Innovation in der Photonik durch Zusammenarbeit stärken

Photonik ist ein sich schnell entwickelnder Zweig der Physik, der die technischen Anwendungen von Licht aus der Telekommunikation auf integrierte Schaltungen und Sensoren überträgt. Professor Hercules Avramopoulos, Leiter des Forschungslabors für Photonik und Kommunikation an der National Technical University of Athens, zufolge befindet sich diese Gebiet in etwa dort, wo die Elektronik in den 1960er Jahren stand.

"In den 1960er Jahren gab es die ersten integrierten Schaltungen. Photonik steht heute vor einem ähnlichen Durchbruch, der zu einer Fülle von Anwendungen mit breitem Nutzen für Wirtschaft und Gesellschaft führen wird", so Prof. Avramopoulos.

Von Handy-Diensten bis zum Internet - der Trend wird in hohem Maße durch die wachsende Nachfrage nach Bandbreite und Kapazität in Kommunikationsnetzen vorangetrieben. Darüber hinaus führt das Potential optischer Systeme, die bei viel höheren Geschwindigkeiten als herkömmliche elektronische Schaltungen arbeiten, zu einem Bedarf an schnelleren Verbindungen zwischen Datenkommunikationssystemen - von Server-Racks zum PC.

Obwohl die Forschung auf diesem Gebiet in Europa, Asien und den Vereinigten Staaten vorankommt, steht die Branche noch vor verschiedenen Herausforderungen. Dies geht nicht zuletzt, wie im Falle von Europa, auf die ungleichartige und vielfältige Natur der Forschungsinstitute, Universitätsinstitute und Unternehmen zurück, die in der Photonikforschung und Entwicklung tätig sind - darunter eine große Zahl von kleinen und mittleren Unternehmen (KMU).

"Photonik entwickelt sich zwar rasch weiter, ist aber immer noch nicht soweit, dass man einfach in einen Laden vor Ort gehen und dort photonische Produkte kaufen könnte, wie man entsprechende elektronische Waren kauft. Ein Großteil des Bereichs steckt immer noch in der Forschungs- und Experimentierphase - und für Photonikexperimente sind meist sehr teure Ausrüstungen und Geräte erforderlich, die nicht allgemein zugänglich sind. Darüber hinaus benötigt man Know-how, oft sogar multidisziplinäres, um das Wissen aus der Materialphysik mit Fachwissen aus dem Gebiet der Anwendung zu kombinieren. In der Regel sind nicht alle diese Komponenten in einzelnen Laboratorien vorzufinden", erklärt Avramopoulos.

Um diese Probleme zu überwinden, haben sich akademische Institute und Forschungseinrichtungen aus 12 europäischen Ländern im Projekt "Pan-European photonics task force: integrating Europe's expertise on photonic subsystems" (EURO-FOS) zusammengeschlossen. Dieses wird mit mehr als 4 Mio. EUR von der Europäischen Kommission finanziert. Das Konsortium richtete die notwendigen Netze und Werkzeuge ein, um Ressourcen und Technologie unter einer Vielzahl von Organisationen zu bündeln, die in der Photonikforschung in ganz Europa tätig sind, während es gleichzeitig Photonikforscher bei der Verbreitung von Wissen und Know-how unterstützte. Im Laufe von vier Jahren führten sie fast 100 gemeinsame Experimente durch, an denen über 300 junge Forscher, die sich in der Promotion und im Post-Doc befinden, teilnahmen.

"Das Exzellenznetz EURO-FOS (NoE) wurde von der Notwendigkeit zur Verbesserung und Unterstützung der Zusammenarbeit zwischen Organisationen und Forschern in ganz Europa vorangetrieben. Das Projekt erreichte dies mit großem Erfolg", erklärte Prof. Avramopoulos, der EURO-FOS koordiniert.

Ein europaweites Photoniklabor

Die 17 Organisationen, aus denen die EURO-FOS NoE besteht, verfügen über umfangreiche Expertise in der Konzeption, Entwicklung und Erprobung von Photonikkomponenten und Subsystemen, die in hochleistungsfähigen optischen Kommunikationsnetzen anwendbar sind. Durch Clusterbildung waren sie in der Lage, Know-how und Innovationen untereinander und mit anderen Organisationen, die in diesem Bereich tätig sind, in einer ehrgeizigen Initiative auszutauschen, die zur Schaffung eines leistungsfähigen paneuropäischen virtuellen Labors geführt hat.

Das "Eurofoslab" genannte Labor bündelte State-of-the-Art-Komponenten, Geräte, Subsysteme, Testumgebungen und Zugang zu installierten optischen Verbindungen. Seine Ressourcen sind auf die 17 Labors des Netzwerks verteilt, sie werden aber zentral mittels Web-Tools, die von der University of Essex im Vereinigten Königreich entwickelt wurden, verwaltet. Die Tools ermöglichen die Reservierung von gemeinsam genutzten Ressourcen und die Planung gemeinsamer Experimente mithilfe von Ausrüstung, die in ganz Europa verteilt ist.

Das Inventar von Eurofoslab besteht aus mehr als 700 Bestandteilen, darunter 48 komplette Systeme und Testumgebungen, wie Terabit-pro-Sekunde OTDM (Optical Time-Division Multiplexing, OTDM) und OFDM-Testumgebungen (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM), kohärente WDM-Testumgebungen (Wave Division Multiplexing, WDM), WDM-Übertragungssysteme bei 1550 und 1310 nm, RoF-Systeme (Radio over Fibre, RoF), die auf Single- und Multimode-Fasern basieren, und viele andere. Es enthält auch mehr als 50 eigenständige Subsysteme wie komplette Glasfaserendgeräte (Optical Line Terminals, OLT), optische Netzeinheiten (Optical Network Units, ONU), Sender, Empfänger und Regenerationsanlagen sowie eine große Anzahl photonischer und optoelektronischer Bauelemente, 14 Simulationsplattformen und den Zugang zu vier installierten Lichtwellenleiter-Verbindungen.

"Für einzelne Labors wären diese Art der Experimente, für die Eurofoslab die Voraussetzungen geschaffen hat, nicht möglich gewesen. Durch gemeinsames Arbeiten mit mehr verfügbaren Ressourcen waren die Forscher in der Lage, sich auf ehrgeizige, groß angelegte experimentelle Aufgaben einzulassen", so der EURO-FOS-Koordinator. "Darüber hinaus hat es dazu beigetragen, Skaleneffekte in die Entwicklung, Erprobung und Validierung von photonischen Subsystemen und Systemen hineinzubringen."

Die über Eurofoslab im Rahmen des EURO-FOS-Projekts durchgeführten Arbeiten haben sich auf vier Kernbereiche der Photonikforschung konzentriert: digitale optische Übertragungssysteme; optische Quellen und Verstärkung; optische Hochgeschwindigkeitsnetzwerk-Subsysteme und die nächste Generation optischer Zugangssubsysteme.

Die Arbeit hat bisher zu mehr als 200 wissenschaftlichen Publikationen und sieben Patenten geführt. Darüber hinaus hat das Netzwerk Möglichkeiten für die Zusammenarbeit mit anderen Organisationen auf der ganzen Welt eröffnet und die Verbindungen zwischen der akademischen Welt und der Industrie gestärkt.

"Jeder weiß etwa, was ein Handy ist, aber die zugrunde liegende Technologie, mit der es funktioniert und wie es durch Innovation besser werden könnte, ist meist nicht bekannt. Im Laufe ihrer Weiterentwicklung wird die Photoniktechnologie ihren Weg von experimentellen Forschungsanwendungen in eine zunehmende Anzahl von Anwendungen in der realen Welt mit potenziell enormen Vorteilen für alle finden. EURO-FOS hat einen erheblichen Beitrag zu diesem Ziel geleistet", erläutert Prof. Avramopoulos.

EURO-FOS erhielt Forschungsmittel aus dem Siebten Rahmenprogramm der Europäischen Union (RP7).

Link zu einem Projekt auf CORDIS:

- RP7 auf CORDIS
- EURO-FOS project factsheet on CORDIS

Link zur Projekt-Website:

- 'Pan-European photonics task force: integrating Europe's expertise on photonic subsystems' Website
- Website für das europaweite virtuelle Labor 'Eurofoslab'

Weitere Links:

- Website der Europäischen Kommission zur Digitalen Agenda