Forschung bei Eureca

Von offenen Messmodulen zur flexiblen Quantentechnologie

Die Forschungs- und Entwicklungsprojekte von Eureca folgen seit Jahren einer gemeinsamen Idee: Wissenschaftliche Messtechnik soll nicht nur funktionieren, sondern nachvollziehbar, modular und veränderbar sein. Aus dieser Haltung ist Schritt für Schritt eine technische Entwicklungslinie entstanden: von Zeilenkameras und Photodiodenverstärkern über die Detektion einzelner Photonen und zeitkorrelierte Messungen bis hin zu integrierten Experimentiersystemen für die Quantentechnologie.

Der rote Faden: Mit dem 2023 abgeschlossenen BMBF-Forschungsprojekt OptoCubes entstand die technologische Basis für modulare optische Messsysteme. Das Folgeprojekt quantumexpedition überträgt diesen Ansatz in die Welt der Quantensensorik und Einzelphotonendetektion. Und das brandneue BMFTR-Verbundprojekt »Gemischt interaktive FLEXIKA« führt beide Linien zusammen: robuste, offene und für Forschung und Lehre einsetzbare Quantensysteme, deren Aufbau und Messprinzipien sichtbar und verständlich bleiben.

Warum Forschung bei Eureca?

Eureca Messtechnik arbeitet seit vielen Jahren an der Schnittstelle zwischen optoelektronischen Komponenten, wissenschaftlicher Messtechnik und konkreter Anwendung. Öffentlich geförderte Forschungsprojekte geben uns die Möglichkeit, neue Technologien gemeinsam mit Hochschulen frühzeitig zu erproben und daraus Systeme zu entwickeln, die später in Forschung, Lehre und industrieller Entwicklung eingesetzt werden können.

Dabei geht es uns nicht um die Entwicklung einer möglichst geschlossenen »Black Box«. Im Gegenteil: Gerade in Forschung und Lehre ist es oft entscheidend, dass die einzelnen Funktionsblöcke eines Messsystems erkennbar bleiben. Sensor, Analogelektronik, Datenerfassung, Software und optischer Aufbau sollen sich nachvollziehen, austauschen und an neue Fragestellungen anpassen lassen.

Diese Philosophie verbindet die Hardwareentwicklung im Rahmen der drei Projekte OptoCubes, quantumexpedition und FLEXIKA. Jedes Projekt baut technisch und didaktisch auf den Erfahrungen des vorhergehenden auf – und erweitert den Messbereich ein Stück weiter in Richtung moderner Quantentechnologien.

OptoCubes – die Grundlage: offene und modulare optische Messtechnik

Mit dem BMBF-Projekt OptoCubes (»Open Source Systembaukasten für das Agile Prototyping laserbasierter Sensoren«, 01. 02. 2020 bis 31. 10. 2023) wurde die Basis für viele der heutigen Eureca-Entwicklungen gelegt. Gemeinsam mit der Universität Osnabrück und der Fachhochschule Südwestfalen entstand ein modularer Systembaukasten, mit dem sich optische und laserbasierte Sensoren schnell aus einzelnen, nachvollziehbaren Funktionsmodulen aufbauen lassen.

Für Eureca war OptoCubes insbesondere deshalb wichtig, weil in diesem Projekt zentrale Detektor- und Auslesekomponenten entwickelt beziehungsweise weiterentwickelt wurden, die sich später als Bausteine für anspruchsvollere Messsysteme nutzen ließen.

Zeilenkameras: aus einem Sensor wird ein Messmodul

Ein wichtiges Ergebnis dieser Entwicklung sind kompakte Zeilenkameramodule, unter anderem auf Basis des Zeilensensors TCD1304DG von Toshiba. Statt eines geschlossenen Kamerasystems steht dabei die eigentliche Messfunktion im Vordergrund: ein linearer Bildsensor, eine definierte Ansteuerung, digitale Datenerfassung und eine möglichst einfache Einbindung in eigene Aufbauten. Diese Module bilden heute unter anderem die Grundlage für unsere Spektrometerentwicklungen und für kundenspezifische OEM-Lösungen.

Gerade für die Spektroskopie ist dieser Ansatz ideal. Ein Zeilensensor bildet das Spektrum direkt räumlich ab; die Elektronik übernimmt Taktung, Auslesung und Digitalisierung. Das macht die Messkette transparent und ermöglicht es, Sensor, Optik, Spalt, Gitter und Software getrennt zu optimieren.

Photodiodenverstärker: kleinste Lichtsignale messbar machen

Parallel dazu entstanden im OptoCubes-Umfeld leistungsfähige Photodiodenverstärker. Sie übersetzen die sehr kleinen Ströme einer Photodiode in digital auswertbare Messgrößen und decken dabei unterschiedliche Messprinzipien ab – vom klassischen Transimpedanzverstärker bis zu integrierenden Messverfahren für besonders kleine Signalpegel.

Damit war ein zweiter elementarer Baustein vorhanden: Neben ortsaufgelösten Sensoren konnten nun auch einzelne optische Kanäle mit hoher Empfindlichkeit und definierter Verstärkung erfasst werden. Diese Kombination aus Detektor, analoger Signalaufbereitung und digitaler Auslesung wurde später für die Quantensensorik noch einmal entscheidend erweitert.

quantumexpedition – vom schwachen Licht zum einzelnen Photon

Mit quantumexpedition (»Eine offene Innovationsplattform zur Quantensensorik am Beispiel der Lebenswissenschaften«, 01. 01. 2024 bis 31. 12. 2026) wird der in OptoCubes entwickelte offene Systemgedanke in die Quantentechnologie übertragen. Gemeinsam mit der Universität Osnabrück geht es darum, Quantensensorik praktisch zugänglich zu machen und experimentelle Systeme zu schaffen, die nicht nur von Speziallaboren verstanden und betrieben werden können.

Technisch bedeutet dieser Schritt einen fundamentalen Wechsel: Während Zeilenkamera und Photodiode kontinuierliche oder integrierte Lichtsignale messen, muss ein Quantensystem einzelne Photonen als diskrete Ereignisse erfassen können. Die Messkette wird damit zeitkritischer – und gleichzeitig eröffnet sie völlig neue Experimente.

Einzelphotonendetektion: aus Lichtleistung werden Ereignisse

Im Rahmen dieser Entwicklung rückten APD-basierte Einzelphotonendetektoren in den Mittelpunkt. Eine Avalanche-Photodiode kann so betrieben werden, dass bereits ein einzelnes eintreffendes Photon ein eindeutig detektierbares elektrisches Ereignis auslöst. Aus einem analogen Lichtsignal wird damit eine Folge einzelner Zählimpulse.

Das stellt neue Anforderungen an Elektronik und Software: Dunkelzählrate, Detektionseffizienz, Totzeit, Zeitauflösung und statistische Schwankungen werden zu zentralen Messgrößen. Zugleich lässt sich die bekannte modulare Architektur aus OptoCubes weiterverwenden: Detektor, Signalaufbereitung, digitale Erfassung und Auswertesoftware bleiben klar getrennte Funktionsblöcke – nur die Zeitskalen und Signalpegel ändern sich drastisch.

Koinzidenzmessung: zwei Photonen werden miteinander verknüpft

Der nächste logische Schritt ist die Koinzidenzdetektion. Hier genügt es nicht mehr, Photonen lediglich zu zählen. Entscheidend ist, ob zwei Detektoren innerhalb eines sehr kleinen Zeitfensters nahezu gleichzeitig Ereignisse registrieren. Erst diese zeitliche Korrelation macht viele Experimente der Quantenoptik zugänglich.

Dafür wird die Detektionskette um eine zweikanalige Auswertung, schnelle Zeitlogik beziehungsweise Time-Tagging-Funktionen und eine digitale Koinzidenzzählung erweitert. Die Messung liefert damit nicht nur Einzelzählraten, sondern auch Koinzidenzraten, Zeitfenster und statistische Kenngrößen wie das Verhältnis von Nutzsignal zu zufälligem Untergrund.

Aus der klassischen optischen Messtechnik wird damit schrittweise eine Plattform für Einzelphotonen- und Korrelationsmessungen. Genau diese Erfahrung bildet eine wesentliche technische Brücke zum nachfolgenden FLEXIKA-Projekt.

FLEXIKA – aus Modulen werden robuste Quantensysteme

Das Verbundprojekt »Gemischt interaktive FLEXIKA: Quantentechnologische Aktivierung interdisziplinärer MINT-Studierender der Biologie, Chemie, Informatik & Elektrotechnik« führt die bisherige Entwicklung konsequent weiter. Während in den vorangegangenen Projekten zentrale Detektor-, Elektronik- und Softwarebausteine entstanden sind, liegt der Schwerpunkt nun stärker auf der Integration zu vollständigen, belastbaren Experimentiersystemen. Die Systeme sollen wissenschaftlich aussagekräftige Messungen ermöglichen und zugleich so offen und nachvollziehbar bleiben, dass sie in Forschung, Hochschullehre und Hands-on-Formaten eingesetzt werden können.

Für Eureca stehen dabei insbesondere eien besondere Entwicklung im Mittelpunkt: ein kompakter, robusten und gekapselten Koinzidenz-Teststand für mikrostrukturierte photonische Strukturen, ergänzt durch digitale Begleitmaterialien und neue Transferformate. Solche Strukturen können als Quelle korrelierter beziehungsweise quantenoptisch nutzbarer Lichtzustände dienen. Damit ihre Eigenschaften quantitativ untersucht werden können, braucht es eine stabile Detektionskette, die nicht nur einzelne Photonen zählt, sondern deren zeitliche Korrelation zuverlässig erfasst.

Hier fließen die Erfahrungen aus beiden Vorgängerprojekten direkt zusammen. Aus OptoCubes stammen die modulare Denkweise, die Erfahrung mit empfindlichen Detektoren, Analogelektronik, Datenerfassung und USB-Anbindung. Aus quantumexpedition kommen Einzelphotonendetektion, schnelle Timing-Funktionen und Koinzidenzlogik hinzu.

Der FLEXIKA-Teststand wird diese Elemente zu einem vollständigen Messsystem integrieren. Dazu gehören der optische Aufbau und die reproduzierbare Probenpositionierung ebenso wie ein zweikanaliges photonensensitives Detektormodul, analoge Frontends, Verstärkung und Signalaufbereitung, Koinzidenzlogik mit definiertem Timing-Fenster, digitale beziehungsweise USB-basierte Datenerfassung sowie Bedien- und Auswertesoftware.

Ziel ist nicht nur der Nachweis, dass ein photonisches Bauteil grundsätzlich funktioniert. Der Teststand soll quantitative Qualitätsmetriken liefern – beispielsweise Einzelzählraten, Dunkelzählraten, Koinzidenzraten, Signal-Untergrund-Verhältnisse und weitere für die Charakterisierung relevante Kenngrößen. Dadurch können Messergebnisse wiederum in die Herstellung und Optimierung der mikrostrukturierten Bauteile zurückfließen.

Forschung und Lehre zusammen denken

FLEXIKA ist dabei bewusst nicht ausschließlich als Technologieentwicklung für spezialisierte Forschungslabore angelegt. Ein wesentlicher Teil des Projekts beschäftigt sich damit, die entwickelten Systeme in Lehr- und Transferformate zu überführen. Digitale Begleitmaterialien sollen physikalische Grundlagen, Aufbau, Messablauf und Auswertung verständlich machen. Ergänzend sind interaktive und VR-basierte Formate vorgesehen, um Funktionsprinzipien auch dort sichtbar zu machen, wo ein vollständiger Laboraufbau nicht zur Verfügung steht.

Die Systeme sollen mit Studierenden und Anwendern erprobt und anhand dieser Rückmeldungen weiter verbessert werden. Auf diese Weise entsteht ein Kreislauf aus Forschung, technischer Entwicklung, praktischer Anwendung und didaktischer Rückkopplung.

Die technische Entwicklung auf einen Blick

OptoCubes – offene Detektormodule und transparente Messketten: Zeilenkamera, Photodiodenverstärker, Datenerfassung und Software.

quantumexpedition – Erweiterung in den Einzelphotonenbereich: APD-basierte Detektoren, Photonenzählung, zeitaufgelöste Erfassung und Koinzidenzmessung.

FLEXIKA – Integration zu vollständigen Quantensystemen: gekapselter Koinzidenz-Teststand, Charakterisierung mikrostrukturierter Dünnschicht-Lithiumniobat-Bauteile, Laser-Scanning-Quantenmikroskop sowie digitale und immersive Transferformate.

Eine Entwicklungslinie statt einzelner Projekte

Für Eureca sind OptoCubes, quantumexpedition und FLEXIKA deshalb keine voneinander getrennten Forschungsinseln. Die Projekte bilden eine zusammenhängende Entwicklungslinie. Mit jedem Schritt werden die messbaren Signale kleiner, die zeitlichen Anforderungen höher und die physikalischen Fragestellungen anspruchsvoller. Gleichzeitig bleibt das Grundprinzip gleich: Die Messtechnik soll modular, verständlich und anpassbar sein.

Aus einer offenen Zeilenkamera wurde eine Plattform für spektrale Messungen. Aus empfindlicher Photodiodenelektronik entwickelte sich die Kompetenz für schwächste optische Signale. Mit Einzelphotonendetektoren und Koinzidenzelektronik wurde daraus ein Werkzeug für Quantenexperimente. FLEXIKA führt diese Bausteine nun zu vollständigen Systemen zusammen, die neue photonische Komponenten charakterisieren und quantensensorische Messverfahren praktisch zugänglich machen. So wächst aus mehreren Forschungsprojekten eine gemeinsame Technologieplattform – und aus einzelnen Komponenten entstehen Werkzeuge für die nächste Generation optischer und quantentechnologischer Experimente.

Ausblick

Die in den Forschungsprojekten gewonnenen Erfahrungen wirken weit über die jeweilige Projektlaufzeit hinaus. Elektronik, Detektormodule, Softwarekonzepte und mechanische Lösungen fließen in neue Eureca-Produkte, kundenspezifische Entwicklungen und Lehrsysteme ein. Gleichzeitig entstehen aus praktischen Anwendungen neue Fragestellungen für die Forschung.

Genau darin sehen wir den Wert öffentlich geförderter Verbundforschung: Hochschulen bringen aktuelle wissenschaftliche Fragestellungen und Methoden ein, Unternehmen übersetzen sie in robuste und reproduzierbare Technik – und gemeinsam entstehen Systeme, die Forschung und Lehre dauerhaft weiterbringen können.