Ultrapräzise, kompakt und robust: Im Projekt PISA entwickelt das Fraunhofer IMS gemeinsam mit dem Fraunhofer ISIT ein integriertes Feedbackelement für ultrastabile, schmalbandige Laser. Die Kombination aus integrierter Photonik und piezoelektrischen Oberflächenwellen ermöglicht kompakte, vibrationsunempfindliche Lösungen für Quanten- und Präzisionsanwendungen. Ziel ist es, komplexe Laboraufbauten auf einen Chip zu bringen und damit den Weg für skalierbare, industrienahe Lösungen zu ebnen.

Ob in der Quanteninformationsverarbeitung, der hochauflösenden Spektroskopie oder der industriellen Messtechnik: Schmalbandige und frequenzstabile Laser spielen eine zentrale Rolle in modernen photonischen Systemen. Mit dem Verbundprojekt PISA »Durchstimmbarer piezoelektrischer SAW-Laser mit ultraschmalbandiger Linienbreite« startet das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS die Entwicklung eines neuartigen, integrierten Feedbackelements für besonders kompakte, robuste und präzise Laserquellen.

Das Projekt koordiniert Prof. Dr. Anna Lena Schall-Giesecke, Leiterin der Technologie-Abteilung am Fraunhofer IMS. Projektpartner ist das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT in Itzehoe. PISA wird durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) unter dem Förderkennzeichen 13N17515 gefördert und läuft von Januar 2026 bis Juni 2028.

Integrierte Photonik für robuste und kompakte Lasersysteme

Ziel von PISA ist die Entwicklung eines durchstimmbaren, ultraschmalbandigen Feedbackelements, das zentrale Funktionen zur Laserfrequenzstabilisierung erstmals chipbasiert realisiert. Dafür kombinieren die Projektpartner photonische Siliziumnitrid-Wellenleiter mit piezoelektrischen Oberflächenwellen (Surface Acoustic Waves, SAW) auf Basis von Aluminium-Scandium-Nitrid (AlScN). Die Lösung ist CMOS-kompatibel, vibrationsunempfindlich und perspektivisch kostengünstig in Serie herstellbar.

»Gerade in anspruchsvollen Anwendungen wie Quantencomputern oder optischen Atomuhren stoßen konventionelle Lasersysteme aufgrund ihrer Größe, Komplexität und Empfindlichkeit an Grenzen«, erklärt Schall-Giesecke. »Mit PISA schaffen wir eine integrierte Alternative, die Präzision, Robustheit und Miniaturisierung vereint.«

Konkreter Nutzen für Industrie und Forschung

Die im Projekt entwickelten Komponenten eignen sich insbesondere für laserbasierte Anwendungen, bei denen höchste Frequenzstabilität und schnelle Regelbarkeit erforderlich sind, zum Beispiel bei der Steuerung von Ionenfallen-Quantencomputern, in der Präzisionsspektroskopie, der optischen Sensorik oder in zukünftigen industriellen Messsystemen. Angestrebt werden Linienbreiten im Bereich von etwa 1 MHz, welches bereits eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik bedeutet.

Darüber hinaus lassen sich die entwickelten Einzelbausteine – etwa SAW-basierte Bragg-Reflektoren, Phasenschieber oder Amplitudenmodulatoren – auch einzeln nutzen, beispielsweise als einstellbare Filter oder Schaltelemente für Kommunikationssysteme.

Komplementäre Expertise im Verbund

Während das Fraunhofer IMS die photonische Auslegung, Simulation und Fertigung der integrierten Wellenleiterstrukturen übernimmt, bringt das Fraunhofer ISIT Know-how in der Entwicklung piezoelektrischer AlScN-Dünnfilme und akustischer Oberflächenwellen ein. Durch diese enge Verzahnung entsteht ein innovatives akusto-optisches System.

PISA ist als grundlagenorientiertes Vorprojekt legt die Basis für industriegetriebene Folgeprojekte. Bereits während der Laufzeit erfolgt ein enger Austausch mit Laserherstellern und Anwenderinnen und Anwendern aus dem Bereich der Quantentechnologien, um die Übertragbarkeit in zukünftige Anwendungen sicherzustellen.