3D-Druck auf der Nanoskala

 
Die Digitalisierung verändert Wirtschaft und Gesellschaft grundlegend. Künstliche Intelligenz unterstützt medizinische Diagnosen, automatisiert industrielle Prozesse und hilft dabei, Verkehrsströme effizienter zu steuern. Verwaltungen verarbeiten immer größere Datenmengen, Kommunikationsnetze verbinden Milliarden Geräte weltweit und wissenschaftliche Simulationen liefern Erkenntnisse für Forschung, Klimaschutz oder Materialentwicklung. Die Grundlage all dieser Anwendungen bilden leistungsfähige Rechenzentren, in denen riesige Datenmengen verarbeitet und zwischen Hochleistungsprozessoren ausgetauscht werden. Dabei stößt die klassische elektrische Datenübertragung zunehmend an physikalische Grenzen: Mit steigenden Datenraten wachsen Energieverbrauch, Wärmeentwicklung und Signalverluste. Damit sich die digitale Infrastruktur leistungsfähig und energieeffizient entwickeln kann, braucht es neue Technologien für die Datenübertragung.

Hier setzen die Arbeiten der Forscherteams aus Karlsruhe an. Gemeinsam haben sie eine innovative Fertigungstechnologie entwickelt, die den wirtschaftlichen Aufbau und die industrielle Qualitätsprüfung photonischer Hochleistungschips im großen Maßstab ermöglicht. Diese übertragen Informationen nicht mit elektrischen Signalen, sondern mit Licht, das über Glasfasern geschickt wird. Möglich wird diese Technologie durch hochauflösende 3D-Druckverfahren auf der Nanoskala, mit denen sich optische Strukturen direkt auf Chips und Glasfasern herstellen lassen. Und zwar extrem präzise, mit vielfältigen dreidimensionalen Formen, und vollständig automatisiert – ideal für hochgradig skalierbare Fertigungsprozesse. Darauf aufbauend entwickelten die Forschungs- und Entwicklungsteams ein Verfahren, mit dem sich photonische Mikrochips bereits während ihrer Herstellung testen lassen. Beides zusammen ist ein entscheidender Beitrag dazu, dass optische Datenübertragung im großen Maßstab eingesetzt werden kann.

• Prof. Dr.-Ing. Christian Koos, KIT, Karlsruhe
  (Sprecher des Teams)
• Dr.-Ing. Philipp Dietrich, Keystone Photonics GmbH, Karlsruhe
• Dr.-Ing. Matthias Lauermann, Vanguard Automation GmbH, Karlsruhe
   

Um die Tragweite der Entwicklung einzuordnen, lohnt sich ein Blick auf die Technologie hinter der Innovation: die Photonik. In herkömmlichen Computerchips werden Informationen als elektrische Signale übertragen. Photonische Systeme hingegen verwenden dafür Licht. Das eröffnet erhebliche Vorteile, denn Licht kann wesentlich größere Datenmengen übertragen, und zwar mit deutlich geringeren Übertragungsverlusten und einem entsprechend geringeren Energieverbrauch – ein entscheidender Faktor für die Leistungsfähigkeit und Skalierbarkeit moderner Rechenzentren. Seit Jahren gilt die Photonik deshalb als Schlüsseltechnologie zukünftiger Hochleistungsrechner. Eine Hürde auf dem Weg zur flächendeckenden Nutzung photonischer Mikrochips gab es allerdings bislang: den Übergang vom Chip zur Außenwelt, also zu anderen Chips oder zu Glasfasern. Schon winzige Fehlausrichtungen der Bauteile können dazu führen, dass die Übertragung des Lichtes gestört wird. Um dies zu verhindern, müssen Glasfasern und Chips mit hochpräzisen Positioniersystemen auf der Sub-Mikrometerskala so lange justiert werden, bis die optimale Ausrichtung gefunden ist. Erst dann können sie dauerhaft miteinander verbunden werden. Dieses Verfahren ist zeit- und kostenintensiv und für die Produktion großer Stückzahlen eher ungeeignet.

Die drei Nominierten und ihre Teams kehrten dieses Prinzip um. Statt Glasfaser und Chip unter hohem Aufwand präzise auszurichten, werden beide zunächst nur grob positioniert und fixiert. Ein hochauflösendes Kamerasystem misst anschließend ihre tatsächliche Position mit einer Genauigkeit von deutlich besser als hundert Nanometern, also rund tausendmal feiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Aus diesen Messdaten berechnet eine Software die optimale Geometrie der Verbindung. Erst danach beginnt der eigentliche Fertigungsschritt.

Mithilfe eines hochauflösenden 3D-Druckverfahrens auf Basis der sogenannten Mehrphotonen-Polymerisation entsteht direkt zwischen beiden Komponenten ein dreidimensionaler Lichtleiter – man spricht dabei auch von einem photonischen Wirebond. Dieser wird individuell an die reale Position der Bauteile angepasst und führt das Licht nahezu verlustfrei von einem Chip zum nächsten. Man kann sich das wie eine Brücke vorstellen: Zunächst wird vermessen, wo an beiden Ufern die Straßen enden. Anschließend wird eine Brücke gebaut, die beide exakt verbindet. Die aufwendige Feinjustierung der Mikrochips untereinander entfällt, unterschiedliche photonische Komponenten können flexibel miteinander kombiniert werden, und aus einem bislang zeitintensiven Präzisionsschritt mit einiger Handarbeit wird ein reproduzierbarer, automatisierbarer Fertigungsprozess. Die gedruckten photonischen Wirebonds erreichen dabei nur winzige Kopplungsverluste und konnten ihre Zuverlässigkeit auch unter industriellen Belastungstests nachweisen. Hierdurch ist die wirtschaftliche Herstellung komplexer photonischer Systeme erstmals auch in hohen Stückzahlen möglich.

Doch damit endet die Reichweite der Innovation nicht. Denn die Basistechnologie eröffnet eine neue, wegweisende Möglichkeit der Qualitätskontrolle von optischen Mikrochips. Mithilfe des Druckverfahrens wird es nämlich ferner möglich, spezielle optische Freiformstrukturen herzustellen, mit denen Lichtsignale nun schon auf großen Halbleiterscheiben, sog. Wafern, in photonische Strukturen eingekoppelt werden, lange bevor sie in einzelne Mikrochips zerteilt und in komplexe Baugruppen integriert werden. Bislang zeigte sich oft erst nach mehreren Fertigungsschritten, ob ein Chip tatsächlich fehlerfrei arbeitete – zu diesem Zeitpunkt waren bereits zahlreiche kostenintensive Fertigungsschritte abgeschlossen. Mit dem neuen Verfahren werden fehlerhafte Chips nun deutlich früher erkannt und aussortiert, bevor weitere Fertigungsschritte beginnen – das spart Zeit, Geld und Ressourcen.

Die Grundlagen der photonischen Mikrochips und Lichtbrücken entwickelte das Team am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Christian Koos und sein Team erkannten hier das enorme Potenzial, das hochauflösende 3D-Druckverfahren für die integrierte Optik bieten. Aus diesen Überlegungen entwickelte sich ein innovativer technologischer Ansatz. Gemeinsam führten die Nominierten die Idee Schritt für Schritt zur industriellen Reife. Durch ihre Kenntnisse rund um Materialien, Fertigungsprozesse und Verfahren entwickelten sie einen automatisierten und reproduzierbaren Prozess. Aus der gemeinsamen Forschung sind zwei Unternehmen entstanden. Vanguard Automation industrialisiert die Fertigungstechnologie für den Aufbau photonischer Systeme aus einzelnen Chips. Keystone Photonics entwickelt darauf aufbauend Testlösungen für optische Mikrochips auf Wafer-Ebene. Beide Unternehmen beliefern heute international führende Kunden aus der Chip- und KI-Industrie.

Die Verbindung von Mikroelektronik und Photonik wird die digitale Infrastruktur der kommenden Jahrzehnte prägen. Sie eröffnet neue Möglichkeiten für Kommunikation, Sensorik, Quantentechnologien und Künstliche Intelligenz. Die Teams um Christian Koos, Philipp Dietrich und Matthias Lauermann haben dafür nicht nur eine innovative Idee entwickelt. Sie haben gezeigt, wie aus universitärer Forschung industriell einsetzbare Technologie entstehen kann. Ihre Idee verbindet nicht nur Mikrochips, sie verbindet Forschung mit Technik der Zukunft: Made in Karlsruhe.