Multiphoton Optics 3 D Lithography
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3D-Druck auf Nano- und Mikrometerskala

Im Gespräch

Ruth Houbertz,CEO

Als 3D-Laserlithografie wird der 3D-Druck auf Mikrometerskala bezeichnet: Mit dieser Technologie lassen sich komplexe dreidimensionale Strukturen im Mikrometerbereich und kleiner erzeugen. Damit können optische Komponenten, wie z.B. photonische Chips, Laserdioden und Glasfasern durch dreidimensionale optische Elemente miteinander verbunden werden. Multiphoton Optics baut und verkauft 3D-Laserlithografie-Anlagen und ermöglicht ihren Kunden damit die flexible Fertigung beliebig geformter dreidimensionaler Strukturen mit höchster Präzision. Vor allem im Bereich der optischen Datenübertragung wird die Technologie der 3D-Laserlithografie immer wichtiger.

Wir haben Dr. Ruth Houbertz, CEO der Multiphoton Optics GmbH, gefragt, wie 3D-Laserlithografie funktioniert, was die Einsatzgebiete sind und welche Neuerungen Multiphoton Optics zu bieten hat.
3D-Laserlitographie – der Begriff klingt erklärungsbedürftig. Können Sie uns kurz und in einfachen Worten erläutern, was das ist und wie es funktioniert?

Bei der 3D-Laserlitographie wird gepulstes Laserlicht in ein photochemisch reaktives Material, wie beispielsweise Polymere, Hybridpolymere oder spezielle Gläser, fokussiert. Nur am Ort des fokalen Volumens ist die Intensität hoch genug, um eine Reaktion im Material auszulösen. Bei polymeren Materialien kommt es dabei beispielsweise zu einer Vernetzungsreaktion. Wird der Laserfokus dann in drei Dimensionen durch das Material bewegt, wird das Material entlang der Spur des Fokusvolumens vernetzt. So können wir beliebige dreidimensionale Strukturen oder Formen mit sehr hoher Präzision an Oberflächen und in Volumen erzeugen.

Welche Einsatzgebiete gibt es für diese Technologie?

Die Einsatzgebiete der Technologie sind sehr vielfältig. Neben unterschiedlichsten Produkten aus dem Bereich der Photonik kann die Technologie auch in der Biomedizin oder den Life Sciences für neue Produkte eingesetzt werden,  die ohne diese Technologie gar nicht oder nur sehr schwer fertigbar wären. So lassen sich zum Beispiel Bio-Mikroreaktoren, mikrofluidische Zellen, Drug Delivery-Strukturen oder auch verschiedene Gerüststrukturen herstellen. In der regenerativen Medizin werden sie unter anderem im Tissue Engineering, also dem Herstellen von Gewebe aus körpereigenen Zellen, eingesetzt. Beispiele aus dem Bereich der Photonik sind etwa optische Wellenleiter für On-Chip-, Chip-zu-Chip- oder Chip-zu-Faser-Kopplung, die künftig für die Datenübertragung spannend sein werden. Darüber hinaus gibt es noch eine Vielzahl anderer Einsatzmöglichkeiten der Technologie, die der Phantasie nahezu keine Grenzen setzt.

Welche Rolle spielt die 3D-Laserlithografie speziell für Datenübertragungssysteme?

Durch die enorme Entwicklung des Internets in den letzten zehn Jahren wird der Bedarf an Bandbreite bzw. Kapazität immer größer. Die zur Verfügung stehenden Hochleistungscomputer können durch ihren inneren Aufbau mit elektrischen Datenleitungen mittlerweile nur sehr ineffizient arbeiten. Sie verbrauchen gewaltige Mengen an Energie, die durch Wärme verloren geht. Schon heute muss ein beträchtlicher Aufwand betrieben werden, um geeignete Standorte zu finden und aufwändige Kühlkonzepte zu entwickeln. Unabhängig von der Rechnerarchitektur und seiner Betriebsweise wurde schon vor einigen Jahren festgestellt, dass – sollten die Hochleistungscomputer weiterhin lediglich auf elektrischer Datenübertragung basieren – keine effiziente Nutzung mehr möglich ist. Hier kommt die optische Datenübertragung ins Spiel, denn sie benötigt erheblich weniger Energie pro übertragenem Bit. Dadurch würde sich die Effizienz von Hochleistungsrechnern signifikant steigern lassen. Einfach gesprochen muss die Optik näher an den Chip gebracht werden, also in den Rechner selbst. Hier steht man nun vor einem Dilemma: photonische Chips haben optische Ein- und Ausgänge (I/O) im Bereich von 100 bis 200 nm, die an Glasfasern, deren optische Ein- und Ausgänge (I/O) bestenfalls 10 µm groß sind, angekoppelt werden müssen. Zweidimensionale Herstellungsverfahren können diese Aufgabe einfach nicht leisten. Die 3D-Laserlithographie ist hier das Mittel der Wahl, denn sie ermöglicht durch ihre intrinsische 3D-Fähigkeit vollkommen neue Designkonzepte.

Im Vergleich zur klassischen Herstellung optischer Wellenleiter vereinfacht die Technologie der Multiphoton Optics GmbH den Produktionsprozess. Wieso ist das so?

Üblicherweise werden mit 2D-Strukturierungsverfahren, wie klassischer UV-Lithographie, zuerst die optischen Wellenleiter mit zum Teil mehr als 20 Prozessschritten definiert. Anschließend werden die opto-elektronischen Bauteile mittels aktiver und passiver Justage aufwändig assembliert. In dem von uns eingesetzten 3D-Verfahren werden die optischen Datenleitungen direkt auf Assemblies, d.h. schon mit optischen Bauteilen vorkonfektionierte Substrate, geschrieben. So kann jeder Kunde individuell mit den Assemblierungstools und Toleranzen arbeiten, die er zur Verfügung hat. Die optischen Wellenleiter können über einen weiten Größenbereich von ca. 100 nm bis in mehrere 10 µm und über größere Distanzen geschrieben werden und somit vom Chip an die Glasfaser gebracht, aber auch auf dem Chip selbst mit höchster Präzision hergestellt werden. Die aufwändige aktive und passive Justage optoelektrischer Bauteile wird dadurch erheblich einfacher, da sie rein passiv durchgeführt werden kann. Durch Verwendung spezieller Materialien können so auch Substrate, die aufgrund ihrer schlechten Oberflächenqualität für die Optik ungeeignet sind, verwendet werden. Typischerweise werden zur Herstellung der optischen Datenleitungen so weniger als fünf Prozessschritte benötigt, wobei in speziellen Fällen der letzte Prozessschritt schon ein in der jeweiligen Produktion eingesetzter Prozessschritt sein kann. Das Material erfüllt dabei vier unterschiedliche Funktionen: es formt den optischen Wellenleiter mit Kern und Mantel, und es bietet ausgezeichnete Planarisierungs- und dielektrische Eigenschaften. Unsere Technologie erlaubt damit nicht nur eine signifikante Reduktion der Produktionskosten, sondern sie ist auch sehr ressourcenschonend.

Warum wird die Entwicklung kostengünstiger und energieeffizienter Datenübertragungssysteme in Zukunft immer wichtiger?

In den vergangenen Jahren hat sich der Datenverkehr signifikant erhöht. Eine interessante Zusammenfassung der globalen Internetaktivitäten wurde 2013 von Intel gegeben. Sie betrachteten, was in einer Internetminute alles passiert. Sie prognostizierte zum Beispiel, dass man 2015 fünf Jahre brauchen würde, um alle Videos anzusehen, die in einer Sekunde über das Netz transferiert werden – eine beeindruckende Zahl. Die Anzahl der netzwerkenden Devices, die im Jahr 2013 noch der Anzahl der Weltbevölkerung entsprach, wurde für 2015 mit dem Zweifachen der Weltbevölkerung vorausgesagt. Und der Bedarf steigt weiter. Betrachtet man darüber hinaus die Entwicklungen in der industriellen Produktion mit ihrem flächendeckenden Einzug von Informations- und Kommunikationstechnik, der zusammengefasst als „Industrie 4.0“ bezeichnet wird, und der daraus resultierenden Vernetzung durch das „Internet der Dinge“, wird die enorme Bedeutung energieeffizienter und kostengünstiger optischer Datenübertragung ohne weitere Erläuterungen einfach klar.

Vielen Dank für das Interview, Frau Dr. Houbertz!

 

 aus: Fraunhofer Venture Newsletter 3/215