OPTISCHE MIKROSYSTEME

"Es ist nicht genug zu wissen, man muss auch anwenden; es ist nicht genug zu wollen, man muss auch tun."
                                                                                         Johann Wolfgang von Goethe

Optische Mikrosysteme bilden einen durchgehenden Schwerpunkt der Forschungstätigkeit. Angefangen von Wellenleiter-Systemen für die Sensorik und die Optische Kommunikationstechnik bis hin zu Emittern und Absorbern für die langwellige Infrarot-Technik. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf dielektrischen Wellenleitern, entweder auf Basis von (dotiertem) SiO2 oder im Infraroten auf Basis von Silicium, das über einen extrem weiten Bereich oberhalb der Bandlücke hochgradig transparent ist (minimaler Absorptionskoeffizient) und eine hohe, aber konstante Brechzahl um 3,5 aufweist.

Durch geeignete Ätzung kann die Silicium-Oberfläche so aufgeraut werden, dass eine Art Mottenaugeneffekt den Brechzahlübergang reflexionsarm gestaltet. Dieses Thema wird im BMBF-Projekt PaSiC „Silicium-Keramik-Hybridsubstrat als Integrationsplattform für photoakustische und optische Anwendungen“ (Projektstart: Oktober 2020) in Kooperation mit der Fa. Infineon erforscht. Durch eine zusätzliche geeignete Beschichtung mit Metallen können die gleichen Oberflächen jedoch auch zu nahezu idealen Absorbern bzw. Emittern für IR-Strahlung verwandelt werden.

Im Bereich der Optischen Kommunikationstechnik wurden bereits sehr unterschiedliche Konzepte für optische Schalter erforscht, die entweder auf dem mechanischen Bewegen von Wellenleitern beruhen oder die die Beeinflussung des effektiven Brechungsindex eines Wellenleiters in einer adiabatischen Verzweigung nutzen. Die Änderung der Brechzahl kann dabei entweder thermooptisch (EU-Projekt COBNET, durchgeführt an der Universität Dortmund) oder durch dielektrisches Schalten flüssiger Mantel-Medien (EU-Projekt SWIFT, durchgeführt an der TU Ilmenau) erfolgen. Für diese Anwendung sind insbesondere Wellenleiter mit einem ausgeprägten evaneszenten Feld entwickelt worden.

Aktuell werden Wellenleiter auf Basis photonischer Kristalle im Rahmen des MARIE Teilprojekts C12 als Tags für die Ortung realisiert. Die von der TU Darmstadt (Teilprojekt C09) entworfenen schmalbandig hochresonanten Wellenleiter-Abschnitte mit Modenkonvertern werden dazu in hochresistivem Silicium gefertigt und weisen eine sehr hohe Güte auf. Für die zweite Phase von MARIE ist der Einsatz von Si-basierten Wellenleitern – allerdings in einer sehr breitbandigen Auslegung z.B. als dielektrischer Schlitz-Wellenleiter für THz-Strahlung vorgesehen. Hierzu können die Parameter aus dem nahen und mittleren IR-Bereich auf die größeren Wellenlängen im THz-Bereich hochskaliert werden, da die Si-Eigenschaften praktisch konstant bleiben; es ändert sich „nur“ die Wellenlänge.