Femtosekundenlaser-geschriebene Strukturen in kristallinen Lasermaterialien für Anwendungen in der integrierten Optik

• Antragsteller: Dr. Thomas Calmano
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 261102386

Ziel des Projektes ist die Erforschung von aktiven Bauteilen der integrierten Optik. Die integrierte Optik befasst sich mit der Entwicklung optischer Systeme unterschiedlicher Funktionalität, die auf einem gemeinsamen Substrat kombiniert werden. Dadurch wird eine Miniaturisierung einhergehend mit einer Kostenreduktion des Gesamtsystems möglich. Ähnlich zu integrierten elektrischen Schaltkreisen (engl. integrated circuits, IC), welche die heutige Datenverarbeitung und Computertechnologie ermöglichen, sind integrierte optische Schaltkreise (engl. integrated optical circuits, IOC) entscheidende Bauteile für die moderne Datenübertragung mit Licht. Grundbauelemente für integrierte optische Bauteile sind Wellenleiter, welche das Licht entlang vorgegebener Pfade führen. Durch geschickte Anordnung dieser Wellenleiter ist es beispielsweise möglich, das Lichtsignal aufzuteilen. In diesem Fall spricht man von einem Strahlteiler. Weiterhin kann das Licht um Kurven geleitet oder mit sogenannten Kopplern in andere Wellenleiter übergekoppelt werden. Durch Herstellung von Strukturen in der Größenordnung der Wellenlänge des geleiteten Lichtes, also im Bereich von einigen hundert Nanometern, oder durch Wellenleiter, die das Licht in einem Kreis führen, können die spektralen Eigenschaften des Lichtes und somit auch das Signal manipuliert werden. Werden die Wellenleiter in optisch aktiven Materialien hergestellt, also beispielsweise Kristallen, die auch in Lasern verwendet werden, kann das Lichtsignal innerhalb dieser Bauteile erzeugt oder auch verstärkt werden. In diesem Fall handelt es sich um einen Wellenleiterlaser oder Verstärker.Wellenleitende Strukturen werden wir mittels Femtosekunden-Laserstrukturierung herstellen. Mit dieser Methode werden Strukturen auf einer Mikrometerskala mittels Laserpulsen direkt in transparente dielektrische Materialen geschrieben. Wir werden als Substrate Laserkristalle und somit optisch aktive Materialien, welche im Vergleich zu sonst häufig genutzten Gläsern wesentlich bessere thermomechanische und optische Eigenschaften aufweisen, verwenden. Da die Strukturierung im Volumen der Dielektrika und somit in drei Dimensionen erfolgt, handelt es hierbei um eine sehr flexibel einsetzbare Herstellungsmethode. Wir werden innerhalb des Projektes grundlegende Untersuchungen zu geraden und gekrümmten Wellenleitern in drei unterschiedlichen kristallinen Materialien durchführen. Neben diesen grundlegenden Untersuchungen wollen wir die Verwendbarkeit der Femtosekunden-Laserstrukturierung für die Herstellung von aktiven Bauteilen der integrierten Optik zeigen. Dafür werden wir erstmalig Strahlteiler, Koppler und Ringresonatoren in Laserkristallen realisieren. Ein Teilprojekt wird die Herstellung von Wellenleiterlasern umfassen, die einen kontinuierlichen Laserstrahl oder Lichtpulse emittieren. Für die gepulsten Wellenleiterlaser werden spezielle optische Elemente, sogenannte sättigbare Absorber, direkt auf das Substrat integriert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen