Photonik

Photonikzentrum in Berlin-Adlershof

Die Photonik (griechisch Photon „Lichtteilchen“ und Suffix -ik „Kunde von, Lehre von“) ist ein Wissenschaftszweig mit Schwerpunkt in der Physik. Er umfasst die Grundlagen und die Anwendungen optischer Verfahren und Technologien auf die Bereiche der Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Information.

Im engeren Sinne steht Photonik für Optoelektronik; im weiteren Sinne wird es über die Nachrichtentechnik hinaus verwendet für nicht-klassische optische Technologien, z. B. beim Gebrauch optischer Prozessoren.

Bereiche

Die Photonik hat sich zunächst vor allem aus der optischen Nachrichtentechnik entwickelt, die seit den 1980er Jahren durch den Einsatz von Glasfasern als Übertragungsmedium und der Laserdiode als modulierbarer Lichtquelle die elektrische Übertragungstechnik zuerst im Bereich der Telekommunikation, später auch bei kürzeren Entfernungen abgelöst hat. Durch Weiterentwicklung der Grundlagen (Verständnis der Lichtausbreitung) und der Bauelemente (Lichtquellen, Modulatoren, Detektoren sowie mikro- und nano-optische Bauelemente und Systeme) hat sich der Anwendungsbereich der Photonik in den vergangenen Jahren stark erweitert. Heute hat die Photonik neben Anwendungen in den traditionellen Bereichen der Informationstechnik (Übertragung, Speicherung und Verarbeitung von Information) auch Bezug zu Bereichen wie der Nanotechnologie (Nanophotonik).

Forschung

Zu den aktuellen Forschungsschwerpunkten im Bereich der Photonik gehören die Herstellung von mikro- und nano-strukturierten Komponenten. Dies sind einerseits Lichtquellen wie LED, OLED und Laser, auf der anderen Seite Wellenleiterstrukturen wie photonische Kristalle, plasmonische Wellenleiter, sowie mikrooptische Bauelemente und Systeme hin zu photonischen Speichern (AOFF).

Nach der Entwicklung der Topologischen Isolatoren werden in der Photonik topologische Methoden zur Erschließung neuer Anwendungen entwickelt (Topologische Photonik).^[1]

Praxis

Man kann die praktischen Einsatzgebiete der Photonik grob in vier Felder einteilen:

• Beleuchtung und Displays
• industrielle Fertigung und Qualitätssicherung
• Information und Kommunikation
• Life Sciences (vgl. Biophotonik)

Die optische Kommunikation über große Entfernungen mit Hilfe von glasfaser-basierten Netzen ist mittlerweile Standard. Die Glasfasertechnik bietet enorme Datenkapazitäten: derzeit findet die Übertragung im Festnetz bei einer Wellenlänge von 1550 nm mit Datenraten von 2,5 GBit/s statt. Durch Anwendung der Wellenlängenmultiplex-Technik (WDM) sind Übertragungskapazitäten bis in den Terabit/s-Bereich möglich.

Derzeitige Entwicklungen betreffen vor allem den Bereich des Zugangs zum Festnetz, hier ist vor allem das Stichwort „fiber to the home“ (FTTH) zu nennen, womit Teilnehmer per Glasfaser mit Datenraten von bis zu 1 GBit/s nach Hause versorgt würden.^[2]

In der Produktionstechnik und industriellen Fertigung werden traditionell optische Verfahren eingesetzt. Dies betrifft zum Teil den Bereich der Messtechnik zur Oberflächenkontrolle und Dimensionsvermessung, wobei eine Vielzahl von Verfahren zum Einsatz kommen. Stichworte sind Interferometrie, Holographie, optische Entfernungsmessung usw. Bei der Bearbeitung von Materialien hat seit den 1980er und 90er Jahren der Einsatz von Lasern zum Schweißen, Schneiden und Bohren gegenüber klassischen mechanischen Verfahren stark zugenommen. Die Lasermaterialbearbeitung ist z. B. in der Automobilindustrie ein wesentliches Werkzeug zur schnellen, präzisen und zuverlässigen Herstellung von Karosserien. Aber auch im Mikrobereich werden Laserverfahren seit einiger Zeit eingesetzt, wobei die Verwendung von kurzen Pulsen mit Pulsdauern im Piko- und Femtosekundenbereich interessant ist.

Im Bereich der Life Sciences (dies umfasst spezielle Bereiche von Biologie und Medizin) wurde in den vergangenen Jahren der Begriff Biophotonik geprägt. Optische Verfahren haben hier zusätzliche Bedeutung erlangt durch Erweiterung der Mikroskopie hin zu hochauflösenden Verfahren wie der Nahfeldmikroskopie. Für die Handhabung von mikro- und nanoskopischen Teilchen ist das Prinzip der optischen Pinzette von großem Interesse.

In den Bereichen von Beleuchtungstechnik und Displaytechnik haben optische Verfahren und neue Komponenten große Veränderungen bewirkt. Bei der Displaytechnik haben in den vergangenen Jahren Flüssigkristalldisplays die konventionellen Röhrenmonitoren weitestgehend abgelöst. Ähnlich drastische Veränderungen könnten bei der Beleuchtungstechnik bevorstehen, wo superhelle LEDs (lichtemittierende Dioden), z. T. auch auf der Basis von organischen Materialien (sog. OLEDs), dabei sind, für die Beleuchtung in und außerhalb von Gebäuden interessant zu werden.

Industrie

Der weltweite Photonikmarkt betrug 2011 rund 350 Mrd. Euro gegenüber 228 Mrd. Euro 2005. Das durchschnittliche jährliche Wachstum lag in diesem Zeitraum bei 7,5 Prozent.

Die Inlandsproduktion der deutschen Photonikindustrie belief sich im Jahr 2011 auf rund 27 Mrd. Euro gegenüber 17 Mrd. Euro 2005, bei einer jährlichen Wachstumsrate von rund acht Prozent.^[3] Im Jahr 2013 wurde ein Umsatz von 28,2 Mrd. Euro erwirtschaftet.^[4]

Die deutsche Industrie hielt 2011 einen Weltmarktanteil von rund acht Prozent. In den Bereichen Produktionstechnik, Bildverarbeitung und Messtechnik, Optische Komponenten und Systeme sowie Medizintechnik & Life Science lag der Marktanteil mit 10 bis 16 Prozent deutlich darüber und ist gegenüber 2005 gewachsen. In Europa hat Deutschland einen Anteil von über 40 Prozent.

Zwischen 2005 und 2011 wurden rund 30.000 neue Arbeitsplätze geschaffen. Einschließlich Zulieferern lag die Beschäftigtenzahl 2011 bei 134.000 Mitarbeitern. Die Exportquote lag 2011 mit 66 Prozent weit über der des Verarbeitenden Gewerbes.

Zu den wichtigsten Zielländern deutscher Photonikexporte zählen die USA, China, die Niederlande, die Schweiz, Japan und die Republik Korea.^[5]

Fachzeitschriften

• Photonik (Zeitschrift). Fachzeitschrift für die Optischen Technologien. ISSN 1432-9778
• Photonics Spectra. ISSN 0891-5350
• Laser Focus World. ISSN 1043-8092
• Nature Photonics. ISSN 1749-4885

Weblinks

• Zukunftsfeld Photonik – Artikel im Spiegel über Photonik.

Einzelnachweise