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Programmable multi-wavelength Mid-IR source for gas sensing

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Kostengünstige miniaturisierte Sensoren „sehen“ Spurengase

Ein EU-finanziertes Projekt entwickelte neuartige Komponenten für miniaturisierte Sensoren zur Detektion schädlicher Gase und bietet damit eine kostengünstige, praktischere Alternative zu herkömmlichen Technologien, die im infraroten Lichtspektrum arbeiten. Diese revolutionäre Technologie könnte Sicherheit für den industriellen, zivilen und militärischen Bereich erschwinglich machen.

Industrielle Technologien

Infrarot-Gassensoren sind die Spitzentechnologie zur Detektion schädlicher oder explosiver Gase. Derzeit verfügbare Geräte sind jedoch entweder kompliziert, kostspielig oder schwer. Darüber hinaus sind sie durch ihre geringe Empfindlichkeit begrenzt und erfordern große Mengen an Gasproben. Das EU-finanzierte Projekt MIREGAS, das von einem Konsortium aus europäischen Forschungszentren und Industriepartnern geleitet wird, hat bahnbrechende Komponenten eingeführt, die für die Multigasanalyse integriert werden können. Im Vergleich zu herkömmlichen Infrarot-Gassensortechnologien bieten die neuen Komponenten eine höhere Genauigkeit zu einem niedrigeren Preis – die Wellenlängen des Lichts können präziser gefiltert und störende Gaskomponenten ausgeschlossen werden. Der Infrarot-Wellenlängenbereich hilft, die „molekularen Fingerabdrücke“ vieler Spurengase zu erkennen. Schnelle und kostengünstige Multisensorik Das Projektkonsortium entwickelte ein Gerät, das anstatt mehrerer Laser nur eine einzige Lichtquelle für die Multigasanalyse benötigt. Die Lichtquelle verwendet eine Technologie, die ursprünglich für optische Kommunikationsanwendungen entwickelt wurde, wodurch die Messkosten im Vergleich zu herkömmlichen Spektroskopiemessungen minimiert werden. Das Gerät von MIREGAS kann mit einem abstimmbaren und umschaltbaren optischen Mehrkanalfilter mehrere Messungen durchführen und einzelne Gase aus einem Emissionsgemisch entnehmen. Dazu gehören Methan, Ethan, Butan, Propan, Kohlendioxid und Wasser. Es hat das Potenzial, zahlreiche Gase gleichzeitig zu erfassen, was sich in industriellen Prozessen und Anwendungen für die Umweltüberwachung als nützlich erweisen könnte. Projekterfolge MIREGAS schließt eine Marktlücke, da erschwingliche leistungsstarke Infrarotquellen nicht verfügbar sind. Der winzige und kostengünstige Gassensor von MIREGAS vereint mehrere bahnbrechende Komponenten, die bedeutende Vorteile hinsichtlich Kosten, Produktionsvolumen und Zuverlässigkeit mit sich bringen. Beispiele dafür sind eine neuartige Superlumineszenzdiode (SLED), ein Spektralfilter mit integrierten photonischen Silizium-Schaltungen, geformte Infrarot-Strahler sowie Montage- und Verpackungstechnologien für die Großserienfertigung. Die Projektmitglieder demonstrierten eine Breitband-SLED in Monomode-Ausführung, die bei 2,65 μm emittierte und eine Ausgangsleistung von nahezu 0,5 mW mit einem 300 nm breiten Spektrum erreichte. Um einen kollimierten Strahl ausgehend von der SLED zu formen, entwickelten sie eine neue Art Schwermetalloxidglas mit niedrigem Sauerstoffgehalt, das Strahlung im mittleren Infrarotbereich überträgt und in einem Glasformverfahren, dem Heißprägen, gefertigt wird. Außerdem wurden geformte Glaslinsen experimentell hergestellt, die in eine TO-CAN-Architektur integriert werden können. Die neu entwickelte, verlustarme integrierte photonische Schaltung zeichnet sich durch zwei einzigartige Merkmale aus: zusätzlich zu den herkömmlichen optischen Kommunikationswellenlängen bei 1 550 nm ist sie für Wellenlängen im mittleren Infrarotbereich anwendbar; und sie ermöglicht die Integration von aktiven Geräten wie Laserdioden oder Photodetektoren direkt auf dem Chip. Beim Verpacken und Montieren des winzigen Sensors wurde die SLED, die als Flip-Chip auf die integrierte photonische Silizium-Schaltung montiert wurde, im Submikronbereich ausgerichtet. Auf dem Weg in eine glänzende Zukunft Die bahnbrechenden Technologien von MIREGAS werden es den Projektpartnern ermöglichen, ein neues Maß an Selektivität und Genauigkeit bei Multigas-Messungen zu wettbewerbsfähigen Preisen zu erreichen. „Die Möglichkeit, die spektrale Ausgangsleistung an jeden gewünschten Satz Absorptionslinien mit einer beliebigen Bandbreite unter 3 500 nm anzupassen, ist der Hauptvorteil unserer Lichtquelle im Vergleich zu der einzelnen schmalen Linie eines abstimmbaren Lasers. Kostengünstige Lichtquellen mit mehreren Wellenlängen werden entscheidend zur weiteren Verbreitung von Infrarot-Gassensoren beitragen“, erklärt Projektkoordinator Dr. Pentti Karioja. „Unsere neuartige Lichtquelle, die Silizium-Photonik und Infrarot-Gassensorik kombiniert, ist nicht nur für die Gassensorik von Vorteil, sondern auch für alle Arten von Sensoren zum Einsatz im mittleren Infrarotbereich, die Prozessanalysetechnik, die Umwelt- und Lebensmittelsicherheit sowie Sicherheitsanwendungen“, erklärt Pentti. Dies sollte neue Geschäftsmöglichkeiten eröffnen und ihre technologische Position bei der Bereitstellung von Gasmessungen für anspruchsvolle Anwendungen stärken.

Schlüsselbegriffe

MIREGAS, Infrarot-Gassensor, Superlumineszenzdiode (SLED), integrierte photonische Schaltung, mittleres Infrarot, Multigas, Silizium-Photonik, Formglas

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