2. Preis

3D-Laserlithographie für die integrierte Photonik – DELPHI

Project Group DELPHI

Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ), Karlsruher Institut für Technologie (KIT) (1)
Vanguard Photonics GmbH, Eggenstein-Leopoldshafen (2)
Institut für Automation und angewandte Informatik (IAI), Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Eggenstein-Leopoldshafen, Deutschland (3)

Prof. Dr. Christian Koos (1,2),  Alois Hauk (2),  Philipp-Immanuel Dietrich (1,2),  Dr. Nicole Lindenmann (1),  Andreas Hofmann (3),  Tobias Hoose (1),  Muhammad Rodlin Billah (1),  Matthias Blaicher (1)

Gegenstand des von Christian Koos geführten Projektes DELPHI ist die industrielle Anwendung von Verfahren der Femtosekunden-Laserlithographie für die dreidimensionale additive Nanofertigung in der integrierten Optik. Mit Hilfe des Prinzips der Mehrphotonenpolymerisation lassen sich Lichtwellenleiter und mikrooptische Freiformelemente herstellen, die eine effiziente Verbindung zwischen optischen Mikrochips ermöglichen.

3D-Laserlithografie für integrierte Photonik soll Internet beschleunigen

Der ständige Blick auf das Handy gehört heute zum Alltag: Das Teilen von Fotos und Nachrichten, die Nutzung von Streamingdiensten, der permanente Zugriff auf das World Wide Web. Die Verbindung schneller Mobilfunktechnik mit dem Datenreichtum des Internets trägt zur „Explosion“ der zu übertragenden Datenmengen bei. Und die Digitalisierung und Vernetzung aller Lebensbereiche, vom Amt bis zur Arztpraxis, vom Heim bis zur Maschine, stellt die Netzwerkinfrastrukturen vor immer neue Herausforderungen.

Laser im Rückgrat des Internets

Ohne Glasfasernetze und Laser, die die Informationen in unglaublicher Geschwindigkeit über weite Strecken übertragen, wäre diese allgegenwärtige Verfügbarkeit von Information undenkbar. Die Übertragungskapazität einer hauchdünnen Glasfaser liegt heute im Bereich von einigen Terabit pro Sekunde. In den Roadmaps, die Generalpläne von Industrie und Forschung, stehen bereits Technologien, um die Kapazität zu vervielfachen – bis in den Bereich von Petabit pro Sekunde. Um diesen Durchsatz zu erreichen, werden immer mehr integriert-optische Bauelemente eingesetzt. Sie lassen sich ressourcenschonend und kosteneffizient in großen Stückzahlen auf Siliziumwafern herstellen. Doch anders als in der Elektronik gab es bisher keine Möglichkeit, diese optischen Mikrochips effizient miteinander zu verbinden. Entwickler müssen optische Schaltungen daher entweder vollständig auf einem einzigen Chip integrieren, was komplexe Herstellungsverfahren erfordert und unflexibel ist. Oder die optischen Chips müssen in der Produktion aufwendig zueinander justiert und in der richtigen Position verklebt werden. Beides führt zu hohen Herstellkosten und zu optischen Systemen, deren Leistungsfähigkeit hinter den Möglichkeiten der integrierten Optik zurückbleibt.

Optische Nanodrähte sind die Lösung

Diese Technologielücke hat Christian Koos bei Forschungsarbeiten im Rahmen seiner Dissertation am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bereits vor mehr als zehn Jahren erkannt. Nach einem Ausflug in die Industrie nahm er eine Professur am KIT an und machte es sich zur Aufgabe, Abhilfe für das noch immer bestehende Problem zu schaffen. Das Mittel der Wahl sollte die 3D-Laserlithografie sein, die in der Zwischenzeit einen beachtlichen Reifegrad erreicht hatte. Dieses Verfahren nutzt Ultrakurzpulslaser, um Kunststoffe auszuhärten – mit einer Genauigkeit im Bereich einiger zig Nanometer (ein Nanometer entspricht einem Millionstel eines Millimeters). Diese Verfahren erwies sich als ideal, um optische Lichtwellenleiter zwischen Chips herzustellen. Gemeinsam mit Forschungspartnern aus Industrie und Wissenschaft begann das junge Team am KIT, die technologischen Grundlagen für einen industriellen Einsatz zu erforschen.

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