Laserquelle für Biosensoren

Anonim

Im Bereich der Nanophotonik ist es den Wissenschaftlern erstmals gelungen, einen Laser mit einem organischen Verstärkungsmedium auf einem photonischen Siliziumchip zu integrieren. Dieser Ansatz bietet ein enormes Potenzial für preiswerte Biosensoren, die für die patientennahe Diagnostik eingesetzt werden können, ohne dass ein Sterilisationsaufwand erforderlich wäre, ähnlich dem heutigen Blutzuckermessgerät. Die Forscher präsentieren jetzt den neuen Laser in Nature Communications .

Dies ist das erste Mal, dass organische Laser auf einem einzigen Silizium-Photonikchip integriert wurden, berichtet Christian Koos, Forscher am Institut für Photonik und Quantenelektronik (IPQ) des Instituts und Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT). "Der Hauptvorteil der Laser besteht darin, dass die Produktion von Großserien mit geringen Kosten verbunden ist. Langfristig könnte eine Fertigung zu einem Preis von einigen Cent pro Laser machbar sein."

Eine der Hauptherausforderungen, die mit der Herstellung von optischen Mikrochips verbunden sind, besteht darin, eine Anzahl verschiedener Komponenten auf einem Substrat zu geringen Kosten zu integrieren. Seit einigen Jahren ist es möglich, optische Bauteile aus Silizium herzustellen. Diese so genannte Silizium-Photonik nutzt hochentwickelte nanotechnologische Herstellungsprozesse der Mikroelektronik und ermöglicht die kostengünstige Herstellung einer großen Anzahl leistungsfähiger photonischer Komponenten. Solche Komponenten in Bruchteilen eines Mikrometers können dazu beitragen, die Informationstechnologie energieeffizienter zu machen und eignen sich sehr gut für kompakte Biosensoren.

Das Problem der Integration von Lichtquellen auf dem Chip blieb jedoch immer noch ungelöst, da sich der Silizium-Halbleiter aufgrund seiner elektronischen Struktur kaum als Lichtemitter eignet. Während des Elektronentransfers zwischen energetisch unterschiedlichen Zuständen wird die Energie vorzugsweise in Form von Wärme und nicht als Licht abgegeben.

Forscher des KIT haben nun eine neue Klasse von Lasern im Infrarotbereich entwickelt. Zu diesem Zweck kombinieren sie Silizium-Nano-Wellenleiter mit einem Polymer, das mit einem organischen Farbstoff dotiert ist. Die Energie zum Betreiben dieses "organischen" Lasers wird von oben, vertikal zur Chipoberfläche, von einer gepulsten Lichtquelle geliefert. Das erzeugte Laserlicht wird direkt in einen Silizium-Nano-Wellenleiter eingekoppelt. Den Forschern gelang es, gepulste Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1310 nm und einer Spitzenleistung von mehr als 1 Watt auf einem Chip zu erzeugen. Die neuen Infrarotlaser werden in der Zeitschrift Nature Communications vorgestellt. Durch die Verwendung verschiedener Farbstoffe und Laserresonatoren kann die Wellenlänge der Laserstrahlung über einen weiten Bereich variiert werden.

Die Komponenten könnten unter anderem für Biosensoren mit einer Vielzahl von integrierten Laserlichtquellen und für die spezielle Anwendung angepassten Wellenlängen verwendet werden. Solche Sensoren können verwendet werden, um medizinisch relevante Substanzen zu messen. Um Verunreinigungen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, diese Chips mit minimalen Kosten herzustellen und nur einmal zu verwenden. Auf diese Weise können die Sensoren direkt am Patienten oder in Arztpraxen (Point-of-Care-Diagnose) appliziert werden.

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