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 für das Schreiben von DNA, RNA und Peptiden entwickelt – als Grundlage für biologische Speichertechnologien.

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 – ein echter Technologiewechsel für DNA-basierte Datenspeicherung. 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 sind sehr gut geeignet, um schnelle und genaue molekulare Analysen in Point-of-Care-Anwendungen zur Früherkennung von Krankheiten, als Alternative zur Standardmethode des Nachweises von Mikroorganismen durch Blutkulturen, zur Lebensmittelanalyse oder zur Umweltüberwachung durchzuführen.

Wir entwickeln photonische Biosensoren mit Siliziumnitrid-Mikroringresonatoren als Wandlerelemente. Im Detail funktioniert der auf einem Mikroringresonator basierende Biosensor wie folgt: Ziel-Bioproteine, die an die Oberfläche der funktionalisierten Mikroringstruktur binden, bewirken eine Änderung des effektiven Brechungsindex der in die Struktur einfallenden Mode und damit eine Verschiebung der Resonanzwellenlänge, die bei der Überwachung des Spektrums am Ausgangstor detektiert wird. Je schmaler die Resonanzspitzen des Transmissionsspektrums sind, desto höher ist die Empfindlichkeit des Resonators. 

Eine geeignete Funktionalisierung der Mikroring-Oberfläche ermöglicht darüber hinaus die Detektion einer Bindung zwischen einem spezifischen bioaktiven Rezeptor (Antikörper, DNA) und dem Analyten (z. B. Biomarker-Protein), die an der modifizierten Oberfläche stattfindet. Mit Hilfe von Mikro-Ringresonator-basierten Biosensoren könnten Biomarkerproteine bis zu sehr niedrigen Konzentrationen von etwa 10 pg/ml nachgewiesen werden. Wir entwickeln eine hochempfindliche, kostengünstige, zuverlässige und skalierbare On-Chip-Biosensor-Plattform mit Multiplex-Architektur und optimierter Lichteinkopplung auf den Chip.

Konventionelle Fokus- und Zoomsysteme beruhen auf der mechanischen Verschiebung von Linsenelementen, was aufgrund der Baugröße eine Integration in kompakte Systeme erschwert.

Am Fraunhofer IPMS wurde eine Mikrolinse mit variabler Brennweite entwickelt, die durch ein kompaktes, integrierbares Design überzeugt. Die Brennweite wird über die Verformung einer Membran angepasst, indem hydraulischer Druck durch eine spannungsgesteuerte Flüssigkeitsverdrängung erzeugt wird. Diese erfolgt über einen elektroaktiven Polymeraktor mit hoher Deformierbarkeit innerhalb einer mikrofluidischen Siliziumkammer. Die Fertigung erfolgt mittels Wafer-Level-Technologie, was hochpräzise Strukturierung, exakte Ausrichtung sowie eine skalierbare Produktion ermöglicht.

Mit wenigen Millimetern Apertur und einem breiten, spannungsgesteuerten Fokusbereich eignet sich die Mikrolinse ideal für kompakte Autofokus- oder Zoom-Module, etwa in Mobilgeräten, sowie für Anwendungen in der Photonik, Optoelektronik und Bildverarbeitung.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt Bauelemente und photonische integrierte Schaltungen auf Basis von Siliziumnitrid-Wellenleitern. Durch den Einsatz maßgeschneiderter Technologien bietet das Fraunhofer IPMS die Möglichkeit, Wellenleiter monolithisch mit CMOS-Bauelementen zu integrieren und verlustarm zu gestalten.

Einzigartige Chancen ergeben sich aus der Möglichkeit, Siliziumnitrid-Wellenleiter mit Flüssigkristall-Wellenleitern zu kombinieren, wobei eine spezifische Elektrodenkonfiguration zu neuen programmierbaren Bauelementen für unterschiedliche Anwendungen führen kann.

Das Fraunhofer IPMS verfügt über Expertise im Design, der Herstellung und Charakterisierung von Wellenleiterbauelementen und photonischen integrierten Schaltungen, die z. B. als Wellenlängenfilter, Schalter, Multiplexer etc. in optischen Kommunikationsnetzwerken, in der Spektroskopie und als Wandlerelemente in der optischen Sensorik und Biosensorik eingesetzt werden. Die Wellenleiter werden auf 200-mm-Wafern im Reinraum des Fraunhofer IPMS gefertigt. Die Charakterisierung erfolgt in speziellen Laboraufbauten innerhalb des Instituts.

Mit MEMS-on-PIC hat das Fraunhofer IPMS eine universelle Fertigungstechnologie entwickelt, die photonische Schaltkreise (PICs) mit MEMS-Strukturen kombiniert – auf allen etablierten Materialplattformen wie Silizium, Siliziumnitrid oder Lithiumniobat.

Die MEMS-Strukturen werden direkt auf der Wellenleiterebene bestehender PICs aufgebaut, ohne deren optische Eigenschaften zu beeinträchtigen. Möglich wird dies durch nanometerdünne, transparente Schutzschichten. MEMS-on-PIC basiert auf einem CMOS-kompatiblen 200-mm-Waferprozess und ergänzt die SiN-Photonikplattform des Fraunhofer IPMS. Das zentrale Element sind optische MEMS-Phasenschieber, die durch mechanische Bewegung die Brechungszahl des Wellenleiters verändern. Diese bilden die Grundlage für photonische Prozessoren, etwa in KI- oder Quantenanwendungen, und überzeugen durch geringen Energieverbrauch und hohe Integrationsdichte – auch für kryogene Umgebungen.

Neben Phasenschiebern lassen sich MEMS-Strukturen auch als Schalter, Modulatoren oder Filter einsetzen – ideal für Kommunikation, Sensorik und Spektroskopie. MEMS-on-PIC bietet eine skalierbare, energieeffiziente und vielseitige Lösung für die integrierte Photonik von morgen.

Für Industriepartner entwickeln wir maßgeschneiderte OLED-on-Silicon-Komponenten als Schlüsseltechnologie integrierter photonischer Systeme. Unser Angebot umfasst die komplette Entwicklungskette – vom CMOS-Design über OLED-Stack-Optimierung und Optikdesign bis zur Systemintegration und Schnittstellenprogrammierung. Ziel ist die nahtlose Kombination optischer und elektronischer Funktionen auf einem Chip für kompakte, leistungsfähige Anwendungen.

Wir bieten Ihnen technologiegetriebene Entwicklungsprojekte – beginnend mit Machbarkeitsstudien und Projektkonzeption bis hin zur Pilotfertigung und Technologieüberführung. Dabei realisieren wir strukturierte OLEDs und organische Photodioden (OPDs), abgestimmt auf Ihre spezifischen Anforderungen, sei es für Sensorik, AR-Anwendungen, Medizintechnik oder Sicherheitslösungen.

Unsere Lösungen sind flexibel skalierbar – auf starren Substraten wie Silizium oder Glas ebenso wie auf flexiblen Materialien. Ergänzend stellen wir Evaluations-Kits bereit und ermöglichen Design- und Technologietransfer für eine schnelle Integration in Ihre Produktentwicklung. Mit unseren bidirektionalen OLED-Mikrodisplays und funktionsintegrierten CMOS-ICs liefern wir zentrale Bausteine für die industrielle Umsetzung integrierter photonischer Systeme.