RAINBOW

Hyperspektrale photonische Integrationsplattform

Fraunhofer PREPARE
Kooperation zwischen Fraunhofer HHI und Fraunhofer IOF

Laufzeit: April 2022 – March 2025

 

Die Photonik ist ein KMU geprägter, exportorientierter sowie wissensintensiver Teil der deutschen Wirtschaft. Für Anwendungen in der Sensorik, Quantentechnologien und Kommunikation werden hier immer komplexere optische Funktionen benötigt. Photonik Integrated Circuits (PICs) sind hierfür ein essentielles Werkzeug. Die bisherige Entwicklung von PICs fand überwiegend für die optische Datenübertragung statt, getrieben durch die hohen Volumina, die hohen Entwicklungsaufwand erlaubten. Beim HHI besteht diesbezüglich eine weltweit sichtbare Expertise insbesondere für die Materialplattform Indium-Phosphid (InP). InP ist ideal für die optische Kommunikation, kann aber für Anwendungen wie die Sensorik mit Wellenlängen <1250 nm nicht verwendet werden. Für diesen Spektralbereich müssen neue PIC-Technologien entwickelt werden.

Ziel von RAINBOW ist die Erschließung neuer Wellenlängenbereiche für PICs, um eine Vielzahl neuer Anwendungen außerhalb der Datenübertragung zu ermöglichen. Besonders interessant sind dabei Wellenlängen bis an den kurzwelligen Rand des sichtbaren Spektralbereichs bei λ = 450 nm. In diesem spektralen Bereich gibt es wesentliche Sensorik wie z.B. LIDAR (980 nm), OCT (1060 - 1300 nm) oder ultra-sensitive Magnetfeld-Sensorik 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 <670 nm fluoreszieren.

Die wesentliche Herausforderung für die Erweiterung des Wellenlängenbereiches von PICs ist die fehlende Verfügbarkeit einer einheitlichen Material- und Komponentenbasis für die integriert-optischen Schlüsselfunktionen. Im Projekt RAINBOW wird diese Lücke durch eine hybride Kombination verschiedener Materialplattformen geschlossen, was die Nutzung des vollen Potenzials hochintegrierter Optik im Spektralbereich von 450 nm bis 1650 nm ermöglicht. Dafür werden drei Schlüsseltechnologien vorangetrieben: die Etablierung einer integriert-optischen Plattform auf Basis neuer Lithiumniobat (LiNbO3 abgekürzt: LN-on-Insulator (LNoI) Materialien, die Erweiterung des Spektralbereichs von Si3N4-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, und durch die hybride Integration wird der direkte Anschluss an etablierte Systeme auf Silizium (Si)-, InP- oder GaAs-Basis sichergestellt.
Im Ergebnis entsteht eine neuartige und hochflexible Technologieplattform, dessen gegenüber etablierten Ansätzen substanziell erweitertes Anwendungspotenzial im Projekt durch drei Demonstratoren unterstrichen wird. Diese realisieren anspruchsvolle Demonstratoren wie eine chip-integrierte Frequenzkonversion für die Sensorik, PICs für einen breitbandigen 50 GHz Modulator für die Datenübertragung, und einen Chip-basierten, oktavübergreifenden Frequenzkamm für die Metrologie.