Forschung & Entwicklung

3-D-Nanodruck erleichtert Kommunikation mit Licht

Strahlformende Mikroelemente aus dem 3-D-Druck kombinieren optische Hybridkomponenten mit hoher Kopplungseffizienz zu kompakten Systemen.

Die Kommunikation mit Licht gewinnt angesichts eines ständig steigenden Datenverkehrs rasant an Bedeutung. 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 die Leistungsfähigkeit sowie Designfreiräume gegenüber monolithischen Integrationskonzepten, bei denen alle Komponenten auf einem Chip realisiert werden. So erlaubt die hybride Integration beispielsweise alle Komponenten einzeln zu optimieren und zu testen, bevor sie zu einem komplexeren System zusammengefügt werden. Der Aufbau optischer Hybridsysteme erforderte bisher allerdings aufwendige und teure Verfahren, um die Komponenten präzise zueinander zu positionieren und die optischen Schnittstellen verlustarm miteinander zu verbinden.

Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben nun 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 3-D-Druckverfahren (Mehrphotonen-Lithographie) direkt auf die Facetten optischer Komponenten aufbringen lassen. Diese Elemente können mit nahezu beliebigen dreidimensionalen Formen hergestellt werden 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. Sie erreichten 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.

Originalveröffentlichung:

[P.-I. Dietrich, M. Blaicher, I. Reuter, M. Billah, T. Hoose, A. Hofmann, C. Caer, R. Dangel, B. Offrein, U. Troppenz, M. Moehrle, W. Freude, C. Koos, In situ 3D nanoprinting of free-form coupling elements for hybrid photonic integration, Nat. Photonics 12 (2018), DOI: 10.1038/s41566-018-0133-4]

von mn

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