Neue Klasse von Infrarot-Lasern

In der Nanophotonik ist es Forschern erstmals gelungen, einen Laser mit organischem Verstärkungs­medium auf einem Silizium-Photonik-Chip zu integrieren. Dieser Ansatz eröffnet ein enormes Potenzial für kosten­günstige Biosensoren, die sich wie heutige Blutzucker-Mess­streifen einmalig und ohne Sterilisations­aufwand in der patientennahen Diagnostik verwenden ließen.

„Dies ist das erste Mal, dass organische Laser auf einem Silizium-Photonik-Chip realisiert wurden“, berichtet Christian Koos, der am Institut für Photonik und Quanten­elektronik (IPQ) und am Institut für Mikro­struktur­technik (IMT) des KIT forscht. „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 es 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 1 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 (Point-of-care-Diagnostik).

KIT / DE