Komplexe Optiken auf einem photonischen Chip

Das Verbundprojekt Pics4Sens der Leibniz-Institute AIP und IHP in Zusammen­arbeit mit dem innoFSPEC-Transfer­labor an der Universität Potsdam hat sich in einer Ausschreibung durchgesetzt und wird über einen Zeitraum von vier Jahren mit insgesamt 3,4 Millionen Euro gefördert, 2,2 Millionen Euro davon entfallen auf das Institut für Astrophysik in Potsdam. Das Förderprogramm StaF-Verbund zur Förderung der Stärkung der techno­logischen und anwendungs­nahen Forschung in Forschungs­verbünden von Wissenschafts­einrichtungen im Land Brandenburg wird aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) finanziert. Pics4Sens wird den technologischen Reifegrad von photonisch integrierten Schaltkreisen erhöhen und den Weg zur Kommerziali­sierung in der Sensorik voran­bringen.

Das Projekt lässt sich auf eine kurze Formel zusammenfassen: die Entwicklung eines Spektrographen „on-a-chip“. Dabei geht es um die Minia­turisierung von voluminösen und kostspieligen Hochleistungs­optiken in klassischer Bauweise auf einen winzigen photonischen Chip. Aktuelle Marktanalysen zeigen für photonische Anwendungen einen schnell wachsenden Zukunftsmarkt. In Computer­zentren und der Datenkommunikation des Internets haben sich photonische, integrierte Schaltkreise (PICs) bereits durchgesetzt. Ein anderer Anwendungs­bereich steckt noch in den Kinderschuhen: Spektroskopie und Sensorik. 

Auf diesem Gebiet haben sich die Wissen­schaftlerinnen und Wissenschaftler der Astro­photonik-Abteilung des AIP unter Leitung von Kalaga Madhav eine internationale Spitzenposition erarbeitet und verschiedene Genera­tionen von PICs für Anwendungen in der Spektroskopie und Inter­ferometrie entwickelt und zum Einsatz gebracht. Mit einem Chip der Bauart wie im Bild wurde mit Unterstützung der Forschungstechnik des AIP weltweit erstmals ein für den Nahinfrarot-Bereich konzipierter Spektrograph aufgebaut: PAWS, der „Potsdam Arrayed Waveguide Spectrograph“. Hier wird ein hochempfind­licher Bildsensor auf eine Temperatur von minus 190 Grad Celsius abgekühlt, um das hoch­aufgelöste Spektrum des Chips elektronisch aufzuzeichnen.

Der im Vergleich zum Chip noch recht klobige Aufbau des Kühlgehäuses für den Infrarot-Bildsensor zeigt, dass die Minia­turisierung noch nicht ganz zum Ziel geführt hat. Genau hier setzt das Vorhaben an: Das Leibniz-Institut für innovative Mikro­elektronik (IHP) besitzt alle Voraus­setzungen und Kompetenzen, um auch die Integration des Bildsensors in den PIC zu realisieren. Hiervon versprechen sich die Forscher nicht nur einen Durchbruch für astro­physikalische Instrumente, insbesondere im Weltraum, sondern auch ein hervor­ragendes Innovations­potenzial und zukünftige Marktchancen in Bereichen wie Agrar­technologie, Mobilität, Gesundheits­wirtschaft, Lebensmittel­technologie, Chemie.

Projektleiter Martin Roth unterstreicht: „Das Land Brandenburg verfügt mit dem Leibniz-Institut für innovative Mikro­elektronik (IHP) in Frankfurt (Oder) sowie dem Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) ausweislich der jüngsten Evaluierungen der Leibniz-Gemeinschaft über zwei Leistungsträger in der inter­nationalen Spitzen­forschung. In Zusammen­arbeit mit dem innoFSPEC-Transferlabor an der Universität Potsdam besitzt das Projekt Pics4Sens ausge­zeichnete Voraus­setzungen, unseren technologischen Vorsprung weiter auszubauen und zu verwerten.“

AIP / JOL