Lokalisierte in-line-Abscheidung metallischer Nanostrukturen in hybriden optischen Fasern

• Antragsteller: Professor Dr. Markus A. Schmidt; Professor Dr.-Ing. Lothar Wondraczek
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321828008

Funktionelle Glasfasern sind die Schlüsselkomponente in einer Vielzahl optischer Komponenten. Dies betrifft passive Anwendungen als Wellenleiter in zum Beispiel optischer Telekommunikation und Datenübertragung, aber auch aktive Funktionalität in Faserlichtquellen, optischen Verstärkern, Fasersensoren, Filtern, Modulatoren und Schaltern. Die zugrunde liegende technologische Plattform ist jedoch noch immer auf eine vergleichsweise kleine Anzahl grundsätzlich einsatzfähiger Materialien und Materialarchitekturen begrenzt. Weitaus wichtigste optische Fasermaterialien sind heute kieselglasabgeleitete Werkstoffe. Einer der Gründe für diese Einschränkung ist das Problem der Materialinkompatibilität, die es meist verbietet, exotische (optisch hochfunktionelle) Glaszusammensetzungen mit der Prozessstabilität und der resultierenden extremen Materialqualität von Kieselglas zu vereinen. Derartige hybride Fasern gelten als eine der vielversprechendsten Herausforderungen im Bereich der optischen Fasertechnologie, da sie prinzipiell Eigenschaftsprofile bieten könnten, die jenseits der physikalischen Limits heutiger Fasermaterialien liegen. Dies betrifft zum Beispiel die Erreichbarkeit extremer Brechzahlgradienten innerhalb einer Faser, oder (Gegenstand dieses Projektantrages) die Kombinierbarkeit passiver Wellenleiterfunktion mit lokaler plasmonischer Aktivität. Das Füllen glasbildender Schmelzen in die Mikro- und Nanokanäle photonischer Fasern oder Kapillarstrukturen wurde von den Antragstellern kürzlich als sehr vielversprechende Methode zur Herstellung hybrider optischer Fasern eingeführt. Ein bestehendes Problem ist jedoch die Erzeugung lokaler Materialgradienten in einer solchen Hybridfaser, beispielsweise in Form von Gittern, Brechzahlgradienten oder spezifischer lokaler plasmonischer Aktivität, wie sie führ eine Reihe zukünftiger Anwendungen von entscheidender Bedeutung sein würde. Die derzeitige Lücke betrifft dabei gerade das hier zugrundeliegende materialwissenschaftliche Verständnis, zum Beispiel bezüglich Thermokinetik oder Photosensitivität der entsprechenden Materialkombinationen, wie es für eine derartige Strukturierung hybrider Fasern notwendig ist. Gegenstand des vorliegenden Projektantrages ist daher die Erzeugung metallischer Nanostrukturen in hybriden Glasfasern durch externe (Licht-)Einwirkung. Ziel ist es einerseits, ein mechanistisches Bild über die diesem Prozess zugrunde liegenden thermophysikalischen, kinetischen und photochemischen Prinzipien zu erlangen. Andererseits sollen aus diesem Verständnis die Grenzen möglicher Anwendungen abgeleitet werden, so insbesondere Fragen der Photostabilität lokal erzeugter metallischer Nanostrukturen, Fragen der möglichen lateralen Auflösung und Gradientenschärfe, sowie die Demonstration der optischen Funktionalität dieser neuartigen Fasergeneration, welche passive Kieselglasarchitekturen mit der plasmonischen Aktivität tiefschmelzender, photosensitiver Gläser verbinden wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen