Photonik: Die Kraft des Lichts nutzen

Überall um uns herum ist Licht. Die Kameras in unseren Smartphones, die Parksensoren in unseren Autos, die Monitore auf unseren Schreibtischen – alle nutzen die Kraft des Lichts, um unser tägliches Leben zu verbessern. Das Forschungsfeld dahinter heißt "Photonik". 

Die Photonik ist ein multidisziplinäres Gebiet, das die Erzeugung, Kontrolle, Manipulation und Erkennung von Licht umfasst. 

Licht, eine Form der elektromagnetischen Strahlung, umfasst einen weiten Bereich von Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum. Da es quantifiziert ist, kann es sich wie eine Welle und/oder ein Partikel verhalten. (Wenn Licht zum Beispiel durch einen schmalen Spalt fällt, verhält es sich wie eine Welle, wenn es jedoch auf Sonnenkollektoren trifft, verhält es sich wie energetische Teilchen.) In der Photonik geht es darum, diese unterschiedlichen Verhaltensweisen zu nutzen, um mit der Kraft und Geschwindigkeit des Lichts praktische Anwendungen zu entwickeln. 

Ähnlich wie Elektronen die Bausteine der Elektronik sind, besteht Licht aus Photonen – winzigen Partikeln elektromagnetischer Energie, die sich unglaublich schnell bewegen. Diese Geschwindigkeit macht auf Photonik basierende Systeme zu einer attraktiven Option für eine Vielzahl von Anwendungen, z. B.:

• Displays und Unterhaltungselektronik: MicroLEDs, OLEDs, LEDs und LCDs verdanken der Photonik ihre Brillanz. Diese Technologien unterstützen die schillernden Bildschirme unserer Smartphones, Tablets und Fernseher und liefern lebendige Farben und hohe Auflösungen.
• Augmented- und Virtual-Reality-Systeme (AR/VR): Photonik steckt auch hinter den immersiven Erfahrungen von Augmented- und Virtual-Reality-Geräten, bei denen Hochgeschwindigkeits-Lichtquellen, integrierte optische Wellenleiter und Gitter, Planoptik sowie optische Sensoren zusammenkommen, um die nahtlose Verschmelzung digitaler und physikalischer Realitäten zu ermöglichen. 
• Erneuerbare Energiequellen: Hocheffiziente Solarpaneele mit Photovoltaikzellen fangen Sonnenlicht ein und wandeln es in Strom um, während sie gleichzeitig die Umweltauswirkungen fossiler Brennstoffe mindern. LEDs bieten zudem vielseitige, effiziente und nachhaltigere Beleuchtungslösungen.
• Datenkommunikation: Die unvergleichliche Geschwindigkeit von Photonen und der minimale Signalverlust der Glasfasertechnologie revolutionierten die Fernkommunikation. Innovationen in der Photonik, einschließlich Silizium-Photonik, haben die Welt der kürzeren Kommunikationsverbindungen, insbesondere in Rechenzentren, grundlegend verändert. Heute bildet die Photonik das Rückgrat unseres Hochgeschwindigkeits-Internets, das nahtloses Video-Streaming, Telefonkonferenzen und Datenübertragung in Echtzeit ermöglicht.

• Geschwindigkeit: Nichts ist schneller als Photonen, daher ist die Verwendung von Lichtimpulsen zur Übertragung von Informationen ideal für Anwendungen, bei denen es auf Geschwindigkeit ankommt.
• Bandbreite: Die Eigenschaften von Licht (großer Frequenzbereich, mehrere Wellenlängen, minimale Interferenzen, geringer Signalverlust) ermöglichen die gleichzeitige Übertragung großer Informationsmengen.
• Energie: Auf Photonik basierende Systeme sind aufgrund des minimalen Signalverlusts über große Entfernungen in der Regel sehr energieeffizient.
• Größe: Photonische Komponenten wie Sensoren, MicroLEDs, Wellenleiter und integrierte Schaltkreise können sehr kompakt gestaltet werden, um den physischen Platzbedarf verschiedener Technologien zu minimieren.

Optik und Photonik erforschen gemeinsam die physikalischen Eigenschaften von Licht und seine Anwendungen. Es handelt sich um eng verwandte Bereiche, deren Grenzen manchmal verschwommen sind. Während die Diskussionen über ihre genauen Grenzen noch andauern, ist klar, dass beide eine wichtige Rolle in unserem täglichen Leben spielen.

Optikingenieure sind auf die Entwicklung von Systemen im Makromaßstab spezialisiert, die die Lichtausbreitung und die Wechselwirkung mit Materialien umfassen. Sie stellen wichtige Komponenten wie Spiegel, Linsen und Prismen her. Diese Designs finden Anwendung in verschiedenen Branchen wie Unterhaltungselektronik, Gesundheitswesen, Luft- und Raumfahrt, Verteidigungssysteme und Telekommunikation. Die Wellenart des Lichts hat dabei einen minimalen oder vernachlässigbaren Einfluss.

Im Gegensatz dazu arbeiten Photonikingenieure an Designs im Mikromaßstab, bei denen die Wellennatur des Lichts entscheidend ist. Sie befassen sich mit Unterfeldern wie:

• Plasmonik: Untersuchung der Wechselwirkung von Licht mit kollektiven Elektronenschwingungen an Metalloberflächen zur Verbesserung des Sensorendesigns und des optischen Designs im Nanobereich.
• Nanophotonik: Manipulation von Licht im Nanobereich für neue Funktionalitäten.
• Optoelektronik: Fokussierung auf Geräte, die die Wechselwirkung von Elektronen und Photonen nutzen.
• Faseroptik: Ermöglichung einer Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung.
• Quantenphotonik: Erforschung der Quanteneigenschaften von Licht für Anwendungen in der Informatik und Kommunikation.

Die Photonik ist ein relativ junges Gebiet. Da jedoch der technologische Fortschritt die Manipulation von Licht immer besser und effizienter macht, wird sich der Einfluss der Photonik auf immer mehr Bereiche unseres Lebens ausdehnen. 

• 20. Jahrhundert: Das Gebiet der Photonik begann mit der Erfindung des Lasers in den 1960er Jahren. Mit dem Aufkommen der Glasfasertechnologie in den 1980er Jahren wurde auch der Begriff "Photonik" populär.
• Anfang der 2000er Jahre: Photonische Kristalle ermöglichten es, optische Geräte zu miniaturisieren und die Effizienz von Lasern zu verbessern. Nanophotonik und Plasmonik entstanden.
• 2010er Jahre: Auf dem Gebiet der Silizium-Photonik wurde damit begonnen, photonische Komponenten auf gewöhnlichen Siliziumsubstraten zu integrieren und sich dabei die Effizienz etablierter elektronischer Anlagen und Prozesse zunutze zu machen.
• Heute: Die Möglichkeiten für Photonikanwendungen sind vielfältig, einschließlich Quantenphotonik und Biophotonik.

Die ständig wachsende Nachfrage nach höherer Leistung, geringerem Energieverbrauch und erweitertem Funktionsumfang führt zu immer komplexeren Systemen, die eine hohe Integration von Funktionen mit geringem Energieverbrauch erfordern. Daher drängt die Photonikbranche auf die Entwicklung kompakter, energieeffizienter, integrierter Systeme, die Innovationen in der gesamten Photonik ermöglichen.

• Miniaturisierung: Viele Anwendungen unterliegen strengen Einschränkungen in Bezug auf Gewicht und Größe, z. B. Smartphone-Kameras, optische Sensoren und Mikroprojektoren. Ebenso sind tragbare Geräte wie Smartbrillen, Fitness-Tracker und AR-Headsets auf miniaturisierte optische Komponenten für Displays, Sensoren und Kommunikation angewiesen. Abgesehen davon sind miniaturisierte photonische Systeme auch in biomedizinischen Systemen wie der Point-of-Care-Diagnostik und der medizinischen Bildgebung von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise könnten Lab-on-a-Chip-Geräte optische Komponenten für die Analyse von Blutproben oder den Nachweis von Biomarkern integrieren und so die Diagnostik im Gesundheitswesen portabel und zugänglich machen.
• Integrierte Schaltkreise: Die Branche der photonischen integrierten Schaltkreise erlebt eine transformative Welle der Innovation, um unseren sich ständig ändernden Gewohnheiten im Umgang mit Daten gerecht zu werden. Photonisch integrierte Schaltkreise und optische Interconnects erfüllen die steigende Nachfrage nach energieeffizienter Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung innerhalb von Rechenzentren und bieten Lösungen, die die Latenz reduzieren und die Bandbreite erhöhen.
• Künstliche Intelligenz: Photonische Datenverarbeitung und künstliche Intelligenz (KI) verschieben die Grenzen der Rechenleistung und der Datenverarbeitung, wobei photonische Chips schnellere und effizientere Berechnungen für komplexe Aufgaben ermöglichen. Aufstrebende Bereiche wie Quantenphotonik bieten also vielversprechende Möglichkeiten für Quantencomputer, Kryptographie und sichere Kommunikation.

Die Fortschritte in der Photoniktechnologie werden neue Materialien, innovativste heterogene Integrationstechniken, 3D-IC-Integration und -Montage, fortschrittliche Verpackungsmethoden und modernde Fertigungstechnologien umfassen. Für die Entwicklung dieser auf Photonik basierenden Lösungen können Techniker*innen die Optik und Photonik Simulationssoftware von Ansys nutzen, um photonische Komponenten, Schaltkreise und Systeme präzise zu modellieren. Diese hochgradig interoperablen Solver sind für die Bewältigung einer Vielzahl von Multiphysik- und Multiskala-Herausforderungen geeignet und unterstützen Photonikdesigner*innen bei der Entwicklung zukünftiger Technologien, die das Wirtschaftswachstum fördern und den menschlichen Fortschritt vorantreiben.

Zugehörige Ressourcen