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Eine molekulare „Fingerabdruck“-Technologie, die auf eine Fingerspitze passt

Tischgeräte für die Spektrometrie im mittleren Infrarotbereich sind in Laboren allgegenwärtig, um Materialstrukturen in der Biologie, Chemie und Physik zu untersuchen. EU-finanzierte Forschung ebnet einem kompakten, tragbaren und kosteneffektiven System den Weg, das im Feld eingesetzt werden kann und potenziell für Anwendungen von der Umweltüberwachung über die Lebensmittelsicherheit bis hin zur medizinischen Frühdiagnose geeignet ist.

Grundlagenforschung
Gesundheit

Die Technologie zur Photonik-Integration in Siliziumchips hat erhebliche Fortschritte gemacht, vielleicht sogar die größten überhaupt in der Telekommunikations- und IT-Branche. Das vom Europäischen Forschungsrat finanzierte Projekt INsPIRE verwandte die Technologie auf eine völlig neue Weise, indem Komponenten für das mittlere Infrarotspektrum auf einem einzelnen Chip integriert wurden, sodass Moleküle wie Krankheitserreger in der Luft, in Lebensmitteln und in medizinischen Proben effizient und unterwegs identifiziert werden können.

Eine einzigartige Zusammenstellung integrierter optischer Breitbandfunktionen

Spektroskopische Methoden nutzen die Absorption und Reflexion von Licht durch Materie aus, wobei bestimmte spektrale Muster erkannt werden, die Auskunft darüber geben, welche Materialien vorhanden sind, da sie charakteristische Spektren aufweisen. Der mittlere Infrarotwellenlängenbereich enthält die sogenannte Fingerprint-Region (um 2,5-10 µm), die mit der Streckung, Schwingung und Rotation von Molekülen in Zusammenhang steht. Das spektrale Emissionsmuster, beziehungsweise der „molekulare Fingerabdruck“, ist für jedes spezifische Molekül verschieden, daher kann Spektroskopie im mittleren Infrarotbereich sehr genau bestimmen, welche Moleküle in Proben vorhanden sind. INsPIRE schickte sich an, eine neue integrierte Photonikplattform mit germaniumreichem Silizium zur Erkennung molekularer Fingerabdrücke zu entwickeln. Die Hauptforscherin Delphine Marris-Morini erklärt: „Wir nutzen die Vorteile der siliziumbasierten Photoniktechnologie aus, darunter ihre Ausgereiftheit, Fähigkeit zur Massenproduktion und starkem Lichteinschluss. Außerdem nutzen wir das weite Transparenzfenster Germaniums von bis zu 15 µm aus. Zum Vergleich: Siliziumoxid ist bis zu 3,8 µm transparent und Silizium bis zu 8 µm.“ Dieses weite Transparenzfenster bedeutet, dass die verwendeten optischen Materialien im relevanten Bereich kein Licht absorbieren und reflektieren, sodass sie dessen Ausbreitung nicht behindern. Das einteilige Design dieser integrierten Photoniktechnologie senkt den Platzbedarf und führt zu einem Fingerprinting-System auf einem Chip, der auf eine Fingerspitze passt.

INsPIRE hat den Dreh raus

INsPIRE wertete die optischen Eigenschaften der geplanten Plattform aus und entwickelte einen neuen Satz optischer Funktionen. Marris-Morini erinnert sich an, wie sie Neuland betraten: „Uns wurde klar, dass die Ausrüstung, die wir zur Erprobung unserer Geräte für den mittleren Infrarotbereich benötigten, wesentlich weniger entwickelt war als für Nahinfrarotwellenlängen, da dort Telekommunikationsanwendungen Innovationen beflügelt haben. Wir mussten unseren eigenen Breitband-Polarisationsdreher bauen und kauften oft Prototypen oder Geräte, die gerade erst auf den Markt gekommen waren.“ Letztendlich hat das Team tatsächlich die Welt der Infrarotspektroskopie im mittleren Wellenlängenbereich verändert, eine Entwicklung, die zu den weltweit ersten Resonanzstrukturen, die im Wellenlängenbereich von 8 µm arbeiten, führte: integrierte Fabry-Perot-Resonatoren für den mittleren Infrarotbereich auf Basis von Bragg-Gittern, integrierte Breitband-Rennbahnringresonatoren und ein hochauflösendes Breitband-Silizium-Germanium-Fourier-Transformations-Spektrometer für den mittleren Infrarotbereich. Obwohl zu Anfang des Projekts nicht geplant war, optische Modulatoren für den mittleren Infrarotbereich zu entwickeln, erreichte das Team einen weiteren Rekord durch die erste optische Modulation in einem photonischen Schaltkreis des mittleren Infrarotbereichs, der im Wellenlängenbereich von 5,5-11 µm arbeitet.

Weitläufige Anwendungsbereiche der integrierten Photonik im mittleren Infrarotbereich

Marris-Morini fasst zusammen: „Indem wir an die Grenzen des Machbaren gingen, konnten wir hochauflösende On-Chip-Spektrometer für den mittleren Infrarotbereich, die in einem äußerst breiten Frequenzband (im Prinzip zwischen 1,5-15 µm) arbeiten, in einem Schaltkreis bauen, der eine Fläche von weniger als 1 Quadratzentimeter hat.“ Die Technologie ebnet tragbaren und kostengünstigen Sensoren den Weg, die für Anwendungen in der Echtzeit-Umweltüberwachung von Schadstoffen, der Lebensmittelsicherheit und medizinischen Frühdiagnose geeignet sind.

Schlüsselbegriffe

INsPIRE, mittlerer Infrarotbereich, Photonik, Wellenlänge, Molekül, optisch, molekular, Spektrometer, Silizium, Fingerabdruck, spektral, Spektroskopie, Plattform, Resonator, Infrarot, einteilige Integration, Germanium, System auf einem Chip, Wellenleiter, Brechungsindex

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