29.03.2018

Hybridsysteme aus dem Nanodrucker

Optische Mikrochips effizient mit strahlformenden Nanoelementen gekoppelt.

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher ein flexibles und effizientes Konzept erarbeitet, um optische Komponenten zu kompakten Systemen zu kombinieren. Sie nutzen dazu ein hoch­auflösendes 3D-Druck­verfahren, mit dem sie winzige strahl­formende Elemente direkt auf optischen Mikro­chips oder Fasern herstellen und damit eine verlust­arme Kopplung ermöglichen. Der Ansatz ersetzt aufwändige Positionierungs­verfahren, die heute eine hohe Hürde für viele Anwendungen darstellen.

Abb.: Mikrolinsen und Mikrospiegel lassen sich mit 3D-Nanodruck auf optischen Fasern und Mikrochips herstellen. (Bild: P.-I. Dietrich / F. Rupp / P. Abaffy, KIT)


 
Die Kommunikation mit Licht gewinnt angesichts eines ständig steigenden Daten­verkehrs rasant an Bedeutung. Schon seit Jahren nutzen Rechen­zentren und welt­weite Tele­kommunikations­netze optische Verbindungen, um große Mengen an Daten schnell und energie­effizient zu übertragen. Aktuell steht die Photonik vor der Heraus­forderung, Bauteile zu miniaturisieren und zu kompakten und leistungs­fähigen integrierten Systemen zusammen­zufügen, die sich für viel­fältige Anwendungen von der Informations- und Kommunikations­technik über die Mess­technik und Sensorik bis hin zur Medizin­technik eignen.
 
Von besonderem Interesse sind in diesem Zusammen­hang hybride Systeme, die eine Viel­zahl von optischen Bau­teilen mit unter­schiedlichen Funktionen mit­einander kombinieren. Diese Hybrid­systeme bieten entscheidende Vor­teile im Hinblick auf Leistungs­fähigkeit sowie Design­frei­raum gegen­über mono­lithischen Integrations­konzepten, bei denen alle Komponenten auf einem Chip realisiert sind. So erlaubt die hybride Integration beispiels­weise, alle Komponenten einzeln zu optimieren und zu testen, bevor man sie zu einem komplexeren System zusammen­fügt. Der Aufbau optischer Hybrid­systeme erforderte bisher allerdings auf­wändige und teure Verfahren, um die Komponenten präzise zueinander zu positionieren und die optischen Schnitt­stellen verlust­arm mit­einander zu verbinden.
 
Wissenschaftler des KIT haben nun gemeinsam eine neue Lösung für die Kopplung von optischen Mikro­chips unter­einander oder an optische Fasern gefunden. Sie nutzen dazu winzige strahl­formende Elemente, die sich mit einem hoch­präzisen 3D-Druck­verfahren direkt auf die Facetten optischer Komponenten aufbringen lassen. Diese Elemente lassen sich mit nahezu beliebigen drei­dimensionalen Formen herstellen und erlauben es damit, unter­schiedlichste optische Bau­teile mit geringen Verlusten und hoher Positionier­toleranz mit­einander zu verbinden.
 
Die Forscher validierten ihr Konzept in mehreren Experimenten. Sie fertigten die mikro­meter­großen strahl­formenden Elemente in verschiedenen Gestalten und testeten sie auf einer Vielfalt von Chip- und Faser­facetten. Wie die Wissen­schaftler nun berichten, erreichten sie damit Kopplungs­effizienzen bis zu 88 Prozent zwischen einem Indium­phosphid-Laser und einer optischen Faser. Die Experimente wurden am Institut für Mikro­struktur­technik (IMT), am Institut für Photonik und Quanten­elektronik (IPQ) und am Institut für Automation und angewandte Informatik (IAI) des KIT in Zusammen­arbeit mit dem Fraun­hofer-Institut für Nachrichten­technik (Heinrich-Hertz-Institut, HHI) in Berlin und IBM Research in Zürich durchgeführt. Die Technologie wird derzeit vom KIT-Spin-off Vanguard Photonics in dem vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt PRIMA in die industrielle Anwendung überführt.
 
Zur Fertigung der dreidimensionalen Elemente bedienen sich die Forscher der Mehr­photonen-Litho­graphie: Ein Ultra­kurz­puls­laser schreibt die vorgegebenen Strukturen Schicht für Schicht in einen Foto­lack, der dabei aushärtet. So ist es möglich, 3D-Strukturen ab wenigen hundert Nano­metern zu drucken. Mit dem Verfahren lassen sich neben Mikro­linsen auch andere optische Frei­form­elemente wie beispiels­weise Mikro­spiegel herstellen, um Strahl­form und Ausbreitungs­richtung gleich­zeitig anzu­passen. Darüber hinaus lassen sich auch komplette Multi-Linsen-Systeme zur Strahlaufweitung herstellen, mit denen die Positionier­toleranz bei der Montage der Bau­teile erhöht werden kann.
 
„Unser Konzept ebnet den Weg zur automatisierten und damit kosten­effizienten Herstellung leistungs­starker und viel­seitig einsetz­barer optischer Hybrids­ysteme“, erklärt Christian Koos, am KIT Leiter des IPQ und Mitglied der kollegialen Leitung des IMT sowie Mit­gründer von Vanguard Photonics. „Damit trägt es entscheidend dazu bei, das enorme Potenzial der integrierten Optik in industriellen Anwendungen zu erschließen.“

KIT / DE

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