Mikroresonatoren für Anwendungen in der Sensorik, Analytik, Laser-Messtechnik und optischen Telekommunikation
Abb. 1: Mikroscheibenresonator aus SiO2 auf einem Stützposten aus Silizium: Dicke der Scheibe 2 µm, Durchmesser 45 µm.
Abb. 2: Mikrotoroid hergestellt aus der Mikroscheibe durch Umschmelzen mit einem CO2-Laser
Monolithische Mikroresonatoren zeichnen sich durch ihre sehr geringe Größe und ihre extrem hohe optische Güte aus. Diese Eigenschaften machen sie für Anwendungen in der optischen Signalverarbeitung und Sensorik attraktiv. Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojektes entwickelt das FBH dafür derzeit zusammen mit der Humboldt-Universität zu Berlin (HUB), Institut für Physik, eine neuartige Technologieplattform. Sie soll den Einsatz derartiger mikro-integrierter optischer Resonatoren in der hochgenauen Sensorik, Analytik und Lasermesstechnik ermöglichen. Weitere Anwendungen liegen in der optischen Telekommunikation, Zeit- und Frequenzmesstechnik und in der hochgenauen globalen Navigation. Ziel des gemeinsamen Vorhabens ist es, die technologischen Voraussetzungen für den Einsatz und die Kommerzialisierung der Technologie zu schaffen. Am FBH werden die Mikroresonatoren halbleitertechnologisch hergestellt, optisch charakterisiert und die Herstellungsprozesse optimiert. Zum Projektende sollen Sensoranwendungen demonstriert werden.
Mikroresonatoren besitzen die Form einer Scheibe oder eines Torus (siehe Abbildungen) mit einem typischen Durchmesser von 100 Mikrometern und einer Dicke von wenigen Mikrometern. In diesen Strukturen, die aus Siliziumoxid (SiO2) bestehen, kann Licht durch Totalreflektion gespeichert werden. Die Resonatorscheiben werden photolithographisch aus Silizium, das eine wenige Mikrometer dünne SiO2-Deckschicht besitzt, hergestellt. In einem zweistufigen Ätzprozess erfolgt zunächst die Strukturierung von SiO2, anschließend wird das darunter unterliegende Silizium-Substrat entfernt. Da die Oxidschicht durch den zweiten Ätzprozess nicht angegriffen wird, bildet sich eine Scheibe aus SiO2, die auf einem "Pfosten" aus Silizium ruht. Am FBH wurden die geeigneten Prozessparameter ermittelt, mit denen sich die in Abb. 1 dargestellten, pilzartigen Strukturen erzeugen lassen. Abb. 2 zeigt einen Mikrotoroid, der durch nachfolgendes Umschmelzen mit CO2-Laserpulsen an der HUB erzeugt wurde.
Im Rahmen der Forschungskooperation werden diese Mikroresonatoren zurzeit experimentell charakterisiert und theoretisch beschrieben. Eine effiziente Ein- oder Auskopplung des Lichts erfolgt durch externe Koppler wie Prismen oder optische Fasern. Künftig geht es darum, die Potenziale dieser Mikroresonatoren optimal auszunutzen. Dazu zählt neben der geringen Größe, die eine Integration in Mikrochips ermöglicht, die extrem hohe optische Güte, die Werte von 106 bis 1010 erreichen kann. Diese Güte ist um ein Vielfaches größer als die Werte der besten "gewöhnlichen", auf dielektrischen Spiegeln basierenden optischen Resonatoren. Trotz ihrer geringen Größe besitzen diese Mikroresonatoren daher schmalbandige optische Resonanzen mit Linienbreiten im Bereich von einigen 100 MHz bis zu einigen 10 kHz. Die langen Lichtspeicherzeiten und der Lichteinschluss auf kleinstem Raum führen zudem zu einer enormen Verstärkung nichtlinearer Effekte.
FBH-Forschung: 15.12.2011