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13.06.2016

„Photonische Kristallfasern bieten enormes Potential“

Die Erlangener Forscher Prof. Philip Russell und Dr. Michael Fosz

Die Forschungen rund um Photonische Kristallfasern (PCF) am Erlanger Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts finden weltweit Beachtung. In der Gruppe von Ideengeber Prof. Philip Russell leitet Dr. Michael Frosz die Fertigung der Fasern. Im Interview sprechen die beiden über Einsatzgebiete, technologische und ökonomische Potentiale von PCFs sowie über die Herausforderungen der Kommerzialisierung.

Herr Prof. Russell, Herr Dr. Frosz, Sie erforschen und entwickeln photonische Kristallfasern (photonic crystal fibers – PCF). Können Sie bitte kurz erklären, was sich dahinter verbirgt.

Dr. Michael Frosz: Das geht vielleicht am anschaulichsten über den Fertigungsprozess. Darin ziehen wir Rohre oder Stäbchen aus Quarzglas oder aus niedrig schmelzenden Gläsern, die anfangs einen Durchmesser von 1 bis 3 Zentimeter haben, zunächst zu etwa 1 Meter langen, millimeterdünnen Kapillaren. Diese werden dann wahlweise um einen festen Kern oder um einen hohlen Kern herum gebündelt und bei Temperaturen um 2000 Grad Celsius so lange weitergezogen, bis eine nur noch 100 bis 300 Mikrometer dünne Faser entsteht. Der hohle oder feste Kern ist von dutzenden bis hunderten Röhrchen mit Mikrometer-dünnen Hohlräumen umgeben. Sie wirken wie Streustellen und fangen das Licht innerhalb des Kerns ein.


Wo liegen die größten Herausforderungen bei der Fertigung von PCF?

Frosz: Wir fertigen sie bei uns nur für unsere Forschungszwecke. Es kommt dabei auf eine sehr gleichmäßige Prozessführung an. Für größere Stückzahlen wird es perspektivisch auch Automationslösungen brauchen. Etwa für das Bündeln der sehr empfindlichen Kapillaren, das entscheidend für die spätere Struktur der Fasern ist.


Welches technologische Potential bieten die Fasern?

Prof. Philip Russell: Die Hohlräume in den Fasern bieten beachtliches Potential, etwa indem wir sie mit Gasen, Dämpfen oder Fluiden befüllen. Selbst das Befüllen mit geschmolzenen Metallen oder Halbleitern ist möglich. Das eröffnet bisher ungekannte Möglichkeiten, Interaktion zwischen Licht und Materie anzuregen, zu steuern und über weite Distanzen hinweg zu verstärken.


Mit welchem Effekt?

Russell: Wir können über das Befüllen die Spektralbereiche ausweiten, weil das Licht in den Fasern mit den Atomen des jeweiligen Füllmediums interagiert. Wir dringen in den mittleren Infrarot-Bereich bis 4 Mikrometer und in den UV-Bereich bis hin zu Wellenlängen von 100 Nanometer vor. Beides ist mit herkömmlichen Fasern nicht machbar, da feste optische Fasern in diesen Wellenlängenbereichen schlicht nicht transparent sind, Schaden nehmen oder ihre Transmission rasch abnimmt. Wir nennen das „schwarz werden“. In Hohlkern-PCF passiert das nicht, weil das Licht nicht ins Material eindringt, sondern sich zu 99 Prozent im Gas bewegt. Das hat beispielsweise im Einsatz in der Kommunikationstechnik den Vorteil sehr schneller Datenübertragung. Gerade in Hohlkern-PCFs lassen sich Signale um bis zu 30 Prozent schneller übertragen. Das ist für Rechenzentren oder Datenübertragungen interessant, in denen Millisekunden zählen – etwa im Hochfrequenzhandel an der Wallstreet.


In welchen Anwendungen sind PCF bereits im kommerziellen Einsatz?

Frosz: Bisher vor allem als Superkontinuums-Lichtquellen, wobei dafür Festkern-PCFs genutzt werden. Dabei ist die spektrale Breite gefragt, die von 400 bis 2000 Nanometer reicht, wenn man infrarote Pulse in die Kerne einleitet. Solche Superkontinuums-Lichtquellen sind in der Fluoreszenz-Mikroskopie im Einsatz. Auch in der Industrie wächst das Interesse, weil PCF Licht über sehr weite Distanzen sehr verlustarm transportieren und damit zur Übertragung hoher Leistungen prädestiniert sind. Noch werden die Fasern aber vor allem im Forschungsbereich genutzt. Sei es zum Beobachten und präzisen zeitlichen Vermessen chemischer Reaktionen mit fluidgefüllten Fasern. Oder auch durch das gezielte Einbringen von licht-gefangenen Partikeln, über deren Bewegung in der Faser sich auf die Umgebungsbedingungen schließen lässt – sei es Druck, Temperatur oder auch Radioaktivität.


Forscher der University Bath haben jüngst einen „hybriden“ Gas-Faserlaser für den mid-IR-Bereich vorgestellt. Sind mit PCF weitere neue Laser-Konzepte denkbar?

Frosz: Auf jeden Fall. Ich gehe davon aus, dass wir in der Zukunft weitere neue Konzepte sehen werden, die erst durch die PCF-Technologie möglich werden. Unsere Experimente mit verschiedenen Befüllungen der Hohlkerne weisen genau in diese Richtung.


Lässt sich das Marktpotential von PCF aus heutiger Sicht abschätzen?

Russell: Aus unserem Institut gründet gerade ein Team um Patrick Uebel das Start-up ultralumina aus, das neue durchstimmbare UV-Lichtquellen auf Basis gasgefüllter Hohlkern-PCF entwickeln und vermarkten wird. Das EXIST-geförderte Team erarbeitet gerade erste Prototypen und hat für seinen Business Plan das Markpotential untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass gleich mehrere Zielmärkte mit jeweils dreistelligen Millionenvolumina interessant sind. Es gibt für Hohlkernfasern in unterschiedlichen Ausführungen Marktchancen in der Halbleiterindustrie. Dort sind intensive UV-Lichtquellen für die Qualitätsprüfung von Halbleiterelementen gefragt. In dem Markt ist gerade viel Bewegung, weil die Atomgrenze erreicht ist und das Mooresche Gesetz ans Limit stößt. Auch in Spektroskopie, Sensorik, für vielfältige Anwendungen im UV und Mid-Infrarot-Bereiche ruht beträchtliches Marktpotential für Hohlkern-PCF.


Bildquelle: Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts Erlangen

 
 
 
 
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