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Graphen als neues Material für nichtlineare photonische integrierte Schaltkreise

Die Entwicklung von spektralen On-Chip-Breitbandlichtquellen hat die Optik und Photonik bereits enorm vorangebracht. Dennoch sind weitere Innovationen nötig, um sie in Forschung und Technik auf breiter Basis einzusetzen.
Graphen als neues Material für nichtlineare photonische integrierte Schaltkreise
Die Entwicklung eines photonischen Chips, der Breitbandlicht im MIR-Bereich (Mittel-Infrarot) erzeugt und hierfür mit einem kleinen mobilen MIR-Laser gepumpt wird, soll nun Anwendungen von der nicht-invasiven Diagnostik bis hin zu optischen Tests von Wasserproben voranbringen. Allerdings werden bislang für die Erzeugung von MIR-Breitbandlicht auf Chips Pumplaser benötigt, die noch sehr groß und daher für die flächendeckende Einführung ungeeignet sind.

Das EU-finanzierte Projekt GRAPHENICS (Graphene-enabled on-chip supercontinuum light sources) demonstrierte die spektrale Erweiterung von MIR-Licht in graphenbeschichteten Silizium-Photonen-Wellenleitern, die von einem kleinen, selbst entwickelten Faserlaser gepumpt werden und eine MIR-Emissionswellenlänge von mehr als 2 Mikrometern haben. Die bahnbrechende Innovation ist der Grundstein für nichtlineare photonische integrierte graphenbeschichtete Schaltkreise auf Silizium-Chips und macht den Einsatz von MIR-On-Chip-Superkontinuum-Lichtquellen in realen Anwendungen greifbar.

Pumpenlaser und Graphen-beschichtete Chips in Kombination

Die breitbandige spektrale Lichterzeugung (Superkontinuum-Erzeugung) beruht auf nichtlinearen optischen Phänomenen wie der Selbstphasenmodulation (SPM). Eines der wichtigsten Eigenschaften von SPM ist, dass sie bei der Lichtwelle die Materialeigenschaften der Medien verändert, in denen sie transportiert wird. Diese Veränderung findet bei vielen Materialien statt, besonders stark aber in dem zweidimensionalen Graphen, sofern es richtig genutzt wird.

Die MIR-Spektralerweiterung gelang dem Forscherteam von GRAPHENICS mittels SPM bei einem graphenbeschichteten photonischen Silizium-Chip, wobei das Pumplicht für den SPM-Prozess von einem neuartigen, kleinformatigen gepulsten MIR-Faserlaser stammt.

Um den Forschungsansatz zu erklären, rekapituliert Projektkoordinatorin Prof. Nathalie Vermeulen: "Bei jedem Schritt im F&E-Zyklus der Chips haben wir grundlegende Berechnungen der Nichtlinearität für isoliertes Graphen durchgeführt und zudem graphenbeschichtete Wellenleiter konzipiert und entwickelt. Die Fertigung beinhaltete Graphenwachstum, Abscheidung, Strukturierung und Dotierung direkt auf den photonischen Wellenleitern. In den Proof-of-Concept-Experimenten testeten wir die linearen und nichtlinearen Eigenschaften der Systeme und entwickelten parallel dazu auch den kompakten MIR-Faserpumpenlaser."

"Eine völlig neue Erkenntnis war, dass im Gegensatz zur gängigen Vorstellung die optische Nichtlinearität dritter Ordnung, auf der der SPM-Prozess basiert, eher ein negatives statt ein positives Vorzeichen trägt", wie Prof. Vermeulen erklärt. "Normalerweise hat die Nichtlinearität dritter Ordnung bei Materialien, die für die Herstellung nichtlinearer optischer Geräte verwendet werden, ein positives Vorzeichen. Diese Nichtlinearität könnte durch Materialien mit höherer Nichtlinearität dritter Ordnung und positivem Vorzeichen verbessert werden. Wir vermuteten, dass Graphen diese Bedingungen erfüllen würde, haben aber dann festgestellt, dass die Nichtlinearität negativ ist." Diese Erkenntnis zeigt die Schwächen, aber auch Chancen auf, die das Material für die Produktion nichtlinearer photonischer Chips bietet. Aus praktischer Sicht war die Voraussetzung dafür, dass die Gesamtleistung der Geräte erhöht statt reduziert wird, die genaue Positionierung und Oberfläche der Graphenbeschichtung.

"High-Gain/High-Risk"-Projekt mit praktischen Anwendungen

Prof. Vermeulen zufolge sind sowohl der Graphen-beschichtete Photonenchip als auch der im Projekt entwickelte kompakte MIR-Faserlaser für verschiedene Anwendungen interessant. Sie fasst zusammen: "Als Pumpquelle für die Erzeugung eines MIR-Superkontinuums könnte der Faserlaser für die optische Rundumüberwachung der Glukosewerte bei Diabetikern eingesetzt werden. Zudem bietet das autonome Gerät andere interessante Möglichkeiten, etwa die hochempfindliche Erkennung spezifischer Treibhausgase."

Als FET-Projekt (Future and Emerging Technologies), das von Nachwuchsforschern durchgeführt wurde, trug GRAPHENICS nicht nur zur Grundlagen- und interdisziplinären Forschung mit hoher gesellschaftlicher Relevanz bei, sondern vermittelte auch die Wissensbasis für künftige europäische Wissenschafts- und Technologievorreiter.

Die Arbeit von GRAPHENICS wird mit der systematischen Forschung zu Graphen und anderen Wellenleitern weitergeführt. Das Team befasste sich schließlich auch mit der kommerziellen Nutzung seiner innovativen MIR-Faserlaser.

Fachgebiete

Information and Media

Schlüsselwörter

GRAPHENICS, on-Chip, Breitband-Lichtquelle, Mittel-Infrarot, Optik, Photonik, Graphen-beschichtetes Silizium, Graphen, Wellenleiter, Superkontinuum, Nichtlinearität
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