Fraunhofer IOF Jahresbericht / Annual Report 2025

Jahresbericht / Annual Report 2025 SCIENCE IN FOCUS

Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF Science in Focus Jahresbericht 2025 Annual Report 2025

Interview mit Institutsleiter Andreas Tünnermann �� 4 Unser Institut ��10 Wissenschaftliche Highlights ��18 Spektrometergitter für ESA-Klimamission Sentinel-4 �� 20 UVNS-Spektrometer zur Überwachung der globalen Luftqualität ��22 Satellitengestützte Laserkommunikation in Serienreife ��24 QuBUS: mobile Schnittstelle von Freistrahllinks ins terrestrische Netz ��26 Verschränkungsverteilung zwischen Flugzeug und Bodenstation ��28 Ultrakompakte Lichtquelle für Quantenverschlüsselung �� 30 MIR-Quanten-Rastermikroskopie jenseits von Quanten-Korrelationen �� 32 Die Augen und Ohren der KI ��34 Mehr Power für Glasfasernetze ��36 Neue Dimensionen für zukünftige Faserkomponenten �� 38 Sub-ppm-Verluste in HR-Spiegeln dank smarter Messtechnik ��40 Echtzeit-3D-Messtechnik für fehlerfreie Umformung im Schiffsbau ��42 Weitere Jahreshighlights ��44 Bundeskanzler zu Gast am Fraunhofer IOF ��46 Politische Sommergäste am Fraunhofer IOF ��51 Photonics Day Jena goes Quantum �� 54 Applied Photonics Award 2025 �� 57 Gaia-Weltraummission zur Vermessung der Milchstraße endet ��60 Prof. Dr. Uwe Zeitner wird CZS Stiftungsprofessor an der Universität Jena �� 62 Dr. Ramona Eberhardt mit Fraunhofer-Taler ausgezeichnet �� 64 Andreas Tünnermann erhält Fraunhofer-Münze �� 66 Staunen, Erleben, Verstehen – Wissenschaftsevents 2025 �� 68 Auszeichnungen �� 70 Ausgezeichneter Technologietransfer aus Jena ��72 Tobias Gäbler erhält FAIRest Dataset Award 2025 ��74 Lea Marie Bohne erhält regionalen Preis für die beste Masterarbeit ��76 Erfolg auf der Photonics West ��78 Triple-Sieg für Nachwuchsforschende ��80 Zahlen, Initiativen und Würdigungen ��82 Das Institut in Zahlen �� 84 Nachruf auf Prof. Dr. Wolfgang Karthe ��88 Strategische Initiativen �� 90 Anhang �� 94 Inhalt

Interview with institute director Andreas Tünnermann �� 4 Our Institute ��11 Scientific Highlights �� 18 Spectrometer grating for ESA’s Sentinel-4 climate mission ��20 UVNS spectrometer for monitoring global air quality ��22 Satellite-based laser communication ready for series production ��24 QuBUS: mobile interface from free-space links to terrestrial networks ��26 Air-to-ground distribution of entangled photons �� 28 Ultra-compact light source for quantum encryption �� 30 MIR scanning quantum microscopy beyond quantum correlations ��32 The eyes and ears of AI ��34 More power for fiber optic networks �� 36 New dimensions for future fiber components �� 38 Smart metrology unlocks HR-mirrors with sub-ppm optical losses ��40 Real-time 3D measurement technology for error-free forming in shipbuilding ��42 Additional Highlights of the Year ��45 Federal Chancellor visits Fraunhofer IOF �� 46 Political summer guests at Fraunhofer IOF ��51 Photonics Day Jena goes Quantum ��54 Applied Photonics Award 2025 ��57 Gaia space mission to measure the Milky Way comes to an end ��60 Prof. Dr. Uwe Zeitner becomes CZS Endowed Professor at the University of Jena �� 62 Dr. Ramona Eberhardt awarded the Fraunhofer-Taler �� 6 Andreas Tünnermann receives Fraunhofer Coin �� 67 Discover, Explore, Learn – Science events 2025 �� 68 Awards �� 70 Award-winning technology transfer from Jena ��72 Tobias Gäbler honored with FAIRest Dataset Award 2025 ��74 Lea Marie Bohne receives regional prize for the best master’s thesis ��76 Success at Photonics West ��78 Triple victory for young researchers �� 80 Statistics, Initiatives, and Acknowledgements �� 82 The institute in figures �� 84 Obituary for Prof. Dr. Wolfgang Karthe ��88 Strategic Initiatives �� 90 Appendix �� 94 Content

4 Institutsleiter Andreas Tünnermann im Gespräch / Interview with institute director Andreas Tünnermann Das Fraunhofer IOF ist bereit, die Zukunft unseres Landes mitzugestalten.« » “Fraunhofer IOF is ready to help shape the future of our country.”

5 Interview mit Institutsleiter Andreas Tünnermann Interview with institute director Andreas Tünnermann Interview mit Prof. Dr. Andreas Tünnermann, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF In vielen Anwendungsfeldern entwickelt sich die Photonik von einer Basistechnologie zu einem strategischen Enabler – für Künstliche Intelligenz, Quantentechnologien, Raumfahrt, Energie und Sicherheit. Im Interview spricht Institutsleiter Prof. Andreas Tünnermann über strategische Entscheidungen und neue Perspektiven in der Zusammenarbeit mit Industrie und Forschung. Die Bundesregierung hat 2025 mit der Hightech Agenda Deutschland einen Fokus auf Schlüsseltechnologien, technologische Souveränität und Resilienz gelegt. Wo steht das Fraunhofer IOF in diesem Kontext? Das Fraunhofer IOF steht einerseits für Exzellenz in der Forschung, andererseits für einen klaren Blick auf die Bedarfe unserer Partner in der Wirtschaft und Wissenschaft gepaart mit dem Willen zum Transfer. Ich selbst verstehe die Hightech-Agenda Strategische Forschung ermöglicht Souveränität, Widerstandsfähigkeit und nachhaltige Innovation Interview with Prof. Dr. Andreas Tünnermann, Director of the Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF In many fields of application, photonics is evolving from a foundational technology into a strategic enabler—for artificial intelligence, quantum technologies, space, energy, and security. In this interview, Institute Director Prof. Andreas Tünnermann discusses strategic decisions and new perspectives for collaboration with industry and research. In 2025, the German federal government placed a strong focus on key technologies, technological sovereignty, and resilience with its High-Tech Agenda Germany. Where does Fraunhofer IOF stand in this context? Fraunhofer IOF combines excellence in research with a clear understanding of our partners’ needs in industry and science, alongside a strong commitment to technology transfer. I personally view the High-Tech Agenda as an expression of political determination to shape our country’s Strategic research enables sovereignty, resilience, and sustainable innovation

6 als Ausdruck des politischen Willens, die Zukunft unseres Landes in wichtigen Bedarfsfeldern nachhaltig zu gestalten und dafür auch die Forschungsförderung zu fokussieren. Passenderweise adressieren viele unserer Forschungsarbeiten schon seit mehreren Jahren die in der Hightech-Agenda besonders hervorgehobenen Schlüsseltechnologien und Bedarfsfelder – sie sind Teil unserer DNA. Das Fraunhofer IOF ist bereit, die Zukunft unseres Landes mitzugestalten. Wie hat sich das Fraunhofer IOF denn in den letzten Jahren verändert? Wir haben durch unsere enge Vernetzung mit unseren Kunden schon vor den Corona-Jahren erkannt, dass sich einzelne Märkte strukturell verändern und an Dynamik verlieren. Darauf haben wir in einem Roadmapping-Prozess reagiert. Wir haben in der Folge Strukturen überprüft, Effizienzen gehoben und Prioritäten gesetzt. Dadurch konnten wir einerseits Kosten senken, aber an anderen Stellen massiv in Zukunftsfelder investieren. Investiert haben wir dabei sowohl in Menschen, beispielsweise durch den Aufbau neuer Forschungsgruppen, als auch in Anlagentechnik, die teilweise weltweit einzigartig ist. Unsere Investitionsquote liegt seit Jahren bei knapp 20 Prozent und damit deutlich über dem Durchschnitt der Fraunhofer-Gesellschaft. Welche technologischen Schwerpunkte standen bei dem Ausbau der Anlagentechnik dabei im Mittelpunkt? Zwei Bereiche sind besonders hervorzuheben. Zum einen haben wir rund 25 Millionen Euro in Anlagentechnik zur Darstellung von Mikro- und Nanooptiken bis hin zu photonisch integrierten Schaltkreisen investiert. Diese Technologien sind zentrale Enabler für das High-Performance Computing (HPC) und die Quantentechnologien, aber auch für die Darstellung von Plattformen zur effizienten Skalierung von Anwendungen zur Künstlichen Intelligenz (KI). Zum anderen haben wir mehr future sustainably in critical fields of need, while strategically focusing research funding. Many of our research activities have already focused on key technologies and application areas highlighted in the agenda for several years—they are part of our DNA. Fraunhofer IOF is well prepared to actively help shape the future of our country. How has Fraunhofer IOF changed in recent years? Thanks to our close ties with customers, even before the pandemic, we recognized that certain markets were undergoing structural change and losing momentum. We responded with a comprehensive road mapping process. This involved reviewing structures, increasing efficiency, and setting clear priorities. As a result, we were able to reduce costs in some areas while investing heavily in future-oriented fields. These investments included people—such as establishing new research groups—as well as infrastructure and equipment, some of which is unique worldwide. For years now, our investment ratio has been close to 20 percent, which is significantly above the average within the Fraunhofer-Gesellschaft. Which technological priorities guided the expansion of research infrastructure? Two areas deserve particular emphasis. First, we invested around €25 million in equipment for the fabrication of micro- and nano-optics, up to and including photonic integrated circuits. These technologies are key enablers for high-performance computing (HPC) and quantum technologies, as well as for platforms that enable efficient scaling of artificial intelligence applications. Second, we invested more than €15 million in equipment for manufacturing imaging optics with large apertures. These systems are essential for the further development of AI, manufacturing, » Photonische Lösungen können den Stromverbrauch bei KI-Berechnungen erheblich senken.« “Photonic solutions may significantly reduce power consumption in AI computing.” Interview mit Institutsleiter Andreas Tünnermann Interview with institute director Andreas Tünnermann

Bei seinem Besuch am Fraunhofer IOF präsentierten unsere Forschenden dem Bundeskanzler das Herzstück eines zukünftigen photonischen Quantencomputers: einen photonisch integrierten Chip. / During his visit to Fraunhofer IOF, our researchers presented the Chancellor with the heart of a future photonic quantum computer: a photonic integrated chip. 7 als 15 Millionen Euro in Anlagentechnik zur Herstellung von Abbildungsoptiken mit großen Aperturen investiert. Diese Systeme sind essenziell für die weitere Entwicklung der KI, Produktion, Quantentechnologie, Raumfahrt und Sicherheit. Beide Investitionen sind langfristig angelegt und zielen sowohl auf die Adressierung von Bedarfen im Zusammenhang mit der Sicherung technologischer Souveränität, sie adressieren aber auch Bedarfe der Wirtschaft. KI ist der große Trend in diesem Jahr. Wobei da der Energiebedarf zum Problem wird. Wo liegen konkret die Beiträge der Photonik zur Entwicklung von Lösungen? Photonische Lösungen können den Stromverbrauch bei KI-Berechnungen erheblich senken. Die Photonik ist ein zentraler Hebel für die Weiterentwicklung der KI. Zum einen sehen wir im Bereich des HPC einen starken Trend zur optischen Vernetzung von mikroelektronischen Baugruppen bis hinunter zum Chip-Level. Gleichzeitig sehen wir einen Trend hin zum photonischen neuromorphen Computing – das Fraunhofer IOF ist in beiden Feldern strategischer Entwicklungspartner für global agierende Unternehmen. Die Quantentechnologien haben in den vergangenen Jahren stark an politischer Aufmerksamkeit gewonnen. Wo sehen Sie realistische Anwendungsperspektiven? Unser Ansatz ist klar nutzenorientiert. In Bereichen wie der Sensorik oder der Bildgebung zeigt sich, dass der spezifische Quantenmehrwert begrenzt ist. Durch Impulse aus der Quantenforschung haben aber auch klassische Technologien erhebliche Fortschritte gemacht. Hier wird der prognostizierte Markt aktuell eher kleiner. Grundsätzlich anders stellt sich die Situation in der Quantenkommunikation dar. Hier existiert ein Quantenmehrwert. Im Ergebnis quantum technologies, space applications, and security. Both investments are long-term. They address requirements related to safeguarding technological sovereignty while also meeting concrete industrial needs. Artificial intelligence is the major trend this year, but its energy demand is becoming a critical issue. What concrete contributions can photonics make here? Photonic solutions may significantly reduce power consumption in AI computing. Accordingly, we see a strong trend toward optical interconnects in the HPC domain, which Quantenkommunikation via Satelliten: Ein neues Maß an Informationssicherheit. / Quantum communication via satellites: A new level of information security. © Thüringer Staatskanzlei / Jacob Schröter

8 haben wir technologische Roadmaps abgeleitet. Zahlreiche Anwendungen stehen kurz vor der wirtschaftlichen Tragfähigkeit. Perspektivisch eröffnen sich zudem neue Möglichkeiten durch die Vernetzung von Quantencomputern. Die Entwicklung auf dem Gebiet der Quantencomputer selbst ist weiterhin sehr dynamisch. Neue Ansätze im Bereich der Fehlerkorrektur sind vielversprechend – die Community erwartet den Q-Day in etwa 10 Jahren, in Spezialanwendungen kann dies auch schneller erfolgen. Ich persönlich bin fest davon überzeugt, dass es künftig verschiedene relevante Plattformen geben wird. Für uns als Fraunhofer IOF ist die photonische Plattform natürlich von besonderer Bedeutung, weil die auch inhärent die Möglichkeit der Vernetzung bietet. Die Raumfahrt gewinnt zunehmend strategische Bedeutung. Welche Rolle spielt das Fraunhofer IOF in diesem Feld? Raumfahrt ist für uns ein Querschnittsthema. Inzwischen entfallen rund 20 Prozent unserer Institutserträge auf diesen Bereich. Unsere Kompetenzen reichen von der Entwicklung von Instrumenten zur Erdbeobachtung und optischen Satellitenkommunikation bis hin zu Systemen mit Anwendungen in dem Bereich Sicherheit. Besonders dynamisch entwickelt sich die optische Intersatelliten- und Bodenkommunikation. Hier leisten wir nicht nur Forschungsbeiträge, sondern koordinieren auch große europäische Vorhaben zur Standardisierung und zum Aufbau entsprechender Infrastrukturen. Was erwarten Sie von der Zukunft? Die einzige Konstante ist wohl Veränderung – sich immer wieder neu zu erfinden ist die Voraussetzung für langfristigen Erfolg. Hier sind wir gut aufgestellt. Mein persönliches Ziel: Die Vernetzung zwischen den verschiedenen extend from microelectronic assemblies down to the chip level. There is growing momentum toward photonic neuromorphic computing at the same time. Fraunhofer IOF is a strategic development partner for globally active companies in both fields. Quantum technologies have attracted significant political attention in recent years. Where do you see realistic application prospects? Our approach is clearly application-driven. In areas such as sensing or imaging, the specific quantum advantage often turns out to be limited. At the same time, impulses from quantum research have led to substantial advances in classical technologies, which is why the market originally forecast in these areas is currently shrinking. The situation is fundamentally different in quantum communication, where a genuine quantum advantage exists. Based on this, we have derived technological roadmaps, and many applications are close to economic viability. In the longer term, new opportunities will also arise from networking quantum computers. Development in quantum computing itself remains highly dynamic. New approaches to error correction are promising, and the community expects “Q-day” in around ten years—potentially sooner for specialized applications. I am convinced that several relevant platforms will ultimately coexist. For Fraunhofer IOF, the photonic platform is of particular importance, not least because it inherently enables networking. Space is gaining increasing strategic importance. What role does Fraunhofer IOF play in this field? Space is a cross-cutting topic for us. Around 20 percent of our Institute’s revenues now come from this area. Our competencies range from Earth observation instruments and optical satellite communication to systems with security-related applications. Optical inter-satellite and ground communication is developing particularly dynamically. Here, we are not only contributing research, but also coordinating large European initiatives focused on standardization and the establishment of corresponding infrastructures. Interview mit Institutsleiter Andreas Tünnermann Interview with institute director Andreas Tünnermann

9 Andreas Tünnermann spricht über die Entwicklungen der vergangenen Jahre und zukünftige Perspektiven des Fraunhofer IOF. / Andreas Tünnermann discusses developments over recent years and future prospects for Fraunhofer IOF. Forschungseinrichtungen untereinander und mit der Wirtschaft vorantreiben bis hin zur Errichtung von Joint Labs und damit bislang ungenutzte Potenziale heben. Da sind zwar sicherlich noch ein paar Hürden zu nehmen, aber die Aufgabe ist ohne Zweifel interessant … Am Ende entwickelt sich unser Institut vor allem mit den Menschen, die hier arbeiten und denen mein großer Dank gilt. Ihre Kreativität und Professionalität sind der Schlüssel zum Erfolg. Das gilt es weiter zu fördern und zu erhalten. What do you expect from the future? The only constant is change. Continually reinventing oneself is a prerequisite for long-term success—and we are well positioned in this respect. My personal goal is to further strengthen networking between research institutions and industry, including the establishment of joint labs, to unlock previously untapped potential. There are certainly still some hurdles to overcome, but the task is without doubt an exciting one. Ultimately, our Institute evolves above all through the people who work here, and to whom I would like to express my sincere thanks. Their creativity and professionalism are the key to success—and this is something we must continue to nurture and preserve. Am Ende entwickelt sich unser Institut vor allem mit den Menschen, die hier arbeiten.« “Ultimately, our institute evolves above all through the people who work here.” »

10 Unser Institut Licht ist ein wandelbares Werkzeug. Wegen seiner vielen Einsatzmöglichkeiten, sowie seiner einzigartigen Eigenschaften als elektromagnetische Welle und Lichtteilchen ist es Grundlage zahlreicher Schlüsseltechnologien für künftige Herausforderungen der modernen Welt. Unter diesem Gesichtspunkt forscht das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF mit Sitz in der traditionsreichen Optikstadt Jena an der Weiterentwicklung photonischer Technologien zur Lösung unterschiedlichster Fragestellungen und Anwendungsszenarien. Die Arbeit des 1992 gegründeten Forschungsinstituts konzentriert sich auf die anwendungsorientierte Erforschung der Lichterzeugung, -führung und -messung. Die interdisziplinäre Bündelung der institutseigenen Kompetenzen in den Bereichen Optik und Feinmechanik erlaubt es dem Fraunhofer IOF gemeinsam mit kooperierenden Einrichtungen, komplexe und einzigartige photonische Komponenten und Systeme zu entwickeln. Zusammen mit Partnerinnen und Partnern aus der Grundlagenforschung sowie Industrie entstehen innovative Lösungen, die in Wissenschaft und Wirtschaft einen technologischen Vorteil bedeuten. Für die Photonik werden neue Anwendungsfelder erschlossen und für die Gesellschaft ein relevanter Mehrwert geschaffen.

11 Our Institute Light is a versatile tool. Due to its many applications, as well as its unique properties as an electromagnetic wave and a light particle, it is the basis of numerous key technologies for future challenges of the modern world. In this context, the Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF, situated in the long-standing tradition of the optics hotspot Jena, is conducting research into the ongoing development of photonic technologies to solve a wide variety of problems and application scenarios. The work of the research institute, founded in 1992, focuses on applied research into the generation, guidance and measurement of light. The interdisciplinary pooling of the institute’s own expertise in the fields of optics and precision engineering allows Fraunhofer IOF, together with cooperating institutions, to develop complex and unique photonic components and systems. With partners from basic research and industry, innovative solutions are created that represent a technological advantage in science and business. New fields of application are opened up for photonics and relevant value is added for society

12 Organisation Organization Strategy, Organization and Communication Dr. Robert Kammel Administration Anja Riedel (since 2025) Thomas Weiß (until 2025) Wieland Stöckl SCIENTIFIC DEPARTMENTS SCIENTIFIC DIRECTORATE Prof. Dr. Andreas Tünnermann Prof. Dr. Uwe Detlef Zeitner Dr. Ramona Eberhardt Prof. Dr. Jens Limpert Prof. Dr. Gunther Notni Prof. Dr. Stefanie Gräfe Prof. Dr. Stefan Nolte Micro- and Nanostructured Optics Dr. Falk Eilenberger Laser and Fiber Technology Dr. Thomas Schreiber Opto-mechatronical Components and Systems Dr. Erik Beckert Optical and Mechanical System Design Dr. Henrik von Lukowicz Imaging and Sensing Dr. Peter Kühmstedt Precision Optical Components and Systems Dr. Stefan Risse Photonic Quantum Systems Prof. Dr. Fabian Steinlechner Functional Surfaces and Coatings Dr. Sven Schröder INSTITUTE MANAGEMENT ADMINISTRATION Deputy director Prof. Dr. Jens Limpert Deputy director Prof. Dr. Uwe Detlef Zeitner Deputy director Prof. Dr. Stefan Nolte Deputy director Dr. Ramona Eberhardt Director Prof. Dr. Andreas Tünnermann Technical services

STRATEGIC PROJECTS Digital Innovation Hub Photonics Hub for start-ups Max Planck School of Photonics Graduate school QuNET Quantum secure IT infrastructure QUANTIFISENS RUBIN-Alliance Leistungszentrum Photonik Center of Excellence Fraunhofer-Zentrum Erfurt Collaborative research center AMI RUBIN-Alliance Fraunhofer CAPS Cluster of Excellence Advanced Photon Sources de:hub Digital Hub Initiative 13 Vorsitzender / Chair Dr. Michael Mertin AT&S Austria Technologie & Systemtechnik AG Mitglieder / Members Christian Amann BMW Group Peggy Bärenklau microfluidic ChipShop GmbH Dominique Bouwes New Origin Chiptech Foundry Gabi Grützner micro resist technology Dr. Markus Jung Rheinmetall Waffe Munition GmbH Dr. Holger Junge VDI Technologiezentrum GmbH Dr. Katrin Kobe Robert Bosch GmbH Prof. Dr. Andreas Marx Friedrich-Schiller-Universität Jena Jana Podßuweit Thüringer Ministerium für Bildung, Wissenschaft und Kultur Prof. Dr. Walter Rosenthal Hochschulrektorenkonferenz (HRK) Dr. Eveline Rudigier-Voigt Schott AG Prof. Dr. Christine Silberhorn Universität Paderborn Prof. Dr. Thomas Stoehlker Helmholtz-Institut Jena Dr. Joachim Stühler Carl Zeiss SMT GmbH Thomas Thöniß Qioptiq Photonics GmbH & Co. KG Dr. Stefan Traeger Jenoptik AG Dr. Dennis Weise Airbus Defence and Space Dr. Petra Wolff Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt Dr. Hagen Zimer TRUMPF GmbH + Co. KG Kuratorium / Advisory board Stand: 31.12.2025

14 Wissenschaftliche Fachabteilungen Scientific Departments Research focus Metal mirrors for EUV/VIS/NIR Telescopes and spectrometers Freeform components Additive manufacturing Surface finishing Direct bonding Systems integration Head of department Dr. Stefan Risse Scientific research groups Metal Optics Dr. Nils Heidler Surface Technologies Dr. Jan Kinast Precision Systems Dr. Stefan Risse Bonding Technologies Dr. Carolin Rothhardt Precision Optical Components and Systems Research focus Optical design Mechanical design System design Simulation and analysis Optimization Head of department Dr. Henrik von Lukowicz Scientific research group leaders Advanced Optical Design Dr. Christian Vetter 3Micro-Optical Systems Dr. Norbert Danz Opto-Mechanical Design Dr. Christian Scheffler Optical and Mechanical System Design Research focus Ultra-broadband AR and HR coatings Conformal coatings using atomic layer deposition Space-qualified coatings Metrology with light scattering and absorption Head of department Dr. Sven Schröder Scientific research groups Coating of Plastic Optics Dr. Astrid Bingel Precision Optics Dr. Stefan Schwinde Conformal Coatings Dr. Adriana Szeghalmi Surface and Coating Characterization Dr. Sven Schröder Functional Surfaces and Coatings Research focus Grayscale lithography Electron beam lithography Reactive ion etching Step & repeat replication Wafer-scale microoptical systems Head of department Dr. Falk Eilenberger Scientific research group leaders Center for Advanced Micro- and Nano-Optics Dr. Martin Rumpel Advanced Microoptical Components Dr. Robert Leitel Integrated Photonic Systems Dr. Sebastian Schmitt Dr. Reinhard Geiß Micro- and Nanostructured Optics

15 Research focus Special fibers Custom laser systems for space, telecommunication, sensing, security, and quantum application EUV, MIR, and THz Application labs Head of department Dr. Thomas Schreiber Scientific research group leaders Laser Technology Dr. Till Walbaum Fiber Technology Dr. Nicoletta Haarlammert CAPS Prof. Dr. Jens Limpert Adaptive & Active Optics Dr. Matthias Goy Laser and Fiber Technology Research focus Quantum communication technologies Quantum imaging technologies Active and adaptive optical components and systems Head of department Prof. Dr. Fabian Steinlechner Scientific research group leaders Quantum Cryptosystems Dr. Christopher Spiess Quantum Information Technology Dr. Fabian Steinlechner Quantum Imaging Dr. Valerio Flavio Gili Multi-Mode Quantum Photonics Dr. Fabian Steinlechner Terrestrial Networks Dr. Thorsten A. Goebel Satellite Networks Dr. Carlos Andres Melo Luna Photonic Quantum Systems Research focus Quantum technologies hard- and software Microassembly and packaging technologies Hybrid system integration Interlayer bonding technologies Head of department Dr. Erik Beckert Scientific research group leaders Microassembly and Inkjet Printing Dr. Falk Kemper CO2 Laser Processing and System Engineering Dr. Erik Beckert Opto-mechatronical Components and Systems Research focus 3D measurement methods Development of highspeed, real-time, in-line, and hand-held 3D measurement systems Imaging systems and their miniaturization Head of department Dr. Peter Kühmstedt Scientific research group leaders Image Processing and AI Dr. Andreas Breitbarth 3D Sensing Dr. Stefan Heist Imaging and Sensing

16 Geschäftsfelder des Fraunhofer IOF Business Areas of Fraunhofer IOF Optische Systeme Das Fraunhofer IOF verfügt über modernste Prozessketten zur Entwicklung und Realisierung optischer Komponenten sowie Systeme – vom Design über die Fertigung bis hin zur Systemintegration. Die Anwendungen decken den gesamten Spektralbereich von EUV bis THz ab. Neben der Herstellung konventioneller sphärischer und asphärischer Optiken entwickelt das Fraunhofer IOF moderne Freiformoptiken sowie adaptive Optiken bis 500 mm Durchmesser. Auf Basis hochaufgelöster lithographischer Technologien werden Mikro- und Nanostrukturen für zukünftige photonische Anwendungen realisiert. Die Technologieketten des Instituts sind hierbei hybrid kombinierbar. Besondere Schwerpunkte der Arbeiten liegen in den Bereichen der Instrumentierung für Space- und Astronomie-Systeme, des Equipments für Lithographie-Systeme, mikro- und nanooptische Komponenten sowie optische Sicherheits- und Kommunikationssysteme. Optical Systems Fraunhofer IOF has state-of-the-art process chains for the development and realization of optical components and systems—from design and manufacturing to system integration. The applications cover the entire spectral range from EUV to THz. In addition to manufacturing conventional spherical and aspherical optics, Fraunhofer IOF develops modern free-form optics and adaptive optics up to 500 mm in diameter. Micro- and nanostructures for future photonic applications are realized based on high-resolution lithographic technologies. The Institute’s technology chains can be combined in a hybrid approach. The work focuses on instrumentation for space and astronomy systems, equipment for lithography systems, micro- and nano- optical components, and optical security and communication systems. Lichtquellen und Laser Lichtquellen und Laser sind universell in ihrem Einsatz und ihrer Anwendung: In der industriellen Produktion dienen sie als hochpräzise Werkzeuge, in der Medizin als nanoskalige Sonden. Als Informationsträger fördern sie die moderne Kommunikation, während sie als Abwehr- und Vorbeugungstechnik zugleich Sicherheit und Verteidigung stärken. Basierend auf jahrelanger Expertise bietet das Fraunhofer IOF Kunden weltweit eine umfassende Kompetenz in der Entwicklung von Lichtquellen und Lasern – vom Design über die Realisierung aktiver und passiver optischer Fasern bis hin zu systemischen Schlüsselkomponenten und deren Integration in robuste Gesamtsysteme. Das Leistungsangebot des Instituts deckt die Entwicklung innovativer Lichtquellen mit Wellenlängen von Röntgen- und EUV-Bereich bis hin zum langwelligen IR- und THz-Spektrum ab, sowie Quellen mit kontinuierlicher oder gepulster Ausgangsleistung bis in den Multi-kW-Bereich. Light Sources and Lasers Light sources and lasers are universal in their use and application: In industrial production, they serve as high-precision tools, and in medicine, as nanoscale probes. As information carriers, they promote modern communication, while also strengthening security and defense as a defense and prevention technology. Based on years of expertise, Fraunhofer IOF offers customers worldwide comprehensive competence in the development of light sources and lasers—from the design and realization of active and passive optical fibers to key systemic components and their integration into robust overall systems. The Institute’s range of services covers the development of innovative light sources with wavelengths ranging from X-ray and EUV to long-wave IR and THz spectrum, as well as sources with continuous or pulsed output power up to the multi-kW range.

17 Photonische Quantentechnologie Als einer der führenden Akteure der angewandten Quantenphotonik in Europa entwickelt und erforscht das Fraunhofer IOF innovative photonische Lösungen für die Quantentechnologie. Die Arbeiten umfassen alle Anwendungsfelder der zweiten Quantenrevolution, einschließlich abhörsicherer Quantenkommunikation, rauscharmer quantenoptischer Abbildung sowie photonischer Ansätze für die Informationsverarbeitung. Ein wesentliches Alleinstellungsmerkmal des Fraunhofer IOF ist die Realisierung geschlossener quantenphotonischer Prozessketten, die Schlüsseltechnologien mit umfassender Systemkompetenz an einem Standort vereinen. Auf dieser Basis können quantenoptische Komponenten und Systeme ganzheitlich entworfen, aufgebaut, optimiert, miniaturisiert, in Anwendungsumgebungen integriert und in reale Quantenmehrwerte für Sensorik und Informationstechnik überführt werden. Die Aktivitäten umfassen die gesamte Entwicklungskette – von der physikalischen Modellierung über den experimentellen Systemaufbau bis hin zur Qualifizierung und Demonstration anwendungsspezifischer Prototypen für industrielle und institutionelle Auftraggeber. Photonic Quantum Technology As one of Europe’s leading players in applied quantum photonics, Fraunhofer IOF develops and researches innovative photonic solutions for quantum technology. Its work covers all fields of application of the second quantum revolution, including tap-proof quantum communication, low-noise quantum optical imaging, and photonic approaches to information processing. A key unique selling point of Fraunhofer IOF is the realization of closed quantum photonic process chains that combine key technologies with comprehensive system expertise at a single location. On this basis, quantum optical components and systems can be holistically designed, constructed, optimized, miniaturized, integrated into application environments, and converted into real quantum added value for sensor technology and information technology. Activities cover the entire development chain—from physical modelling and experimental system construction to the qualification and demonstration of application-specific prototypes for industrial and institutional clients. Sensorik und Metrologie Als berührungsloses Präzisionsinstrument bietet Licht in der Messtechnik, Sensorik und Analytik eine Vielzahl von Möglichkeiten. Das Fraunhofer IOF widmet sich der Entwicklung optischer und opto-elektronischer Mess- und Sensorsysteme für verschiedene Anwendungen. Dazu zählen 3D-Digitalisierung, Qualitätssicherung, Fertigungsmesstechnik, Medizin, Biotechnologie und Land- und Forstwirtschaft. Das breite Spektrum umfasst ultraschnelle und multimodale 3D Messsysteme, die auf Muster und Streifenprojektion basieren, ebenso wie ultraflache und Multi-Apertur-Kameras für die spektrale Bildgebung bis hin zu Systemen zur Oberflächen- und Schichtcharakterisierung. Darüber hinaus werden am Institut spezialisierte Anwendungen wie biophotonische Sensoren, Faser- und Unterwassersensorik entwickelt. Sensors and Metrology As a non-contact precision instrument, light offers a wide range of possibilities in metrology, sensor technology, and analytics. Fraunhofer IOF is dedicated to the development of optical and optoelectronic measurement and sensor systems for various applications. These include 3D digitization, quality assurance, production metrology, medicine, biotechnology, agriculture, and forestry. The broad spectrum includes ultra-fast and multimodal 3D measurement systems based on pattern and fringe projection, ultra-flat and multi-aperture cameras for spectral imaging, and systems for surface and layer characterization. In addition, the Institute develops specialized applications such as biophotonic sensors, fiber sensor technology, and underwater sensor technology.

Wissenschaftliche Highlights Scientific Highlights

20 Spektrometergitter für ESAKlimamission Sentinel-4 Im Sommer 2025 startete die Europäische Weltraumorganisation ESA den Satelliten MTG-S1 aus der dritten Generation der Meteosat-Serie. Der geostationäre Satellit wird die Genauigkeit der Wettervorhersagen für Europa erheblich verbessern. MTG-S1 führt mehrere wissenschaftliche Instrumente mit, darunter das Copernicus Sentinel-4 Spektrometer. Dieses Instrument erfasst stündlich detaillierte Daten über die dreidimensionale Verteilung von Spurengasen wie Ozon, Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid sowie Aerosole in der Atmosphäre Europas. Ein wesentlicher Bestandteil dieses Spektrometers, das hochpräzise Reflexionsgitter, wurde vom Fraunhofer IOF entwickelt und gefertigt. »Die verwendete Technologie basiert ursprünglich auf Gittern zur Kompression ultrakurzer Laserpulse«, erklärt Dr. Falk Eilenberger, Leiter der Abteilung Mikro- und Nanostrukturierte Optik am Fraunhofer IOF. »Unser Ziel war es, extrem robuste Gitter mit höchster Reflektivität und gleichzeitig hoher Winkeldispersion sowie geringer Polarisationsabhängigkeit zu entwickeln.« Die Herstellung solcher Präzisionsgitter erfolgt in mehreren hochpräzisen Schritten. Zunächst werden verschiedene dielektrische Schichten auf einem Substrat aufgebracht, wobei die oberste Schicht aus Siliziumdioxid (SiO2) besteht. Danach wird mit Elektronenstrahl-Lithografie und reaktivem Ionenätzen die gewünschte Nanostruktur erzeugt. Anschließend erfolgt eine lithografische Beschichtung mit schwarzem Chrom für die Apertur, bevor das Bauteil in seine sechseckige Form geschnitten und auf wenige Mikrometer genau montiert wird. In summer 2025, the European Space Agency ESA launched the MTG-S1 satellite from the third generation of the Meteosat series. The geostationary satellite will significantly improve the accuracy of weather forecasts for Europe. MTG-S1 carries several scientific instruments, including the Copernicus Sentinel-4 spectrometer. This instrument collects detailed data hourly on the three-dimensional distribution of trace gases such as ozone, nitrogen dioxide, and sulfur dioxide as well as aerosols in Europe’s atmosphere. A key component of this spectrometer, the high-precision reflection grating, was developed and manufactured by Fraunhofer IOF. “The technology used was originally based on gratings for compressing ultrashort laser pulses,” explains Dr. Falk Eilenberger, head of the Micro- and Nanostructured Optics department at Fraunhofer IOF. “Our aim was to develop extremely robust gratings with maximum reflectivity and simultaneously high angular dispersion as well as low polarization dependence.” Such gratings are produced in several high-precision steps. First, various dielectric layers are deposited to a substrate. The top layer consists of silicon dioxide (SiO2). The desired nanostructure is then created using electron beam lithography and reactive ion etching. This is followed by lithographic coating with black chromium for the aperture. The component is then cut into its hexagonal shape and assembled with an accuracy of a few micrometers. Spectrometer grating for ESA’s Sentinel-4 climate mission [1] Das nanostrukturierte Gitter für das Copernicus Sentinel-4 Instrument der ESA ist mikrometergenau montiert. / The nanostructured grating for ESA’s Copernicus Sentinel-4 instrument is mounted with micrometer precision.

21 Die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IOF verfügen über jahrzehntelange Erfahrung und ein umfangreiches Portfolio an weltraumzertifizierten Technologien. Für die für 2027 geplante ESA-Mission FORUM entwickelte das Institut beispielsweise einen Strahlteiler aus Diamant mit spezieller entspiegelnder Nanostruktur. Für die CO2M-Mission, ebenfalls eine ESA-Initiative, liefert das Fraunhofer IOF komplexe Spektrometeroptiken, jeweils bestehend aus einem Gitter und zwei Prismen. Diese Komponenten wurden über plasmaaktivierte Oberflächen ohne Zwischenschicht gefügt. »Die vielfache Beteiligung des Fraunhofer IOF an verschiedenen Space-Missionen zeugt vom fortlaufenden Aufbau entsprechenden Know-hows. Einige der eingesetzten Verfahren wurden gezielt für spezielle Missionen entwickelt und qualifiziert. Dabei zeichnet uns aus, dass vom Design über die Fertigung bis hin zur Systemintegration alle erforderlichen Prozessschritte direkt hier vor Ort am Fraunhofer IOF umsetzbar sind«, so Eilenberger. Die Arbeiten für Sentinel-4 am Fraunhofer IOF erfolgten in Kooperation mit Airbus Defense and Space und der JenaOptronik GmbH. The researchers at Fraunhofer IOF have decades of experience and an extensive portfolio of space-certified technologies. For example, for the ESA FORUM mission planned for 2027, the institute developed a diamond beam splitter with a special anti-reflective nanostructure. For the CO2M mission, which is also an ESA initiative, Fraunhofer IOF is supplying complex spectrometer optics. Each consists of a grating and two prisms. These components were joined by direct bonding using plasma-activated surfaces. “Fraunhofer IOF’s multiple involvement in various space missions is evidence of the ongoing development of corresponding expertise. Some of the processes used were developed and qualified specifically for special missions. What sets us apart is that all the necessary process steps, from design and production through to system integration, can be implemented directly here on site at Fraunhofer IOF,” says Eilenberger. The work on Sentinel-4 at Fraunhofer IOF was carried out in cooperation with Airbus Defense and Space and Jena-Optronik GmbH. Spektrometergitter für ESA-Klimamission Sentinel-4 Spectrometer grating for ESA’s Sentinel-4 climate mission [2] Unter dem Rasterelektronenmikroskop erkennt man die besondere Nanostruktur des NIR-Gitters für das Sentinel-4 Instrument. / The special nanostructure of the NIR grating for the Sentinel-4 instrument can be seen under the scanning electron microscope. Authors Dr. Falk Eilenberger Prof. Dr. Uwe Detlef Zeitner Tino Benkenstein Andreas Kamm Contact Dr. Falk Eilenberger Phone +49 3641 807-274 falk.eilenberger@ iof.fraunhofer.de Pt (for FIB-cut preparation) Disclaimer / Haftungsausschluss This article was carried out under a programme of and funded by the European Space Agency. The views expressed herein can in no way be taken to reflect the official opinion of the European Space Agency. co-funded with

22 UVNS-Spektrometer zur Überwachung der globalen Luftqualität Mit Sentinel-5 setzt die Europäische Weltraumorganisation ESA ihr Copernicus-Programm zur Klimaforschung fort. Nach dem Start von Sentinel-4 im Juli startete die Sentinel-5-Mission im August ebenfalls erfolgreich. Mit an Bord sind auch hier wieder mehrere optische Baugruppen des Fraunhofer IOF. Sentinel-5 ist ein UVNS-Spektrometer (»Ultraviolet Visible Nearinfrared Shortwave«). Aus dem All überwacht es global die Luftqualität, Spurengase und Aerosole. Mit einer räumlichen Auflösung von bis zu 7 × 7 km² können Klimaforschende dadurch Emissionsquellen deutlich präziser identifizieren und analysieren als mit bisherigen Satellitenmissionen. Sentinel-5 analysiert das von der Erde reflektierte Licht in vier Spektralkanälen. Für den Kanal im nahen Infrarot (685–710 nm) steuerte das Fraunhofer IOF gleich mehrere optische Baugruppen bei. Über ein Eingangsteleskop wird das Licht zunächst eingefangen und über eine Kollimationslinse und Umlenkspiegel ins Innere des Instruments geleitet. Gefasst werden diese Optiken von isostatischen Halterungen aus Titan, die am Fraunhofer IOF entwickelt und gefertigt wurden. Die Halterung darf die bei Integration und Betrieb im All entstehenden mechanischen Spannungen nicht auf die Optik übertragen, weil sonst Wellenfrontdeformationen auftreten und die Abbildungsqualität leidet. Um das zu verhindern, wurden ein zweistufiges Justier- und Klebeverfahren sowie spezielle Festkörpergelenke entwickelt. With Sentinel-5, the European Space Agency (ESA) is continuing its Copernicus program for climate research. Following the launch of Sentinel-4 in July, the Sentinel-5 mission was then successfully launched in August. Several optical components and systems from Fraunhofer IOF are again on board. The Sentinel-5 instrument is a UVNS (‘Ultraviolet Visible Near-infrared Shortwave’) spectrometer. From space, Sentinel-5 will monitor global air quality, trace gases, and aerosols. With a spatial resolution of up to 7 × 7 km², climate researchers will be able to identify and analyze emission sources much more precisely than with previous satellite missions. Sentinel-5 analyzes the light reflected from Earth in four spectral channels. Fraunhofer IOF contributed several optical systems for the near-infrared channel (685–710 nm). The light is first captured by an entrance telescope and then directed into the interior of the instrument via a collimating lens and deflection mirror. These optics are held in place by isostatic mounts made of titanium, which were developed and manufactured at Fraunhofer IOF. The mount must not transfer the mechanical stresses arising during integration and operation in space to the optics, as this would cause wavefront deformation and impair the image quality. To prevent this, a two-stage adjustment and gluing process and special solid-state joints were developed. These mechanically decouple the optics from UVNS spectrometer for monitoring global air quality [1] Visualisierung des EUMETSAT-Satelliten Metop-SG A. Für das Instrument Sentinel-5 hat das Fraunhofer IOF mehrere optische Baugruppen beigesteuert. / Visualization of the EUMETSAT satellite Metop-SG A. Fraunhofer IOF contributed several optical components and systems for the Sentinel-5 instrument. © ESA / ATG medialab / Fraunhofer IOF

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