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Arbeitsgruppe M3

Oberflächenpolierung und -beschichtung sowie optische Elemente: Forschung zu integrierten mehrschichtigen 2D-Oberflächenoptiken

Die Forschung der Arbeitsgruppe M3

© Alexander Wolf/IPeG

UNSERE FORSCHUNGSMISSION

Die Arbeitsgruppe M3 – Oberflächenpolitur, Beschichtungen und Optische Elemente beschäftigt sich mit der optischen Funktionalisierung von Oberflächen und deren Integration in photonische Komponenten. Dünne Beschichtungen verstärken oder unterdrücken die Reflexion von Licht an Oberflächen. Mittels komplexer Schichtstapel können Transmission und Reflexion für verschiedene Wellenlängen unabhängig eingestellt werden. Strukturiert man Oberflächen dagegen, entstehen diffraktive optische Elemente wie Gitter, Hologramme, CDs oder optische Wellenleiter.

WAS UNS ANTREIBT

Die Forschung der Arbeitsgruppe M3 trägt zur Vision von PhoenixD insbesondere durch Miniaturisierung und Integration bei. Durch die Kombination unterschiedlicher Technologien entstehen komplexe integrierte optische Systeme.

Dünne Schichtstapel verschiedener Materialien werden durch moderne optische Beschichtungsverfahren zunächst flächig hergestellt. Anschließend werden sie präzise in sub-Millimeter große Plättchen geschnitten und kommen als Mikrofilter zum Einsatz. Sie können beispielsweise eine Wellenlänge reflektieren, während eine andere den Stapel ungestört durchdringt. Auf diese Weise werden optische Signale getrennt oder zusammengeführt. Mit diesem Konzept lassen sich auch komplexe Funktionen wie das Verteilen, Filtern oder Schalten von Lichtsignalen realisieren.

Prägetechnik ermöglicht eine kosteneffiziente Massenproduktion von Optiken mit räumlich strukturierten Oberflächen.

Prägetechnik ermöglicht eine kosteneffiziente Massenproduktion von Optiken mit räumlich strukturierten Oberflächen. Für diffraktive optische Elemente wie beispielsweise Hologramme oder optische Gitter ist dabei eine Auflösung im Sub-Mikrometer-Bereich gefordert. Ein alternatives Verfahren für die Herstellung von Volumenkörpern mit nahezu beliebig geformten, aber genauso fein strukturierten Oberflächen ist der Spritzguss.

Durch Prägen oder Spritzguss sollen in M3 optische Trägersubstrate entstehen, in die optische Mikrobauteile eingesetzt werden. Die optische Verbindungstechnik basiert dabei auf Wellenleitern im Trägersubstrat und der elektrischen Kontaktierung auf gedruckten oder lasergeschriebenen Leiterbahnen.

UNSERE FORSCHUNGSARBEIT

Basis für die optische Integration in der Arbeitsgruppe M3 ist eine optische Plattform (siehe Abbildung 1), die im Präzisionsspritzguss gefertigt wird. Standard für die Feinstrukturierung der Formeinsätze für den Spritzguss sind Fotolithographie und Galvanik. Die damit erzielbaren Auflösungen im Bereich von Mikrometern sind ausreichend für passive Wellenleiterstrukturen.

Als Materialien für den Spritzguss kommen grundsätzlich Thermoplaste in Frage. Über die Eignung für den Präzisionsspritzguss hinaus müssen sie viele weitere Randbedingungen erfüllen. Insbesondere die chemische, thermische und mechanische Kompatibilität mit nachfolgenden Prozessschritten ist daher wichtig.

Zur Montage und elektrischen Kontaktierung von aktiven optischen Bauteilen wie Lichtquellen und Detektoren wird das Substrat mit elektrischen Leiterbahnen versehen. Eine Möglichkeit ist die metallische Beschichtung mit anschließender lithographischer Strukturierung. Hier sollen aber vorzugsweise additive Verfahren wie das Laser-Direktschreiben von Leiterbahnen zum Einsatz kommen.

© Florian Carstens/LZH
Abbildung 1: Schematischer Aufbau der optischen Plattform

Insbesondere planare Substrate können sehr kosteneffizient auch durch Präzisionsprägen hergestellt werden. Auch die Kombination beider Verfahren ist denkbar. So können mittels Spritzguss zunächst Substrate mit optischen Wellenleitern hergestellt werden, die dann mit Prägetechnik um diffraktive Feinstrukturen ergänzt werden.

Optische Gitter (siehe Abbildungen 2 und 3) kommen beispielsweise bei Wellenleitern zur Ein- und Auskopplung von Licht oder in optischen Sensoren zum Einsatz.

© Sebastian Bengsch/IMPT)
Abbildung 2: Optische Gitter in Formeinsatz für das Spritzgießen

Die Strukturgrößen solcher diffraktiven optischen Elemente liegen deutlich unter einem Mikrometer, so dass die Formeinsätze oder Prägestempel beispielsweise mittels Elektronenstrahllithographie strukturiert werden müssen.

© Sebastian Bengsch/IMPT
Abbildung 3: Optische Gitter in Kunststoff Polyetheretherketon.

Weitere Beispiele für optische Elemente mit feinsten Strukturen sind Hologramme, photonische Kristalle oder plasmonische Strukturen. Ebenso wie beim Spritzguss stellt die Prozesstechnik beim Präzisionsprägen von Strukturen im sub-Mikrometerbereich eine große Herausforderung dar. Zur Erzielung einer gleichbleibenden Qualität genügt die einmalige Optimierung der Prozessparameter nicht. Stattdessen ist eine Fertigung mit adaptiver Prozesskontrolle in Echtzeit erforderlich.

Spektrale Filter und Spiegel mit Abmessungen im Bereich von Mikrometern sind essentielle Bauteile für die optische Integration auf den Trägersubstraten mit Wellenleitern. Dabei lässt sich die Herstellung der Schichtstapel durch Beschichtungsprozesse im Vakuum (siehe Abbildung 4) nicht direkt in eine Prozesskette integrieren.

© Marc Jupé/LZH
Abbildung 4: Anlage für die Herstellung optischer Beschichtungen mit Ionenstrahl-Zerstäubung

Stattdessen werden die Beschichtungen zunächst großflächig hergestellt und anschließend mittels Laser hochpräzise in kleine Plättchen unterteilt (siehe Abbildung 5).

© Florian Carstens/LZH
Abbildung 5: Mit Laserverfahren vereinzelte Filter (250µm x 250µm) auf einem Trägersubstrat

Neben diesen passiven Schichtsystemen forscht die Arbeitsgruppe auch an der Entwicklung von aktiven Schichten. Das Ziel sind optische Filterschichten, deren spektrale Kennlinie durch das Anlegen einer elektrischen Spannung im Betrieb beeinflusst werden kann. Mit derartigen Filtern lassen sich beispielsweise verschiedene optische Signale aus einem optischen Datenstrom auskoppeln oder in ihn einspeisen.

Das Lösen der hauchdünnen Filter- oder Spiegelplättchen vom dicken Beschichtungssubstrat erfolgt mit Hilfe eines Lift-Off-Verfahrens. In einer speziellen Pick-and-Place-Anlage, die gegenwärtig beantragt ist, sollen die Plättchen anschließend in die entsprechenden Aussparungen auf dem optischen Träger gesteckt werden. Bevor sie dort fixiert werden, erfolgt eine individuelle aktive Justierung. Zu diesem Zweck verfügt die spezielle Fertigungsanlage über die Möglichkeit, optische Signale in die Wellenleiter einzukoppeln und aus anderen Wellenleitern entgegen zu nehmen.

Die Arbeitsgruppe M3 arbeitet in vielfältiger Weise mit den anderen Arbeitsgruppen von PhoenixD zusammen. Beispielsweise bestehen intensive Kooperationen mit dem IHF der TU Braunschweig und dem Institut für anorganische Chemie im Bereich der Entwicklung von Schichtmaterialien, die elektrooptisch schaltbar sind. In diesem Kontext werden auch intensive gemeinsame Forschungsarbeiten mit der Arbeitsgruppe S2 zur Modellierung der entsprechenden Schichtstrukturen durchgeführt. Mit dem ITA - Institut für Transport- und Automatisierungstechnik und dem HOT – Hannoversches Zentrum für Optische Technologien werden spezifische Filterkonzepte erarbeitet, die zur Selektion von optischen Signalen in integrierten optischen Systemen eingesetzt werden sollen. Zudem wird die Beschichtung von Dünnstglas als alternatives Verfahren zur Herstellung von miniaturisierten Dünnschichtfiltern für die Arbeiten in der Arbeitsgruppe M2 erforscht.

Ansprechpartner

Prof. Dr. Detlev Ristau
Teamleitung
Prof. Dr. Detlev Ristau
Teamleitung