Kristallisationsort für technologische Souveränität
In einem neuen Forschungsgebäude wird das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena künftig die nanometer-(nm)-feine Strukturierung von photonischen Komponenten mithilfe der Elektronenstrahl-Lithografie erforschen. Potenzielle Anwendungen sind Hochleistungs-Chips für KI, Mikroelektronik und Quantencomputing sowie hochpräzise Messinstrumente für die Erdbeobachtung und Raumfahrt. Auf dem Dach des Neubaus nimmt das Institut außerdem eine Bodenstation für die satellitengestützte Quantenkommunikation in Betrieb. Im Interview sprechen die beiden Forscher Dr. Falk Eilenberger und Dr. Matthias Goy vom Fraunhofer IOF über die neuen technologischen Ansätze und deren Potenzial.
Herr Dr. Eilenberger und Herr Dr. Goy, Sie forschen von nun an in einem modernen Neubau am Fraunhofer IOF. Wie sind Ihre ersten Eindrücke?
Dr. Falk Eilenberger: Großartig! Aus der wissenschaftlichen Perspektive: sehr viel sehr hochwertige Fläche, um wissenschaftliche Großgeräte und Experimente aufzubauen. Im Neubau – es ist schon der dritte Erweiterungsbau auf unserem Campus – können wir auf mehr als 2.000 Quadratmetern unsere bestehende Forschung ausweiten und strategische Themen neu besetzen, die sich aus der Hightech-Agenda ableiten. Highlights sind die neue Elektronenstrahl-Lithografie-Anlage im deutlich erweiterten Reinraum und die Bodenstation für die Satellitenkommunikation. Durch die markante Teleskop-Kuppel auf dem Dach ist das natürlich die sichtbarste Neuerung auf dem Campus. Aber im Alltag werden uns die Labore, Reinräume und neuen Büroflächen in direkter Nachbarschaft zum Hauptgebäude ebenso wichtige Dienste erweisen. Aus unserer Community hören wir viele sehr positive Reaktionen – und wir selbst sind wirklich begeistert über die neuen Möglichkeiten!
Dr. Matthias Goy: Viele Gäste, die das Gebäude und die Bodenstation zum ersten Mal sehen, sind sichtlich beeindruckt. Es ist nun an uns, die neuen Möglichkeiten zu nutzen – ob Falks Gruppe in der Elektronenstrahl-Lithografie oder mein Team im Bereich der Laser- und Quantenkommunikation.
Können Sie Ihre technologischen Ansätze jeweils kurz anreißen?
Eilenberger: Die Elektronenstrahl-Lithografie ist in eine längere Technologiekette eingebettet, für die sie aber ein zentraler Schritt ist. Ob nun für die Fertigung großer Optiken mit extremer Präzision oder für die Herstellung photonischer Chips. Auch zur Herstellung hochgenauer Messinstrumente braucht es die Elektronenstrahl-Lithografie.
Goy: Bei der satellitengestützten Quantenkommunikation handelt es sich um ein sicherheitsrelevantes Thema. Wir entwickeln in der Quantenkommunikation seit Längerem Verfahren, um künftig praktisch abhörsicher kommunizieren zu können. Dafür bedarf es einer zugleich schnellen und zuverlässigen Quantenschlüsselverteilung. Und die könnten wir künftig mit Satelliten bewerkstelligen, sofern es die geeigneten Bodenstationen mit Photonenquellen zur Erzeugung von Einzelphotonen, mit Detektoren für deren Empfang sowie Verfahren zur nahezu verlustfreien Einkopplung in Glasfasernetze gibt. Wir werden unsere Bodenstation nutzen, um diese Quantenschlüsselverteilung weiterzuentwickeln.
Eilenberger: Ich möchte noch kurz etwas ergänzen.
Gerne!
Eilenberger: So ein Neubau baut sich nicht so mal eben. Vielmehr braucht es intensive strategische Vorüberlegungen und genaue Planung, um langfristig die richtigen Themen adressieren zu können. Die Relevanz der Quantenkommunikation könnte mit Blick auf die IT-Sicherheit kaum höher sein und mit der Elektronenstrahl-Lithografie bewegen wir uns in einem strategisch wichtigen Feld, um Europa in der Herstellung von Mikrochips unabhängiger zu machen und Fertigungsketten vor Ort zu stärken – sei es für die Raumfahrt, Fusion oder Sicherheitsthemen. Viele Use Cases, die wir in dem vor Jahren geplanten Neubau adressieren, finden sich in der aktuellen Hightech-Agenda der Bundesregierung wieder.
Sprechen wir über Ihre Forschung. Was leistet die neue Elektronenstrahl-Lithografie-Anlage?
Eilenberger: Sie bringt extrem präzise Strukturen auf Substrate auf. Um bergreifbar zu machen, wie genau diese optischen Gitter sind, hilft ein Maßstabswechsel. Würden sie so ein Gitter auf die Größe Thüringens vergrößern, sähe das in etwa so aus, wie ein sehr ebenes Kartoffelfeld mit sehr geraden Furchen. Letztere hätten einen Abstand von exakt 30 cm mit maximal 2 cm horizontaler und vertikaler Toleranz. Zwischen der tiefsten und höchsten Stelle lägen auf die Fläche Thüringens umgerechnet also nur zwei Zentimeter. Wenn wir Substrate strukturieren, geht es um Auflösungen im Bereich von 20 Nanometern (nm) und niedrige einstellige nm-Toleranzen. Mit unserer neuen Anlage geht das auf 60 Prozent mehr Fläche doppelt so genau wie bisher. Sie wird uns bis weit in das zweite Viertel dieses Jahrhunderts tragen und ermöglicht es uns, noch größere und präzisere Optiken zu fertigen.
Können Sie das Verfahren kurz erklären?
Eilenberger: Die Technologie hat Wurzeln in der Halbleiterindustrie, deren Prozesse und teils auch Materialien wir adaptieren, um optische Systeme zu realisieren. Die wirken auf den ersten Blick wenig spektakulär. Es sind für das menschliche Auge regenbogenfarbig schimmernde Glasplatten. Dieses Schimmern rührt von den Nano-Gitterstrukturen auf der Oberfläche her. Sie zerlegen das einfallende weiße Licht in seine spektralen Bestandteile. Denn die Strukturen im Glas sind in etwa so fein wie die Wellenlängen des Lichts. Mit exakt definierten und hochpräzise gefertigten Gittern auf dem Glaswafer lassen sich spezifische Optiken für die Astronomie, Erdbeobachtung und Klimaforschung aber auch für Laser, für die Prozesskontrolle oder künftig Fusionskraftwerke umsetzen. Auch die Hersteller von photonischen Chips, so genannten Photonic Integrated Circuits (PICs) oder von EUV-Anlagen für die Mikrochip-Industrie brauchen solche Optiken. Bisher konnten wir sie in der Größe von neun Zoll (~ 400 cm²) fertigen. Mit der neuen Anlage sind es fast 1000 cm², bei doppelt so kleinen und doppelt so genauen Strukturen. Das ist die Voraussetzung für viel präzisere Messinstrumente und Laser mit deutlich mehr Energie.
Was ist der Unterschied zur EUV-Strukturierung, für deren Entwicklung das Fraunhofer IOF mit Trumpf und ZEISS den Deutschen Zukunftspreis erhalten hat?
Eilenberger: Die EUV-Strukturierung ist eine Replikationstechnologie. Sie kopiert vorab definierte Strukturen milliardenfach auf Wafer. Dafür braucht es so genannte Masterstrukturen als Vorlage oder Maske. Diese Masterstrukturen werden mit der Elektronenstrahl-Lithografie hergestellt. Diese ist also viel flexibler aber auch viel langsamer als die EUV-Strukturierung. Beide Verfahren schaffen nm-Strukturen, aber als Forschungsinstitut brauchen wir ein möglichst flexibles Verfahren, um für jedes Forschungsprojekt, für jeden Kunden und für jeden Industrieauftrag maßgeschneiderte Lösungen anbieten zu können.
Was hat es mit den Messinstrumenten für die Erdbeobachtung auf sich?
Eilenberger: Da geht es im Grunde genommen um das spektrale Aufsplitten von Licht. Wir entwickeln hier in Jena große Spiegel, große Freiformoptiken und zuweilen auch ganze Instrumente, die teils zur Erdbeobachtung eingesetzt werden. Hier geht es um Spektrometer für die Atmosphärenforschung und die Metrologie, um Klima- und Wetterphänomene besser zu verstehen.
Damit sind wir bei Satelliten angekommen, mit denen Sie von Ihrer Bodenstation aus in Zukunft optisch kommunizieren werden. Was hat es damit auf sich?
Goy: In der erwähnten, weithin sichtbaren Kuppel befindet sich ein Teleskop mit darunter liegendem Labor. Hier setzen wir unsere Forschung im Bereich Quantenkommunikation fort und werden uns vor allem mit der Quantenschlüsselverteilung beschäftigen. Es geht im Prinzip um Systeme, die hier am Boden verwendet werden. Das reicht von der Erzeugung der Einzelphotonen mit den entsprechenden Photonenquellen bis zur Entwicklung der Detektoren, die in der Lage sind, diese Einzelphotonen zu detektieren, um sie weiterverarbeiten zu können. Das alles entwickeln wir auf Komponentenbasis mit spezifischem Blick auf Space Anwendungen – etwa um auch Satelliten mit den Einzelphotonenquellen auszurüsten. Das wäre die Voraussetzung für Satelliten-Links, um die Quantenschlüsselverteilung global ausbreiten zu können. Hierfür braucht es optische Bodenstationen wie die unsere. Bisher gab es in Deutschland nur eine Station mit der Möglichkeit, optische Links zu Satelliten aufzubauen. Wir sind nun die zweite Bodenstation, die das kann.
Sie stehen also noch ziemlich am Anfang dieser Forschung?
Goy: Ja, das ist richtig. Wir arbeiten jetzt an Lösungen für ein präzises PAT – Pointing, Acquisition and Tracking: Man muss den Satelliten finden, in der Acquisition-Phase dafür sorgen, dass der Satellit die Bodenstation sieht und umgekehrt. Und beim Tracking geht es darum, seine Bahn zu verfolgen, weil er sich ja mit hoher Geschwindigkeit bewegt. Es ist ein großes und wichtiges Forschungsfeld, weil die Satelliten-Link-Zeit umso effektiver nutzbar ist, je schneller und präziser das PAT-Verfahren funktioniert. Das ist für die Kommerzialisierung essenziell. Die Herausforderungen gehen aber am Boden weiter. Wir müssen das mit dem Teleskop aufgefangene Licht möglichst verlustfrei in eine Glasfaser leiten, um die Schlüssel letztendlich in das Glasfasernetz am Boden zu verteilen. Damit gehen allerhöchste Anforderungen an die Faserkopplung einher. Zumal die Lichtsignale zuvor durch die Erdatmosphäre müssen, wobei es zu Wellenfrontverkrümmungen kommt, die wir mithilfe adaptiver Optiken kompensieren müssen. Auf dem gesamten Pfad vom Satelliten bis in die Faser gilt es, die Verluste zu minimieren. Hier setzt unsere Forschung an. Denn es muss trotz aller Störeinflüsse durch Sonnenlicht, Thermiken und Turbulenzen gelingen, rund um die Uhr Quantenschlüssel zu verteilen.
Welche Ansätze gibt es?
Goy: Neben adaptiver Optik braucht es sehr gute optische Filter, um die Einzelphotonen in all dem Störlicht finden zu können. Hierfür müssen wir am Institut zusammen mit der Industrie leistungsstarke optische Schichten entwickeln. Es geht wie gesagt um Einzelphotonen. Aktuelle Quellen können mehr als eine Million Photonenpaare pro Sekunde zu erzeugen. Wenn wir sie vom Satelliten empfangen, müssen wir sie entsprechend schnell verwerten. Das stellt wiederum hohe Anforderungen an die Detektion. In der BMFTR-geförderten Initiative QuNET haben wir in erdgebundenen freistrahl- und faserbasierten Quantennetzen viele Erkenntnisse gewonnen, die wir nun auf die satellitengestützte Quantenkommunikation übertragen wollen. Wir führen die Technologie nun auf das nächste Level: den Weltraum.
Um die Quantenkommunikation mit Satelliten gibt es einen globalen Wettlauf. Wer hat bisher die Nase vorn?
Goy: Andere Nationen haben schon vor einigen Jahren demonstriert, dass eine satellitenbasierte Quantenkommunikation machbar ist. Europa steht hier am Anfang. Aber kommerzieller Wettbewerb ist hier auch nur ein Teilaspekt. Quantenkommunikation ist ein zentraler Bestandteil von nationalen Sicherheitsstrategien. Wir müssen diese Technologie daher in Deutschland und Europa erschließen und eigenes Knowhow aufbauen. Denn es ist eine Frage der Resilienz. Wir müssen Cybergefahren abwehren können und dabei technologisch souverän sein. Das setzt voraus, in der Forschung eigene Wege zu gehen.