Karlsruher Forscher erzielen mit Diamant Fortschritte bei optischen Schaltkreisen

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Bisher arbeiteten Wissenschaftler mit einkristallinen Diamantsubstraten, die aufwändig herzustellen und schwer zu verarbeiten sind. Die Gruppe am Karlsruher Institut für Technologie erreichte ähnliche Ergebnisse mit polykristallinem Diamant, der auch für den industriellen Einsatz geeignet ist.

Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen polykristallinen Diamant für einen optischen Schaltkreis zu verwenden. Die Ergebnisse ihrer Arbeit haben sie jetzt bei Nature Communications online veröffentlicht.

Der Einsatz von Licht zur Informationsverarbeitung öffnet viele Möglichkeiten. Um die Photonen des Lichts jedoch gezielt in Schaltkreisen und Sensoren einzusetzen, werden Materialien benötigt, die die richtigen optischen und mechanischen Eigenschaften mitbringen.

Zwei parallele freistehende Wellenleiter aus polykristallinem Diamant dienen als mechanische Resonatoren. In ihnen breiten sich die rot/blau markierten optischen Felder aus ( Grafik: KIT/CFN/Pernice ).
Zwei parallele freistehende Wellenleiter aus polykristallinem Diamant dienen als mechanische Resonatoren. In ihnen breiten sich die rot/blau markierten optischen Felder aus ( Grafik: KIT/CFN/Pernice ).

“Diamant hat mehrere Eigenschaften, die es uns ermöglichen, alle Komponenten eines einsatzbereiten optomechanischen Schaltkreises sozusagen aus einem Guss zu realisieren”, erklärt Wolfram Pernice vom KIT. “Die so hergestellten Elemente – die Resonatoren, Schaltkreise und der Wafer – überzeugen durch ihre hohe Qualität.”

Diamant ist für Lichtwellen aus einem weiten Wellenlängenbereich transparent, der auch das sichtbare Spektrum zwischen 400 und 750 Nanometer Wellenlänge abdeckt. Damit lässt er sich gezielt in optomechanischen Schaltungen für Anwendungen in der Sensorik, der Fluoreszenz-Bildgebung oder für neuartige optische Messmethoden in der Biologie einsetzen. Der hohe Brechungsindex und das Fehlen von Absorption gewährleisten den effizienten Transport der Photonen. Darüber hinaus ist Diamant ein robuster Werkstoff, der sich hervorragend an raue Oberflächen anpasst und Wärme schnell wieder abgibt.

Das haben auch andere Wissenschaftler schon erkannt. Bislang wurden optische Schaltkreise jedoch nur mit einkristallinen Diamantsubstraten realisiert. Bei diesen besonders reinen Kristallen kommt auf eine Milliarden Diamant-Atome höchstens ein Fremdatom. Die Herstellung ist auf kleine Größen begrenzt und erfordert ein anspruchsvolles Verfahren.

Pernice und seine Forschungsgruppe nutzen dagegen für ihre Schaltkreise auf einem Wafer erstmals polykristallinen Diamant. Dieser weist zwar unregelmäßigere Kristallstrukturen auf, verhält sich aber insgesamt robuster und lässt sich entsprechend einfacher auf Isolatoren aufbringen. Er leitet die Photonen nahezu genauso effizient wie einkristallines Diamantsubstrat und ist für den industriellen Einsatz geeignet. Der polykristalline Diamant wurde von den Karlsruher Forschern in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik und der Firma Diamond Materials in Freiburg hergestellt.

Die integrierte Optik funktioniert ähnlich wie integrierte Schaltkreise: Optische Schaltkreise geben Information über Photonen weiter, in den elektronischen Schaltkreisen geschieht dies über Elektronen. Ziel ist es, alle zum Aufbau eines optischen Kommunikationsprozesses erforderlichen Komponenten in einem integrierten optischen Schaltkreis unterzubringen und so den Umweg über elektrische Signale zu vermeiden.

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