Photonics West 2012

Dresden, / 22.12.2011

San Francisco, USA, 24. - 26. Januar 2012, Stand 4417

Optischer Schalter basierend auf integrierten Flüssigkristall-Wellenleitern

Optischer Schalter basierend auf integrierten Flüssigkristall-Wellenleitern.

Flüssigkristall-Wellenleiter als optische Schalter

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS zeigt auf der Photonics West 2012 in San Francisco vom 24. bis 26. Januar 2012 am Stand 4417 erstmals den Demonstrator eines optischen Flüssigkristall-Schalters.Sowohl in der optischen Telekommunikation als auch für Faser-Sensornetzwerke werden optische Schalter benötigt, die dynamisch steuerbar sind. Optische Schalter und Router sind typische Geräte für diesen Markt in Netzwerkapplikationen. Anforderungen sind hohe Zuverlässigkeit und Stabilität des Schaltvorgangs, die gleichzeitige Steuerung einer hohen Anzahl von Kanälen sowie geringe optische Verluste, niedriger Crosstalk und kleine Schaltzeiten.Optische Schalter, die auf Flüssigkristallen basieren und damit ohne bewegliche Teile auskommen, gewährleisten hohe Zuverlässigkeit und Stabilität. Dies ist einer der Gründe, weshalb das Fraunhofer IPMS vor einiger Zeit die Entwicklung entsprechender Bauelemente gestartet hat. Hohe Attraktivität gewinnt diese Technologie durch die Verwendung isotroper Flüssigkristalle. Hierbei wird der zugrunde liegende elektrooptische Kerr-Effekt ausgenutzt, der zu Schaltzeiten unterhalb einer Mikrosekunde und einer exzellenten Transparenz über einem breiten Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1600 nm führt, bei vergleichsweise geringen Betriebsspannungen. Darüber hinaus sind die Bauelemente aufgrund ihres unkomplizierten Designs in planarer Silizium- Wafer-Technologie einfach herstellbar und integrierbar.

Der in der Abbildung gezeigte optische Schalter des Fraunhofer IPMS besteht aus zwei gegeneinander gebondeten Silizium-Wafern, die jeweils strukturierte Metallelektroden aufweisen. Die Wafer schließen eine isotrope Flüssigkristall-Schicht ein. Ein elektrisches Feld, das mittels der Metallelektroden vertikal im Flüssigkristall eingeprägt wird, führt zu einer lokalen Änderung des Brechungsindexes in der betreffenden Region. In den sich ausbildenden Pfaden kann Licht geführt werden, mit einem optischen Verlust kleiner 2 dB/cm. Basierend auf diesem Prinzip der aktiven optischen Wellenleiter können durch einfache Strukturierung der Elektroden auf den Wafern komplexere Bauelemente mit einer größeren Anzahl von optischen Eingängen und Ausgängen ohne Probleme hergestellt werden, sowohl für Mono-Mode- als auch für Multi-Mode-Betrieb.

Der optische Flüssigkristall-Schalter des Fraunhofer IPMS bietet daher außerordentliche Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit und Stabilität des Schaltvorgangs, da keine mechanisch beweglichen Teile involviert sind. Das Herstellungsprinzip unter Nutzung von Silizium-Wafern ermöglicht große Flexibilität und Skalierbarkeit, zudem ist eine kostengünstige Fertigung auch in hohen Stückzahlen gewährleistet. Die Funktionalität der Bauelemente kann ohne großen Aufwand auf optische Kopplung, Dämpfung und Modulation erweitert werden. Maßgeschneiderte Lösungen für optische Netzwerke, Sensoranwendungen und sonstige Applikationen in der Lasertechnologie werden ermöglicht.

Über Fraunhofer IPMS

Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS realisiert mit 220 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern ein jährliches Forschungsvolumen von nahezu 26 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.