Optoelektronik und Hochfrequenztechnik Vom Laserchip bis zur Quantenlichtquelle in der Medizin

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Das Ferdinand-Braun-Institut (FBH) bietet technische Komponenten rund um Optoelektronik, Halbleiterlaser und Quantentechnologien. Konkret geht es um praxisnahe Anwendungen, wie kompakte Quantensensorik, medizinische Diagnostik mittels Quantenlichtquellen sowie Lidar. Eine Auswahl der Entwicklungen.

Das Ferdinand-Braun-Institut (FBH) ist ein international anerkanntes Forschungsinstitut aus Berlin, das zur Leibniz-Gemeinschaft gehört und sich auf angewandte Forschung sowie die Entwicklung von Halbleitertechnologien spezialisiert hat. Insbesondere in der Höchstfrequenztechnik, Optoelektronik und Quantentechnologien ist es eine führende Forschungseinrichtung in Europa. Der Beitrag stellt eine Auswahl der technologischen Entwicklungen vor und gibt Einblicke in die Optoelektronik.

Quantentechnologien für medizinische Diagnoseverfahren

Das FBH hat spezielle Quantenlichtquellen für medizinische Anwendungen entwickelt. Sie unterstützen bei der Krebsfrüherkennung dank hyperspektraler Bildgebung. Dazu kommen Diodenlaser mit hoher Leistung bei einer spezifischen Wellenlänge von 720 nm zum Einsatz. Zentrales Element sind verschränkte Photonpaare, die gleichzeitig im mittleren (MIR) und nahen Infrarotbereich (NIR) erzeugt werden.

Realisiert wird das durch das Verfahren „Measurement by Undetected Photons“. Hier wird eine Gewebeprobe lediglich mit MIR-Photonen bestrahlt, während die eigentliche Messung indirekt über die Detektion von NIR-Photonen erfolgt. Da die Aufnahme der Bilddaten im kostengünstigeren und effizienteren NIR-Bereich stattfindet, lässt sich der Aufwand für Sensorik und Lichtquellen im Vergleich zum MIR-Bereich deutlich reduzieren. Die am FBH entwickelten Module ermöglichen rasche Messungen und können damit zur Vereinfachung der Krebsdiagnostik beitragen.

Pulsbetriebene Hochleistungs-Diodenlaser für Lidar

Zeitauflösende Lidar-Anwendungen (Time-of-Flight) benötigen zuverlässige und hochleistungsfähige gepulste Laserdioden. Die Experten des FBH haben speziell entwickelte, gitterstabilisierte Diodenlaser entwickelt, die in der Lage sind, extrem kurze Laserpulse hoher Leistung zu erzeugen.

Für mittlere Reichweiten bietet das FBH Ridge-Waveguide-Laser an, die Pulsleistungen von über 20 W mit einem lateralen Strahlprofil (M²-Faktor etwa 3) liefern. Für große Entfernungen stehen breitstreifige Laserdioden mit Pulsleistungen bis 420 W zur Verfügung. Darüber hinaus konnten Laserbarren mit 48 Emittern entwickelt werden, die sogar Pulsleistungen von über 2.000 W erzeugen.

Alle genannten Komponenten lassen sich kompakt in Butterfly-Gehäusen unterbringen, die bereits Elektronikansteuerung, Mikrooptiken und thermisches Management beinhalten. Ein einfacher, benutzerfreundlicher Demonstrator erlaubt die unkomplizierte Integration und Steuerung und benötigt lediglich eine einzelne Spannungsquelle für den Betrieb.

Additive Fertigung, Laserkernfusion und Energieübertragung

Für anspruchsvolle Anwendungen aus der additiven Fertigung (Lasergenerierter Metall-3D-Druck), Inertial Fusion Energy (IFE) und der drahtlosen Energieübertragung über größere Distanzen (Power Beaming) stellt das FBH leistungsstarke Diodenlasermodule bereit.

Das Diodenlasersystem „SAMBA“, das eine Leistung von einigen Kilowatt erreicht, ist beispielsweise für additive Fertigungsverfahren mit Aluminium ausgelegt. Aktuell erfolgt die praktische Erprobung dieses Systems in Kooperation mit Partnern aus der Industrie. Weiterhin hat das FBH zusammen mit der Universität Glasgow spezielle Single-Mode-Hochleistungsdioden für Anwendungsmöglichkeiten im weltraumgestützten „Power Beaming“ hergestellt, die ebenfalls vorgestellt werden.

Darüber hinaus bietet das FBH gemeinsam mit Industriepartner Trumpf Multi-Junction-Laserbars, die speziell für den Einsatz in zukünftigen IFE-Anlagen konzipiert wurden und hohe Leistung bei stabiler Gitterstruktur aufweisen.

Quantensensorik mit keramischen 3D-Druckverfahren

Mithilfe der lithografiebasierten additiven Fertigung technischer Keramiken (wie Aluminiumoxid) schafft das FBH neue Möglichkeiten für den Aufbau kompakter Quantensensorik-Systeme. Diese Verfahren erlaubt es, Bauteile mit komplexen Strukturen zu erzeugen, die zugleich mechanisch belastbar und gewichtssparend sind. Produktionszyklen lassen sich flexibel gestalten und zügig an wechselnde Anforderungen anpassen.

Als konkretes Beispiel stellt das FBH eine miniaturisierte Frequenzreferenz auf Basis von Rubidium-Laserspektroskopie vor. Deren optische Komponenten montieren die Forscher präzise auf 3D-gedruckten keramischen Substraten mittels Hybrid-Mikrointegration. Herauskommt ein robustes, kompaktes Gesamtsystem mit einem Volumen von 7 ml und Gewicht von 15 g. Solche Systeme sind besonders für den mobilen und den späteren Einsatz im Weltraum geeignet.

Integrierte Chip-Plattformen auf GaAs-Basis

Bei der Halbleitertechnologie verfügt das FBH über umfassende Kompetenz in der Herstellung von Galliumarsenid-basierten (GaAs) Laserdioden und integriert-optischen Komponenten. Konkret stellt das Institut neue photonisch integrierte GaAs-Schaltkreise (PICs) vor, die aktive Verstärkung mit passiven Wellenleitern verbinden. Daraus entstehen unter anderem ringresonatorgekoppelte Laser, die Leistungen von etwa 14 mW bei einer Wellenlänge von etwa 1.050 nm bereitstellen können.

Das FBH entwickelt zudem GaAs-Verstärkerchips, die über integrierte Transferdruckverfahren in diverse passive Wellenleiter-Plattformen eingebunden werden können. Diese Technologien fließen künftig in größere Vorhaben wie die europäische Pilotlinie APECS und die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD) ein. (heh)

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