Optoelektronische Systeme

Die Technologieplattform »Optoelektronische Systeme« konzentriert sich auf die Realisierung optoelektronischer Bauelemente und Systems-on-Chip. Zu den Anwendungen zählen unter anderem Bilderfassung und -verarbeitung, -kommunikation bis zu Tbit / s -Geschwindigkeiten, Raman-Spektroskopie unter Bedingungen mit starkem Streulicht sowie quantenoptische Sensoren und Messtechnik wie optische Atomuhren für boden- und weltraumgestützte Anwendungen. Wir bieten die komplette Komponenten- und Technologiekette aus einer Hand, z. B. für die optische Kommunikation vom Sender zum Modulator und Empfänger zu vollintegrierten optoelektronischen Systemen, einschließlich anwendungsspezifischer Steuerung auf Befehlssatz-Prozessor-Basis und dafür eingebetteter Software.

Die hybride Integration von aktiven III-V-Materialien in die Polymer- und Si-Technologie, inkl. der Abscheidung atomarer Schichten auf Waferebene zur Verkapselung, spielen eine bedeutende Rolle bei der Herstellung vollständig hybrider, photonisch-integrierter Schaltkreise (Hybrid PICs).

 

  • Realisierung optoelektronischer Anwendungen für die Kommunikation bis hin zu Tbit / s -Geschwindigkeiten
  • Komplette Signalkette vom Emitter zum Modulator und Empfänger zu vollintegrierten optoelektronischen Systemen
  • Design von einzelnen Geräten, (integrierten) Schaltkreisen, oder auch kompletten Systemen (zum Beispiel Kommunikationssystemen)
  • fundierte Kenntnisse in der Verarbeitung einer großen Anzahl von Materialien – von Si bis zu Verbindungshalbleitern und Polymeren
  • Herstellung von passiven Strukturen wie Antireflexbeschichtung und Laser; großes Portfolio unterschiedlichster Laser-Wellenlängen: GaAs-basierte Laser (Wellenlängenbereich 620 – 1180 nm), InP-basierte Laser (~ 1,5 µm) und III-V-Halbleiter Laser mit Wellenlängen im Bereich von 2 - 11 µm
  • Integration von III-V-Materialien in Si-basierte Technologien; heterogene Integration: advanced Packaging, Wafer-Level Capping & advanced Substrat- / Interposer-Technologien
  • Charakterisierung der designten, hergestellten und montierten optoelektronischen Systeme und Prüfung in verschiedenen Belastungsszenarien (thermaler oder mechanischer Stress), Durchführung von Zuverlässigkeits- und Verschleißbeurteilungen.

Flyer Optoelektronische Systeme

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Quantenkaskadenlaser

 

Abstimmbare Laser-Module

 

Implementation / Kopplung von PICs (Photonic Integrated Circuits)

 

Lasermodule für Weltraumanwendungen

Optoelektronische Systeme

Die Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland zeigt mit ihren 13 Mitgliedsinstituten der Fraunhofer-Gesellschaft und Leibniz-Gemeinschaft Forschungsleistungen von internationaler Exzellenz. Damit trägt die FMD dazu bei, dass Deutschland und Europa einen Spitzenplatz in der Forschung und Entwicklung einnehmen. Einige ausgewählte Forschungshighlights und Leuchtturmprojekte im Bereich optoelektronischer Systeme finden Sie nachfolgend.

Die Liste aller Publikationen für die Technologieplattform Optoelektronische Systeme zum Download:

Schmalbandiger Diodenlaser (ECDL)

© FBH
  • Weltweit erstmalige Integration eines schmalbandigen Extended Cavity Diodenlasers auf einem einzelnen opto-elektronischen GaAs-Bauelement mit Hilfe einzigartiger GaAs Wachstums- und Fertigungstechnologie
  • Demonstration des weltweit schmalbandigsten monolithischen Diodenlasers
  • Enge Verzahnung der Akteure entlang der Wertschöpfungskette von Simulation und Design über die Halbleitertechnologie bis zu umfangreicher opto-elektronischer Messtechnik

Kooperationen:

  • DLR (BMWi), Verbundvorhaben ROSC, Teilvorhaben mECDL
  • DLR (BMWi), Verbundvorhaben SOLIS

Veröffentlichungen:

  • Brox O, et al. (2021): Novel 1064 nm DBR lasers combining active layer removal and surface gratings, in: Electron. Lett. 57, 559-561, Mai (2021). doi: 10.1049/ell2.12192
  • Wenzel S, et al. (2021): Ultra-narrow linewidth GaAs-based DBR Lasers, in: Conf. on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2021), virtual event, p. ATh4G.3 (Mai 2021). Online abrufbar unter: https://opg.optica.org/abstract.cfm?uri=CLEO_AT-2021-ATh4G.3

Weiterführende Informationen auf den Seiten des Ferdinand-Braun-Instituts (FBH):

Joint Lab QPC

Abteilung OE

Photonik

Verschränkte Photonenpaare beim Kampf gegen Krebs

Fabry-Pérot-Interferometer and Hyperspectral Imaging​

© Fraunhofer IIS / EAS
Beispiele für am Fraunhofer ENAS erfolgreich umgesetzte elektrisch abstimmbare MOEMS Bandpassfilter für den sichtbaren (oben-links) und Infrarot-Spektralbereich (rechts). Ihr Einsatz adressiert sowohl die Infrarot-Spektralsensorik (z. B.: Gasanalyse) als auch die hyperspektrale Bildgebung (unten-links, Quelle: Fraunhofer IIS/EAS). Die Investitionen der FMD und die damit verbundenen Anschaffungen leisten einen erheblichen Beitrag in der Umsetzung und optischen Charakterisierung optischer Filter und deren Weiterentwicklung. ​
  • Optische Aperturen mit bis zu 9 x 9 mm²​
  • Elektrisch abstimmbare MOEMS Bandpassfilter für den sichtbaren sowie infraroten Spektralbereich

Kooperationen:

  • M³Infekt (Fraunhofer Projekt, Kooperation der FMD-Institut Fraunhofer ENAS und IIS/EAS)​
  • SAB: Minimodul

Veröffentlichungen:

  • Helke C, et al. (2019): VIS Fabry-Pérot Interferometer with structured (TiO2/PE-SiO2)³ Bragg-reflectors on 5 mm large LP-Si3N4 membranes, in Proceedings Volume 10931, MOEMS and Miniaturized Systems XVIII; 109310Q, SPIE OPTO, 2019, San Francisco, California, United States. doi: 10.1117/12.2509170
  • Hiller K. et al. (2019): Mikro- und Nanotechnologien zur Herstellung steuerbarer optischer Filter, in MikroSystemTechnik 2019 - Kongress. ISBN: 978-3-8007-5090-0
  • Ebermann M, et al. (2019): Next Generation of highly miniaturized Bulk-MEMS-Fabry-Pérot Filters for infrared Microspectrometers, in 2019 20th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems & Eurosensors XXXIII (TRANSDUCERS & EUROSENSORS XXXIII). doi: 10.1109/TRANSDUCERS.2019.8808566

Weiterführende Informationen:

FABRY-PÉROT-Interferometer für Sensoranwendungen im infraroten Spektralbereich auf dem Weg zur weiteren Miniaturisierung

Heterogene Integration für optische Anwendungen

© Fraunhofer ISIT
Die in-situ Laserlötung erlaubt die hetero-gene Integration von optischen Bau-elementen z.B. für extrem miniaturisierte Laser Lichtquellen und Laserscanner. Glaskappen können in verschiedenen Formen hergestellt werden.

Heterogene 3D Mikrointegration für optische Anwendungen

  • Silizium Wafer als optische Bank für heterogene 3D Mikrointegration von Laserlichtquellen und MEMS Spiegeln mit aktiver Linsenjustage
  • Modulare Glas-Silizium Packaging Plattform ermöglicht hermetische Gehäusung von aktiven und passiven optischen Bauteilen in definierter Atmosphäre ohne organische Ausgasung
  • Prozessentwicklung für in-situ Laserlötung durch verschiedene Substrate z.B. Silizium und Glas
  • Entwicklung der weltweit kleinsten RGB Laserlichtquelle

Kooperationen:

  • BMBF-gefördertes Projekt »PRISMA«
  • DLR Projektantrag »MEMS-BORO«

Veröffentlichungen:

  • Reinert W, Malaurie P (2020): A miniaturized RGB-laser light engine, in: Components and Packaging for Laser Systems VI, 1126117 (21 February 2020). doi: 10.1109/ESTC48849.2020.9229809
  • Stenchly V, et al. (2017): Modular packaging concept for MEMS and MOEMS, in: J. Phys.: Conf. Ser. 922 012015 (2017). doi: 10.1088/1742-6596/922/1/012015

Weiterführende Informationen:

www.isit.fraunhofer.de/de/mikro-fertigungsverfahren.html

Chipsize-Spektrometer für die Analytik

© Fraunhofer IIS
Hochintegriertes und kostengünstiges Chipsize-Spektrometer.
  • Weltweit erste Kommerzialisierung von CMOS-Multispektralsensoren basierend auf plasmonischen Nanostrukuren
  • Optische Nanostrukturen als spektrale Filter
  • Hochintegrierte und kostengünstige spektrale Sensorik für die Analytik

Kooperationen:

BMBF-gefördertes Projekt INFIMEDAR

Veröffentlichungen:

Weiterführende Informationen:

www.iis.fraunhofer.de/optischesensorik

Very High-Speed Germanium Photo Detectors

© Leibniz IHP
  • Neuartiges Konzept zur Realisierung von Wellenleiter-gekoppelten Germanium Fotodioden, bei dem zwei komplementäre in-situ dotierte Silizium-Schichten undotiertes Germanium einschließen
  • Opto-elektrische -3 dB Bandbreiten >110 GHz bei gleichzeitig hohen Responsivitäten von 0.6 A/W konnten erreicht warden (1550 nm Wellenlänge)
  • Bis dato fortschrittlichste Wellenleiter-gekoppelte Germanium Fotodiode

Kooperationen:

  • EU-Projekt plaCMOS, Grant ID: 780997
  • BMBF-Projekt PEARLS, 13N14936

Veröffentlichungen:

  • Lischke S, et al. (2020): Ge Photodiode with -3 dB OE Bandwidth of 110 GHz for PIC and ePIC Platforms, in 2020 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), 2020, pp. 7.3.1-7.3.4. doi: 10.1109/IEDM13553.2020.9372033
  • Lischke S et al. (2021) (invited): Very High-Speed Waveguide Integrated Germanium Photo Detectors, in 2021 European Conference on Optical Communication (ECOC). doi: 10.1109/ECOC52684.2021.9606091
  • S. Lischke et al. (2021): Waveguide-Coupled Ge Photodiodes with 3-dB Bandwidth >110 GHz, in 2021 IEEE Photonics Conference (IPC). doi: 10.1109/IPC48725.2021.9593030

80 GHz Flip-Chip Integration großer InP-PICs auf flexiblen Substraten

© Fraunhofer HHI
Planarisierte HF-Kontakte auf InP MZM-PIC (links) für Flip-Chip Integration von optischem DAC (rechts)
  • Weltweit erste Flip-Chip Integration großer InP-PICs auf faltbarem Polyimid (PI)-Substraten
  • Bandbreiten > 80 GHz realisierbar
  • Integration komplexer Optoelektronischer Systeme
  • Neuartige und energiesparende Komponenten realisierbar

Kooperationen:

Veröffentlichungen:

  • Aimone A, et al. (2018): Programmable Transfer Function Optical-DAC Using an InP Segmented Mach-Zehnder Modulator,  in 2018 20th International Conference on Transparent Optical Networks (ICTON). doi: 10.1109/ICTON.2018.8473731
  • Palavesam N, et al, (2021): Advanced integration technology for fabricating high-speed electro-optical sub-assembly, in 2021 23rd European Microelectronics and Packaging Conference & Exhibition (EMPC). doi: 10.23919/EMPC53418.2021.9584968

Weiterführende Informationen:

www.hhi.fraunhofer.de/en/departments/pc/research-groups/modulators.html

Industrietaugliche Terahertzsensorik bis 6 THz

© Fraunhofer HHI
© Fraunhofer HHI
Terahertz-Messplattfom von 0.2 – 6.0 THz.
  • Berührungsfreie Schichtdickenmessung in multiplen Lackschichten
  • Bis zu fünf Schichten mit einer minimalen Schichtdicke von 5 µm mit
     0,2 µm Genauigkeit
  • Analyse von ICs bei Terahertz-Frequenzen

Kooperationen:

Veröffentlichungen:

  • Liebermeister L, et al. (2021): Optoelectronic frequency-modulated continuous-wave terahertz spectroscopy with 4 THz bandwidth, in Nature Communications volume 12, Article number: 1071 (2021). doi: 10.1038/s41467-021-21260-x
  • Kohlhaas R B, et al. (2020): 637 μW emitted terahertz power from photoconductive antennas based on rhodium doped InGaAs, in Appl. Phys. Lett. 117, 131105 (2020). doi: doi.org/10.1063/5.0020766
  • Globisch B, et al. (2020): Fully Automated Terahertz Layer Thickness Measurement System, in 2020 45th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz). doi: doi.org/10.1109/IRMMW-THz46771.2020.9370502

Weiterführende Informationen:

Terahertz Sensors and Systems @ Fraunhofer HHI

Hochpräzises Flip-Chip Bonding für photonische Systeme

© Fraunhofer IZM
FlipChip Bonder SET FC300: Genauigkeit von 1 µm auf Wafer-Level (Faktor 3 gegenüber dem Ist-Stand), um die hybride Integration von mikroelektronischen, leistungselektronischen, photonischen und sensorischen Komponenten auf Siliziumwafern für die weitere 3D-Integration zu erreichen​.

Die hiermit erzeugten metallischen Mikro-Bumps werden verwendet, um FlipChip Aufbau-Prozesse höchster Präzision und höchster elektrischer Verbindungsdichte durchzuführen

  • Demonstration FlipChip Bonding im 3 µm Pitch für Optoelektronik (Kooperation mit internationalem Partner) mit untermikrometrischen Postbond-Alignment
  • Demonstration heterogene/hybrid Silizium-Photonik Co-integration von InP- und Si-basierten Bauelementen für höchstgepackte Transceiver auf Silizium Bench/Submount in mikrometrischem Abstand für photonische Anwendungen

Kooperationen:
EU-Projekt 5G-PHOS (H2020)
 

Veröffentlichung:
Papaioannou S, et al. (2018):  5G mm Wave Networks Leveraging Enhanced Fiber-Wireless Convergence for High-Density Environments: The 5G-PHOS Approach, in 2018 IEEE International Symposium on Broadband Multimedia Systems and Broadcasting (BMSB), Valencia, 2018, pp. 1-5. doi: 10.1109/BMSB.2018.8436713

Flip-Chip Interface für die hybride Integration von InP Komponenten zur Silizium-Photonik

Datenschutz und Datenverarbeitung

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Am Beispiel des am Fraunhofer HHI installierten Pic&Place-Automaten für Hybridintegration von InP und Si- bzw. Polymerkomponenten möchten wir zeigen, wie die Investitionen vor Ort genutzt werden, um die technologischen Fähigkeiten der Institute auszubauen und so eine übergreifende Zusammenarbeit anzuregen. Weitere Informationen finden Sie im Video.

  • Weltweit erste Flip-Chip Integration von InP Komponenten zu SiN-TriPleX photonisch integrierten Schaltkreisen
  • Neuartige, patentierte InP Komponenten mit hochpräzisen Auflageflächen für die passive vertikale Justage
  • Entwicklung eines innovativen Verfahrens für aktive Justage mittels ortsauflösender Reflektometrie

Kooperationen:

Veröffentlichungen:

  • Theurer M, et al. (2020): Flip-Chip Integration of InP to SiN Photonic Integrated Circuits, in JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 38, NO. 9, MAY 2020. doi: 10.1109/JLT.2020.2972065
  • Theurer M, et al. (2019): Actively aligned flip-chip integration of InP to SiN utilizing optical backscatter reflectometry, in Proc. ECOC, Dublin, Ireland, Sep. 2019, Paper W.2.B. 10.1049/cp.2019.0913
  • Conradi H, et al. (2020): Hybrid integration of a polarization independent circulator, in Proc. SPIE 11283, Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies XXIV, 112830J. doi: 10.1117/12.2545592
  • Kleinert M. et al. (2019): A platform approach towards hybrid photonic integration and assembly for communications, sensing, and quantum technologies based on a polymer waveguide technology, in 2019 IEEE CPMT Symposium Japan (ICSJ), Kyoo (Japan). doi: 10.1109/ICSJ47124.2019.8998655