Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
Optische Mikroresonatoren sind als sehr attraktive Sensorik-Strukturen in diversen Feldern der Bioanalytik, Gasdetektion und Trägheitsmessung (Gyroskopen) bekannt, werden aber seit kurzem auch in anderen Bereichen wie der Quantenmetrologie und Quantenkommunikation eingesetzt. Sie zeichnen sich durch einzigartige Eigenschaften aus wie hohe Empfindlichkeiten, geringe räumliche Abmessungen, Multiplexen sowie markierungsfreie Detektion bei einem niedrigen Energiebedarf und guten Integrerierungsmöglichkei-ten. Im Hinblick auf die Sensorik können die optischen Flüstergalerie-Moden (WGMs) auf der Oberfläche dieser Resonatoren stark mit dem externen Medium wechselwirken.Somit führen kleine Veränderungen des externen Mediums und folglich des Brechungsindexes zu einer spektralen Verschiebung der WGM. Diese spektrale Verschiebung kann zum Beispiel dazu verwendet werden, das Vorhandensein spezifischer Biomoleküle zu bestimmen.
Verschiedene Materialien und 3D-Konfigurationen, wie Kugeln, Scheiben, Tori, Kapillare und Flaschen, werden bei der Herstellung optischer Resonatoren genutzt. Solche 3D-Anordnungen benötigen ein exter-nes, Licht einkoppelndes Element, wie bspw. Fasertaper, Faserspitzen oder integrierte Wellenleiter zum Auslesen der WGMs. Insbesondere Glasflaschen und –kugeln, hergestellt mit Schmelztechniken, lassen sehr glatte Oberflächen (hohe Gütefaktoren) zu.
Das Ziel vom Fraunhofer IZM ist es, eine Integrierungsstrategie für 3D-Resonatoren - insbesondere für Fla-schen, Kugeln und Tori - zu entwickeln. Mittels zuverlässiger, robuster, kostengünstiger Verpackung der 3D-Resonatoren können miniaturisierte, hoch empfindliche, optische Sensoren realisiert und ein Anlass für Bauelemente der nächsten Generation gegeben werden.
Ein potenzieller Ansatz ist die halbautomatische Integration von Resonatoren durch integrierte Photonik-schaltungen (PICs), die kürzlich erforscht wurden. Die integrierten Wellenleiter von PICs können Licht ef-fektiv in ein Array von Resonatoren mit einem Q-Faktor von bis zu 105 einkoppeln. Sie können nun die typischen Fasertaper ersetzen, die in aktuellen Sensorexperimenten genutzt werden.
Die hybride Verpackungslösung des Wellenleiter-Resonator-Systems bietet Vorteile in Bezug auf Automati-sierung, Skalierbarkeit und hohe Kompatibilität mit der Mikrofluidik. Hochpräzise Ausrichtungs- und Kleb-stoffdosiertechniken sind für die Integration der Resonatoren unerlässlich. Zur Realisierung von optofluidi-schen Kartuschen auf der Basis von 3D-Resonatoren kann eine Bonding-Methode durch laser-strukturierten Klebefolien vorgeschlagen werden.
Mit verpackten Resonatoren können weitere Anwendungen im Feld der telecom, datacom und Lasertech-nologie durchgeführt werden. Dieser Arbeit wurden unterstützt von BMBF VDI, Projekt „PoC-BoSens“ mit einer Zuwendungsvereinba-rungs-Nummer von FKZ 13N14724.