Verbundprojekt: Hybrid-Integrierte und frequenzstabilisierte Laser zur betriebssicheren Manipulation ultrakalter Atome für transportable Systeme (ISABELLA); Teilvorhaben: Realisierung eines Glas-basierten photonischen Chips mit integriertem Ringresonator und Bragg-Gitter für Frequenzselektive Reflektoren

Abstract

Für die Industrialisierung von Quantentechnologien der zweiten Generation werden kompakte, robuste, schmalbandige und kosteneffiziente Lasersysteme benötigt. Konventionelle ECDL-Laboraufbauten erreichen zwar hohe spektrale Reinheit, sind jedoch groß, justageintensiv und empfindlich gegenüber mechanischen sowie thermischen Einflüssen. Im Verbundprojekt ISABELLA wurde daher ein hybrid integriertes ECDL-Lasersystem für Anwendungen mit ultrakalten Atomen verfolgt, bei dem ein Laserchip mit gekrümmtem Wellenleiter mit einem photonischen Glas-Chip kombiniert wird. Das Teilvorhaben des Fraunhofer IZM konzentrierte sich auf die Entwicklung eines planar integrierten, spektral selektiven Reflektors auf Dünnglasbasis sowie auf geeignete Aufbau- und Verbindungstechnologien. Im Projekt wurden ionenausgetauschte einmodige Wellenleiter für Wellenlängen um 690 nm erstmals erfolgreich demonstriert und damit die am IZM etablierte Glas-Wellenleitertechnologie aus dem Telekommunikationsbereich in den VIS-NIR-Bereich übertragen. Zudem wurden femtosekundenlaser-geschriebene Wellenleiter realisiert. Auf Basis dieser Strukturen entstand ein integrierter Disk-Resonator mit einem experimentell nachgewiesenen Gütefaktor von über 10⁵ bei einem Radius von 12 mm. Darüber hinaus konnten Bragg-Gitter mittels Femtosekundenlaser direkt auf ionenausgetauschten Wellenleitern strukturiert werden; die reflektierte Spektralbreite betrug 150 pm. Damit wurde ein vielversprechender Ansatz für miniaturisierte, spektral selektive Glas-Photonikkomponenten demonstriert. Eine vollständige Integration von Bragg-Gitter und Wellenleiter auf einem gemeinsamen Chip sowie die optische Ankopplung des Lasers an den photonischen Glas-Chip konnten innerhalb der Projektlaufzeit nicht abgeschlossen werden. Ergänzend wurde jedoch eine klebstofffreie Laserschweißverbindung von Hohlkernfasern an GRIN-Linsen entwickelt und erfolgreich für die Kopplung an externe Hoch-Q-Kavitäten eingesetzt.