Kleiner als ein Sandkorn – 3D-gedruckte Quarzglas-Sensoren auf Glasfasern

Erstmals in der Kommunikationsbranche haben schwedische Forschende Mikrooptiken aus Quarzglas auf die Spitzen von Glasfasern 3D-gedruckt – Oberflächen, die so klein sind wie der Querschnitt eines menschlichen Haares. Dieser Fortschritt könnte ein schnelleres Internet und eine bessere Konnektivität sowie Innovationen wie kleinere Sensoren und Bildgebungssysteme ermöglichen.

Die innovative Technik überwindet bisherige Herausforderungen bei der Strukturierung von Glasfaserspitzen mit Silikaglas, die oft hohe Temperaturen erfordern und dabei die Integrität der temperaturempfindlichen Faserbeschichtungen beeinträchtigen können. Im Gegensatz zu anderen Verfahren beginnt der Prozess mit einem Basismaterial ohne Kohlenstoff, wodurch hohe Temperaturen zur Entfernung von Kohlenstoff und damit zur Herstellung einer transparenten Glasstruktur unnötig sind.

Laut KTH-Professor Kristinn Gylfason überwindet die Methode die seit langem bestehenden Beschränkungen bei der Strukturierung von Glasfaserspitzen mit Quarzglas, die seiner Meinung nach häufig Hochtemperaturbehandlungen erfordern, die die Integrität der temperaturempfindlichen Faserbeschichtungen beeinträchtigen.

Dieser Fortschritt ermöglicht den Einsatz in Umwelt- und Gesundheitssensoren sowie in der Pharmazeutik und Chemieproduktion. Die Forschenden demonstrierten die Anwendung dieser Technik durch den Druck eines Silikaglassensors, der sich als widerstandsfähiger als herkömmliche Kunststoffsensoren erwies.

„Wir haben einen in die Faserspitze integrierten Brechungsindexsensor aus Glas demonstriert, mit dem wir die Konzentration von organischen Lösungsmitteln messen können. Diese Messung ist für Sensoren auf Polymerbasis aufgrund der Korrosivität der Lösungsmittel eine Herausforderung”, sagt der Hauptautor der Studie, Lee-Lun Lai.

„Diese Strukturen sind so klein, dass 1.000 von ihnen auf die Oberfläche eines Sandkorns passen, was in etwa der Größe der heute verwendeten Sensoren entspricht“, sagt der Mitautor der Studie, Po-Han Huang. „Durch die Überbrückung der Kluft zwischen 3D-Druck und Photonik sind die Auswirkungen dieser Forschung weitreichend, mit potenziellen Anwendungen in mikrofluidischen Geräten, MEMS-Beschleunigungsmessern und faserintegrierten Quantenstrahlern“, sagt er.

Die Forschenden zeigten auch eine Technik zum Druck von Nanogittern, extrem kleinen Mustern, die Licht auf präzise Weise manipulieren und Anwendungen in der Quantenkommunikation finden könnten.

Die Forschenden haben für diese Technik bereits ein Patent beantragt. Ihre Arbeit hat weitreichende Implikationen, von mikrofluidischen Geräten über MEMS-Beschleunigungssensoren bis hin zu faserintegrierten Quantenemittern, und markiert einen signifikanten Fortschritt in der Verbindung von 3D-Druck und Photonik.