3D-Nanodruck erleichtert Kommunikation mit Licht

3D-Nanodruck erleichtert Kommunikation mit Licht

Kommunikation mit Licht wird immer bedeutender. Die Technologie benötigt aber miniaturisierte Bauteile, die mit viel Aufwand zu integrierten Systemen zusammenfügt werden. Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben dafür jetzt ein hochauflösendes 3D-Druckverfahren entwickelt, das 3D-Strukturen ab wenigen hundert Nanometern druckt. Es soll den Aufbau photonischer Systeme enorm vereinfachen.

Kommunikation mit Licht wird wegen des steigenden Datenverkehrs immer bedeutender. Seit Jahren nutzen Rechenzentren und weltweite Telekommunikationsnetze optische Verbindungen, um große Mengen an Daten schnell und energieeffizient zu übertragen.

Aktuell steht die Photonik vor einer großen Herausforderung: Sie muss Bauteile miniaturisieren und zu kompakten und leistungsfähigen integrierten Systemen zusammenfügen. Die Systeme sollen sich für vielfältige Anwendungen eignen – von der Informations- und Kommunikationstechnik über die Messtechnik und Sensorik bis hin zur Medizintechnik.

Dafür sind hybride Systeme besonders interessant. Sie kombinieren zahlreiche optische Bauteile mit unterschiedlichen Funktionen. Die Hybridsysteme haben bei Leistung und Designfreiräumen entscheidende Vorteile gegenüber monolithischen Integrationskonzepten, bei denen alle Komponenten auf einem Chip liegen.

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 ist bisher allerdings aufwendig und teuer. Denn Techniker müssen die Komponenten präzise zueinander positionieren und die optischen Schnittstellen verlustarm miteinander verbinden.

3D-Strukturen ab wenigen hundert Nanometern

Wissenschaftler des KIT haben nun eine neue Lösung für die Kopplung von optischen Mikrochips untereinander oder an optische Fasern gefunden. Sie nutzen winzige strahlformende Elemente, die sich mit einem hochpräzisen 3D-Druckverfahren direkt auf die Facetten optischer Komponenten aufbringen lassen. Diese Elemente können mit nahezu beliebigen dreidimensionalen Formen hergestellt werden. Sie 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 zahlreichen  Chip- und Faserfacetten. Wie die Wissenschaftler berichten, erreichten sie damit Kopplungseffizienzen bis zu 88 Prozent zwischen einem Indiumphosphid-Laser und einer optischen Faser.

Um die dreidimensionalen Elemente zu fertigen, bedienen sich die Forscher der Mehrphotonen-Lithographie: Ein Ultrakurzpulslaser schreibt die vorgegebenen Strukturen Schicht für Schicht in einen Fotolack, der dabei aushärtet. So können die Wissenschaftler 3D-Strukturen ab wenigen hundert Nanometern drucken.

Mit dem Verfahren lassen sich neben Mikrolinsen auch andere optische Freiformelemente wie beispielsweise Mikrospiegel herstellen, um Strahlform und Ausbreitungsrichtung gleichzeitig anzupassen. Zudem wird es möglich, komplette Multi-Linsen-Systeme zur Strahlaufweitung herzustellen, die die Positioniertoleranz bei der Montage der Bauteile erhöhen.

„Unser Konzept ebnet den Weg zur automatisierten und damit kosteneffizienten Herstellung leistungsstarker und vielseitig einsetzbarer optischer Hybridsysteme“, erklärt Professor 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.“

Abbildung: Philipp-Immanuel Dietrich/Florian Rupp/Paul Abaffy, KIT