Lichtsignale für schnelle Kommunikation und bessere Diagnostik in der Medizin
(Ausgabe 1 / 2024) Die Nutzung von Lichtsignalen eröffnet völlig neue Perspektiven für das Internet der Zukunft sowie für die medizinische Diagnostik. Optische Chips der FHV ermöglichen nicht nur eine schnellere Übertragung von Informationen in modernen Netzwerken, sondern auch die Entwicklung kostengünstiger und tragbarer diagnostischer Systeme.
Leitbeitrag von Dana Seyringer zum FHV-Querschnittsthema Digitalisierung im Bereich photonischer Anwendungen.
Breitband-Internet dank optischer Chips
Optische Komponenten wie Multiplexer/Demultiplexer (MUX/DeMUX) oder Strahlteiler sind wichtige Bausteine für die Übertragung von Daten in optischen Netzwerken. Solche Komponenten ermöglichen es, mehrere Datenströme gleichzeitig über eine einzige Glasfaserleitung zu übertragen, indem sie die Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen (unterschiedlichen Lichtfarben) kodieren und dekodieren. Dies führt zu einer höheren Bandbreitennutzung und einer effizienteren Datenübertragung.
Ein einfaches optisches Übertragungssystem besteht aus Sendern und Empfängern, einer Glasfaser, Verstärkern und Modulatoren. Im Vergleich zur herkömmlichen elektrischen Datenübertragung erhöht ein solches System zwar schon die Bandbreite massiv (die Menge an übertragenen Daten in Bits/Sekunde), aber noch immer nicht ausreichend, um den heutigen Bedarf an Datentransfer abdecken zu können.
Um die Kapazität der übertragenen Daten zu erhöhen, können mehrere optische Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen auf einer einzelnen Glasfaser mit Hilfe von optischen Multiplexern zusammengeführt werden und auf der Empfangsseite mit Hilfe von optischen Demultiplexern wieder in separate Wellenlängen aufgespalten werden. Schon bei zwei Wellenlängen verdoppelt sich die Übertragungskapazität pro Glasfaser, bei drei Wellenlängen wird sie verdreifacht etc. Dank der modernen optischen MUXs/DeMUXs können optische Netzwerke heute bis zu 64 Wellenlängen nutzen, um die Übertragungskapazität zu erhöhen.
Photonische Entwicklungsleistung an der FHV
Am Forschungszentrum Mikrotechnik werden optische Chips entwickelt, die bis zu 256 Übertragungskanäle anbieten (d.h. bis zu 256 Wellenlängen können für die Datenübertragung verwendet werden). Um diese zu entwerfen, werden von uns sowohl kommerzielle Design-Tools verwendet als auch eigene Tools, die im Rahmen von Dissertationen und Masterarbeiten entwickelt wurden. Bis jetzt haben wir zusammen mit den Studierenden vier eigene Tools entwickelt, die es uns ermöglichen, optische MUXs/DeMUXs mit herausragenden optischen Eigenschaften in sehr kurzer Zeit zu entwerfen.
Während der letzten Jahre hat die Bedeutung von Breitband-Internetverbindungen stark zugenommen, da viele Menschen von zu Hause aus arbeiten und lernen mussten. Optische Chips wie beispielsweise optische MUXs/DeMUXs haben dazu beigetragen, die Netzwerke stabil zu halten, die Belastung der Netzwerke zu verringern und eine reibungslose Kommunikation zu gewährleisten. Es ist zu erwarten, dass die Bedeutung von Photonik-Chips in Zukunft weiter zunehmen wird, da die Nachfrage nach schnelleren und zuverlässigeren Internetverbindungen steigt.
Photonik in der Medizintechnik
Wir werden immer älter. Dementsprechend werden altersbedingte Krankheiten zunehmen. Photonik-Technologien können dazu beitragen, die Belastung durch solche Krankheiten zu verringern. Das Wohlbefinden der Betroffenen könnte stark verbessert werden, wenn wir uns auf die Prävention und die Früherkennung der Krankheiten konzentrieren, mit erhöhten Chancen auf erfolgreiche Behandlungen. Das erfordert tragbare und gleichzeitig robuste Geräte, die am Point-of-Care (am Ort, wo beispielsweise die Patientin sich befindet) einsetzbar sind und voll automatisch arbeiten.
Heutige kommerzielle Ansätze haben mehrere Nachteile, etwa die Nichtanwendbarkeit am Point-of-Care, hohe Empfindlichkeit, hohe Betriebskosten und hohen Personalaufwand. Im Vergleich dazu haben hochintegrierte, miniaturisierte photonische Geräte einen geringen Platzbedarf, da die Kerntechnologie auf Chipgröße reduziert wird. Aufgrund ihrer Kleinheit sind sie überall einsetzbar. Sie können zur frühzeitigen Erkennung etwa von Infektionen auf Intensivstationen beitragen und damit zu einer besseren Therapieentscheidung und zum rechtzeitigen Therapiebeginn. Sie ermöglichen nicht-invasive Untersuchungen am Point-of-Care, sind robust und kostengünstig.
Erfolgreiche Kooperationen
Am Forschungszentrum Mikrotechnik wird an solchen innovativen diagnostischen Geräten seit mehreren Jahren gearbeitet. Im Rahmen des österreichischen Projekts COHESION haben wir einen Optical Coherence Tomography (OCT)-Chip entwickelt, der zur Untersuchung der Netzhaut verwendet werden kann. Dieser hochintegrierte, miniaturisierte Chip bietet eine kostengünstige und tragbare Variante zu den kommerziellen OCT-Systemen.
Zusammen mit den Projektpartner:innen MedUni Wien, AIT, ams Osram AG und TU Wien haben wir einen OCT-Chip entwickelt, der die OCT-Funktion auf einer Fläche von 2 x 2 cm2 integriert hat. Ein solcher Chip ist nicht nur bis zu fünfmal kleiner und bis zu dreimal billiger, sondern auch robust, tragbar und bietet schnelle Untersuchungsmöglichkeiten der Netzhaut am Point-of-Care. Um dieses Ziel zu erreichen, mussten neue Technologien und neue photonische Komponenten entwickelt werden. Eine davon war das optische Spektrometer, das ein optisches Spektrum in 512 Wellenlängen aufteilt. Mit dieser völlig neuen Entwicklung hat das Projekt einen Meilenstein in der modernen Augenheilkunde zur nichtinvasiven Visualisierung der unteren Netzhautschichten gelegt (siehe dazu die Publikation in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“).
Breitband und OCT-Chip made at FHV
Zusammenfassend verdeutlichen diese Erfolgsbeispiele eindrucksvoll, wie die nahtlose Verknüpfung von Theorie und Praxis die Tür zu innovativen Lösungen für konkrete Anwendungen öffnet. Langjährige Erfahrung und die gezielte Nutzung von eigens an der FHV entwickelten Inhouse-Tools ermöglichen effiziente Designs für neue Lösungen.
Weiterführende Literatur:
Dana Seyringer hat zu ihrer wegweisenden Forschung ein Buch veröffentlicht: Arrayed waveguide gratings (2016).
Hier geht es zum Nature-Artikel (2021).
Zur Autorin:
Dana Seyringer ist ausgewiesene Expertin in der faszinierenden Welt der Photonik. Sie treibt als habilitierte Senior Scientist der FHV den Forschungsschwerpunkt Design passiver optischer Komponenten am Forschungszentrum Mikrotechnik voran. 1996 promovierte sie an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der Slowakischen Technischen Universität in Bratislava und 1998 an der Johannes-Keppler-Universität in Linz. Seit 2015 ist Dana habilitiert. Die Trägerin des Vorarlberger Wissenschaftspreises hat zwei Bücher und zahlreiche Publikationen veröffentlicht. Zudem betreut Dana Studierende vom Bachelor über den Master bis hin zum Doktorat.
Bei Interesse sind Sie herzlich eingeladen mit der Autorin in Kontakt zu treten.
