Forscher verwandeln winzige photonische Chips in funktionsfähige Temperatursensoren

Ähnlich wie in der Elektronik können photonische Schaltkreise auf Chips miniaturisiert werden, was zu photonischen integrierten Schaltkreisen (PICs) führt. Obwohl diese Entwicklungen später sind als die in der Elektronik, erlebt der Bereich in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung.
Eine große Herausforderung besteht jedoch darin, einen solchen PIC in ein funktionsfähiges Gerät umzuwandeln – dazu sind optische Verpackungs- und Kopplungsstrategien erforderlich, um Licht in den PIC zu bringen und Licht aus dem PIC herauszuholen.
Beispielsweise werden für die optische Kommunikation optische Fasern benötigt, um Verbindungen herzustellen und dann Lichtimpulse über große Entfernungen zu übertragen. Alternativ könnte der PIC einen optischen Sensor beherbergen, der zum Lesen externes Licht benötigt.
Da sich das Licht auf dem PIC in sehr kleinen Kanälen („Wellenleitern“) mit Abmessungen im Submikrometerbereich bewegt, ist diese optische Kopplung sehr anspruchsvoll und erfordert eine sorgfältige Ausrichtung zwischen dem PIC und den externen Komponenten. Die Optik ist außerdem sehr zerbrechlich, daher ist die richtige Verpackung des PIC von entscheidender Bedeutung für die Herstellung eines zuverlässigen Geräts.
Die Forschungsgruppen von Prof. Van Steenberge und Prof. Jeroen Missinne an der Universität Gent und imec entwickeln Lösungen zur Bewältigung der Verpackungs- und Integrationsherausforderungen, die mit PICs für Telekommunikationssysteme, Sensoren und biomedizinische Geräte der nächsten Generation verbunden sind.
Eine ihrer Bemühungen besteht darin, sehr kleine Mikrolinsen zu verwenden, um optische Kanäle auf PICs einfacher mit externen optischen Fasern oder anderen Komponenten zu verbinden. Schließlich gelang es ihnen, Mikrolinsen zu demonstrieren, die während der Herstellung in den PIC selbst integriert werden können, oder externe Mikrolinsen, die während der Verpackung hinzugefügt werden können.
Letzteres war Gegenstand eines kürzlich im Journal of Optical Microsystems veröffentlichten Artikels.
Im Verlauf der Studie wurde eine kleine Kugellinse mit einem Durchmesser von 300 Mikrometern verwendet, um eine effektive Verbindung zwischen den Sensoren des PIC und einer optischen Faser herzustellen, die an ein Standard-Auslesegerät angeschlossen werden konnte.
Darüber hinaus beschreibt das Papier die wichtigen Schritte, die erforderlich sind, um den PIC in eine funktionsfähige und vollständig gekapselte Miniatursensorsonde (weniger als 2 mm Durchmesser) umzuwandeln. Der in dieser Demonstration entwickelte optische Sensortyp ist ein Bragg-Gitter-Temperatursensor, der bis zu 180 Grad messen kann.
Der Sensor wurde im Rahmen des europäischen SEER-Projekts mit Argotech (Tschechische Republik) und dem Photonics Communication Research Laboratory der Nationalen Technischen Universität Athen (Griechenland) realisiert.
In diesem Projekt konzentrieren sich mehrere europäische Partner auf die Integration optischer Sensoren in Herstellungsprozesse für die Herstellung von Verbundbauteilen wie Flugzeugen, was letztendlich zu Prozessoptimierungen, Energie- und Kosteneinsparungen führt.