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Funktionale nanostrukturierte Glasfasersonden zur Lichtsammlung

Für eine effiziente Einkopplung von Licht in eine Faser muss der Strahl in einem sehr kleinen Winkelbereich (z.B. 10°) nahezu parallel zur Faserachse ausgerichtet sein. Viele Anwendungen wie bspw. die Weitwinkelendoskopie erfordern die Erfassung von Licht aus Richtungen mit deutlich größerem Winkel. Dieses Problem kann durch eine plasmonische Nanostruktur auf der Stirnseite einer Glasfaser gelöst werden. Mit einem maßgeschneiderten Nanostruktur-Design kann die dadurch verursachte Beugung des einfallenden Lichts genutzt werden, um eine Einkopplung selbst bei Winkeln von bis zu 80° zu erreichen.

Abb. 1: Nanostrukturierte Fasern zur Steigerung der Lichtsammeleffizienz: Das einfallende Licht (roter Bereich auf der linken Seite) wird durch die Nanostruktur (Array gelber Punkte) gebeugt, was eine effiziente Einkopplung in die Faser ermöglicht.

Von N. Wang // M. A. Schmidt

Glasfasern haben in vielen Bereichen große Erfolge erzielt. Anwendungen wie die Weitwinkel-Faserendoskopie oder das Sammeln zufälliger Photonen in der Quantenoptik erfordern jedoch, dass das Licht unter vergleichsweise großen Winkeln gesammelt wird. Dies ist bei aktuellen Faserdesigns aufgrund der geringen Akzeptanzwinkel der gebräuchlichen Stufenindexfasern (wie bspw. SMF-28) nur schwer zu erreichen.

Um diesen Engpass zu überwinden und die Lichtsammeleffizienz der Faser zu verbessern, schlagen wir vor, ein Array klar definierter resonanter Nanoelementen auf den Stirnseiten der Faser zu platzieren. Wie sowohl durch Experimente als auch Simulationen bestätigt, ergeben auf der Stirnseite regulärer Stufenindexfasern aufgebrachte plasmonische Nanostrukturen funktionalisierte Fasern mit einer deutlich verbesserten Lichtsammelleistung, besonders bei Einfallswinkeln > 30°.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, wird bei Lichteinfall auf die nanostrukturierte Stirnfläche ein Teil des Lichts mittels Beugung durch das Nanostruktur-Array in den Faserkern geleitet, was die Lichtsammeleffizienz erhöht. Auch verbessert die plasmonische Resonanz der einzelnen Gold-Nanodots (siehe Abb. 1) die Faserkopplungsfähigkeit weiter durch die verbesserte Streuung der Elemente. Unser Konzept besteht dabei aus zwei Teilen – Glasfasersubstrat und plasmonische Nanostrukturen – die mittel Elektronenstrahllithographie einzigartig kombiniert werden.

Zur Implementierung dieses Konzepts verwenden wir die Elektronenstrahllithographie, um Nanostrukturen auf der Faserstirnfläche herzustellen. Im Detail bereiten wir aus den Fasern ein flaches „Substrat“ vor, indem wir sie in eine flache Glasscheibe einbetten, die in einer flachen Metalldose montiert ist. Mit dieser Technologie werden die Fasern planarisiert und mit der planaren Fertigungstechnologie kompatibel. Sie können dann wie typische Wafer behandelt werden, was einen bedeutenden Schritt auf dem Gebiet der Faserfunktionalisierung darstellt.

Wir konnten experimentell eine Verbesserung der Lichtsammeleffizienz um mehrere Größenordnungen zeigen, insbesondere für Einfallswinkel > 30°, wenn eine reguläre Stufenindexfaser mit einem periodischen Array metallischer Nanostrukturen auf einer ihrer Stirnflächen versehen war. Tatsächlich kann eine Einkopplung über die mit Nanodots versehene Stufenindexfaser noch bei Winkeln bis zu 80° detektiert werden, was ein Regime darstellt, das für Fasern mit nackten Stirnflächen unerreichbar ist. Wir entwickelten zusätzlich ein Modell, um den Einfluss der Nanostruktur auf die Koppeleffizienz zu veranschaulichen und führten vollständige numerische Simulationen durch, um zu zeigen, wie man die Leistung weiter verbessern kann.

Mit dem derzeit verwendeten Nanodot-Array lassen sich Weitwinkel-Kopplungseffizienzen in der Größenordnung von 10-4bis 10-5erreichen, was für Anwendungen mit hohem Photonenfluss ausreichend ist. Im Rahmen medizinischer Anwendungen lassen sich sehr wichtige endoskopische Anwendungen des Konzepts der nanostrukturierten Fasereinkopplung erwarten, da nackte Stufenindexfasern stark unter den schlechten Einkoppeleffizienzen bei großen Einfallswinkeln leiden. Eine Ausweitung des Konzepts der durch Nanostrukturen verbesserten Einkopplung auf solche Anwendungen würde eine Verbesserung der Kopplungseffizienz auf Größenordnungen wie 10-1bis 10-2erfordern, was durch die Verwendung einer geeigneten Nanostruktur wie bspw. Meta-Oberflächen möglich scheint.

Gefördert von: Freistaat Thüringen, EFRE, CSC

Wang, N., Zeisberger, M., Hübner, U., & Schmidt, M. A. (2018). Nanotrimer enhanced optical fiber tips implemented by electron beam lithography. Optical Materials Express, 8(8), 2246-2255.

Wang, N., Zeisberger, M., Huebner, U., Giannini, V., & Schmidt, M. A. (2019). Symmetry-breaking induced magnetic Fano resonances in densely packed arrays of symmetric nanotrimers. Scientific Reports, 9(1), 2873.

Wang, N., Zeisberger, M., Huebner, U., & Schmidt, M. A. (2019). Boosting light collection efficiency of optical fibers using metallic nanostructures. ACS Photonics.Zugehörige Publikationen: 

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