Klebstofffreie Quarzglas-Faser-Verbindungen dank direktem Laserschweißen

Quarzglas ist teuer und kompliziert herzustellen. Trotzdem ist das am Fraunhofer IZM entwickelte Laserschweißverfahren, bei dem Quarzglas als Verbindung für photonische Chips benutzt wird, eine kleine Revolution. Durch das Schweißen mit einem CO₂-Laser können robuste und langhaltende Verbindungen klebstofffrei an der optischen Schnittstelle herstellt werden.

Dr. Vanessa Zamora und ihr Team haben am Fraunhofer IZM ein neuartiges Laserschweißverfahren entwickelt. Dieses ermöglicht, optische Fasern direkt mit photonischen integrierten Schaltkreisen (PiC = Photonic integrated circuit) auf Quarzglas zu verschweißen. Das Besondere an dem Eurostar-Projekt PICWeld war nicht nur das Schweißverfahren mit dem CO₂-Laser, sondern auch der Einsatz des Materials Quarzglas. Durch seine Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten und seine gute Kompatibilität mit Verfahren, wie zum Beispiel dem Laserschweißen bietet das Material einen Vorteil zu den vorherigen Verbindungsmöglichkeiten.

Verbindungen für PiCs wurden bisher durch ein Klebeverfahren hergestellt. Vanessa Zamora erklärt, dass der Kleber jedoch des Öfteren dekarbonisieren würde. „Dann muss die ganze Verbindung ausgetauscht werden“, führt die Wissenschaftlerin weiter aus. Aus diesem Grund würden sie und ihr Team immer mehr Anfragen von Kund*innen bekommen, Prozesse auch mit Quarzglas zu realisieren. Obwohl dieses Glas teuer sei, würden die Verbindungen länger halten und somit nachhaltiger und Kosten effizienter sein.

Quarzglas besteht zu 100% aus Siliziumdioxid (SiO₂) in einem nicht kristallinen Zustand. Durch seine Reinheit lässt es sich nur schwer herstellen. Es ist das teuerste der fünf existierenden Glassorten. Ein Vorteil ist die hohe Temperaturstabilität des Materials. Für kurze Zeit kann es sogar Betriebstemperaturen von bis zu 1.200°C standhalten. Außerdem zeichnet sich Quarzglas durch seine Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten und seine gute Kompatibilität mit Verfahren, wie zum Beispiel dem Laserschweißverfahren mit Faser-Verbindungen aus.

Neuer CO₂-Laser-Schweißprozess

Quarzglas-Faser-Verbindungen herzustellen, ist nicht einfach. Daher entwickelte Zamora ein innovatives Schweißverfahren mit einem CO₂-Laser. Dieses erlaube die skalierbare Automatisierung von Direktverbindungen, erzählt die Wissenschaftlerin RealIZM im Interview und beschreibt noch weitere Vorteile: „Mit dem CO₂-Laser lassen sich Verbindungen schnell und kostengünstig herstellen. Außerdem ist er im Vergleich zu anderen Lasern wie dem Femtosekundenlaser kompakter. Des Weiteren ermöglicht es, noch einen Schritt weiter zu gehen und eine Mehrzahl von Fasern mit einem wellenleiterbasierten PiC (Quarzglassubstrat) auf robuste und zuverlässige Weise zu verbinden.“

Für den Schweißprozess werden zwei Laser verwendet. Der eine davon wird ausschließlich für die lokale Erwärmung des Substrats eingesetzt. Erst die Kombination aus Vorwärmung und Laserschweißen ermögliche die Realisierung von Quarzglas-Quarzglas-Verbindungen, so Zamora.

Das Schweißen mit dem CO₂-Laser erlaubt die skalierbare Automatisierung von Direktfaserverbindungen, bei denen kein Klebstoff oder anderer Zusatzwerkstoff an der optischen Schnittstelle verwendet wird. So wird eine stabile Verbindung garantiert, die sich durch dieses Verfahren schnell und kostengünstig herstellen lassen.

In nachfolgenden Projekten wollen die Wissenschaftler eine Faserreihe mit PiC verbinden. Diese PiC sollen dann auch bei extrem hohen und niedrigen Temperaturen funktionieren können. Ein Grund für dieses Vorhaben sei zum Beispiel die Quantentechnologie, denn „alle Experimente der Quantenphysik finden bei sehr niedrigen Temperaturen statt. Auch dort existiert das Problem mit den Verbindungen, die nicht lang genug halten. Hier könnte unser Prozess schon in der nahen Zukunft angewendet werden.“

Aber auch die Automobilbranche könnte von dem am Fraunhofer IZM entwickelten Laserschweißprozess mit Quarzglas profitieren. In solchen Anwendungen würden Miniatur-Photoniksysteme zum Teil sehr heiß laufen und auch dafür werden robuste Glasfaserverbindungen gebraucht.

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