CH701504A2 - Integriert-optischer sensor mit externem flüssigkristallmodulator. - Google Patents

Abstract

Ein integriert-optischer Sensor für beispielsweise einen (Bio-)Chemischen Sensor weist einen Mess-Strahl (12) auf, welcher einen Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) durchläuft und anschliessend in einem optischen Wellenleiter (3) mit einem Einkoppelbereich (4) mindestens zwei Moden (14), (15) unterschiedlicher Polarisation anregt. Dabei gilt, dass die relative Phase der beiden Moden (14), (15) durch den Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) steuerbar ist.

Description

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der optischen Sensoren ohne Marker mit hoher Empfindlichkeit, grossem Messbereich, hoher Auslesegeschwindigkeit und grosser Robustheit in Bezug auf Fabrikationstoleranzen, insbesondere bestehend aus integriert-optischen Wellenleitern und einer Auslesevorrichtung, und deren Einsatz in (Bio-) Chemischen Sensoreinheiten, wie sie beispielsweise in der Pharmazeutik oder in der Diagnostik Verwendung finden, gemäss dem Oberbegriff der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche.

STAND DER TECHNIK

[0002] (Bio-) Chemische Sensoren ohne Marker (label-free) basierend auf optischen Ausleseverfahren sowie deren Anwendung sind allgemein bekannt.

[0003] WO2008CH00 098 beschreibt einen integriert optischen Sensor mit externem Flüssigkristall-Modulator, welcher sich durch eine hohe und einstellbare Empfindlichkeit, eine hohe Auslesegeschwindigkeit, die Eignung zur Integration in Mikrotiterplatten, niedrige Kosten pro Messpunkt, und einen grosser Messbereich auszeichnet. In der technischen Realisierung dieses Sensors stellt sich heraus, dass kostengünstige Flüssigkristall-Modulatoren signifikante Inhomogenitäten der Flüsigkristallschichtdicke aufweisen. Diese haben zur Folge, dass an unterschiedlichen Stellen des Modulators auftreffende Lichtstrahlen eine unterschiedliche Phasenmodulation erfahren. Dies erschwert die Referenzierung der Messresultate, da die Lichtstrahlen, welche für das Erfassen der Referenzmesswerte benutzt werden, an einem unterschiedlichen Ort auf den Modulator treffen als die für die Messungen benützten Lichtstrahlen.

[0004] US5 120 131 beschreibt einen integriert-optischen interferometrischen Sensor, welcher auf den unterschiedlichen Empfindlichkeiten von TE und TM Moden in einem Wellenleiter aufbaut. Die relative Phase dieser Wellen wird gemessen, indem die beiden Moden zur Interferenz gebracht werden. Die Methode hat den Vorteil, dass die Strahlen denselben Weg durchlaufen (engl. «common-path interferometer»), und der Sensor so robust gegenüber Brechungsindex-Schwankungen in der Umgebung ist. Der beschriebene Aufbau hat aber den Nachteil, dass keine absolute Kalibration der relativen Phase möglich ist. Zudem stellt die beschriebene bevorzugte Einkoppelung durch die Stirnfläche des Wellenleiters grosse Herausforderungen an die geometrischen Toleranzen des optischen Aufbaus.

[0005] US5 479 260 beschreibt einen integriert-optischen Sensor, in welchem TE- und TM Moden mit Hilfe eines bidiffraktiven Gitters ein-und ausgekoppelt werden und auf einem Liniensensor zur Interferenz gebracht werden. Das bidiffraktive Gitter wird dazu verwendet, die ein-und ausgekoppelten Intensitäten räumlich zu trennen. Für die Einkopplung der TE Moden wird die Resonanz der längeren Gitterperiode gewählt, für das Einkoppeln der TM Moden die Resonanz der kürzeren Gitterperiode. Dadurch entsteht der Nachteil, dass die beiden einfallenden Strahlen unterschiedlicher Polarisation sich in keinem Fall überlappen, und der Sensor somit anfällig ist gegenüber von lokalen Brechungsindex-Schwankungen. Zudem müssen die entsprechenden unterschiedlichen Winkel durch einen optischen Aufbau erzeugt werden.

[0006] Der Artikel [STAMM98] («Biosensing with the integrated-optical difference interferometer: dual-wavelength Operation», Ch. Stamm, R. Dangel, W. Lukosz, Optics Communications, Volume 153, Pages 347-359, 1998) zeigt die Verwendung von zwei verschiedenen Wellenlängen zur Bestimmung von verschiedenen Parametern während einer Messung. Der Aufbau entspricht im Übrigen US5 479 260 und leidet somit unter denselben Nachteilen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0007] Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Sensoreinheit zu schaffen, welche insbesondere für (Bio-) Chemische Messungen verwendet werden kann, und welche trotz einer sehr kostengünstigen Realisierung die Nachteile der bekannten Sensorgeometrien nicht aufweist.

[0008] Diese Aufgabe löst ein Sensor mit den Merkmalen der entsprechenden unabhängigen Patentansprüche.

[0009] Der integriert-optische Sensor weist also einen optischen Wellenleiter (3) auf, in welchem durch einen Einkoppelbereich (4) von einem optischen Mess-Strahl (12) mindestens zwei geführten Wellen, so genannten Moden unterschiedlicher Polarisation (14), (15) angeregt werden. Im Wellenleiter wird also jeweils gleichzeitig ein TE und ein TM Mode angeregt, welche sich mit unterschiedlichem effektiven Brechungsindex im Wellenleiter (3) ausbreiten. Der Koppelbereich (4) kann zum Beispiel als Gitterkoppler, als Prismenkoppler oder als Stirnflächenkoppler ausgebildet sein. Ein Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) ermöglicht es, die relative Phase der beiden Moden (14), (15) zu steuern. Als relative Phase wird die Differenz der jeweiligen Phasen bezeichnet. Dabei kann die relative Phase vorzugsweise über einen Bereich von über 2n vom Modulator abgetastet werden, oder bestimmte Phasen können eingestellt werden und die dazugehörigen Messwerte aufgezeichnet werden. Dazu sind die Flüssigkristallschichten vorzugsweise so auszurichten, dass hauptsächlich nur eine der beiden Polarisationen TE oder TM des Mess-Strahls (12) phasenmoduliert wird. Dazu werden die Flüssigkristall-Moleküle vorzugsweise parallel zum elektrischen Feld dieser Polarisation ausgerichtet. Erfindungsgemäss ist der Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) vor dem Einkoppelbereich (4) und nicht am Ausgang des Sensors angebracht. Dies ermöglicht eine genaue Referenzierung der Phasenverzögerung und eine absolute Kalibration. Somit ist der Sensor unempfindlich gegenüber Schwankungen der Wellenlänge und der Charakteristik des Flüssigkristall-Phasenmodulators (1).

[0010] Eine Veränderung des optischen Umfeldes innerhalb eines Messbereiches (5) durch (bio-) chemische oder physikalische Prozesse führt nun in bekanntem Mass zu einer Veränderung der effektiven Brechungsindizes der beiden Moden (14), (15). Dies führt in der Regel durch die unterschiedlichen Empfindlichkeiten zu einer sich verändernden relativen Phase beiden Moden (14), (15). Diese Veränderung kann nun gemessen werden, indem zum Beispiel die beiden Moden (14), (15) mit Hilfe eines Polarisators (27) zur Interferenz gebracht werden. Dabei werden die durch das Abtasten der relativen Phase mit dem Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) resultierenden Intensitäts-Variation mit einem Detektor (22) erfasst und entsprechend aufgezeichnet und ausgewertet.

[0011] In einer bevorzugten Ausführung können beide Polarisationen unabhängig voneinander vom Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) gesteuert werden. Dazu werden vorzugsweise zwei Flüssigkristall-Zellen hintereinander geschaltet, wobei die eine Zelle hauptsächlich die TE Polarisation steuert, und die andere Zelle hauptsächlich die TM Polarisation steuert. Widerum werden hierzu vorzugsweise Nematische Zellen verwendet, deren Moleküle jeweils parallel zum elektrischen Feld der phasenmodulierten Polarisation ausgerichtet sind. Diese Ausführung ermöglicht es, die in WO2008CH00098 beschriebene Messgeometrie zu verwenden, wobei in diesem Fall die TE und TM Moden unterschiedliche Messwerte liefern. In anderen Messgeometrien ermöglicht es diese Ausführung, die durch die Dynamik der Flüssigkristallzellen limitierte Modulationsfrequenz zu erhöhen.

[0012] In einer weiteren bevorzugten Ausführung werden beide Moden (14), (15) im Wellenleiter (3) durch den Mess-Strahl (12) unter einem zumindest annähernd gleichen Einfallswinkel angeregt. Dies kann zum Beispiel durch ein bidiffraktives Gitter, oder durch eine Stirnkopplung erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass die beiden Polarisationen die gleichen Strecken mit gleichen optischen Eigenschaften durchlaufen, und so zum Beispiel kleine Turbulenzen keine Störung der Resultate verursachen.

[0013] In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der Einkoppelbereich (4) als Gitterkoppler ausgeprägt. Dies hat den Vorteil, dass der Sensor von unten beleuchtet werden kann. Dies ist speziell in zu Mikrotiterplatten kompatiblen Geometrien von Vorteil.

[0014] Es stellt sich heraus, dass kostengünstige Flüssigkristallmodulatoren überraschend grosse Inhomogenitäten der Flüssigkristall-Schichtdicke aufweisen. Diese haben zur Folge, dass an unterschiedlichen Stellen des Modulators auftreffende Lichtstrahlen eine unterschiedliche Phasenmodulation erfahren und so eine Referenzierung erschweren, solange der Mess-Strahl nicht denselben Bereich des Modulators durchläuft wie der Referenz-Strahl. In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist deshalb zwischen dem Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) und dem Einkoppelbereich (4) ein Referenz-Strahlteiler (24) angebracht, welcher aus dem Mess-Strahl (12) einen Phasen-Referenz-Strahl (13) abzweigt. Dieser hat also denselben Bereich des Flüssigkristall-Phasenmodulators (1) durchlaufen wie der eigentliche Mess-Strahl (12). Vorzugsweise wird mit Hilfe eines Polarisators (26) eine Auto-Intensitätsmodulation dieses Phasen-Referenz-Strahl (13) erzeugt, welche mit einem Detektor (25) gemessen wird. Dies ermöglicht eine genaue Referenzierung der Resultate gegenüber der vom Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) tatsächlich induzierten Phasenverzögerung. Die Messung wird somit unempfindlich gegenüber Schwankungen der Wellenlänge und der ortsabhängigen Modulationscharakteristik des Flüssigkristall-Phasenmodulators (1). Dies kann mit bisherigen Geometrien nicht erreicht werden, da dort entweder ein Modulator am Ausgang des Sensors platziert ist und so die Modulator-Effekte nicht vom Signal unterschieden werden können, oder aber ein Teilstrahl zur Referenzierung benutzt wird, welcher nicht denselben Bereich des Modulators durchlaufen hat wie der eigentliche Mess-Strahl.

[0015] Eine weitere bevorzugte Ausführung beschränkt die maximale Intensitäts-Halbwertsbreite des Mess-Strahls (12) beim Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) auf weniger als 10 mm. Dadurch wird eine möglichst gleichmässige Phasenmodulation über den gesamten Querschnitt des Mess-Strahls (12) erreicht, und es wird in Verbindung mit der bevorzugten Ausführung mit der Referenzierung mit Hilfe eines Phasen-Referenz-Strahls (13) erreicht, dass der gemessene Referenz-Phasenhub dem Phasenhub des Mess-Strahls (12) genau entspricht. Vorzugsweise ist also die Halbwertsbreite des Mess-Strahls (12) so klein wie möglich zu wählen, ohne eine grosse Divergenz des Strahls zu verursachen.

[0016] In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann der Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) während einer Kalibration in der Position verstellt werden. Dies kann während einem einmaligen Einrichten während dem Herstellungsprozess geschehen oder aber während einer wiederkehrenden Kalibration des Sensors. Der Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass immer der Bereich mit der grössten Homogenität des Modulators ausgewählt werden kann, auch wenn dieser von Modulator zu Modulator in der Position verschoben ist.

[0017] In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist eine Beleuchtungsoptik (23) zwischen dem Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) und dem Einkoppelbereich (4) angeordnet. Dies ermöglicht das Beleuchten von grösseren Bereichen eines Sensors, zum Beispiel zur parallelen Detektion, unter Beibehaltung des Vorteils des kleinen Querschnitts des Mess-Strahls (12) beim Flüssigkristall-Phasenmodulator (1).

[0018] In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist der Einkoppelbereich (4) als Gitterkoppler mit mindesten zwei Haupt-Resonanzen ausgebildet, so dass die zwei orthogonal polarisierten Moden (14), (15) im Wellenleiter (3) in dieselbe Richtung laufen. Dazu wird vorzugsweise ein bidiffraktives Gitter verwendet, welches in bekannter Weise zwei Gitter-Periodizitäten Λ1und Λ2 im selben Koppelbereich vereinigt. Die Gitter-Periodizitäten sind demnach so zu wählen, dass die Koppelbedingung für beide Moden unter dem zumindest annähernd gleichen Winkel θ erfüllt ist: Λ1 = mg1λ/(N1 - sinθ) Λ2= mg2λ/(N2 - sinθ)

[0019] Wobei λ die Wellenlänge, mgi die gewünschte Beugungsordnung und N1, N2 die den beiden Moden entsprechenden effektiven Brechungsindizes sind.

[0020] Die Moden durchlaufen nach dem Einkoppeln einen Messbereich (5) und werden anschliessend zur Interferenz gebracht werden. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Moden (14), (15) die gleichen Orte des Wellenleiters durchlaufen und so gleichermassen durch allfällige lokale Brechungsindex-Schwankungen betroffen sind.

[0021] In einer weiteren bevorzugten Ausführung laufen die zwei orthogonal polarisierten Moden (14), (15) im Wellenleiter (3) in entgegengesetzte Richtung. Die Welle der ersten Polarisation (14) durchläuft einen Messbereich (5), welcher vorzugsweise eine Zusatzschicht zur Detektion von (bio-)chemischen Molekülen aufweist, wird an einem Reflektor (7) reflektiert wird, durchläuft den Messbereich (5) erneut und wird anschliessend mit der Welle der zweiten Polarisation (15) zur Interferenz gebracht. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass der Messbereich zweimal durchlaufen wird und somit der doppelte Phasenhub erreicht wird. Vorzugsweise wird zum Einkoppeln ein Gitter gewählt; die Gitter-Periodizität A wird entsprechend so gewählt, dass folgende Bedingung erfüllt ist: Λ = 2mg1λ/(N1+ N2)

[0022] Falls der resultierende Winkel nicht den übrigen Anforderungen entspricht, kann auch ein bidiffraktives Gitter gewählt werden.

[0023] Damit der Sensor nicht anfällig auf kleine Fabrikationstoleranzen wird, zeigt in einer weiteren bevorzugten Ausführung das Winkelspektrum der Resonanzen des Gitterkopplers eine Halbwertsbreite von mindestens 1°. Dies hat zur Folge, dass selbst wenn die Resonanz nicht genau getroffen wird, trotzdem die beiden Moden angeregt werden können. Dies ist speziell von Vorteil wenn unter dem gleichen Winkel zwei Resonanzen angeregt werden sollen. Dies kann vorzugsweise so erreicht werden, in dem der Gitterkoppler verkürzt wird, oder indem der Mess-Strahl leicht fokussiert wird. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass bei weiterer Verbreiterung der Resonanz über eine einzige Gitterperiode mehrere Moden unter dem gleichen Einfallswinkel eingekoppelt werden können, nämlich dann wenn die Halbwertsbreite der Resonanz grösser ist als der Abstand der Koppelwinkel der verschiedenen Moden.

[0024] In einer weiteren bevorzugten Ausführung besitzt der Sensor zusätzlich einen zweiten Mess-Strahl (12 ́), welcher sich vom ersten Mess-Strahl (12) in der Wellenlänge unterscheidet. Beide Strahlen regen in gleicher Weise jeweils zwei Moden im Wellenleiter an. Durch das Vergleichen der unterschiedlichen Messwerte können mehrere Parameter gleichzeitig bestimmt werden wie in [Stamm98] beschrieben. Erfindungsgemäss durchläuft dazu der zweite Mess-Strahl (12 ́) einen zweiten Flüssigkristall-Phasenmodulator (1 ́), wobei der erste und der zweite Flüssigkristall-Phasenmodulator (1), (T) unabhängig voneinander steuerbar sind. Dies kann dadurch erreicht werden, dass zwei völlig getrennte Modulatoren verwendet werden, oder die Elektroden eines Modulators können so strukturiert werden, dass zwei Bereiche unabhängig voneinander steuerbar sind. Der Vorteil der Trennung besteht darin, dass die durch die Dynamik der Flüssigkristallzellen limitierte Modulationsfrequenz erhöht werden kann. Eine beispielshafte Mess-Sequenz sähe so aus, dass zuerst der erste Mess-Strahl (12) aktiviert wird, dessen relative Phase durch Anlegen einer Spannung am Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) abgetastet wird und das entsprechende Signal aufgezeichnet wird. Anschliessend wird der Mess-Strahl (12) deaktiviert oder abgedunkelt, und der Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) kehrt nach Abschaltung der Spannung in die Ruheposition zurück. Während dieser Dunkel-Zeit kann nun der entsprechende Zyklus auf dem zweiten Mess-Strahl (12 ́) und mit dem zweiten Flüssigkristall-Phasenmodulator (1 ́) gefahren werden. Die Zeit, die die Flüssigkristall-Phasenmodulatoren (1), (1 ́) zur Relaxation benötigen, kann so also für eine weitere Messung verwendet werden. Dies ist speziell dann von Vorteil, wenn noch weitere Mess-Strahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge zugefügt werden um weitere Parameter zu bestimmen, da die Relaxationszeit des Flüssigkristalles in der Regel länger dauert als die «Einschaltzeit».

[0025] Der zweite Mess-Strahl (12 ́) kann auch denselben Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) durchlaufen wie der Mess-Strahl (12), dabei durchlaufen beide Mess-Strahlen (12), (12 ́) diesen erfindungsgemäss am zumindest annähernd selben Ort. Dadurch kann erreicht werden, dass trotz Verwendung nur eines Modulators die für beide Strahlen der Bereich mit der grössten Homogenität des Modulators ausgewählt werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0026] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch: <tb>Fig. 1, 5, 6, 7<sep>Querschnitt durch die Sensoren und dazugehörige Lichtpfade <tb>Fig. 2-3<sep>Perspektivische Ansichten von Flüssigkristallzellen-Phasenmodulatoren <tb>Fig. 4<sep>Interferenzbild der optischen Dicke eines Flüssigkristallzellen-Phasenmodulators

[0027] Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0028] Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Sensor und dazugehörige Lichtpfade. Der Sensor weist eine Lichtquelle (21) auf, welche vorzugsweise aus einem Diodenlaser mit einer Wellenlänge von 400 nm bis 1500 nm besteht, vorzugsweise mit einer Wellenlänge von 635 oder 650 nm. Der von der Lichtquelle ausgesandte Mess-Strahl (12) durchläuft einen Flüssigkristall-Phasenmodulator (1), welcher die relative Phase von zwei orthogonalen Polarisationen des Mess-Strahls (12) steuert. Diese Polarisationen sind vorzugsweise die TE und die TM -Polarisation, welche Ihre Definition durch die Ausrichtung eines Wellenleiters (3) relativ zum Mess-Strahl (12) erhalten. Vorzugsweise wird eine linear polarisierte Lichtquelle verwendet, wobei die Polarisation mit einem Winkel von annähernd 45° zu den TE und TM Polarisationen ausgerichtet ist, so dass TE und TM Polarisation die annähernd gleiche Lichtintensität erhalten. Vorzugsweise wird der Mess-Strahl anschliessend mit einem Referenz-Strahlteiler (24) aufgeteilt, so dass der dadurch entstehende Phasen-Referenz-Strahl (13) zur Bestimmung der durch den Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) induzierten Phasenhubs verwendet werden kann. Dazu werden die orthogonalen Polarisationen des Phasen-Referenz-Strahls (13) vorzugsweise mit Hilfe eines 45°-Referenz-Polarisators (26) zur Interferenz gebracht, welche anschliessend mit einem Phasen-Referenz-Detektor (25) gemessen werden kann.

[0029] Optional kann der Mess-Strahl (12) durch eine Beleuchtungsoptik (23) verändert werden, vorzugsweise wird der Mess-Strahl (12) dabei aufgeweitet, um eine grössere Fläche in Richtung der y-Achse der Figur abzudecken. Anschliessend regt der Mess-Strahl (12) durch einen Einkoppelbereich (4) mindestens zwei Moden (14), (15) unterschiedlicher Polarisation im Wellenleiter (3) an, welcher auf einem Substrat (2) aufgebracht ist. Der Wellenleiter (3) besteht vorzugsweise aus einem hochbrechenden und transparenten Metalloxid. Die Moden entsprechen vorzugsweise den TEO und TMO Moden des Wellenleiters. Die Moden beider Polarisationen (14), (15) durchlaufen in der Folge einen Messbereich (5) mit vorzugsweise einer Zusatzschicht, welche eine (Bio-) Chemische Substanz aus dem Analyten (6) binden kann. Der Analyt (6) kann entweder eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Eine optische Veränderung der Umgebung im Messbereich wirkt sich nun auf eine Veränderung der Phase am Ende des Wellenleiters aus. Diese ist in der Regel für die Moden beider Polarisationen (14), (15) unterschiedlich, somit kann die genannte optische Veränderung wie in US5 120 131 beschrieben durch Interferenz der beiden Moden gemessen werden.

[0030] Die Moden beider Polarisationen (14), (15) werden im Anschluss also beispielsweise durch einen Polarisator (27) zur Interferenz gebracht. Die Intensität der Interferenz kann wiederum anschliessend mit einem Detektor (22) gemessen werden. Sowohl die Lichtquelle (21), der Flüssigkristall-Phasenmodulator (1), der Phasen-Referenz-Detektor (25) und der Detektor (22) sind vorzugsweise durch eine Steuerungseinheit (20) verbunden, welche Steuer-Signale empfängt respektive Messdaten erhält. Die Steuerungseinheit (20) kann zum Beispiel ein Digitaler Signalprozessor (DSP), ein Mikroprozessor, oder ein Computer mit dazugehörigen Digital/Analog-Wandlern sein.

[0031] Um eine Messung vorzunehmen, steuert nun die Steuerungseinheit (20) den Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) dermassen, dass sich der Phasenhub der relativen Phasen der Polarisationen des Mess-Strahls (12) und somit auch der relativen Phasen der Moden beider Polarisationen (14), (15) zeitlich verändert. Diese Veränderung wirkt sich in der Folge auf die Intensität der Interferenz der Moden beider Polarisationen (14), (15) aus, welche die nun die Steuerungseinheit (20) aufzeichnet und entsprechend auswertet. Auf diese Weise können wie im Allgemeinen für sogenannte «Phase-Shift»-Interferometer bekannte Ansteuerungs- und Auswertungs- Schemen verwendet werden, um die relative Phase der interferierenden Wellen, zu bestimmen und somit die optische Veränderung im Messbereich zu charakterisieren.

[0032] Fig. 2 zeigt die perspektivische Ansicht eines Flüssigkristallzellen-Phasenmodulators (1) mit einer erfindungsgemässen Ausrichtung der Flüssigkristall-Moleküle. Durch den Flüssigkristallzellen-Phasenmodulator (1) in der dargestellten Konfiguration kann die relative Phase der beiden Moden (14), (15) gesteuert werden Die Ausrichtung der Moleküle ist schematisch grau und zigarrenförmig dargestellt. Die Flüssigkristall-Moleküle sind also im Wesentlichen parallel zum elektrischen Feld eines der Polarisationen des Mess-Strahls (12) ausgerichtet. Somit wird durch das Anlegen einer Spannung an die Elektroden nur diese Polarisation in der Phase beeinflusst. Um den gewünschten Effekt zu erreichen werden vorzugsweise sogenannte «planar untwisted nematic»-Zellen, Pi-Zellen oder HAN-Zellen eingesetzt.

[0033] Fig. 3 zeigt eine weitere perspektivische Ansicht eines Flüssigkristallzellen-Phasenmodulators (1) mit zwei hintereinander geschalteten Zellen. Durch den Flüssigkristallzellen-Phasenmodulator (1) in der dargestellten Konfiguration können beide Phasen der beiden Moden (14), (15) gesteuert werden Die Ausrichtung der Moleküle ist wiederum schematisch grau und zigarrenförmig dargestellt. Um beide Phasen der beiden zumindest annähernd orthogonal polarisierten Moden (14), (15) zu beeinflussen, werden vorzugsweise zwei Zellen mit orthogonaler Ausrichtung der Moleküle verwendet. Pro Zelle wird wiederum durch ein Anlegen einer Spannung an die Elektroden jeweils eine Polarisation in der Phase beeinflusst. Um den gewünschten Effekt zu erreichen werden wiederum vorzugsweise sogenannte «planar untwisted nematic»-Zellen, Pi-Zellen oder HAN-Zellen eingesetzt.

[0034] Fig. 4 zeigt das Interferenzbild der optischen Dicke eines kostengünstigen Flüssigkristallzellen-Phasenmodulators (1). Die Interferenzmuster wurden mit einem Laser im blauen Wellenlängen-Bereich erzeugt. Der Modulator vom Typ «planar untwisted nematic» hat eine Kantenlänge von ungefähr 30 mm, und ist mit einem nematischen Flüssigkristall gefüllt mit Schichtdicke von ungefähr 4 u.m und mit hoher Doppelbrechung von ungefähr Δn=0.33. Wie klar aus dem Bild ersichtlich ist variiert die optische Dicke des Modulators überraschend stark über die aktive Fläche. Dadurch ändert sich auch die Charakteristik des Phasenhubs abhängig von der angelegten Spannung über die aktive Fläche. Der Modulator wird also vorzugsweise mit einem Mess-Strahl (12) von kleiner Ausdehnung beleuchtet, damit die genannte Charakteristik für den gesamten Mess-Strahl gleichmässig ist. Ein bevorzugter Punkt zur Beleuchtung durch den Mess-Strahl (12) ist mit einem gestricheltem Fadenkreuz markiert. Dieser ist in der Regel von Modulator zu Modulator in der Position verschoben. Dadurch, und auch da sich der bevorzugte Punkt zudem nicht in der Mitte des Modulators befindet, kann der Modulator vorzugsweise zumindest während einem einmaligen Einrichten im Herstellungsprozess in der Position verschoben werden, so dass dieser optimale Punkt vom Mess-Strahl (12) getroffen wird.

[0035] Fig. 5 zeigt einen weiteren Querschnitt durch die Sensoren und dazugehörige Lichtpfade. Dabei laufen die zwei orthogonal polarisierten Moden (14), (15) im Wellenleiter (3) in entgegengesetzte Richtung. Die Welle der ersten Polarisation (14) durchläuft einen Messbereich (5), welcher vorzugsweise eine Zusatzschicht aufweist, wird an einem Reflektor (7) reflektiert wird, durchläuft den Messbereich (5) erneut und wird anschliessend mit der Welle der zweiten Polarisation (15) zur Interferenz gebracht. Der Reflektor (7) ist vorzugsweise als Bragg-Reflektor im Wellenleiter (3) ausgebildet.

[0036] Fig. 6 zeigt einen Querschnitt in x-y Richtung durch die Sensoren und dazugehörige Lichtpfade. Dabei ist eine Beleuchtungsoptik (23) zwischen dem Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) und dem Einkoppelbereich (4) detailliert dargestellt. Die Beleuchtungsoptik (23) weitet den Mess-Strahl (12) auf, unter Beibehaltung des Vorteils des kleinen Querschnitts des Mess-Strahls (12) beim Flüssigkristall-Phasenmodulator (1). Diese ermöglicht das Beleuchten von grösseren Bereichen eines Sensors, zum Beispiel zur parallelen Detektion,

[0037] Fig. 7 zeigt einen weiteren Querschnitt durch die Sensoren und dazugehörige Lichtpfade. Der Einfachheit halber wurde dabei in dieser Darstellung der Phasen-Referenz-Strahl (13) und dazugehörigem Referenz-Strahlteiler (24), sowie die Beleuchtungsoptik (23) weggelassen. Der Sensor besitzt zusätzlich einen zweiten Mess-Strahl (12 ́), welcher sich vom ersten Mess-Strahl (12) in der Wellenlänge unterscheidet. Beide Strahlen regen in gleicher Weise jeweils zwei Moden (14), (15) sowie (14 ́), (15 ́) (nicht dargestellt) im Wellenleiter an. Erfindungsgemäss durchläuft dazu der zweite Mess-Strahl (12 ́) einen zweiten Flüssigkristall-Phasenmodulator (1 ́), welcher vom ersten Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) getrennt ist. Dadurch sind der erste und der zweite Flüssigkristall-Phasenmodulator (1), (T) unabhängig voneinander steuerbar. Die zweite Wellenlänge erlaubt das bestimmen von mehreren Messparametern.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0038] <tb>1<sep>Flüssigkristall-Phasenmodulator <tb>2<sep>Substrat <tb>3<sep>Wellenleiter <tb>4<sep>Einkoppelbereich <tb>5<sep>Messbereich <tb>6<sep>Analyt <tb>7<sep>Reflektor <tb>8<sep>Strahlteiler <tb>9<sep>Spiegel <tb>10<sep>Polarisations-Rotator <tb>12<sep>Mess-Strahl <tb>13<sep>Phasen-Referenz-Strahl <tb>14<sep>Mode erster Polarisation <tb>15<sep>Mode zweiter Polarisation <tb>16<sep>Referenzstrahl <tb>20<sep>Steuerungseinheit <tb>21<sep>Lichtquelle <tb>22<sep>Detektor <tb>23<sep>Beleuchtungsoptik <tb>24<sep>Referenz-Strahlteiler <tb>25<sep>Phasen-Referenz-Detektor <tb>26<sep>Referenz-Polarisator <tb>27<sep>Mess-Polarisator

Claims (13)

1. Integriert-optischer Sensor, aufweisend - Einen Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) - Einen Wellenleiter (3) mit einem Einkoppelbereich (4) - Einen Mess-Strahl (12), der den Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) durchläuft und anschliessend durch den Einkoppelbereich (4) mindestens zwei Moden (14), (15) unterschiedlicher Polarisation im Wellenleiter (3) anregt, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phase der beiden Moden (14), (15) durch den Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) steuerbar ist.

2. Integriert-optischer Sensor gemäss Anspruch 1, wobei beide Phasen der Moden (14), (15) durch den Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) unabhängig voneinander steuerbar sind.

3. Integriert-optischer Sensor gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei die zwei Moden (14), (15) im Wellenleiter (3) durch den Mess-Strahl (12) unter dem zumindest annähernd gleichen Einfallswinkel angeregt werden können.

4. Integriert-optischer Sensor gemäss einem der Ansprüche 1-3, wobei der Einkoppelbereich (4) als Gitterkoppler ausgeprägt ist.

5. Integriert-optischer Sensor gemäss einem der Ansprüche 1-4, wobei zusätzlich ein Referenz-Strahlteiler (24) zwischen dem Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) und dem Einkoppelbereich (4) angeordnet ist, welcher einen Phasen-Referenz-Strahl (13) erzeugt zum Messen der vom Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) induzierten Phasenverzögerung.

6. Integriert-optischer Sensor gemäss einem der Ansprüche 1-5, wobei die maximale Halbwertsbreite des Mess-Strahls (12) beim Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) 10 mm beträgt.

7. Integriert-optischer Sensor gemäss Anspruch 6, wobei die maximale Halbwertsbreite des Mess-Strahls (12) beim Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) 5 mm oder 2 mm oder 1 mm beträgt.

8. Integriert-optischer Sensor gemäss einem der Ansprüche 1-7, wobei der Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) während einer Kalibration in der Position verstellbar ist.

9. Integriert-optischer Sensor gemäss einem der Ansprüche 1-8, wobei zusätzlich eine Beleuchtungsoptik (23) zwischen dem Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) und dem Einkoppelbereich (4) angeordnet ist.

10. Integriert-optischer Sensor gemäss Anspruch 4 und einem der Ansprüche 5-9, wobei der Gitterkoppler mindesten zwei Haupt-Resonanzen aufweist, so dass die zwei unterschiedlich polarisierten Moden (14), (15) im Wellenleiter (3) in dieselbe Richtung laufen, einen Messbereich (5) durchlaufen und anschliessend zur Interferenz gebracht werden.

11. Integriert-optischer Sensor gemäss einem der Ansprüche 1 -9, wobei die zwei unterschiedlich polarisierten Moden (14),(15) im Wellenleiter (3) in entgegengesetzte Richtung laufen, der Mode der ersten Polarisation (14) einen Messbereich (5) durchläuft, an einem Reflektor (7) reflektiert wird, den Messbereich (5) erneut durchläuft und anschliessend mit dem Mode der zweiten Polarisation (15) zur Interferenz gebracht wird.

12. Integriert-optischer Sensor gemäss einem der Ansprüche 1-11, wobei die Halbwertsbreite des Winkelspektrums mindestens einer Resonanz des Gitterkopplers mindestens 1° beträgt.

13. Integriert-optischer Sensor gemäss einem der Ansprüche 1-12, zusätzlich aufweisend einen zweiten Mess-Strahl (12 ́) welcher sich vom ersten Mess-Strahl (12) in der Wellenlänge unterscheidet, wobei entweder der Mess-Strahl (12 ́) einen zweiten Flüssigkristall-Phasenmodulator (1 ́) durchläuft und der erste und der zweite Flüssigkristall-Phasenmodulator (1),(T) unabhängig voneinander steuerbar sind oder der Mess-Strahl (12 ́) den Flüssigkristall-Phasenmodulator (1) am zumindest annähernd gleiche Ort durchläuft wie der Mess-Strahl (12).