Neue Wellenlängenbereiche für integrierte Optiken

^{Jena | 19. Oktober 2022}

Integrierte Optiken sollen mit noch komplexeren optischen Funktionen künftig neue Anwendungsfelder in den Bereichen Sensorik, Kommunikation und Quantentechnologien erschließen. Das Forschungsprojekt RAINBOW erforscht zu diesem Zweck, wie sich neue Wellenlängenbereiche erschließen lassen. Mit einem Kickoff am 19. Oktober in Jena ist das Projekt nun offiziell gestartet.

Integrierte Optiken, sogenannte Photonic Integrated Circuits (PICs), sind essentielle Werkzeuge in der Photonik. Bisher sind sie überwiegend für die optische Datenübertragung entwickelt worden. Jedoch gibt es auch neue, vielversprechende Anwendungsfelder in den Bereichen Sensorik, Kommunikation oder den Quantentechnologien. Allerdings müssen die PICs hier zunehmend komplexe optische Funktionen übernehmen. Ziel des neuen Forschungsprojektes RAINBOW ist daher die Erschließung neuer Wellenlängenbereiche für PICs.

Besonders interessant sind dabei Wellenlängen bis an den kurzwelligen Rand des sichtbaren Spektralbereichs bei 450 nm. In diesem spektralen Bereich gibt es in den verschiedensten Bereichen verwendete Sensorik wie z.B. Light Detection and Ranging (kurz: LIDAR, 980 nm), Optische Kohärenztomographie (OCT, 1060 bis 1300 nm) oder auch ultra-sensitive Magnetfeldsensorik in medizinischen Anwendungen auf Basis von NV-Zentren in Diamant-Nanokristallen (637 nm). Auch Anwendungen der medizinischen Diagnostik setzen auf optisch detektierbare Biomarker, welche typischerweise bei Wellenlängen weniger als 670 nm fluoreszieren.

Hochintegrierte Optik im Spektralbereich von 450 nm bis 1650 nm

Die wesentliche Herausforderung für die Erweiterung des Wellenlängenbereiches von PICs ist es dabei eine einheitliche Material- und Komponentenbasis für die integriert-optischen Schlüsselfunktionen zu finden. Im Projekt RAINBOW soll diese Lücke geschlossen werden – und zwar durch eine hybride Kombination verschiedener Materialplattformen. Dadurch wird das Potenzial hochintegrierter Optik im Spektralbereich von 450 nm bis 1650 nm vollständig ausgeschöpft.

Zu diesem Zweck werden drei Schlüsseltechnologien vorangetrieben: Zum einen die Etablierung einer integriert-optischen Plattform auf Basis neuer Lithiumniobat (abgekürzt: LN)-on-Insulator (LNoI) Materialien. Zum anderen die Erweiterung des Spektralbereichs von Siliziumnitrid-integriert optischen Wellenleitern sowie deren hybride Integration mit weiteren aktiven und passiven Komponenten zu kompakten PICs. Die genannten Materialien ermöglichen die Erschließung dieses sehr großen Spektralbereichs. Durch die hybride Integration wird zudem der direkte Anschluss an etablierte Systeme auf Silizium (Si)-, Indium-Phosphid (InP)-  oder Galliumarsenid (GaAs)-Basis sichergestellt.

Drei Demonstratoren bis Projektende

Im Ergebnis des Projektes soll eine neuartige und hochflexible Technologieplattform entstehen. Das deutlich erweiterte Anwendungspotential gegenüber bereits etablierten Ansätzen soll dabei durch drei Demonstratoren unterstrichen werden, die im Projekt entwickelt werden: Erstens eine chip-integrierte Frequenzkonversion für die Sensorik, sowie zweitens PICs für einen breitbandigen 50-GHz-Modulator für die Datenübertragung und drittens einen Chip-basierten, oktavübergreifenden Frequenzkamm für die Metrologie.

Das Projekt RAINBOW adressiert damit Zielmärkte für neue Technologien, Komponenten und Systeme im Bereich optische Kommunikation sowie die Weltraumkommunikation, Sensorik und Quantentechnologien. Darüber hinaus ergeben sich weitere Vermarktungswege, z.B. im neuen Bereich des Optical Computing.

Kooperation mit dem Fraunhofer HHI aus Berlin

Das Projekt wird mit einem Volumen von drei Millionen Euro im Rahmen Fraunhofer-Forschungsprogramms PREPARE umgesetzt. Knapp 1,5 Millionen davon entfallen auf das Fraunhofer IOF. Kooperationspartner ist das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI aus Berlin.

Das Fraunhofer HHI bringt dabei seine Expertise insbesondere in Bezug auf die Umsetzung von Modulatoren mit hoher Bandbreite und die Hybridintegration ein. Für Modulatoren mit hoher Bandbreite für Anwendungen in der Telekommunikation ist die Indiumphosphit (InP)-Plattform bereits etabliert, kann jedoch für Anwendungen wie die Sensorik mit Wellenlängen kleiner als 1250 nm nicht verwendet werden. Für diesen Spektralbereich müssen neue PIC-Technologien entwickelt werden. Das Konsortium kombiniert hierfür passgenau die Fähigkeiten und das Marktverständnis des Fraunhofer HHI in PICs mit den Kompetenzen und dem Marktverständnis des Fraunhofer IOF in den Bereichen Sensorik und Quantentechnologie.