Wissenschaftlern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, einen polykristallinen Diamant für einen optischen Schaltkreis einzusetzen. Die Ergebnisse ihrer Forschungsarbeit haben sie kürzlich bei Nature Communications online veröffentlicht (Patrik Rath, Svetlana Khasminskaya, Christoph Nebel, Christoph Wild & Wolfram H.P. Pernice: Diamond-integrated optomechanical circuits. Nature Communications 4, 1690; doi:10.1038/ncomms2710).
Diamant ist durchsichtig, also optisch transparent für Lichtwellen aus einem weiten Wellenlängenbereich, der auch das sichtbare Spektrum zwischen 400 und 750 Nanometer Wellenlänge abdeckt. Damit lasse er sich gezielt in optomechanischen Schaltungen für Anwendungen in der Sensorik, der Fluoreszenz-Bildgebung oder für neuartige optische Messmethoden in der Biologie einsetzen. Sein hoher Brechungsindex und das Fehlen von Absorption sorgen für einen effizienten Transport der Photonen. Darüber hinaus macht ihn sein hohes Elastizitätsmodul zu einem robusten Werkstoff, der sich gleichzeitig hervorragend an raue Oberflächen anpasst und dabei noch die Eigenschaft hat, Wärme schnell wieder abzugeben.
Bislang seien optische Schaltkreise mit einkristallinen Diamantsubstraten realisiert. Dabei handele es sich um hochreine Kristalle, bei denen unter einer Milliarden Diamant-Atomen höchstens ein Fremdatom vorkomme. Ihre Herstellung sei auf kleine Größen begrenzt und erfordere ein anspruchsvolles Verfahren, um sie auf Isolatoren, die für einen Schaltkreis benötigt werden, aufzubringen.
Polykristalliner Diamant
Die Forschungsgruppe von Wolfram Pernice, Gruppenleiter am KIT, nutzte für die Realisierung ihrer optomechanischen Schaltkreise auf einem Wafer erstmals polykristallinen Diamant. Dieser weise zwar unregelmäßigere Kristallstrukturen auf, verhalte sich aber insgesamt robuster und lasse sich entsprechend einfacher auf Isolatoren aufbringen. Dadurch könne er großflächiger als einkristalline Diamanten verarbeiten werden. Der polykristalline Diamant leitet die Photonen nahezu genauso effizient weiter wie einkristallines Diamantsubstrat und ist für den industriellen Einsatz geeignet, erläutern die Wissenschaftler. Das neue Material habe die Realisierung eines optomechanischen Bauteiles aus einem Guss erst ermöglicht gemacht.
Die Optomechanik verbindet die integrierte Optik mit mechanischen Elementen - im Fall des optomechanischen Schaltkreises der Pernice-Gruppe mit nanomechanischen Resonatoren. Diese schwingfähigen Systeme reagieren auf eine bestimmte Frequenz, verdeutlichen die Forscher. Trete diese Frequenz auf, schwinge der Resonator mit. "Nanomechanische Resonatoren gehören zu den empfindlichsten Sensoren überhaupt und werden für eine Vielzahl von Präzisionsmessungen eingesetzt. Allerdings ist es extrem schwierig, solche kleinsten Bauteile mit etablierten Messmethoden anzusprechen", erklärt Patrik Rath, Erstautor der Studie. "In unserer Arbeit haben wir die Tatsache genutzt, dass heute nanophotonische Bauelemente größengleich mit nanoskaligen mechanischen Resonatoren angefertigt werden können. Reagiert der Resonator, werden entsprechende optische Signale direkt an den Schaltkreis weitergegeben." Diese Entwicklung habe die Kombination dieser beiden ehemals getrennten Forschungsfeldern und somit die Realisierung von sehr effizienten optisch-mechanischen Schaltungen möglich gemacht.
Die integrierte Optik funktioniere ähnlich wie integrierte Schaltkreise. Optische Schaltkreise geben Information über Photonen weiter, in den uns vertrauten elektronischen Schaltkreisen geschieht dies über Elektronen, erläutern die KIT-Wissenschaftler. Ziel der integrierten Optik sei, alle zum Aufbau eines optischen Kommunikationsprozesses erforderlichen Komponenten in einem integrierten optischen Schaltkreis unterzubringen und so den Umweg über elektrische Signale zu vermeiden. In beiden Fällen würden die Schaltkreise auf weniger als ein Millimeter dicken Platten, auf sogenannten Wafern, aufgebracht.
Der polykristalline Diamant wurde in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik und der Firma Diamond Materials in Freiburg hergestellt. Die im Rahmen des Projekts "Integrated Quantum-Photonics" am DFG-Centrum für funktionelle Nanostrukturen (CFN) in Karlsruhe hergestellten Prototypen sollen neue Wege für komplett optisch gesteuerte Plattformen, wie sie in der Grundlagenforschung und in der erweiterten Sensor-Anwendung vermehrt benötigt werden, eröffnen. Sensor-Anwendungen sind beispielsweise Beschleunigungsmesser, die sie in zahlreichen elektronischen Geräten integriert sind, berichten die Experten: vom Sensor für den Airbag bis hin zur Wasserwaage für das Smartphone.