Vom Prisma zum Glasinterposer: UNESCO-Gedenkjahr zu Joseph von Fraunhofers 200. Todestag und Glas als Schlüsselmaterial integrierter Photonik

1826 starb Joseph von Fraunhofer – Namensgeber der Fraunhofer-Gesellschaft und ein Forscher, der Wissenschaft und Anwendung nie getrennt, sondern konsequent zusammengedacht hat. Die UNESCO hat 2026 zum Gedenkjahr anlässlich seines 200. Todestages erklärt. Fraunhofers Arbeiten zur Optik gingen über den reinen Selbstzweck wissenschaftlicher Forschung hinaus: Er gewann nicht nur bedeutende Erkenntnisse über Licht, sondern entwickelte auch die optischen Instrumente und Fertigungsprozesse, die präzise Messungen überhaupt erst ermöglichten. Dabei war es besonders ein Material, das in Fraunhofers Leben und Wirken eine bedeutende Rolle spielte: Glas.

Glas ist aber nicht nur einer der ältesten technischen Werkstoffe der Menschheit, sondern zugleich ein Schlüsselwerkstoff moderner photonischer Technologien. Im Rahmen des Gedenkjahres werfen wir deshalb nicht nur einen Blick auf Fraunhofers historische Forschung, sondern auch auf Entwicklungen der Gegenwart. Hierfür hat RealIZM mit Dr. Gunnar Böttger, Physiker für Mikro- und Nanophotonik und Manager für Industriekooperationen, und Kevin Kröhnert, Elektrotechniker und Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IZM über das 2025 abgeschlossene Projekt »PhotonicLEAP«, angewandte Forschung und Glas als Material für photonisches Packaging gesprochen.

Vom Lehrling zum Wegbereiter moderner Forschung

Geboren wurde er am 6. März 1787 im niederbayrischen Straubing. Die Arbeit mit Glas, die sich als Konstante durch sein gesamtes Leben zog, war ihm gewissermaßen in die Wiege gelegt worden: Bereits der Großvater war Glaser, und Joseph von Fraunhofer hat vermutlich früh in der Straubinger Werkstatt des Vaters, seines Zeichens Glasermeister, mitgeholfen. Nachdem er mit nur 12 Jahren zur Vollwaise geworden war, schickte ihn sein Vormund zur sechsjährigen Lehre nach München zu dem Spiegelmacher und Glasschleifer Philipp Anton Weichselberger. Im Jahr 1801 sollte dann schließlich ausgerechnet ein weiteres Unglück zu jenem Wendepunkt werden, der Fraunhofers Leben grundlegend veränderte. Der junge Lehrling wurde verschüttet, als das Haus seines Arbeitgebers einstürzte. Das öffentliche Interesse an den Bergungsarbeiten und am Überleben des Lehrlings sorgten dafür, dass plötzlich ein Mensch auf ihn aufmerksam wurde, der sein Talent erkannte und förderte: Neben finanziellen Zuwendungen verschaffte der einflussreiche Fabrikant, Unternehmer und auch Politiker Joseph von Utzschneider ihm Zugang zu mathematischen und optischen Lehrbüchern, mit welchen sich Fraunhofer höchst motiviert im Selbststudium vertiefte. 1806, nach Abschluss seiner Ausbildung, bot Utzschneider ihm dann an, als Optiker in das Mathematisch-Feinmechanische Institut in München einzutreten und in der Glashütte in Benediktbeuern als Glasschleifer zu arbeiten.

Joseph von Fraunhofer (1787–1826) neben einem Präzisions-Spektrometer
| © Deutsches Museum

Glas: Ein Material mit Geschichte und Zukunft zwischen Optik und Photonik

Was verbindet Fraunhofers Glaswerkstätte des frühen 19. Jahrhunderts mit den photonischen Technologien der Gegenwart? Auf den ersten Blick: wenig. Die Instrumente haben sich verändert, die Anwendungen vervielfacht. Joseph von Fraunhofers Name ist geblieben, auch wenn die heutige technische Komplexität mit damals kaum noch vergleichbar scheint. »Mich würde schon interessieren, was er dazu sagen würde, was heutzutage möglich ist«, sagt Gunnar Böttger. »Das, was Fraunhofer mit einfachen Prismen gemacht hat, lässt sich aktuell integriert auf einem Chip umsetzen«, fährt er fort.

Mithilfe von Glasprismen zerlegte Joseph das Sonnenlicht in sein Spektrum und machte dabei die dunklen Absorptionslinien im Sonnenspektrum sichtbar, die heute als Fraunhoferlinien bekannt sind. Seine Forschungen zur Beugung des Lichts basierten auf hochpräzise gefertigten Glasgittern, mit deren Hilfe er Wellenlängen des Lichts mit außergewöhnlicher Genauigkeit bestimmen konnte. Heute werden die unterschiedlichen Wellenlängen gezielt technisch genutzt — etwa für Datenübertragung, Sensorik oder optische Informationsverarbeitung. »Statt klassischer Glasoptiken kommen dabei fein strukturierte Wellenleiter und Beugungsgitter zum Einsatz, die Licht unterschiedlicher Wellenlängen direkt integriert auf dem Chip trennen und verarbeiten«.

Glasprismen dienten Joseph von Fraunhofer zur Spektralanalyse des Sonnenlichts. | © Bernd Müller

PhotonicLEAP: Skalierbares photonisches Packaging mit glasbasiertem Interposer

»Das Ziel der Partner des Forschungsprojekts ›PhotonicLEAP‹ war es«, wie Kevin Kröhnert zusammenfasst, »einen disruptiven Ansatz für photonisches Packaging zu entwickeln.«

Der zentrale Beitrag des Fraunhofer IZM bestand in der Entwicklung eines neuartigen glasbasierten Interposers als Trägerplattform für das photonische Package. Auf diesem Interposer wurden photonische Chips, Laserquellen sowie optische Koppelelemente integriert. »Besonders an diesem Aufbau ist, dass die optischen Signale innerhalb des Systems nach oben umgelenkt und durch einen transparenten Deckel geführt werden. Die thermische und elektrische Kontaktierung erfolgt hingegen über die Unterseite des Interposers. Dadurch werden optische sowie thermo-elektrische Pfade gezielt voneinander entkoppelt«, erklärt Gunnar Böttger.

Als besonderer Erfolg des Projekts erwies sich die thermische Performance des glasbasierten Interposers. Die Forschenden konnten zeigen, dass die Wärme über kupfergefüllte Through-Glass-Vias (TGVs) effizient abgeführt wird. Gleichzeitig bestätigten Zuverlässigkeitsuntersuchungen, dass die dafür notwendigen Durchkontaktierungen trotz der unterschiedlichen Materialeigenschaften von Kupfer und Glas keine kritischen Spannungen verursachen.

CAD-Darstellung eines bestückten Glas-Interposers (18 × 22 mm) mit einem photonischen Modulator-Chip auf Basis von Indiumphosphid (InP) und integrierten Laserquellen. | © Tyndall

Glas als Funktionsmaterial von der klassischen Optik zur Mikrointegration

In seinen Arbeiten von 1821 bis 1823 stellte Fraunhofer die experimentelle Untersuchung der Lichtbeugung auf eine neue Grundlage. Mithilfe präziser Winkelmessungen und eigens gefertigter Beugungsgitter bestimmte er die Wellenlängen der Spektralfarben mit bis dahin unerreichter Genauigkeit. Die von ihm zuvor identifizierten Spektrallinien dienten dabei als Referenzpunkte. Seine Untersuchungen lieferten wesentliche Beiträge zur Wellentheorie des Lichts und eröffneten zugleich neue Möglichkeiten für die Entwicklung optischer Instrumente wie Fernrohre. Fraunhofers Untersuchungen zur Zerlegung von Licht in verschiedene Wellenlängen werden heute in miniaturisierter Form auf photonischen Chips umgesetzt, indem strukturierte Glas- und Gitterelemente dieselbe spektrale Trennung für moderne Informationsverarbeitung ermöglichen.

In der zunehmenden Verbindung von elektronischer und optischer Datenübertragung sieht Gunnar Böttger einen Paradigmenwechsel: Die Integration von Wellenleitern, Lasern und optischen Chips eröffnet neue Möglichkeiten für die Übertragung großer Datenmengen. Mit dieser Entwicklung wächst auch die Bedeutung von Glas als Integrationsplattform.

Für Photonik und Mikrointegration steht eine große Vielfalt unterschiedlicher Glasarten zur Verfügung, deren optische, elektrische und mechanische Eigenschaften gezielt angepasst werden können. »Dadurch lassen sich beispielsweise Transparenz für bestimmte Wellenlängen, Hochfrequenzeigenschaften oder das thermische Ausdehnungsverhalten an die jeweiligen Anforderungen anpassen«, sagt Kevin Kröhnert.

Für die Zukunft sieht Gunnar Böttger insbesondere Potenzial für Quantentechnologien. Die Transparenz von Glas ermöglicht eine optische Ansteuerung und Auslese von Quantenzuständen über das gesamte Package hinweg – das sogar hermetisch verkapselt werden kann. Darüber hinaus lassen sich bereits heute optische Funktionen wie Wellenleiter, Linsen oder Umlenkspiegel direkt in Glas integrieren, wodurch sich ein breiter Gestaltungsspielraum für zukünftige photonische und quantentechnologische Systeme eröffnet.

Zwei Jahrhunderte Transfer: Fraunhofers Idee lebt weiter

Zwischen Fraunhofers Arbeit am Mathematisch-Feinmechanischen Institut und den photonischen Packages der Gegenwart liegen über zwei Jahrhunderte technologischer Entwicklung. Das Zusammenspiel von wissenschaftlicher Erkenntnis und praktischer Nutzung prägt aber bis heute das Selbstverständnis der Fraunhofer-Gesellschaft, in dem Forschung als Teil eines Prozesses verstanden wird, der von der Idee bis zur Anwendung reicht. So wurden mit »PhotonicLEAP« nicht nur neue Ansätze für das photonische Packaging hervorgebracht, sondern auch Kompetenzen und Prozesse etabliert, die heute direkt in die Praxis überführt werden können.

PhotonicLEAP – Dünnglas-Gehäusetechnik für die Integration photonischer Chips