Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Konzipierung einer hochpräzisen 3D-Aufbautechnik und Validierung durch Anwendung für miniaturisierte optische Mikroresonator Gyroskope

MiReG soll die Grundlagen einer vollständig auf der Verwendung von dünnem Displayglas als Halbzeug beruhenden generischen Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) für mikrooptische Systeme schaffen. Es sollen neue Möglichkeiten einer miniaturisierten und kostengünstig herstellbaren, feinoptisch-mechanischen Aufbauplattform erforscht und entsprechende technologische Grundlagen entwickelt werden. Ziele sind hohe Stabilität und Präzision in kompakten photonischen Modulen. Es sollen mehrere, spezifisch für photonische Mikrosysteme technisch und wirtschaftlich sehr nachteilige Probleme behoben werden, die alle darauf zurückzuführen sind, dass verschiedene Materialien für hybrid integriert werden. Zu behebende Probleme sind: thermische Fehlanpassung, teure, unflexible, schwer automatisierbare Einzelfertigung. Diese Schwierigkeiten führen dazu, dass neue Produkte in allen unten genannten Anwendungsbereichen und insbesondere bei geringen und mittleren Anfangsstückzahlen sehr lange und teure Entwicklungszeiten benötigen. Ziel ist eine generische Technik, die sowohl Prototypen als auch Produkte mit geringen Initialkosten ermöglicht und trotzdem die hohe Präzision in der Aufbautechnik und Dimensionsstabilität im Betrieb garantiert. Dies ist besonders für KMU wichtig. Die möglichen Produkte liegen vorrangig in den Branchen Kommunikation, Medizintechnik, Produktionstechnik und Messtechnik, die sich auch im KMU-dominierten PA wiederspiegeln. In MiReG sollen die aufgezeigten Probleme am exemplarischen Beispiel eines mikrooptischen Mikroresonator-Gyroskopes gelöst und die AVT validiert werden. Für diesen funktionalen MiReG-Demonstrator wird eine Auflösungserhöhung der Drehratenmessung auf 10°/h erwartet, die sogar eine Verwendbarkeit in der weltraum-basierten Lagestabilisierung von zivil genutzten Mikro- und Nanosatelliten nahe legt. Hier liegt ein funktionaler, innovativer Teilaspekt des Projektes, der eine direkte Verwertung von technologischen Projektergebnissen möglich macht.

Ergebniszusammenfassung:

In MiReG ist eine auf gelasertem Dünnglas basierende, einfach skalier- und adaptierbare Plattform für optische Sensorik entwickelt worden. Auf dieser Plattform können verschiedenste mikrooptische Komponenten präzise maschinell bestückt werden. Über auf dem Glas angebrachte Dünnfilm-Metallisierungen sind zusätzlich auch optoelektronische und elektronische Komponenten integrierbar. Durch Nutzung modularer Anteile ist die MiReG-Plattform mit ihren Komponenten wie stabilen Faser-Freistrahl-Kopplern, eingebetteten elektrooptischen Modulator-Chips, optischer Strahltrennung, Detektor-Integration sehr gut auch für zukünftige Anwendungen und Projekte adaptierbar. In MiReG ist im Besonderen eine Validierung der optoelektronischen Messtechnik an optischen Resonatoren erfolgt. Nach anfänglich verwendeten optischen Faserresonatoren wurde ultimativ im MiReG-Demonstrator auch an einen sehr kompakten optischen Flaschenresonator (micro bottle resonator MBR) gekoppelt. Dieser Resonator wurde hierzu mit verschiedenen in MiReG verfeinerten Verfahren sehr formgetreu aus einer Quarzglasfaser hergestellt. Die optischen Resonatoren konnten stabil in der MiReG-Platform direkt faseroptisch oder optisch evaneszent angeregt und ausgelesen werden, damit auch kleinste Veränderungen in der Umgebung durch Veränderung in den Spektren nachweisbar werden - beispielsweise nach dem Sagnac-Prinzip eine rotatorische Bewegung. In MiReG konnten feine Resonanzbreiten auch an sehr kleinen Flaschenresonatoren von bis hinunter zu einem mm Durchmesser eingestellt und optisch abgetastet werden. Die höchste in MiReG für Messungen erreichte optische Güte Q erreichte einen hohen Wert von einer Million, was bereits hohe Anforderungen an plattform-integrierte Elektronik stellt. Durch die hohe Stabilität der Plattform ist auch eine zukünftige Anwendung in Interferometer- oder Abstandsmess-Aufbauten (Tracker, LiDAR) geöffnet, wie sie immer mehr in der optischen Umgebungs-Sensorik benötigt werden.