Integrierte Photonik: Von autonomen Fahrzeugen bis zur Quantenkommunikation
Bis 2040 werden vermutlich eine halbe Milliarde neue Autos weltweit auf den Straßen unterwegs sein. Dabei wird es sich zunehmend um autonome Fahrzeuge handeln. Wird ein Teil der Elektronik durch Photonik ersetzt, könnte das die Auflösung der Sensoren verbessern, sodass neue Möglichkeiten für Komponenten und Systeme im Auto aufkommen. Gleichzeitig könnte die Größe, das Gewicht und der Energieverbrauch gesenkt werden. Somit sind die integrierte Photonik und hybride Optoelektronik wichtige Stellschrauben für die nächsten Generationen autonomer Fahrzeuge, von Autos bis zu Drohnen. Aktuell wird im Design meist entweder Elektronik oder Photonik berücksichtigt, sodass sämtliche optoelektronischen Effekte an deren Schnittstelle verloren gehen. Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen wurden im Projekt DRIVE-In Designinstrumente und weitere Mittel bereitgestellt, indem Nachwuchsforschende zu integrierter Photonik entlang der gesamten Wertschöpfungskette ausgebildet wurden.
Die nächste Generation der photonischen Komponenten
Derzeit wird die dritte Generation photonischer Komponenten für hochwertigere integrierte Produkte und Technologien entwickelt. Mit diesen Komponenten wird die Erfassung und Anzeige von Umweltdaten mittels Radar, Sicht und Nachtsicht gestützt, sodass aktive Sicherheit möglich ist. Der Projektkoordinator Francisco Javier Diaz Otero von der Universität Vigo berichtet: „Integrierte Photonik-Schaltkreise sind vermutlich der Knackpunkt für die 3D-Kartierung mittels Lasererfassung und Entfernungsmessung (LIDAR), 13 unterschiedliche Kameratypen, Fotodiodensensoren zur Regen- und Helligkeitsbestimmung, Flugführungsanzeigen für kritische Sicherheitsinformationen, adaptive Frontbeleuchtungssysteme sowie Kommunikationssysteme und Multimedia-Anwendungen in Innenräumen. Bei DRIVE-In haben wir uns mit den wichtigsten Elementen und Komponenten dieser Aspekte beschäftigt.“
Vier Nachwuchsforschende und zahlreiche technische und kommerzielle Erfolge
Aus DRIVE-In sind wissenschaftliche Grundlagen und Erfahrungen zur industriellen Entwicklung im innovativen Bereich der Simulation, des Designs und der Modellierung von Software und Hardware für integrierte Photonik-Schaltkreise hervorgegangen. Die Forschenden haben mit einem neuen Modell zur Simulation der hybriden Schnittstelle zwischen Photonik und Elektronik, das mit der bestehenden kommerziellen Simulationssoftware kompatibel ist, eine Lücke geschlossen. Auch die Nachwuchsforschenden kreierten neue Komponenten für Anwendungen in der Automobilbranche, darunter Laser. „Wir haben auf der Grundlage eines innovativen Ansatzes mit Kopplern mit geneigten und gestreiften Gittern ein komplettes passives LIDAR-System nachgebildet, entworfen, hergestellt und in unterschiedlichen Fahrzeugumgebungen getestet. Die Leistung ist mit aktuellen Systemen vergleichbar, die größer und schwerer sind und mehr Energie verbrauchen“, erklärt Diaz. Die Entwicklungen für die Automobilbranche wurden auch in anderen Bereichen eingesetzt. „Die Gitter, Laser und Photodetektoren für unser LIDAR-System wurden für optische Fernmeldeverbindungen und Quantenkommunikation eingesetzt. Außerdem wurde ein Single-Photon-Quantenemitter entworfen. Dabei kam es bei der Anwendung auf die Quantenschlüsselverteilung zu interessanten Ergebnissen“, ergänzt Diaz. Schließlich wurden mehrere Patente eingereicht und 2022 wurde eine eine Ausgründung, SPARC, als Fertigungsbetrieb für die einzelnen photonischen Komponenten auf Halbleiterbasis der 3. und 4. Generation eingerichtet. Mit dem Geschäftsplan und dem kommerziellen Modell konnten mehrere Investierende und spanische Behörden angeworben werden. Der kommerzielle Betrieb ist für 2026 geplant.
Innovation in europäischer Photonik vorantreiben
Trotz der COVID-19-Pandemie und somit Ausfallzeiten im Fertigungsbetrieb und Online-Schulungen und -Sitzungen wurden die Ziele von DRIVE-In erreicht. Neben den technischen und kommerziellen Erfolgen haben Forschende ausgezeichnete übertragbare Kompetenzen und die Fähigkeit erhalten, abstrakte und anspruchsvolle Ideen in wirkungsvolle und praktische Ergebnisse zu verwandeln. Alle Nachwuchsforschenden wurden direkt nach Projektende in Forschungs- und Technologieorganisationen und Tech-Unternehmen angestellt. Diaz fasst zusammen: „Aus dem Projekt ist ein aktives, langfristiges Netzwerk der Jungforschenden entstanden. Durch diese persönlichen Kontakte und das Fachwissen kann Europa die Zukunft der Forschung zu integrierter Photonik prägen.“
Schlüsselbegriffe
DRIVE-In, Photonik, LIDAR, Optoelektronik, Laser, autonome Fahrzeuge, integrierte Photonik-Schaltungen, Quantenkommunikation, Quantenschlüsselverteilung, aktive Sicherheit
