Entwicklung eines Laserschweißverfahrens von Faserverbindungen für integrierte Photonik in einer kryogenen Temperaturumgebung für die Quantenforschung (QWeld)

Abstract

Im Rahmen des Projekts „QWeld“ wurde ein Laserschweißverfahren für Faserverbindungen in der integrierten Photonik mit Potenzial für den Einsatz in kryogenen Umgebungen erforscht. Ein zentrales Ergebnis des Projekts ist die antragsgemäße und erfolgreiche Implementierung eines Vorwärmschrittes im Laserschweißprozess, der erstmalig die direkte Quarz-Quarz-Schweißverbindung ermöglicht. Die mechanische Stabilität dieser Quarzglasverbindungen ist im Vergleich zu herkömmlichen Klebeverbindungen besser. Die Zusammenarbeit mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) (im Unterauftrag) war entscheidend, um Spezifikationen für photonisch integrierte Schaltungen (PICs) und Glasfasern zu definieren. Die Wellenleiterstrukturen erforderten eine präzise vertikale Kopplung unter von der jeweils speziellen Struktur des optischen Gitters auf der PIC-Oberfläche abhängigen Winkeln zur Oberfläche der PICs mit einer schrägpolierten Singlemodefaser bei 1550 nm. Die Konzeption und Umsetzung der winkligen Faser-PIC-Kopplung stellten eine große Herausforderung dar. Insbesondere die Anpassung des Laserschweißverfahrens an die generelle und auch bei den vorliegenden PICs dünne SiO2-Schicht erforderte umfassende technische Modifikationen. Eine thermische Studie mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) identifizierte kritische Temperaturverteilungen, die durch den Vorheizschritt entspannt werden konnten. Bei der Integration eines speziell entwickelten optischen Messsystems für die aktive Ausrichtung der Faser zum PIC gelang es, die optische Leistung zu maximieren und eine Dämpfung von nur 9,53 dB bei 1550 nm zu erreichen, wobei dies vor allem als Nachweis der optischen Kopplung dient Die mechanische Charakterisierung der geschweißten Glasmuster zeigte eine signifikante Verbesserung der Zugfestigkeit im Vergleich zu geklebten Proben und kryogene Tests bei 77 K bestätigten die Eignung der Verbindungen bei tiefen Temperaturen. Es wurden insgesamt alle erforderlichen Prozessbausteine in der existierenden Maschine definiert und umgesetzt. Dies bildet die Grundlage für zukünftige Entwicklungen im Packaging von quantenphotonischen PIC, die eine immer größere Rolle für Quantentechnologie spielen. The project “QWeld” investigated a laser welding process for fiber connections in integrated photonics, which has the potential to be used in cryogenic environments. A key outcome was the implementation of a preheating step in the welding process, which improves the mechanical stability of fused silica joints compared to conventional adhesives-based joints. Collaboration with the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) (subcontracted) was crucial in defining specifications for photonic integrated circuits (PICs) and glass optical fibers. The waveguide structures required precise vertical coupling at defined angles, achieved using a polished single-mode fiber at 1550 nm. The design and implementation of the angled fiber-PIC coupling posed a major challenge. In particular, the adaptation of the laser welding process to the general SiO2 layer, which was also thin in the case of the PICs in question, required extensive technical modifications of the existing machine. A thermal study using the finite element method (FEM) identified critical temperature distributions that could be relaxed by the preheating step. The integration of a specially developed optical measurement system for the active alignment of the fiber to the PIC succeeded in maximizing the optical performance and achieving an attenuation of 9.53 dB at 1550 nm, primarily serving as proof of optical coupling. The mechanical characterization of the welded glass samples showed a significant improvement in tensile strength compared to bonded samples and cryogenic tests at 77 K confirmed the suitability of the joints at low temperatures. All the necessary process modules were successfully defined and implemented in the existing machine. This forms the basis for future developments in the packaging of quantum photonic PICs, which are playing an increasingly important role in quantum technology.