Bragg gratings based on hybrid polymers for analytical sensor technologies

• Applicants: Professor Dr. Lothar Frey (†); Professor Dr. Ralf Hellmann
• Subject Area: Microsystems
• Term: from 2013 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 244990912

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Im Rahmen des DFG-Projektes wurden im Bearbeitungszeitraum chromatisch reflektierende Bragg-Gitter-Sensoren auf der Basis eines Verzweigersystems hergestellt. Hierzu konnte während der Projektphase ein optimiertes Imprint-Layout auf Grundlage umfänglicher Simulationen erstellt und erfolgreich umgesetzt werden. Die hierbei generierten Strukturen weisen sehr gute Imprint-Charakteristiken auf, welche sich durch eine saubere Kantenabformung und lufteinschlussfreie Generation von nanoskopischen wie auch mikroskopischen Strukturen auf einem Substrat auszeichnen. Die erstellten Y-Verzweiger weisen eine sehr gute Kopplung im Sinne einer 50:50 Signalaufteilung auf, zeigen jedoch hohe Dämpfungswerte von -13 dB. Durch die Integration mehrerer Bragg-Gitter-Strukturen unterschiedlicher Periode in die Wellenleiter des Verzweigersystems konnte ein polychromatisch reflektierender Bragg-Gitter-Sensor erstellt werden, welcher gleichzeitig Temperaturreferenz- und Sensor-Bragg-Gitter aufweist und eine Extraktion intrinsischer Quersensitivitäten ermöglicht. Weiterhin wurde die Möglichkeit einer Oberflächenmodifikation der hergestellten Sensoren untersucht. Im Rahmen des Projektes konnte erstmals die erfolgreiche Beschichtung der Oberfläche von Hybridpolymer-basierten Wellenleitern demonstriert werden. Durch die Verwendung einer Schattenwurfmaske konnten die Schichten lokal im Bereich einzelner Bragg-Gitter aufgebracht werden. Solche Beschichtungen dienen entweder einer Selektivitätssteigerung eines Bragg-Gitter- Sensors oder einer Sensitivitätssteigerung einzelner Sensorelemente. Letzteres konnte anhand von 50 nm dünnen Titandioxid- oder Aluminiumoxidschichten demonstrierte werden, die Selektivitäts-steigernde Beschichtung wurde in Form von über 1 µm dicken Siliziumdioxidschichten erfolgreich umgesetzt. Insgesamt konnte im Rahmen des Projektes der Nachweis erbracht werden, dass:  die UV-gestützte substratkonforme Nanoimprint Lithographie sehr gut geeignet ist für die Erzeugung von Wellenleiter-Verzweigerstrukturen,  die entsprechend generierten Strukturen eine ideale 50:50 Signalaufteilung erwirken,  durch die Integration von säulenförmigen Mesastrukturen Lufteinschlüsse und daraus folgende Defekte effektiv vermieden werden und die Qualität der Replikation verbessert wird,  mehrere Bragg-Gitter unterschiedlicher Periode in die unterschiedlichen Wellenleiterpfade der Verzweigerstruktur eingeschrieben werden können,  das Einschreiben unterschiedlicher Bragg-Gitter in die Verzweigerstruktur zu einem dediziert auswertbaren, polychromatischen Reflexionsspektrum der Sensorstruktur führt,  eine Beschichtung der replizierten Hybridpolymer-Oberfläche mit Titandioxid und Siliziumdioxid technisch realisierbar ist,  eine funktionelle Beschichtung zur Sensitivitätssteigerung mittels Titandioxid zu einer merklichen Verbesserung der Brechungsindex-Sensitivität der generierten Hybridpolymerbasierten Sensorstruktur führt,  ein Einsatz der entsprechend generierten Strukturen somit in der chemischen, biochemischen und analytischen Sensorik gewährleistet ist. Die Förderung hat ermöglicht, das sensorische Potenzial des entwickelten Sensor-Konzeptes auf das Gebiet der qualitativen und quantitativen Analyse zu übertragen und damit den Grundstein für die Erzeugung hochsensitiver Bragg-Gitter-Sensoren in der Materialklasse der Hybridpolymere zu legen.

Publications

• (2018) One-step nanoimprinted Bragg grating sensor based on hybrid polymers. Sensors and Actuators A: Physical 283 298–304
  Förthner, M.; Girschikofsky, M.; Rumler, M.; Stumpf, F.; Rommel, M.; Hellmann, R.; Frey, L.
  
• “Hybrid polymers processed by substrate conformal imprint lithography for the fabrication of planar Bragg gratings,” Appl. Phys. A 122 (2016)
  M. Förthner, M. Rumler, F. Stumpf, R. Fader, M. Rommel, L. Frey, M. Girschikofsky, S. Belle, R. Hellmann, and J. J. Klein
  
• “Waveguide Bragg gratings in Ormocer hybrid polymers,” Opt. Express 24, 14725–14736 (2016)
  M. Girschikofsky, M. Förthner, M. Rommel, L. Frey, and R. Hellmann
  
• “Fabrication of Bragg grating sensors in UV-NIL structured Ormocer waveguides,” in Proc. SPIE 10106. Integrated Optics: Devices, Materials, and Technologies XXI, Vol. 10106 (2017), pp. 101060M
  M. Girschikofsky, M. Förthner, M. Rommel, L. Frey, und R. Hellmann
  
• “Waveguide Bragg Gratings in Ormocer®s for Temperature Sensing,” Sensors 17 (2017)
  M. Girschikofsky, M. Rosenberger, M. Förthner, M. Rommel, L. Frey, and R. Hellmann
  
• “Flexible thin film bending sensor based on Bragg gratings in hybrid polymers,” in Proc. SPIE 10680. Optical Sensing and Detection V, Vol. 10680 (2018), pp. 106800P
  M. Girschikofsky, M. Rosenberger, M. Förthner, M. Rommel, L. Frey, und R. Hellmann
  
• “TiO2 surface functionalization of COC based planar waveguide Bragg gratings for refractive index sensing,” J. Opt. 20, 01LT02 (2018)
  M. Rosenberger, M. Girschikofsky, M. Förthner, S. Belle, M. Rommel, L. Frey, B. Schmauss, and R. Hellmann