Integrierte Photonik

Die Speicherung digitaler Informationen in synthetischer DNA gilt als vielversprechender Weg für die Massendatenspeicherung der Zukunft - mit extremer Speicherdichte und Langlebigkeit.

Das Fraunhofer IPMS ist Teil des Projekts BIOSYNTH, das eine modulare Mikrochipplattform als Grundlage für biologische Speichertechnologien für das Schreiben von DNA, RNA und Peptiden entwickelt.

Fortschrittliche MEMS- und Thermosteuerungstechnologie für die nächste Generation der DNA-Datenspeicherung

Unser Institutsteil Integrated Silicon Systems (ISS) entwickelt dafür die thermisch aktive MEMS-Ebene der Plattform. Mithilfe oberflächenmikromechanischer Strukturen (inspiriert von der CMUT-Technologie) wird präzise Temperaturkontrolle für die Synthese biologischer Sequenzen ermöglicht. Zusätzlich bringen wir unsere Simulationsexpertise zur thermischen Optimierung ein. Im Fokus steht die Miniaturisierung: Aktuelle Syntheseanlagen sind groß, teuer und ineffizient. Die neue Plattform hingegen soll hochparallel, kostengünstig und portabel sein. Auch Anwendungen in der Toxikologie, personalisierten Medizin oder dem Bio-Computing sind denkbar.

Mit BIOSYNTH erschließt das Fraunhofer IPMS neue Anwendungsfelder für integrierte Photonik, Mikrosystemtechnik und synthetische Biologie für die Datenwelt von morgen.

Photonische Biosensoren eignen sich hervorragend für eine schnelle und genaue molekulare Analyse in Point-of-Care-Anwendungen und ermöglichen die Früherkennung von Krankheiten als Alternative zu herkömmlichen Blutkulturen. Sie sind zudem wertvolle Werkzeuge für die Lebensmittelanalyse und Umweltüberwachung.

Neuartige Siliziumnitrid-Microring-Resonator-Technologie

Am Fraunhofer IPMS entwickeln wir photonische Biosensoren auf Basis von Siliziumnitrid-Microring-Resonatoren als hochempfindliche Transduktionskomponenten. Diese Biosensoren detektieren Verschiebungen der Resonanzwellenlänge, die durch das Binden von Zielbioproteinen an die funktionalisierte Oberfläche des Microrings entstehen. Dieses Binden verändert den effektiven Brechungsindex der optischen Mode im Resonator, was zu einer messbaren spektralen Verschiebung am Ausgang führt.

Die Empfindlichkeit des Sensors steigt mit schmaleren Resonanzspitzen im Transmissionsspektrum. Durch die funktionale Beschichtung der Microring-Oberfläche mit spezifischen bioaktiven Rezeptoren wie Antikörpern oder DNA kann der Biosensor gezielt Analyte wie Biomarker-Proteine in Konzentrationen von bis zu 10 pg/ml nachweisen.

Unser Ziel ist die Entwicklung einer hochempfindlichen, kosteneffizienten, zuverlässigen und skalierbaren On-Chip-Biosensorplattform mit Multiplex-Architektur und optimierter Lichtkopplung für umfassende und effiziente biomolekulare Analysen.

Konventionelle Fokus- und Zoomsysteme basieren auf der mechanischen Verschiebung von Linsenelementen, was die Integration in kompakte Systeme aufgrund ihrer Größe erschwert.

Innovative einstellbare Mikrolinsen

Das Fraunhofer IPMS hat eine Mikrolinse mit variabler Brennweite entwickelt, die durch ihr beeindruckend kompaktes und integrierbares Design überzeugt. Die Brennweite wird durch die Verformung einer Membran angepasst, welche durch hydraulischen Druck erzeugt wird. Dieser entsteht durch spannungsgesteuerte Flüssigkeitsverschiebung mittels eines hochverformbaren elektroaktiven Polymeraktuators in einer mikrofluidischen Siliziumkammer. Die Fertigung erfolgt im Wafer-Level-Verfahren, das eine hochpräzise Strukturierung, exakte Ausrichtung und skalierbare Produktion ermöglicht.

Mit einer Apertur von nur wenigen Millimetern und einem weiten, spannungsgesteuerten Fokussierbereich ist die Mikrolinse ideal für kompakte Autofokus- oder Zoommodule, beispielsweise in mobilen Geräten, sowie für Anwendungen in Photonik, Optoelektronik und Bildverarbeitung.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt fortschrittliche Bauelemente und photonische integrierte Schaltkreise (PICs) auf Basis von Siliziumnitrid-Wellenleitern. Durch maßgeschneiderte Technologien ermöglichen wir die monolithische Integration von Wellenleitern mit CMOS-Bauelementen bei gleichzeitig niedrigen optischen Verlusten. Ein einzigartiger Vorteil ist die Kombination von Siliziumnitrid-Wellenleitern mit Flüssigkristall-Wellenleitern, wobei spezielle Elektrodenkonfigurationen die Herstellung programmierbarer photonischer Bauelemente für vielfältige Anwendungen erlauben.

Unsere Expertise umfasst das Design, die Fertigung und Charakterisierung von Wellenleiterbauelementen und PICs, die in optischen Kommunikationsnetzwerken (z. B. als Wellenlängenfilter, Schalter und Multiplexer), der Spektroskopie sowie als Transduktorelemente in optischen Sensoren und Biosensoren eingesetzt werden.

Die Herstellung erfolgt auf 200-mm-Wafern im Reinraum des Fraunhofer IPMS. Die Charakterisierung wird in spezialisierten Laboraufbauten durchgeführt, um höchste Qualität und Leistung sicherzustellen.

Mit MEMS-on-PIC hat das Fraunhofer IPMS eine universelle Fertigungstechnologie entwickelt, die photonische integrierte Schaltkreise (PICs) mit MEMS-Strukturen verbindet und mit allen etablierten Materialplattformen wie Silizium, Siliziumnitrid und Lithiumniobat kompatibel ist.

CMOS-kompatible MEMS-Integration auf photonischen Schaltkreisen

Die MEMS-Strukturen werden direkt auf der Wellenleiterebene bestehender PICs gefertigt, ohne deren optische Eigenschaften zu beeinträchtigen. Dies wird durch nanometerdünne, transparente Schutzschichten ermöglicht. MEMS-on-PIC basiert auf einem CMOS-kompatiblen 200-mm-Waferprozess und ergänzt die Siliziumnitrid-Photonikplattform des Fraunhofer IPMS. Das zentrale Element sind optische MEMS-Phasenschieber, die den Brechungsindex des Wellenleiters durch mechanische Bewegung verändern. Diese bilden die Grundlage für photonische Prozessoren, beispielsweise in KI- oder Quantenanwendungen, und überzeugen durch niedrigen Energieverbrauch und hohe Integrationsdichte, selbst in kryogenen Umgebungen.

Neben Phasenschiebern können MEMS-Strukturen auch als Schalter, Modulatoren oder Filter eingesetzt werden, beispielsweise für Kommunikation, Sensortechnik und Spektroskopie. MEMS-on-PIC bietet eine skalierbare, energieeffiziente und vielseitige Lösung für die integrierte Photonik von morgen.

Wir entwickeln maßgeschneiderte OLED-on-Silicon-Bauelemente für Industriepartner als Schlüsseltechnologie für integrierte photonische Systeme.

Unser Leistungsspektrum umfasst die gesamte Entwicklungskette, von CMOS-Design, OLED-Stack-Optimierung und optischem Design bis hin zur Systemintegration und Schnittstellenprogrammierung.

Ziel ist es, optische und elektronische Funktionen nahtlos auf einem Chip zu vereinen und so kompakte, leistungsstarke Anwendungen zu ermöglichen.

Fraunhofer IPMS: Ihr Partner für skalierbare OLED- und organische Fotodioden-Lösungen

Wir bieten technologiegetriebene Entwicklungsprojekte an, die von Machbarkeitsstudien und Projektkonzeption über Pilotproduktion bis zum Technologietransfer reichen. Unsere Expertise umfasst die Realisierung strukturierter OLEDs und organischer Fotodioden (OPDs), die speziell auf Ihre Anforderungen in den Bereichen Sensortechnik, Augmented Reality (AR), Medizintechnik oder Sicherheit zugeschnitten sind.

Unsere Lösungen sind flexibel skalierbar auf starren Substraten wie Silizium oder Glas sowie auf flexiblen Materialien. Zudem stellen wir Evaluierungskits bereit und unterstützen Design- und Technologietransfer für eine schnelle Integration in Ihre Produktentwicklung. Mit unseren bidirektionalen OLED-Mikrodisplays und funktionsintegrierten CMOS-ICs liefern wir wichtige Bausteine für die industrielle Umsetzung integrierter photonischer Systeme.