2026年5月19日——在HiPEQ项目中，一个由工业界和研究机构组成的联合体开发了新型激光方法，旨在为量子技术制造小型化、坚固的光束源。该联合体还利用激光生长了新型光学绝缘晶体。该项目由德国联邦研究、技术与航天部（BMFTR）资助622万欧元，从2021年11月到2025年7月取得了显著进展。位于亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）通过共同开发所需的激光工艺，在其中发挥了关键作用。

目前，用于量子技术应用的光束源通常结构复杂、体积庞大，且不够坚固，难以在现场使用。因此，亟需尽可能多功能的小型化系统。BMFTR资助的项目“HiPEQ——用于量子技术的高集成度基于PIC的外腔半导体激光器”开发出了这样一种光束源。

在TOPTICA（后担任系统集成商）的协调下，一个由工业界和研究机构组成的联合体构建了两个小型化激光源的原型。其外部尺寸仅为22 x 9 x 6 cm?，为所有系统组件提供了充足的空间。该设计还可适应其他波长，使其适用于广泛的量子技术应用。

在该项目中，弗劳恩霍夫ILT为成功生长出此前无法获得的新型法拉第隔离器晶体做出了重要贡献。在第二个工作包中，该亚琛团队设计了一个玻璃封装模块，其中包含用于光纤耦合和重要系统组件的微米级精密支架。

紧凑、坚固且灵活

这些激光系统基于光子集成电路（PIC）、光纤、一个光纤耦合器以及一个防止反射光重新进入激光器的光隔离器。这一关键组件基于特殊的晶体，这些晶体表现出磁光法拉第效应：当施加磁场时，入射光波的偏振面会在晶体中旋转。由于这种法拉第旋转，任何反射光都只能以极其衰减的形式返回光束源。通过这种方式，隔离器保护了激光器，并确保了量子技术应用所必需的激光窄带宽。迄今为止，法拉第隔离器大多基于钆镓石榴石（TGG），它对可见光和近红外光具有较高的维尔德常数，该常数表示法拉第效应的强度。弗劳恩霍夫ILT的项目经理Florian Rackerseder报告称：“TGG隔离器的长度通常约为25毫米。”小型化需要具有更高维尔德常数的晶体，以便在更小的空间内提供屏蔽。这些用于法拉第隔离器的晶体正是在HiPEQ项目中生长和测试的。

该团队选择了一种基于氧化铽（Tb₂O₃）的材料，这种材料并非天然存在。其维尔德常数比TGG高三倍，特别适用于蓝光波段的激光器，而此前该波段没有合适的材料可用。这位专家解释说：“生长单晶Tb₂O₃是一项挑战，因为在超过2500°C的熔化温度下，在向稳定相转变的过程中，必须维持精确的温度梯度。”这指的是从熔融陶瓷原料到Tb₂O₃晶体的转变过程。冷却速率对晶体质量至关重要；该过程非常敏感，以至于传统的晶体生长方法从未成功生产出隔离器所需尺寸和质量的Tb₂O₃。工程师们采用了与氧化镥（Lu?O?）共掺杂的方法来稳定晶体生长的立方相，从而简化了生长过程。

激光技术是生长高纯度晶体的关键

在HiPEQ的一个子项目中，SurfaceNet、Laserline和弗劳恩霍夫ILT开发并实施了一个新系统，在该系统中，使用基于激光的光学浮区（LOFZ）工艺生长 (Tb_xLu₁-x)₂O₃ 隔离器晶体。从熔融陶瓷到晶体的转变发生在浮区的边缘，该区域被四个加工光学元件包围。这些光学元件将来自四个二极管激光器（每个最大光功率为3 kW）的辐射引导到陶瓷进料棒上，并将其熔化成单晶。

这种照射方式——在模拟中优化为梯形、极其均匀的光束轮廓——确保了浮区内均匀的加热功率密度。可以通过修改光束路径来调整焦点处的强度分布。Rackerseder解释说：“梯形几何形状有一个优点：大部分激光能量熔化陶瓷，其余部分则在凝固成晶体的过程中调节温度。”在恒定进给速率的连续重熔过程中，晶体只能以精确指定的冷却速率离开接近熔点的温度范围。该团队利用精确控制的LOFZ工艺满足了这一要求。他解释说：“我们首次能够生产出所需尺寸和质量的 (Tb_xLu₁-x)₂O₃ 隔离器晶体。”

全集成系统

在另一个子项目中，HiPEQ联合体将新型隔离器晶体集成到模块化的小型化光束源中。弗劳恩霍夫ILT再次发挥了关键作用：其团队设计了一个光纤-芯片耦合器，该耦合器可针对不同的系统设计进行单独调整，并用玻璃制造。该团队借助选择性激光诱导刻蚀（SLE）实现了必要的灵活性和精度：激光在玻璃中曝光微结构，然后可以精确地刻蚀出来，从而可以在玻璃内部创建复杂形状的空腔。在此项目中，SLE工艺的个性化成型是单片制造波长为461 nm（蓝色）和637 nm（红色）的两种光束源的关键，尽管它们内部安装了不同尺寸的组件。法拉第隔离器以与PIC到光纤接口（包括耦合和输出耦合光学元件以及分束器）相同的精度集成，这些接口可以根据各自的光纤直径灵活设计。SLE工艺确保了两个演示器中不同模块的安装精度达到微米级。

弗劳恩霍夫ILT负责该项目这一部分的Sandra Borzek解释说：“周围材料与光学元件具有相同的热膨胀系数，这使得光纤芯片耦合器更能抵抗温度波动。”考虑到高精度要求，不同材料膨胀引起的应力是不可接受的。该团队采用这种项目方法还有另一个驱动因素：她解释说：“到目前为止，用于量子技术的激光束源大多是手动调节的。”每个组件，从光学元件到隔离器和分束器，再到直径仅个位数微米的光纤，都是单独插入和校准的。

目标：最小化调节和组装工作量

光子学正在寻找能够最小化组装和调节工作量，并主要自动保持所需精度的解决方案。采用单一SLE工艺单片制造的封装模块接近了这一目标。理想情况下，在配备光学组件后，它作为一个固定组件，可以使用倒装芯片键合连接到PIC。

最初，SLE团队希望使用SLE工艺制造用于耦合和输出耦合光的光学元件，并用激光对其进行抛光。然而，无法对组件内的透镜进行抛光，并且SLE工艺后其表面过于粗糙。Borzek报告说：“因此，我们开发了各种解决方案来消除表面上的伪影和残余波纹。这使我们朝着集成光学元件并对其进行抛光的目标迈出了一大步。”该团队决定在SLE工艺中制造光学元件，但不与单片玻璃体固定连接。这样，可以将它们取出进行抛光，然后再精确地插回取出时的同一位置。

HiPEQ为未来的光束源积累了专业知识

HiPEQ通过成功培育 (Tb_xLu₁-x)₂O₃ 隔离器晶体、优化基于SLE的光学元件制造工艺策略，以及将微观耦合结构直接集成到宏观外壳中，实现了重要的里程碑。该联合体获得了必要的专业知识，以实现采用不同隔离器的灵活系统设计，同时显著减少组装和调节所需的工作量。Borzek和Rackerseder坚信：“在此基础上，未来我们将能够利用SLE工艺，在数天内为灵活的系统设计制造出精度达到微米级的玻璃封装模块。新型法拉第隔离器是进一步小型化的关键技术。”HiPEQ提高了量子技术激光系统的坚固性和多功能性，同时减少了所需的调节工作。