Anwendungsbeispiele

Multiphoton Optics nimmt Herausforderungen an, die durch Standardtechnologien ungelöst sind.

Mikrooptiken

Prozessschritte reduzieren mit Multiphoton Optics' 3D Laserdirektschreiben-Technologie

 

Multiphoton Optics‘ maskenlose 3D Laserdirektschreiben-Technologie beruht auf dem Verfahren der Zwei-Photonen-Polymerisation. Damit ist es möglich refraktive und diffraktive Mikrooptikelemente in beliebigen Formen und in frei wählbaren Anordnungen auf einer großen Vielfalt an Substraten herzustellen.

Diese Designfreiheit erlaubt es neue Wege in der Herstellung von komplexen optischen Bauelementen zu gehen und bietet so innovative Lösungsansätze für den steigenden Bedarf an miniaturisierten Bauteilen.  

Für die Herstellung einzelner Mikrolinsen oder Mikrolinsenarrays mit LithoProf3D®-Anlagen existieren zwei Möglichkeiten. Das Drucken von optischen Bauteilen direkt auf photonische Chips, Substrate oder Glasfasern, die beispielsweise in der Endoskopie zur Ein- und Auskopplung von Signalen Verwendung finden. Anfertigung von Replikationsmastern, die die Massenproduktion komplexer optischer Designs ermöglichen.

Mikrolinsen können mit unserer Technologie mit einer Oberflächenrauheit von bis zu 2 bis 4 nm hergestellt werden und liegen damit weit unterhalb des kritischen Werts von λ/10 (λ ist hier die Betriebswellenlänge der Anwendung). Auch für Anwendungen im Infraroten, im sichtbaren Licht- und im UV-Bereich arbeiten, können so Mikrolinsen und -arrays mit hoher optischer Güte realisiert werden.

LithoProf3D® ermöglicht es, einzelne mikrooptische Bauteile, sowie ganze Mikrolinsen-Arrays mit verschiedenst geformten Mikrolinsen, die speziell konzipierte, neuartige bildgebende Eigenschaften haben, in praktischer und effizienter Weise herzustellen. Diese Linsen oder Arrays kommen zum Beispiel bei der Bildgebung oder in Sensorprodukten in verschiedensten Anwendungsfällen zum Einsatz.

 

Optoelektronische Bauteile und Photonische Systeme

Zusammenbau optoelektronischer und Silizium-Photonischer Systeme

 

Der Zusammenbau optoelektronischer und photonischer Systeme auf Silliziumbasis erfordert eine äußerst präzise Ausrichtung der einzelnen Komponenten zueinander, um die Kopplungseffizienz zu erhöhen und somit optische Verluste zu minimieren. Dabei erlaubt unsere Technologie dreidimensionale Lichtleitung, welche essenziell für optimale Ausleuchtung und größere Ausrichtungstoleranzen ist. Multiphoton Optics hat eine Lösung entwickelt, die 70% der sonst notwendigen Prozessschritte für die Herstellung und Ausrichtung optischer Elemente überflüssig macht. 

Anwendungsbeispiele für optoelektronische und photonische Systeme sind 

  • Integrierte Mikrooptiken zur Strahlkollimierung in Kantenemitterlaser-Sensoren,
  • Vergrößerung der effektiven Apertur von Hochgeschwindigkeitsphotodioden in der Datenübertragung,
  • Mikrolinsen auf Laserfacetten für die Strahlformung,
  • Mikrolinsen auf Photodioden,
  • Mikrolinsen auf VCSEL für ToF (Time-of-Flight, Lichtlaufzeit-Anwendungen) (z.B. LiDAR, Light detection and ranging - optische Abstands- und Geschwindigkeitsmessung).

Anwendungsbeispiel 1: Strahlformung mit Mikrolinse auf Laserfacette

Kunden Use Case: Der Kunde ist Hersteller von Komponenten für Detektoren.

In der Gasdedektion werden beispielsweise Infrarot-Halbleiterlaser (kantenemittierend) (EEL) als Lichtquellen verwendet. Die Hersteller der Detektoren benötigen ein kreisförmiges Strahlprofil. Die elliptische Form des Laserstrahls aus dem EEL ist daher eine Herausforderung. Die bisherige Lösung für diese Art von Strahlformung ist das Einbringen von asphärischen oder zylindrischen Linsen vor dem Laser. Dies führt zu einem vergrößerten Bauteilvolumen und benötigt zeitaufwändige manuelle Arbeit.

Die Technologie von Multiphoton Optics ermöglicht es, die Linsen direkt auf die Laserfacette zu drucken. Dadurch können die Komponenten weiter miniaturisiert und die Produktion des Bauteils beschleunigt werden. Dies führt zu einer Reduktion der Produktionskosten um bis zu 80%.

Die miniaturisierten Bauteile, die mit der Multiphoton Optics Technologie hergestellt wurden, sind seit über 20.000 Stunden konstant im Einsatz und sind dabei einer konstanten optischen Leistungsdichte von mehr als 1 MW/cm2 ausgesetzt, ohne Anzeichen einer Degradierung der gedruckten Optiken.

Anwendungsbeispiel 2: Mikrolinsen auf Photodioden

Kunden Use Case: Der Kunde ist Hersteller von Laserdioden und Photodioden (PD) für glasfaserbasierte Transceiver für die Datenübertragung. Hochgeschwindigkeits-PDs mit einer kleinen aktiven Fläche stellen in der Verbundstechnik hohe Ansprüche an die Montage, da die PD optimal ausgerichtet werden müssen.  Dadurch kommen derzeitige Methoden an ihre Grenzen.

Multiphoton Optics Lösung: LithoProf3D® druckt die Mikrolinse direkt auf die Photodiode, um die effektive Fläche der Hochgeschwindigkeits-PD zu vergrößern. Der Prozess wird in den Produktionsablauf des Kunden integriert und ermöglicht weitere Miniaturisierung, bei gleichzeitiger Kompatibilität mit Montageprozessen entlang der Wertschöpfungskette.

Anwendungsbeispiel 3: Mikrolinsen auf VCSEL für ToF-Anwendungen

Kunden Use Case: In der 3D-Sensorik wird unter anderem von der sogenannten Time-of-Flight-Methode Gebrauch gemacht. Die wird realisiert, indem optische Systeme aus VCSEL- und Mikrolinsenarrays für Strahlformung in die Geräte eingebaut werden. Aufgrund der Divergenz des VCSEL-emittierten Laserstrahls ist die Beleuchtung an den Rändern unscharf, was zu einem suboptimalen Kontrast führt. Ein perfekt kollimierter Laserstrahl würde die Sensorikeigenschaften verbessern.

Weitere Anwendungen: 3D-Kameras für AR/VR, Innenraumüberwachung im Automobilbereich, LIDAR.

Multiphoton Optics Lösung: Mit der Technologie der Zwei-Photonen-Polymerisation (TPP – Two-Photon Polymerization) kann eine kollimierende Linse direkt auf den einzelnen VCSEL gedruckt werden, um so den entsprechenden Laserstrahl zu kollimieren. Zusätzlich eignet sich die TPP-Technologie für die Herstellung von Mastern oder für die Abformung komplexer MLA (Mikrolinsenarrays)-Designs für die Strahlformung mit neuen Funktionalitäten.

Anwendungen im Mastering

Herstellung komplexer Master zur Replikation

 

Mastering optischer Nanostrukturen oder Mikrolinsenarrays ist die Lösung nach dem aktuellen Stand der Technik für die Massenproduktion mit konventionellen Replikationstechnologien (z.B. Nanoimprint Lithography/NIL/Nanopräge-Lithographie oder Spritzgussverfahren). Jedoch können traditionelle Master-Herstellungsverfahren keine komplexen Designs abbilden und können so auch nicht dem steigenden Bedarf an neuartigen optischen Funktionalitäten gerecht werden. Multiphoton Optics kann mit ihrer Fähigkeit Freiformstrukturen zu drucken und mit der maskenlosen Laserschreiben-Belichtungsmethode komplexe Replikationsmaster herstellen.

Eine Parallelisierung über die Replikation von Masterstrukturen bildet die Basis für steigenden Durchsatz und abnehmende Produktionskosten gleichzeitig. Mit unserer Schlüsseltechnologie können wir beliebig geformte 3D-Masterstrukturen, wie individuelle Mikrolinsen der gleichen Form oder mit beliebig angeordneten Formen, herstellen. Abgesehen von Mikrolinsen können mit der gleichen Herangehensweise auch Strukturen einzeln angefertigt werden, die sich für Nanopräge-Lithographie eignen, indem man die Skalierbarkeit der Technologie von 100 nm bis in den Makrobereich ausnutzt. Mit diesen Strukturen wird ein Replikationstool erstellt, das dann genutzt wird, um die Masterstruktur auf verschiedenen Substraten in vielfältigen Strukturdimensionen zu replizieren.

Anwendungsbeispiel 1: TPP Masterherstellung

Legacy-Prozess: Master oder Formvorlagen werden im Replikationsprozess (z.B. Nanopräge-Lithographie, Heißprägung oder Spritzguss) für die Massenfertigung hergestellt (z.B. Consumer Electronics). Die Herstellung dieser Mastervorlagen kann mit konventionellen Technologien sehr zeit- und kostenintensiv sein (z.B. Linsenherstellung für Smartphones: mehrere Monate zwischen verschiedenen Prototypserien können Kosten von über 100.000 € verursachen). Das beeinflusst die Markteinführungszeit von der Designoptimierung und -validierung bis hin zum finalen Produkt.

Multiphoton Optics Lösung: Die TPP Technologie beschleunigt die Prototypenphase im Hinblick auf Kosten und Dauer. Nach der Designvalidierung kann der finale Master mit konventionellen Technologien hergestellt werden. Darüber hinaus kann die TPP Technologie Master oder Formdesigns herstellen, die mit konventionellen Techniken nicht realisiert werden können (z.B. speziell geformte MLAs) und ermöglicht so neuartige Funktionalitäten.

 

Anwendungsbeispiel 2: Fresnellinsen für AR/VR-Anwendungen

Große Anbieter für AR- und VR-Geräteentwicklung und -herstellung müssen sich mehreren Herausforderungen stellen: Derzeit verfügbare AR/VR-Brillen sind schwer, unhandlich und bieten wenig Komfort für den Nutzer. Darüber hinaus stehen Unternehmen bei der Entwicklung von Systemen mit hoher Bildqualität (in Bezug auf Auflösung, Sichtfeld und Kontrast) vor dem Dilemma, dass aktuelle Technologien entweder nicht geeignet für anspruchsvolle Designs sind (z.B. Fresnellinsen), auf Stitching-Techniken angewiesen sind, was die Funktionalität einschränkt oder zeitaufwändig und teuer sind. Das bedeutet, dass Designs nicht in einer angemessenen Zeit validiert werden können und sich so die Zeit zur Marktreife in diesem Feld mit hohem Wettbewerb verlängert.

Multiphoton Optics Lösung: LithoProf3D® wird die erste Technologieplattform (Hardware und Software) sein, die es ermöglicht kreisförmige Fresnellinsenformen ohne Stitchingdefekte zu produzieren und dabei gleichzeitig eine hohe Auflösung (Fugengröße < 1 µm) und Genauigkeit (Strukturgröße < 1 µm) beizubehalten. So können Prototypen komplexer Optiken für AR/VR-Technologie und anderer Anwendungen schnell und einfach hergestellt werden.

Anwendungen in der Biomedizintechnik

Die Biomedizin und Life Sciences benötigen erheblich miniaturisierte Geräte für nicht-invasive in vivo-Anwendungen, zum Beispiel in der Endoskopie. Daneben ist es für Zellwachstum unbedingt notwendig, die natürliche Umgebung im Körper möglichst genau abzubilden.

 

Multiphoton Optics Technologie kann komplexe Mikrostrukturen mit fortschrittlichen biokompatiblen Materialien individuell herstellen. Scaffolds und speziell geformte Oberflächenstrukturen oder -funktionen können additiv oder subtraktiv für Tissue Engineering-Anwendungen erzeugt werden. Weitere Anwendungen sind denkbar bei Drug-Delivery-Systemen (Systeme zur Abgabe von Arzneimitteln) oder in der Mikrofluidik:

  • Einzigartige optische Designs für Endoskopie,
  • Komplexe Designs für Tissue Engineering,
  • Mikrofilter mit festgelegter Porengröße.

 

Anwendungsbeispiel 1: Tissue Engineering

Kundenanwendung: Mit der einzigartigen Multiphoton Optics Technologie und den darauf ausgelegten Funktionen unserer Maschinen stellen wir 3D-Scaffolds (Zellgerüste), die bestimmten Körpergeometrien nachempfunden sind, schnell und verlässlich in sehr großen Maßstäben her. Das Zellwachstum auf porösen 3D-Scaffolds für Tissue Engineering ist ein vielversprechender Ansatz, krankes oder verletztes Gewebe wiederherzustellen und körpereigenes Gewebe zu bilden. Strukturtyp und -größe können einfach variiert werden, um ihren Einfluss auf hauptsächlich menschliche mikrovaskuläre Endothelzellen zu untersuchen.

 

Anwendungsbeispiel 2: Mikrofilter für Anwendungen in der Biomedizintechnik

Kunden Use: Unser Kunde ist ein weltweiter Anbieter für therapeutische Technologien und Dienstleistungen. Kommerziell erhältliche Membranfilter bestehen hauptsächlich aus abwechselnd angeordneten Polymerfilmen (gegossene Membranen) mit statistisch berechneten Mikrorissen (herbeigeführt von verschiedenen Methoden) oder aus statistisch angeordneten Polymerfasern (Cellulose). Die genaue Porengröße kann mit diesen Verfahren nicht klar definiert werden und die Varianz in der Porengröße macht es schwierig, einen Filter zu charakterisieren.

Multiphoton Optics Lösung: Mit unserer Mikro-3D-Drucktechnologie und der Möglichkeit des realen 3D-Drucks, können Mikrofilter nach einem spezifischen Design erfolgen und die Porengröße und Distribution verlässlich eingehalten werden, um den speziellen Kundenanforderungen gerecht zu werden. 

 

Anwendungsbeispiel 3: Endoskoplinsen

Kunden Use Case: Endoskope erlauben die Betrachtungen von kleinen Körperregionen wie Blutgefäße. Hierfür können dünne optische Fasern verwendet werden. Um die Bildqualität zu erhöhen, werden jedoch wieder optische Aufbauten benötigt, welche zu klobigen Endoskopen führen und manuelle Assemblierung benötigt.

Multiphoton Optics Lösung: Unsere Technologie direkt auf Fasern zu drucken ermöglicht die Herstellung miniaturisierter optischer Elemente direkt auf der Facette der Faser.