Abstract:
Integrierte photonische Systeme sind Grundlage für eine Vielzahl hochrelevanter Anwendungen, welche sich von optischer Kommunikation über Metrologie bis hin zu Astronomie erstrecken. Zudem spielen sie eine wichtige Rolle bei der Entwicklung von neuartigen Technologien wie Quantencomputern und Licht-Radar (Light Distance and Ranging, LIDAR).
Integrierte photonische Systeme verwenden optische Wellenleiter, welche Licht erzeugen, führen und detektieren. Es gibt zwei wichtige Ansätze, solch integrierte photonischen Systeme zu realisieren. Zum einen wird versucht, alle Funktionalitäten monolithisch durch Prozesse auf Waferebene umzusetzen, ähnlich der Herstellung von elektronischen integrierten Schaltkreisen. ... mehrDieser Ansatz erlaubt hochgradig skalierbare und kostengünstige Massenfertigung. Um alle Funktionalitäten auf Wafer-Ebene umzusetzen, sind jedoch Investitionen in Höhe mehrerer Milliarden Euro notwendig. Zudem müssen bei einem monolithischen Ansatz aus Kompatibilitätsgründen Kompromisse in Bezug auf die Leistungsfähigkeit der einzelnen Funktionalitäten gemacht werden, um die Herstellung auf einem Wafer zu ermöglichen.
Ein weiterer Ansatz zielt auf die Kombination diskreter Komponenten, wie Laser, Modulatoren und Detektoren ab. Auch hier können die einzelnen Komponenten auf Wafer-Ebene hergestellt werden, jedoch auf einer für die jeweilige Funktionalität besonders geeigneten Materialplattform. Dieser hybride Ansatz für die photonische Integration nutzt die komplementären Vorteile verschiedener Materialplattformen und ermöglicht so eine überlegene Leistungsfähigkeit und Flexibilität im Vergleich zu einem monolithischen Ansatz. Ein weiterer Vorteil ist, dass alle Komponenten individuell getestet und selektiert werden können, bevor sie in ein komplexes System integriert werden.
Allerdings stellt die Verbindungs- und Aufbautechnik solcher aus Einzelkomponenten bestehenden Systeme eine große Herausforderung dar. Für effizientes optisches Koppeln zwischen den einzelnen Komponenten sind komplexe und kostspielige Prozesse für die hochpräzise Ausrichtung sowie die Anpassung der optischen Modenprofile notwendig.
Da die Herstellung auf Wafer-Ebene inhärent auf planare Strukturen limitiert ist, sind auch die Funktionalitäten der mit beiden Ansätzen hergestellten photonischen Systeme begrenzt. Insbesondere ist eine Freiraumabstrahlung schwierig umzusetzen, da Licht, emittiert aus planaren Wellenleitern, sehr divergent ist. Somit stellen Anwendungen, welche Freistrahlemission vorausetzen, eine nicht gelöste Herausforderung dar.
Diese Arbeit demonstriert, wie die Vorteile beider Ansätze durch In-situ-Nanodruck von funktionalen, dreidimensionalen (3D) photonischen Strukturen kombiniert werden können. Die funktionalen Strukturen werden hierbei direkt an die Facetten der optischen Komponenten gedruckt und erlauben eine Anpassung von unterschiedlichen Modenfeldern sowie eine Strahlaufweitung. Dadurch werden die Genauigkeitsanforderungen an den Ausrichtungsprozess der photonischen Komponenten derart herabgesetzt dass kosteneffiziente, durchsatzstarke Assemblierungstechnik verwendet werden kann. Zusätzlich lösen die 3D-gedruckten funktionalen Strukturen das Problem der Freistrahlemission planarer Wellenleiter, da sie Licht kollimieren und manipulieren können. Der Ansatz ist somit auf eine große Vielfalt von optischen Komponenten und Assemblierungskonzepten anwendbar.
Das Konzept, Licht mit 3D-gedruckten, funktionalen Strukturen zu beeinflussen, ist nicht auf Anwendungen in der Verbindungs- und Aufbautechnik limitiert, sondern kann in vielen wissenschaftlichen und industriellen Feldern genutzt werden. Als Beispiel demonstriert diese Arbeit die Anwendbarkeit in der Astronomie, indem das Einkoppeln von Sternenlicht in einmodige Fasern (single-mode fiber, SMF) gezeigt wird. Hierfür werden Mikrolinsen auf die Facette einer optischen Faser gedruckt und dienen so als Kopplungselement zu einem integrierten Wellenfrontsensor für terrestrische Teleskope. Durch diesen integrierten Wellenfrontsensor ist eine Korrektur von optischen Turbulenzen möglich.
Basierend auf der Technologieentwicklung für optische Kopplung erweitert diese Arbeit die Möglichkeiten von 3D-Druck. Es wird gezeigt, dass 3D-gedruckte Strukturen selbst eine Funktionalität aufweisen können, welche über die Vereinfachung einer optischen Kopplung hinaus geht. Hierzu werden optische Systeme mit integrierter optischer Aktuator- und Ausleseeinrichtung auf photonische Komponenten gedruckt. Die Einsatzmöglichkeiten der 3D-gedruckten Sensorsysteme werden durch die Anwendung als Rastersondenmikroskop gezeigt. Die Strukturen zeigen die die Fähigkeit, Stufen mit atomaren Abmessungen aufzulösen und das optische Nahfeld von optischen Komponenten zu detektieren.
Teile dieser Promotion wurden in den internationalen Fachzeitschriften Nature Photonics, Small, Applied Physics Letters und Optics Express publiziert.
Abstract (englisch):
Integrated photonic systems are critical to a wealth of highly relevant applications in science and industry ranging from optical communications over metrology to astro-photonics. They also play an integral role in the development of novel technologies such as quantum computing and devices for solid-state light detection and ranging (LiDAR).
From an engineering perspective, integrated photonic systems mainly rely on functional waveguides that generate, guide, modulate, and detect light. There are two main approaches to realize integrated photonic systems. The first aims at embedding all functionalities monolithically, implemented by processes that are compatible with wafer-level fabrication. ... mehrThis approach allows highly scalable and cost-effective mass production, as it can rely on mature processes developed for the production of electronic integrated circuits. However, it requires multi-billion Euro investments in chip foundries. Additionally, for this monolithic approach, compromises in terms of performance of individual functionalities must be made to make all processes compatible with fabrication on a single wafer.
A second approach aims at combining discrete photonic components such as lasers, modulators and detectors into a hybrid photonic system. Again, all components are fabricated on wafer level, however, each component is realized on a material platform, optimized for the respective functionality. This approach exploits complementary strengths of different material platforms, thereby offering superior performance and design flexibility compared to the monolithic approach. Another advantage is that all components can be individually tested and selected before integration into a complex system.
However, the assembly of such systems consisting of discrete components still represents a major challenge. For efficient coupling between photonic components, complex and expensive processes for high-precision alignment and careful adaptation of optical mode-profiles are needed.
Moreover, as wafer-level fabrication for both, the monolithic and hybrid approach, is inherently limited to planar structures, the functionalities to create photonic systems are severely limited. In particular, free-space emission is difficult to implement, as light emitted from planar waveguides is highly divergent. Therefore, many applications that require light emission into free-space, such as sensor systems, or free-space coupling among photonic components represents an unsolved challenge.
This work demonstrates how the advantages of the monolithic and the hybrid approach can be combined by in situ nano-printing of 3D functional photonic structures. These functional structures are directly printed to the facet of photonic components and allow adaptation of vastly dissimilar mode profiles while considerably relaxing alignment tolerances to the extent that scalable and cost-effective passive assembly techniques can be used. The presented approach is applicable to a wide variety of waveguide types, material platform and assembly concepts. Additionally, in situ nano-printing of 3D functional photonic structures solves the challenge of free-space light emission, as 3D functional structures can collimate and manipulate light emitted from planar waveguides.
The concept of manipulating light with 3D nano-printed functional structures is not limited to the assembly of photonic integrated systems but can be used in many scientific and industrial fields. As an example, this work shows the applicability in astro-photonics for optical coupling of starlight into single-mode fibers (SMF). To this end, micro-lenses are 3D-printed on an SMF facet and serve as a coupling device to an integrated wave front sensor of a terrestrial telescopes. By the help of this integrated wave front sensor, the correction of optical turbulence can be improved.
Based on these developments, this work extends the possibilities of 3D nano-printing to the degree that the fabricated structures can have themselves a functionality beyond optical coupling. To demonstrate this concept, optical engines with integrated optical actuation and read-out are printed onto SMF arrays and are tested for the use in relevant applications like scanning probe microscopy (SPM). The presented structures show the ability to detect atomic steps and measure the optical near-field of photonic structures and devices.
Parts of this work were published in the international journals Nature Photonics, Small and Optics Express.
