Bild 1: Fasern aus Siliziumnitrid (SiN) auf einem Siliziumchip. Diese Wellenleiter verteilen das Licht auf gut definierten Verbindungswegen über die Chip-Oberfläche von und zu den Detektoren.

Bild 1: Fasern aus Siliziumnitrid (SiN) auf einem Siliziumchip. Diese Wellenleiter verteilen das Licht auf gut definierten Verbindungswegen über die Chip-Oberfläche von und zu den Detektoren. Imec Smart Health

Bild 2: Von Imec hergestellte photonische Komponenten: Spektrometer, Glasfaser-Wellenleiter und Multi-Mode-Interferometer.

Bild 2: Von Imec hergestellte photonische Komponenten: Spektrometer, Glasfaser-Wellenleiter und Multi-Mode-Interferometer. Imec Smart Health

Die Photonik ist auch in unserer Alltagsumgebung bereits Tag für Tag, oft unbemerkt, im Einsatz: Glasfasern machen es möglich, Computer oder TV-Empfänger überall problemlos zu nutzen. Lichtwellenleiter übertragen Daten wesentlich schneller und effizienter als die Kabel der traditionellen digitalen Elektronik.

Dasselbe geht auch auf einem Chip. Mit extrem kompakten Strukturen und Glasfasern wird Licht auf den Chip geleitet und damit eine Reihe interessanter Funktionalitäten erschlossen. Dies kann die klassische Verarbeitung oder Übertragung von Daten involvieren. Aber es sind auch spezifische biologische Anwendungen denkbar. Bereits heute wird Licht als Trägermedium in der medizinischen Diagnostik sehr häufig eingesetzt. Mikroskopie und Spektroskopie sind die bekanntesten Beispiele. Licht ermöglicht das Zählen oder Visualisieren von Zellen, die Bestimmung der Eigenschaften von Materialien und Geweben, oder auch die Definition von DNA-Sequenzen.

Biophotonics-on-Chip ist eine relativ neue Forschungsrichtung, die im medizinischen Bereich sehr wichtig werden kann. Das gilt für die Diagnose, die Therapie und die Nachbehandlung. Schon bald werden Ärzte in der Lage sein, diese Technologie zur Analyse von Blutproben einzusetzen, und dabei nicht mehr auf die älteren, klobigen Fluoreszenz-Mikroskope zurückgreifen müssen. Auch die Untersuchung von Gewebeproben wird damit ohne den Einsatz großer Spektroskope möglich.

Natürlich ist es immer noch eine gewisse Herausforderung an die Technologie, derartige photonische Strukturen hinreichend klein zu gestalten und sie auf geeignete Weise in andere photonische Schaltungen zu integrieren. Erst damit können sie die spezifischen Aufgaben der medizinischen Diagnostik und Therapie mit guter Effizienz und Zuverlässigkeit absolvieren. In die bekannten Halbleiterstrukturen auf Silizium für Computerchips oder auf Materialien, die zum Si kompatibel sind, wie SiN, können ohne weiteres elektronische zusammen mit photonischen Funktionen integriert werden. Damit entstehen smarte und zugleich kompakte Systeme für die Medizin.

Von Bedeutung für die diagnostische Entscheidung

Gelingt dies, lassen sich leicht hunderte oder tausende derartiger Systemfunktionen Seite an Seite auf demselben Chip realisieren. Damit gewinnt man die erstrebten Messdaten und Ergebnisse sehr viel schneller als mit getrennten Systemen (Bild 1). Dank Biophotonics-on-Chip werden sehr bald kleinere und preisgünstigere Testchips zur Verfügung stehen, die für Ärzte bei ihren diagnostischen Entscheidungen von großer Bedeutung sind (Bild 2).

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