PlanOS-SFB Teilprojekt B04

Ziel dieses Teilprojekts ist der Entwurf von mikrooptischen Strukturen zur Kopplung und Leitung von Licht in und aus großflächigen Polymerfolien. Für die Realisierung von großflächigen Sensorfolien aus Polymeren ist das Zusammenspiel der einzelnen optischen Komponenten von entscheidender Bedeutung. Hierfür sind mikrooptische Strukturen in der Folie unabdingbar, die als Schnittstelle zwischen den einzelnen Komponenten des Sensors dienen und beispielsweise Licht von der Lichtquelle in Lichtwellenleiter koppeln und dieses wieder vom Lichtwellenleiter in die Sensoren leiten. Die Effektivität der Sensoren hängt dabei nicht zuletzt von der Kopplungseffizienz dieser mikrooptischen Strukturen ab.

Im Rahmen dieses Teilprojekts sollen Koppelstrukturen und Lichtleiter entworfen und mit Hilfe von numerischen Simulationen hinsichtlich ihrer Kopplungseffizienz und optischen Abschwächung optimiert werden. Da die Funktionsweise und das Design eines Kopplers im Wesentlichen von dem physikalischen Prinzip und somit auch der Größe der mikrooptischen Strukturen abhängt, müssen eine Vielzahl von unterschiedlichen Kopplungskonzepten erforscht werden, die auf die in anderen Teilprojekten zu erforschenden Komponenten zugeschnitten sind. Für die Kopplung von externen Lichtquellen in Multimode-Fasern sollen beispielsweise Spiegelsysteme dienen, die sich einfach unter Ausnutzung der Totalreflektion in Polymeren erzeugen lassen. Zur Optimierung der Kopplungseffizienz können zusätzlich mikrooptische Strukturen auf der Oberfläche der Polymerfolie dienen, wie z .B. Fresnellinsen. Die optische Auslegung solcher Strukturen erfolgt durch strahlenoptische Simulationen. Für die Kopplung von Licht in Monomode-Fasern können beispielsweise Gitterkoppler dienen. Hierbei wird das Licht von bestimmten Beugungsordnungen in den Wellenleiter eingekoppelt. Das Gitter muss hierfür mittels einer rigorosen Simulation optimiert werden. Die wissenschaftliche Herausforderung bei dem Entwurf der Koppelstrukturen liegt in der Umsetzung geeigneter Kopplungsstrukturen, die vollständig polymerbasiert sowie großflächig und  kostengünstig ausgelegt sind.

Für die technische Realisierung der mikrooptischen Koppler soll ein Heißprägeprozess verwendet und auf die großflächige Herstellung von mikrooptischen Strukturen angepasst werden. Ziel ist die Schaffung der technologischen Grundlagen, um mehrlagige, mikrooptische Komponenten in dünnen Polymerfolien mittels eines Heißprägeprozesses zu erzeugen. Im ersten Schritt sollen sowohl Multimode- als auch Singlemode-Wellenleiterbahnen schnell und kosteneffizient in einer Polymerfolie hergestellt werden. Zur Herstellung der Strukturen sollen verschiedene Thermoplaste verwendet werden, die sich sowohl in ihrer Glastemperatur als auch ihrer Brechzahl unterscheiden. Hierdurch wird einen serieller Heißprägeprozess ermöglicht, bei dem Kern und Mantel der Wellenleiter sukzessiv aufgebaut werden können, ohne UV aushärtende Materialien zu verwenden. Diese Vorgehensweise führt zu einer technologischen Vereinfachung gegenüber etablierten Prozessen. Im weiteren Projektenverlauf wird der Fokus auf komplexere polymeroptische Komponenten, wie Beugungsgitter und diffraktive Optiken verlagert. Die Prägestempel werden, je nach Struktur, durch Ultrapräzisionsbearbeitung am HOT oder durch halbleiterbasierte Verfahren an Partnerinstituten hergestellt.