Laserquelle für nanophotonische Biosensoren

Einen Laser mit organischem Verstärkungsmedium auf einem Silizium-Photonik-Chip zu integrieren – dieses nanophotonische Kunststück ist erstmals einem Forscherteam aus Deutschland und Belgien gelungen. Das erfolgreiche Experiment eröffnet ein enormes Potenzial für kostengünstige Biosensoren, die wie heutige Blutzucker-Messstreifen einmalig und ohne Sterilisationsaufwand in der patientennahen Diagnostik verwendet werden könnten. „Es ist das erste Mal, dass organische Laser auf einem Silizium-Photonik-Chip realisiert wurden“, sagt Christian Koos vom Karlsruher Institut für Technologie. „Der Hauptvorteil der Laser besteht darin, dass sie sich in großen Stückzahlen kostengünstig herstellen lassen. Langfristig ist eine Fertigung zum Preis von einigen Cent pro Laser denkbar.“

Eine der wesentlichen Herausforderungen bei der Realisierung optischer Mikrochips besteht darin, eine Vielzahl verschiedener Bauteile kostengünstig auf einem gemeinsamen Substrat zu integrieren. Seit einigen Jahren ist es möglich, optische Bauelemente aus Silizium herzustellen. Diese Silizium-Photonik greift auf hochentwickelte nanotechnologische Fertigungsprozesse der Mikroelektronik zurück und ermöglicht damit, leistungsfähige photonische Bauteile in großen Stückzahlen und zu günstigen Kosten herzustellen. Solche Bauteile, deren Größe nur noch Bruchteile von Mikrometern betragen, können nicht nur dazu beitragen, die Informationstechnik energieeffizienter zu machen, sondern eignen sich auch sehr gut für kompakte Biosensoren.

Lichtquellen auf dem Chip zu realisieren war bisher ein ungelöstes Problem, da sich der Halbleiter Silizium aufgrund seiner elektronischen Struktur kaum als Lichtemitter eignet – beim Übergang von Elektronen zwischen energetisch unterschiedlichen Zuständen wird die freiwerdende Energie bevorzugt als Wärme und nicht als Licht abgegeben. Forscher des KIT haben nun eine neuartige Klasse von Lasern im Infrarotbereich entwickelt. Sie kombinieren dazu Silizium-Nanowellenleiter mit einem Polymer, dem ein organischer Farbstoff beigemischt ist. Die Energie zum Betrieb dieses organischen Lasers wird von oben, senkrecht zur Chip-Fläche, mit einer gepulsten Licht­quelle zugeführt. Das entstehende Laserlicht wird direkt in einen Silizium-Nanowellenleiter eingekoppelt. Es gelang den Forschern, gepulste Laser­strahlung mit einer Wellenlänge von 1310 Nanometern und einer Spitzen­leistung von mehr als einem Watt auf einem Chip zu erzeugen. Durch den Einsatz verschiedener Farbstoffe und Laser-Resonatoren lässt sich die Wellenlänge der Laserstrahlung über einen breiten Bereich variieren.

Die Bauteile könnten unter anderem Biosensoren mit einer Vielzahl inte­grierter Laserlichtquellen ermöglichen, deren Wellenlänge auf den speziellen Anwendungsfall angepasst ist. Solche Chips enthalten Sensoren, die medi­zinisch relevante Substanzen messen. Um Kontaminationen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, diese Chips möglichst kostengünstig herzustellen und nur einmal zu verwenden. Das ermöglicht den Einsatz direkt am Patienten oder in Arztpraxen.

KIT / RK