwinkel erfolgt. Beim Schweißen trifft der Laser beidseitig auf die Kontaktstelle zwischen dem PIC und der Glasfaser und erzeugt die stoffschlüssige Verbindung innerhalb weniger Sekunden. Damit lässt sich mit diesem Fertigungsverfahren signifikant Zeit sparen. Die veränderten Randbedingungen, vor allem die SiO2-SiO2-Materialpaarung und hohen Präzisionsanforderungen bei der Ausrichtung zueinander, haben eine tiefgreifende Weiterentwicklung des Prozesses und der zugehörigen Anlage erfordert. Es wurde laut den Forschenden eine lokale Vorheizung, erweiterte Ausrichtmöglichkeiten sowie Messtechnik integriert. Die Schweißverbindung ist nun langlebig, reproduzierbar und automatisierbar, beispielsweise für die Serienfertigung von PICs.
Projektkoordinatorin und Wissenschaftlerin am Fraunhofer IZM Dr. Alethea Vanessa Zamora Gómez fasst zusammen: „Im neu entwickelten Laserschweißprozess wird mit einem CO2-Laser ein gewisser Bereich der SiO2-Schicht des PIC vorgewärmt, um den Temperaturunterschied zwischen Faser und PIC beim Verschweißen zu minimieren. Dieses Vorwärmverfahren verspricht alle derzeitigen Herausforderungen der Faseranbindung für PICs bei kryogenen Temperaturen zu lösen. Dank der Verwendung von CO2-Lasern ist der automatisierte Prozess günstig und zuverlässig in der Herstellung, was ihn attraktiv für die Anwendung in der Industrie macht.“ Darüber hinaus soll sich Technologie für weitere Anwendungen wie in der Biophotonik, Sensorik und bei Hochleistungslasern eignen.
Projektfinanzierung
Das Projekt QWeld wurde durch die Fördermaßnahme ‚Wissenschaftliche Vorprojekte (WiVoPro): Photonik und Quantentechnologien‘ zu 100 % durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Im Programm ‚Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt‘ lief das Projekt QWeld vom 01.08.2022 bis 31.12.2024. Die Projektkoordination lag bei Dr. Alethea Vanessa Zamora Gómez vom Fraunhofer IZM.
Quelle und Bild: www.izm.fraunhofer.de