Hybrid polymer based Bragg grating sensors - Fundamental investigations and application (FR 713/10-2)
Third party funded individual grant
Acronym: FR 713/10-2
Start date : 01.10.2013
Project details
Short description
Within this work an optical sensor system based on Bragg-gratings is developed, aiming to enable the detection of temperature, humidity and the quantitative or qualitative analysis of gases and liquids. For the first time, Bragg gratings as integrated optical sensor elements are fabricated in hybrid polymers by using UV-enhanced inscription of the gratings through a phase mask. The sensor is based on a planar waveguide, containing a periodical modification of the refractive index in propagation direction. This modulation leads to a partial diffraction and reflection of the guided light spectrum. The reflected wavelength is depending on ambient conditions such as temperature or humidity and, therefore, allows their quantification.
By using the material class of hybrid polymers within this work, the advantages of commonly used inorganic and organic materials can be combined. For the first time, hybrid polymers are structured using substrate conformal imprint lithography (SCIL), creating waveguides and other optical structures. Compared to alternative structuring methods, multiple advantages arise from the use of SCIL, concerning process effort, the variety of usable substrates and the lateral resolution of optical structures. Another aim, besides extensive process developments concerning the fabrication of the sensors, is to investigate the sensors’ reflection signals as well as the evaluation of the usability of such sensors for different measurement applications.
Scientific Abstract
Ziel des hier beantragten Vorhabens mit dem Titel - Bragg-Gitter-Sensoren auf der Basis von Hybridpolymeren - ist die Entwicklung eines neuen Herstellungsverfahrens für photonische Strukturen und Bauelemente. Aus technologischer Sicht neu ist dabei der Einsatz der UV-gestützten substratkonformen Imprintlithografie (UV-SCIL) zur großflächigen Herstellung dreidimensionaler photonischer Strukturen in Hybridpolymeren kombiniert mit dem UV-gestützten Einschreiben von Bragg-Gittern in die vorstrukturierten Elemente. Dies ermöglicht die Herstellung von planaren Bragg-Gitter-Sensoren in dreidimensionalen photonischen Schaltungen mit nur zwei wesentlichen Prozessschritten. Zudem ist bei den Schaltungskomponenten durch den Einsatz von UV-SCIL eine sehr geringe Oberflächenrauigkeit und damit eine geringe Dämpfung sowie eine sehr hohe Genauigkeit der Strukturen zu erwarten. Im Rahmen des Vorhabens werden exemplarisch optische Wellenleiter, Koppler und vor allem integrierte Bragg-Gitter realisiert, zu einem Sensorelement kombiniert und für sensorische Aufgaben qualifiziert. Die hergestellten Demonstratoren eignen sich dabei beispielsweise zur Gasdetektion. Ein weiterer Schwerpunkt des Vorhabens liegt auf materialwissenschaftlichen Untersuchungen. So werden insbesondere die chemischen Prozesse identifiziert, die zur UV-induzierten Brechzahlmodifikation in den Hybridpolymeren führen und der Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf die Eigenschaften photonischer Bauelemente aus dieser Materialklasse untersucht. Komplettiert werden diese experimentellen Arbeiten durch eine vollständige Simulation des Einschreibevorgangs der Bragg-Gitter.