Elektrooptisch aktive Flüssigkristalle stellen Weichen für das Licht

Dresden, / 11.3.2013

Glasfaser als optische Übertragungsmedien garantieren höchste Datenraten über weite Strecken und sind heute bei öffentlichen Kommunikationsnetzen ohne Konkurrenz. Um das Potenzial der Lichtwellenleiter voll zu nutzen, werden optische Schalter und Modulatoren eingesetzt, welche die verschiedensten optischen Signale bündeln und kanalisieren. Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden entwickelt optische Schalter und Modulatoren basierend auf elektrooptischen Wellenleitern in speziellen Flüssigkristallen. Diese Flüssigkristalle reagieren besonders sensitiv auf elektrische Felder, zeigen kurze Reaktionszeiten im Submikrosekundenbereich, sowie eine gute Transparenz über einen weiten Spektralbereich vom Sichtbaren bis ins Infrarot. Mögliche Anwendungen für die Technologie gehen über optische Kommunikationsnetze hinaus. Auf der OFC/NFOEC 2013 in Anaheim, Kalifornien, der weltweit führenden Messe und Konferenz auf dem Gebiet der faseroptischen Kommunikationstechnologien, stellt das Fraunhofer IPMS die Technologie der breiten Öffentlichkeit vor.

Demonstrator eines fasergekoppelten Flüssigkristall-Schalters mit zwei Schaltzuständen.

Die Möglichkeiten faser-optische Netze für die Übertragung von großen Datenmengen scheinen nahezu grenzenlos: Hohe Bandbreiten, die Geschwindigkeiten von mehreren TBit/s zulassen und geringe Verluste, so dass das optische Signal nur in sehr großen Abständen verstärkt werden muss. Doch diese Möglichkeiten kommen nur zum Tragen, wenn es gelingt, die Bandbreite des Datennetzes durch beispielweise Zusammenführung, Trennung, Verstärkung und Abschwächung verschiedener faseroptischen Signale voll auszunutzen. Die Anforderungen an diese speziellen Techniken sind hoch. Die optischen Schalter oder Multiplexer, die hier eingesetzt werden, müssen schnell und zuverlässig schalten, eine große Anzahl von Schaltzyklen erlauben, auf unterschiedliche Kanäle anpassbar sein, sich durch geringe Einfügedämpfung und geringes Übersprechen auszeichnen und sich in verschiedenste Baugruppen integrieren lassen. Die vom Fraunhofer IPMS in Dresden entwickelte Lösung ist hinsichtlich all dieser Faktoren sehr vielversprechend. Die von den Wissenschaftlern entwickelten optischen Schalter basieren auf elektro-optisch induzierten Wellenleitern in speziellen Flüssigkristallen. Entwicklungsleiterin Dr. Florenta Costache erläutert den Effekt, der dabei zum Einsatz kommt, so: »Mittels von außen angelegter elektrischer Felder werden große Anisotropien in einem eng begrenzten Raumbereich innerhalb einer Flüssigkristallschicht induziert. So lässt sich die Führung einer Lichtwelle entlang dieses Bereiches gezielt steuern.« Der hierdurch induzierte Wellenleiter erlaubt die Lichtführung mit Verlusten von lediglich 0.5 dB/cm. Das schnelle Schaltverhalten des Bauteils basiert auf dem elektrooptischen Kerreffekt der Flüssigkristalle, die unterhalb einer Mikrosekunde auf das elektrische Feld ansprechen. Die Bauelemente sind für 1550 nm Telekom-Wellenlänge entwickelt. Jedoch, wenn gewünscht, kann das Bauelement für jede Wellenlänge vom sichtbaren bis in den infraroten Spektralbereich (400 - 1600 nm) realisiert werden.

Hergestellt werden diese Bauteile mittels planarer Silizium-Wafer-Technologie. Das erlaubt hohe Stückzahlen und eine kostengünstige Produktion. Aufgrund des geradlinigen Designs bietet der am Fraunhofer IPMS entwickelte Schalter bedeutende Vorteile in Bezug auf die Stabilität und Zuverlässigkeit des Schaltvorganges und die Integrierbarkeit in optische Bauelemente. Optische Kommunikationsnetzwerke sind daher keineswegs das einzige Anwendungsfeld für die elektrooptisch induzierten Flüssigkristallwellenleiter des Fraunhofer IPMS. »Unsere Schalttechnik ist prinzipiell für alle komplexen optischen Systeme in Anwendungen wie der Datenverarbeitung, der Sensorik, Lasertechnologie oder Sicherheitstechnik prädestiniert,« erläutert Florenta Costache und nennt ein Beispiel: »In Brücken, Windenergieanlagen, Pipelines oder Schienenfahrzeugen werden einzelne optische Fasersensoren zu umfangreichen Sensornetzwerken zusammengefasst, um Änderungen in Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Beschleunigung, Vibrationen und Dehnungen auch unter widrigsten Bedingungen schnell und ortsgenau zu erkennen. Unsere elektrooptischen Schalter dienen hier dazu, die einzelnen Kanäle für die zyklische Auswertung den Analyseinstrumenten zuzuordnen.«

Weitere Entwicklungen basierend auf dieser Technologie werden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des im September letzten Jahres am Fraunhofer IPMS gestarteten Projekts »Elektrooptische Wellenleiter basierend auf Flüssigkristallen für integrierte optische Schaltungen (EOF-IOS)«, FKZ 13N12442, unterstützt. Das auf zwei Jahre ausgelegte Forschungsprojekt »EOF-IOS« ist Teil der Förderinitiative »Wissenschaftliche Vorprojekte (WiVorPro)« innerhalb des Förderprogramms Photonik Forschung Deutschland.

Auf der OFC/NFOEC 2013, der Leitmesse für faseroptische Kommunikationstechnologien, präsentiert das Fraunhofer IPMS zwei neuartige flüssigkristallbasierte Demonstratoren für das Schalten und Modulieren optischer Signale. Besucher der Messe haben die Möglichkeit, die Technologie eines fasergekoppelten bidirektionalen 1×2-Schalter kennen zu lernen, bei dem der zugrundeliegende Schaltprozess direkt im Bauelement mit Hilfe sichtbaren Lichts visualisiert wird. Zudem wird ein fasergekoppelter Modulator für infrarotes Licht vorgestellt. Die Ausstellung im Anaheim Convention Center befindet sich am Stand des Fraunhofer IPMS Nummer 2657.

Über Fraunhofer IPMS

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS realisiert mit 200 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern ein jährliches Forschungsvolumen von 20 Millionen Euro. Mehr als zwei Drittel dieses Leistungsbereichs erwirtschaftet das Fraunhofer IPMS mit Aufträgen aus der Wirtschaft und mit öffentlich finanzierten Projekten der angewandten Forschung. Im Fokus der Entwicklungs- und Fertigungsleistungen steht die industrienahe Verwertung der alleinstellenden technologischen Kompetenzen auf dem Gebiet der (optischen) Mikro-Elektromechanischen Systeme [MEMS, MOEMS]. Dabei nutzt das Fraunhofer IPMS wissenschaftliches Know-how, Applikationserfahrung und Kundenkontakte sowie moderne Anlagentechnik und Reinraum-Infrastruktur. Das Fraunhofer IPMS deckt eine breite Palette industrieller Anwendungen ab. Das Leistungsangebot reicht von der Konzeption über die Produktentwicklung bis zur Pilotserienfertigung – vom Bauelement bis zur kompletten Systemlösung.