Pixel Photonics

Einzelne Lichtteilchen sichtbar machen – was nach Grundlagenforschung klingt, spielt schon jetzt eine Schlüsselrolle in Quantencomputern, sicherer Kommunikation und künftigen Diagnoseverfahren. Die Pixel Photonics GmbH aus Münster entwickelt hochempfindliche Einzelphotonendetektoren und arbeitet daran, eine bislang auf Forschungslabore beschränkte Technologie industriell skalierbar zu machen.

Schon früh faszinierte Nicolai Walter die Frage, wie aus wissenschaftlichen Erkenntnissen praktische Anwendungen werden. „Viele Dissertationen verschwinden irgendwann in der Schublade“, sagt er. „Mich hat dagegen interessiert, wie daraus echte Anwendungen entstehen.“ Seine Passion galt dem Licht. Oder besser: der fast vollständigen Abwesenheit von Licht. Einzelne Lichtteilchen zu messen ist ein elementarer Bestandteil der Funktion von Quantencomputern, die eine Vielzahl hochspezialisierter Komponenten vereinen. Eines dieser Spezialbauteile entwickelt die Pixel Photonics GmbH aus Münster: Hochempfindliche Einzelphotonendetektoren, also Sensoren, die einzelne Lichtteilchen erkennen können.

Hervorgegangen ist Pixel Photonics aus der Universität Münster. Die Wurzeln reichen zurück in die Forschung zweier Arbeitsgruppen, in denen sich Physiker über Jahre mit Nanophotonik und photonischen Quantentechnologien beschäftigten. Daraus entstand schließlich die Idee, eine Technologie nicht nur wissenschaftlich zu erforschen, sondern in ein marktfähiges Produkt zu überführen.

„Die Gründung war nicht von Anfang an unser erklärtes Ziel“, erinnert sich Wladick Hartmann (39), der Pixel Photonics gemeinsam mit Nicolai Walter (38) und Fabian Beutel (34) ins Leben rief. Vielmehr war es ein Projekt des Bundesforschungsministeriums, in dessen Rahmen ausdrücklich gewünscht war, dass aus den Ergebnissen eine wirtschaftliche Anwendung entsteht.

Heute beschäftigt Pixel Photonics rund 35 Mitarbeitende und zählt zu den wenigen europäischen Unternehmen, die sich auf diese hochspezialisierte Technologie konzentrieren.

Diese Technologie, die Pixel Photonics entwickelt, klingt zunächst wie Stoff für ein Physikseminar: Einzelphotonendetektoren. – Photonen sind die kleinsten Einheiten des Lichts. Sie transportieren Informationen, tragen aber nur extrem wenig Energie. „Die Energiemenge eines einzelnen Photons ist so klein, dass sie nur sehr schwer nachweisbar ist“, erklärt Nicolai Walter. Trotzdem könne es für viele Anwendungen entscheidend sein zu wissen, ob genau ein ganz bestimmtes Photon angekommen ist – oder eben nicht. Alles Digitale funktioniert gemäß diesem Befehlsmuster: ja/nein, 0/1 – oder eben Licht an/Licht aus.

Die Detektoren von Pixel Photonics übernehmen diese Aufgabe, registrieren einzelne Lichtteilchen mit hoher Präzision und Geschwindigkeit, selbst dann, wenn das Lichtsignal extrem schwach ist. Die besondere Herausforderung dabei: Viele der für moderne Kommunikations- und Quantensysteme wichtigen Lichtwellen liegen im infraroten Bereich. Dort besitzen die Photonen besonders wenig Energie und lassen sich mit herkömmlichen Sensoren nur schwer erfassen.

Die eigentliche Innovation von Pixel Photonics ist die Skalierbarkeit der Technologie der Einzelphotonendetektoren. Wladick Hartmann vergleicht die Situation mit den Anfängen des Transistors: „Das grundlegende Verfahren existierte bereits, war aber eher eine wissenschaftliche Speziallösung: kompliziert, teuer und nicht skalierbar.“ Auch Einzelphotonendetektoren galten lange als hochspezialisierte Laborinstrumente, die zwar beeindruckende Leistungen erbrachten, sich jedoch nur mit erheblichem Aufwand herstellen ließen. Pixel Photonics hat eine Fertigungstechnologie entwickelt, die mit modernen CMOS-Prozessen kompatibel ist – also mit den Verfahren, die auch bei der Herstellung moderner Halbleiterchips eingesetzt werden. So können die Detektoren künftig in deutlich größeren Stückzahlen und zu geringeren Kosten produziert werden.

Der technologische Kern besteht darin, die Sensoren direkt in photonische Chips zu integrieren. Damit werden sie zu einem Baustein komplexer optischer Schaltungen. Besonders wichtig ist dabei eine Herausforderung, die außerhalb der Branche kaum bekannt ist: die physikalische Verbindung zwischen Glasfaser und Chip. Lichtsignale werden über Glasfaser an die Detektoren herangeführt. Damit möglichst wenige Informationen verloren gehen, muss das Licht mit höchster Präzision vom Glasfaserkabel auf den Chip übertragen werden. Für diese Schnittstelle entwickelte Pixel Photonics eine eigene Lösung. Mithilfe einer speziellen 3D-Drucktechnologie werden winzige optische Strukturen direkt auf die Chips gedruckt. Vereinfacht gesagt entsteht so eine maßgeschneiderte Verbindung zwischen Glasfaser und Chip. Das Verfahren hat sich Pixel Photonics patentieren lassen.

Das Münsteraner Unternehmen verfolgt bewusst eine andere Strategie als viele junge Firmen der Branche und versucht nicht, selbst Quantencomputer oder komplette Quantensysteme zu entwickeln, sondern konzentriert sich auf eine einzelne Schlüsselkomponente innerhalb der Wertschöpfungskette. Pixel Photonics liefert gewissermaßen die Infrastruktur, auf der andere ihre Produkte aufbauen. Zwei Kundengruppen sind im Blickfeld: Universitäten und Forschungseinrichtungen, die komplette Messsysteme für wissenschaftliche Anwendungen erwerben, sowie Industrieunternehmen, die die Detektoren direkt in eigene photonische Chips integrieren lassen. Neben Quantenanwendungen sehen die Gründer Potenzial in der Medizintechnik, in bildgebenden Verfahren, in der Satellitenkommunikation, in Lidar-Systemen sowie in der Laserkommunikation über große Distanzen. Überall dort, wo extrem schwache Lichtsignale zuverlässig erkannt werden müssen, könnten die Detektoren künftig Vorteile bieten.