Laser und Detektor auf millimetergroßem Chip

Wissenschaftern der Technischen Universität (TU) Wien ist es gelungen, in einem Herstellungsprozess einen Laser und einen Lichtdetektor auf einem wenige Millimeter großen Chip zu bauen. Damit lässt sich ein miniaturisierter Sensor realisieren, der die chemische Zusammensetzung von Flüssigkeiten messen kann, berichten die Forscher im Fachjournal "Nature Communications".

Quantenkaskaden-Laser

Kombiniert man sehr dünne Schichten verschiedener Halbleitermaterialien und legt daran eine elektrische Spannung, erzeugt ein solches System Laserlicht - die Wissenschafter nennen dies einen "Quantenkaskaden-Laser". Durch die Abfolge der Schichten kann man Eigenschaften des Lasers gezielt steuern, etwa die Wellenlänge seines Lichts.

Vorteil von Quantenkaskaden-Lasern ist ihre Kompaktheit von nur wenigen Millimeter Größe, Effizienz und Leistungsfähigkeit. Zudem kann man in umgekehrter Richtung die Schichtstruktur auch als Detektor nutzen: Wird sie mit Licht bestrahlt, entsteht ein elektrisches Signal.

Infrarotlicht

An der TU Wien wurde eine Methode entwickelt, aus derselben Schichtfolge einen Laser und einen Detektor gleichzeitig auf einem Chip herzustellen - und zwar so, dass die Wellenlänge des Laserlichtes genau der Wellenlänge des Detektors entspricht. "Durch die gemeinsame Fertigung muss man den Laser und den Detektor nicht justieren - sie sind von Anfang an auf dem selben Chip optimal platziert", erklärte Benedikt Schwarz vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien in einer Aussendung der Uni.

Im konkreten Fall sendet der Laser Licht im Infrarotbereich aus, das sich perfekt zur Untersuchung von Flüssigkeiten eignet. Die Infrarotstrahlen werden von unterschiedlichen Molekülen unterschiedlich stark absorbiert. Aus der daraus resultierenden Abschwächung des Lichtsignals kann auf die Zusammensetzung der Flüssigkeit geschlossen werden.

Kostengünstige Sensoren

Der Abstand zwischen Laser und Detektor beträgt 50 Mikrometer. Das Licht des Quantenkaskadenlasers strahlt aber nicht wie bei einem Laserpointer gebündelt Richtung Detektor, sondern in einem Winkel von rund 30 bis 40 Grad, erklärte Schwarz gegenüber der APA. Damit die Lichtintensität über diese Distanz nicht zu stark abnimmt, überbrückten die Wissenschafter den Spalt zwischen Laser und Detektor durch einen sogenannten Oberflächenplasmonen-Wellenleiter.

Ein Großteil des Lichts wird an der Oberfläche dieses Wellenleiters zum Detektor geleitet und kann auf diesem Weg von den zu detektierenden Molekülen absorbiert werden. Dieser neue Ansatz soll die einfache und kostengünstige Produktion winziger Flüssigkeitssensoren für verschiedenste Einsatzzwecke ermöglichen. Durch Kombination unterschiedlich designter Schichtsysteme und damit Wellenlängen könnten auch mehrere Substanzen gleichzeitig registriert werden.