Wir entwickeln mikro- und nanostrukturierte optische Elemente mit kompromissloser Präzision für die anspruchsvollsten photonischen Anwendungen. Mit lithografischen Verfahren wie Grauton- und Elektronenstrahllithografie entwickeln und fertigen wir Metaoberflächen, Beugungsgitter, CGHs und Mikrolinsenarrays mit Nanometer Genauigkeit auf der Waferskala bis 300 mm an. Replikationstechniken ergänzen die Fertigung für größere Stückzahlen. Unser Portfolio umfasst auch aktive photonisch-integrierte Schaltkreise (PICs), für die Quantentechnologie und Telekommunikation.
Mikro- und Nanooptik
Unser Leistungsangebot
Für unsere Auftraggeber finden und realisieren wir die optimale Lösung bei komplexen Aufgabenstellungen
- Prozessentwicklung und Transfer für die größten und präzisesten nanophotonischen Komponenten für das gesamte elektromagnetische Spektrum vom EUV bis zum tiefen IR
- Entwicklung, Fertigung und Charakterisierung nanophotonischer Komponenten und Instrumente für Ihre Anwendung
- Metaoberflächen, Gitter und CGHs mit extremen Anforderungen an Präzision, Effizienz, Größe und Haltbarkeit
- Diffraktive Lösungen für den Einsatz in harschen Umgebungen
- Entwicklung und Prototyping von aktiven photonischen Schaltkreisen der nächsten Generation
- Mikrooptische Lösungen für Beleuchtung und Abbildungsverfahren der nächsten Generation
Unsere umfangreichen Kompetenzen und besondere Expertise
CO2M
Das Fraunhofer IOF spielt eine Schlüsselrolle in der ESA-Mission CO2M, die Teil des Copernicus-Programms ist. Ihre Satelliten sind fliegende Spektrometer, welche die globale Messung von CO2-Emissionen ermöglichen. Wir entwickeln und fertigen das optische Herzstück der Instrumente: die spektrometrischen Disperser, die speziell für den Einsatz im Weltraum entwickelt wurden. Diese bestehen aus zwei Prismen und einem Gitter, das mithilfe eines Direktbond-Verfahrens verbunden ist. Die nanostrukturierten Gitter zeichnen sich durch eine außergewöhnlich hohe Effizienz von über 90 % und einen geringen Polarisationsgrad aus. Dies wird durch ein einzigartiges Gitterdesign erreicht, bei dem die Gittergräben mit einem hochbrechenden Material gefüllt werden. Diese Präzisionstechnologie minimiert Streulicht und optimiert das Signal-Rausch-Verhältnis des Spektrometers. Mit dieser bahnbrechenden Entwicklung trägt das IOF entscheidend dazu bei, den Klimawandel besser zu verstehen und effektivere Maßnahmen zu ermöglichen.
CO2M PG+P Disperser SWIR2
FORUM
FORUM Diamant Strahlteiler
Das Fraunhofer IOF hat im Rahmen der ESA-Mission FORUM (Far-infrared Outgoing Radiation Understanding and Monitoring) eine Schlüsseltechnologie entwickelt, um die thermische Strahlungsbilanz der Erde im fernen Infrarotbereich (8 bis 100 µm) zu analysieren. Im Zentrum steht ein mikrostrukturierter Strahlteiler aus Diamant, der aufgrund seiner außergewöhnlichen Eigenschaften wie hoher Transmission über ein breites Wellenlängenspektrum hinweg ideal für diese Anwendung ist. Die Mikrostrukturen auf der Oberfläche des Diamants ermöglichen eine breitbandige Entspiegelung, die essenziell für die präzise Funktion des Spektrometers an Bord des Satelliten ist. Diese Strukturen wurden mit modernsten Technologien realisiert und sind im Nanometerbereich angesiedelt, um die Reflexionen zu minimieren und die Effizienz der Messungen zu maximieren. Die Entwicklung dieser Technologie, die seit 2019 von der ESA unterstützt wird, stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Verarbeitung von Diamant dar und trägt entscheidend zur Verbesserung der Klimaforschung bei.
Sentinel
Das Fraunhofer IOF ist an zahlreichen Missionen des Sentinel-Programms beteiligt, das Teil des europäischen Copernicus-Programms zur Erdbeobachtung ist. Das Programm stellt die präzisesten Daten für die Klimaforschung, Wettervorhersage sowie Land- und Meeresbeobachtung global bereit.
Ein Beispiel ist die Entwicklung eines hochpräzisen Spektrometergitters für den Nahinfrarot-Kanal (685–773 nm) des Sentinel-5-Satelliten. Dieses Gitter wurde speziell für die Messung von Spurengaskonzentrationen wie Ozon, Stickstoffdioxid und Methan entwickelt. Höchste Beugungseffizienz und geringe Polarisationsabhängigkeit sorgen für genaueste Messergebnisse.
Sentinel-4 NIR-grating
Gaia
Mikrostruktur des Gaia-Transmissionsgitters.
Von 2013-2025 war die Weltraumsonde Gaia unterwegs, um mehrere Milliarden Sterne der Milchstraße astrometrisch, photometrisch und spektroskopisch mit unerreichter Genauigkeit kartographisch zu erfassen. Es entstand der präziseste und umfangreichste Sternenatlas, den Menschen je zur Verfügung hatten. Mit Hilfe dieser Wissenschaftsmaschine konnten Astronomen in mehr als 10.000 wissenschaftlichen Arbeiten nicht nur Modelle unseres Sonnensystems verbessern, sondern auch unser Verständnis zum Ursprung und Entwicklung unserer Heimatgalaxie revolutionieren. Mit an Bord ist ein Spektrometer zur Messung der sogenannten Rotverschiebung. Diese wird für die Bestimmung der Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit von Sternen eingesetzt. Ein Bestandteil des Spektrometers ist ein nano-optisches Gitter des Fraunhofer IOF mit herausragenden Eigenschaften.
Das Fraunhofer IOF für GAIA das hochpräzises RVS-Spektrometergitter entwickelt und gebaut, das eine zentrale Rolle bei der Vermessung der Bewegungsgeschwindigkeiten der Sterne spielt. Das Gitter basiert auf einer innovativen Nanostruktur, die es ermöglicht, Licht mit höchster Effizienz und Präzision zu beugen. Die Struktur besteht aus binären Meta-Atomen, deren laterale Dimensionen unterhalb der Wellenlänge des Lichts liegen.
Das Gitter wurde aus Kieselglas gefertigt und mit hochauflösender Elektronenstrahllithografie sowie reaktiven Ionenätzprozessen hergestellt. Die Gitterperiode beträgt 3,1 µm, und die nutzbare Fläche misst 205 mm x 155 mm. Mit einem Wellenfrontfehler von weniger als 8 nm RMS und einer hohen Beugungseffizienz, war es für den Erfolg der Mission entscheidend. Als Metastruktur-Gitter ist die wahrscheinlich produktivste Metaoberfläche, die jemals von Menschen hergestellt wurde.
ELT M2
Das Fraunhofer IOF hat für das Extremely Large Telescope (ELT) ein hochpräzises computer-generiertes Hologramm (CGH) entwickelt, das zur Vermessung des weltweit größten konvexen Spiegels, dem 4,2 Meter großen M2-Spiegel, eingesetzt wird. Das CGH wurde mittels Elektronenstrahllithografie auf ein Quarzglassubstrat gefertigt und erreicht eine außergewöhnliche Wellenfrontgenauigkeit von nur 5,34 nm (RMS). Erst diese Präzision ermöglicht die exakte Prüfung und Optimierung der Spiegeloberfläche, ohne die das Teleskop nicht funktioniert. Mit dieser Technologie leistet das IOF einen wichtigen Beitrag zur Realisierung des größten Teleskops für den sichtbaren und infraroten Spektralbereich.
Beispiel eines finalen CGH - hier mit einem herstellungsbedingten Wellenfrontfehler von lediglich 5,34 nm (RMS).
Phoquant
Modulatornetzwerk für quantenoptische Anwendungen aus dünnem Lithiumniobat-Film auf Isolator (LNOI) mit faseroptischen und elektronischen Anschlüssen
Im Projekt PhoQuant entwickelt das Fraunhofer IOF photonische Quantencomputer-Chips, die Lichtteilchen (Photonen) als Qubits nutzen. Das Herzstück dieser Technologie bildet ein Wellenleiter-Chip aus Lithiumniobat (LNOI), der mit Mach-Zehnder-Interferometern ausgestattet ist. Diese ermöglichen die präzise Steuerung und Modulation von Lichtsignalen. Die Herstellung erfolgt mit skalierbaren Halbleiterfertigungstechnologien, wodurch die Integration vieler Recheneinheiten auf einem einzigen Chip möglich wird. Ziel des Projekts ist es, eine neue photonische Computerarchitektur zu schaffen, die industrielle Anwendungen, wie die Erforschung neuer Materialien, unterstützt.
Märkte und Anwendungen für Mikro- und Nanooptiken
Sind:
- Luft- und Raumfahrt
- Mobility und Automotive
- Consumer-Elektronik
- Quantenkommunikation, -computing und -imaging
- Design und Lighting
- Optische Sensorsysteme und Fernerkundung
- Defense und Security
- Industrielle Produktion
- Lasertechnologie
- Wissenschaft und Astronomie