DE102010029612B4

DE102010029612B4 - Coupling device for coupling light into a planar waveguide

Info

Publication number: DE102010029612B4
Application number: DE102010029612.0A
Authority: DE
Inventors: Thomas Fricke-Begemann
Original assignee: Laser Laboratorium Goettingen eV
Current assignee: Laser Laboratorium Goettingen eV
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2030-06-03
Also published as: WO2011151307A9; WO2011151307A3; DE102010029612A1; WO2011151307A2

Abstract

Einkoppelvorrichtung (100, 400) zum Einkoppeln von Licht in einen planaren Wellenleiter (102), umfassend: – eine Justiereinheit (106); – ein Kollimationselement (108); und – eine Gitterstruktur (110); wobei ein Lichtstrahlleiter (112) zum Leiten eines Lichtstrahls (114) von einer Lichtquelle ein Austrittsende (302) hat, an dem der Lichtstrahl (114) austritt, und die Justiereinheit (106) zur Aufnahme des Austrittsendes (302) ausgebildet ist; und wobei die Einkoppelvorrichtung (100) derart ausgebildet ist, dass das Kollimationselement (108) Licht des aus dem Austrittsende (302) austretenden Lichtstrahls (114) kollimiert; und das kollimierte Licht auf die Gitterstruktur (110) fällt, so dass ein Teil des Lichts in den planaren Wellenleiter (102) einkoppelbar ist, wenn die Gitterstruktur (110) in einen Bereich (118) eines evaneszenten Feldes (120) am planaren Wellenleiter (102) eingebracht wird; wobei die Justiereinheit (106) derart ausgebildet ist, dass das Austrittsende (302) des Lichtstrahlleiters (112) relativ zum Kollimationselement (108) justierbar ist, um einen Koppelwinkel des einzukoppelnden Lichts einzustellen und wobei die Einkoppelvorrichtung (100) zum Aufsetzen auf den planaren Wellenleiter (102) eingerichtet ist.A coupling device (100, 400) for coupling light into a planar waveguide (102), comprising: - an adjusting unit (106); - a collimation element (108); and a grid structure (110); wherein a light beam conductor (112) for directing a light beam (114) from a light source has an exit end (302) at which the light beam (114) exits, and the adjustment unit (106) is configured to receive the exit end (302); and wherein the coupling device (100) is designed such that the collimating element (108) collimates light of the light beam (114) emerging from the outlet end (302); and the collimated light is incident on the grating structure (110) such that a portion of the light is injectable into the planar waveguide (102) when the grating structure (110) enters an evanescent field region (118) on the planar waveguide (110). 102) is introduced; wherein the adjustment unit (106) is configured such that the exit end (302) of the light beam guide (112) is adjustable relative to the collimating element (108) to adjust a coupling angle of the light to be coupled, and wherein the coupling device (100) is for placement on the planar waveguide (102) is set up.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft eine Einkoppelvorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen planaren Wellenleiter, beispielsweise einen Dünnschicht- oder einen Monomode-Wellenleiter. Die Erfindung betrifft insbesondere die Einkopplung von Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge in derartige Wellenleiter.The invention relates to a coupling device for coupling light into a planar waveguide, for example a thin-film or a monomode waveguide. In particular, the invention relates to the coupling of laser light of a specific wavelength into such waveguides.

Stand der TechnikState of the art

Dünnschicht-Wellenleiter bestehen in der Regel aus einer einzigen, extrem dünnen Schicht eines transparenten, hochbrechenden Materiales, das auf ein Substrat wie beispielsweise Glas, Quarz oder Silizium aufgebracht ist. Das Substrat ist üblicherweise eben oder planar, beispielsweise als Objektträger im Bereich der Mikroskopie; wenn im Folgenden von planaren Wellenleitern die Rede ist, sind daher flächige, im wesentlichen ebene Wellenleiter gemeint, die aber als Ganzes im Prinzip durchaus auch eine von der Ebene abweichende Form aufweisen können, bspw. konvex oder konkav sein können. Die Schichtdicke eines Dünnschicht-Wellenleiters beträgt beispielsweise zwischen 50 Nanometern (nm) bis hin zu einigen 100 nm, was oft nur die Ausbreitung einer einzelnen Mode zulässt. Derartige Wellenleiter werden beispielsweise in der Telekommunikation, Materialcharakterisierung oder Biosensorik verwendet.Thin-film waveguides typically consist of a single, extremely thin layer of transparent, high refractive index material deposited on a substrate such as glass, quartz, or silicon. The substrate is usually planar or planar, for example as microscope slides in the field of microscopy; If, in the following, planar waveguides are mentioned, planar, substantially planar waveguides are therefore meant, which as a whole may in principle certainly also have a shape deviating from the plane, for example may be convex or concave. The layer thickness of a thin-film waveguide is, for example, between 50 nanometers (nm) up to several 100 nm, which often only allows the propagation of a single mode. Such waveguides are used for example in telecommunications, material characterization or biosensing.

In der Biosensorik werden Dünnschicht-Wellenleiter zum Beispiel eingesetzt, um eine effiziente Anregung von beispielsweise Farbstoffmolekülen auf einer Wellenleiteroberfläche in Fluoreszenz-Assays zu erreichen. Als weiteres Beispiel seien labelfreie Detektionskonzepte genannt, bei denen Änderungen in der Oberflächenbelegung verfolgt werden, die sich in einer geringfügigen Änderung des effektiven Brechnungsindex des Wellenleiters niederschlagen. Bei diesen und anderen Anwendungen ist die Wechselwirkung eines evaneszenten Feldes der im Wellenleiter geführten Mode mit Molekülen in der Nähe der Wellenleiteroberfläche von Bedeutung (Evaneszenz-Feld-Anregung). Ein evaneszentes Feld reicht bei typischen Anwendungen beispielsweise 30 nm–100 nm über die Wellenleiteroberfläche hinaus in das angrenzende Medium hinein und fällt dort exponentiell ab. Derartige Wellenleitersensorik ist daher gut zur Untersuchung oberflächengebundener bzw. -naher Reaktionen geeignet und erlaubt eine Diskriminierung oberflächennaher Prozesse gegenüber Prozessen, die im Volumen des umgebenden Mediums ablaufen.In biosensor technology, for example, thin-film waveguides are used to achieve efficient excitation of, for example, dye molecules on a waveguide surface in fluorescence assays. As a further example, label-free detection concepts are mentioned in which changes in the surface coverage are observed, which are reflected in a slight change in the effective refractive index of the waveguide. In these and other applications, the interaction of an evanescent field of waveguide-guided mode with molecules near the waveguide surface is important (evanescent field excitation). An evanescent field in typical applications, for example 30 nm-100 nm extends beyond the waveguide surface into the adjacent medium and drops there exponentially. Such waveguide sensor technology is therefore well suited for the investigation of surface-bound or near-reaction reactions and allows a discrimination of near-surface processes compared to processes that take place in the volume of the surrounding medium.

Bei Fluoreszenz-basierten Verfahren wie den oben beispielhaft erwähnten werden mit Farbstoffen markierte Biomoleküle im Bereich des evaneszenten Feldes zur Fluoreszenz angeregt und deren Intensität gemessen. Auf diese Weise können beispielsweise Bioaffinitätssensoren realisiert oder Analysen von Nukleinsäuren durchgeführt werden.In fluorescence-based methods, such as those mentioned above by way of example, biomolecules labeled with dyes are excited to fluoresce in the area of the evanescent field and their intensity is measured. In this way, for example, bioaffinity sensors can be realized or analyzes of nucleic acids can be carried out.

Für entsprechende Biochip-Systeme ist es i. d. R. vorteilhaft, dass ein quasi-monochromatischer Lichtstrahl, beispielsweise Laserstrahl, in den Wellenleiter eingekoppelt wird.For corresponding biochip systems it is i. d. R. advantageous that a quasi-monochromatic light beam, for example laser beam, is coupled into the waveguide.

Aufgrund der geringen Schichtdicke planarer (Monomode-)Wellenleiter ist eine Einkoppelung über eine Endfläche des Wellenleiters (wie sie beispielsweise bei optischen Fasern realisiert wird) schwierig; zumindest sind die erreichbaren Koppeleffizienzen für die meisten Anwendung zu gering. Eine Einstrahlung freien Lichts auf die Oberfläche des Wellenleiters fährt in der Regel ebenfalls nicht zu einer Einkopplung eines relevanten Lichtanteils.Due to the small layer thickness of planar (single-mode) waveguides coupling over an end face of the waveguide (as is realized for example in optical fibers) is difficult; At least the achievable coupling efficiencies are too low for most applications. An irradiation of free light on the surface of the waveguide usually also does not drive to a coupling of a relevant proportion of light.

Bekannt ist die Verwendung eines Prismas zur Einkopplung von Licht in einen planaren Wellenleiter. Diese Art der Einkopplung führt jedoch nur bei Multimode-Wellenleitern mit einer größeren Schichtdicke zu einer nennenswerten Einkopplung von Licht. Allerdings ergibt sich hierbei der Nachteil, dass das resultierende, evaneszente Feld an der Wellenleiteroberfläche wegen der Überlagerung verschiedener Moden Intensitätsmaxima und -minima aufweist, d. h. das evaneszente Feld ist inhomogen. Etwa für fluoreszenzbasierte Untersuchungen sollte aber vorzugsweise ein homogenes, evaneszentes Feld zur Verfügung stehen. Darüber hinaus ist die Intensität des evaneszenten Feldes in einem Multimode-Wellenleiter geringer.The use of a prism for coupling light into a planar waveguide is known. However, this type of coupling leads only to multimode waveguides with a greater layer thickness to a significant coupling of light. However, this has the disadvantage that the resulting, evanescent field on the waveguide surface due to the superposition of different modes intensity maxima and minima, d. H. the evanescent field is inhomogeneous. For fluorescence-based examinations, however, a homogeneous, evanescent field should preferably be available. In addition, the intensity of the evanescent field in a multimode waveguide is lower.

Zur gezielten Einkopplung einer einzigen Mode ist die Verwendung von Gitterkopplern bekannt. Dies sind Gitter mit Perioden im Sub-Mikrometer-Bereich, die beispielsweise über einen Ätzprozess in den Wellenleiter hineinstrukturiert werden. Die Strukturierung kann beispielsweise auf dem Substrat eines Biochips vor dessen Beschichtung mit dem Wellenleiter erfolgen. Gitter, welche die Einkopplung einer ersten Beugungsordnung ermöglichen, zeigen Einkoppeleffizienzen zwischen 20 Prozent (%) bis zu maximal 50%. Allerdings erfordern derartige Gitter für Licht im sichtbaren Spektralbereich Gitterperioden unterhalb 600 nm; die Einprägung derart hochfrequenter Gitter in den Wellenleiter ist ein wesentlicher Kostenfaktor bei deren Herstellung. Substrate aus Kunststoff, welche ein kostengünstigeres Prägen der Strukturen ermöglichen würden, haben eine unzureichende Oberflächenqualität.For the targeted coupling of a single mode, the use of grating couplers is known. These are grids with periods in the sub-micron range, which are structured into the waveguide, for example via an etching process. The structuring can be carried out, for example, on the substrate of a biochip before it is coated with the waveguide. Lattices that allow the coupling of a first diffraction order show Einkoppeleffizienzen between 20 percent (%) up to a maximum of 50%. However, such grids for light in the visible spectral range require grating periods below 600 nm; the imprinting of such high-frequency gratings in the waveguide is a significant cost factor in their production. Plastic substrates that would allow cheaper embossing of the structures have insufficient surface quality.

A. Kocabas et al., ”An elastomeric grating coupler”, Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 8(1), 85–87 (2006), beschreiben ein Verfahren zur Kopplung eines Freistrahls in einen planaren Wellenleiter mithilfe eines externen Gitters. Ein in Polydimethylsiloxan (PDMS) abgeformtes Gitter mit einer Gitterperiode von 600 nm und einer Gittertiefe von 200 nm wird auf einen planaren Dünnschicht-Wellenleiter aufgesetzt. Analog zu den einstrukturierten Gittern ermöglicht das externe Gitter bei Einstrahlung unter einem bestimmten, wohldefinierten Winkel die Einkopplung einer bestimmten Beugungsordnung. Allerdings muss der Einstrahlwinkel mit einer extrem hohen Auflösung von 0,05° präzise eingestellt werden, was eine aufwändige rotatorische Lagerung der Anordnung aus Substrat, Wellenleiter und aufgesetztem Gitter erfordert. Selbst dann liegt die Koppeleffizienz nur im Bereich von etwa 1%. Obwohl höhere Koppeleffizienzen theoretisch denkbar sein sollten, wurden diese nicht experimentell dargestellt. Ohnehin verhindert die aufwändige Apparatur zur Einstellung des Einstrahlwinkels des Freistrahls eine breite technische Anwendbarkeit.A. Kocabas et al., An elastomeric grating coupler, Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 8 (1), 85-87 (2006), describe a method of coupling a free jet into a planar waveguide using an external grating , A molded in polydimethylsiloxane (PDMS) grid with a grating period of 600 nm and a grating depth of 200 nm is set on a planar thin-film waveguide. Analogous to the structured grids, the external grating, when irradiated at a certain, well-defined angle, enables the coupling of a specific diffraction order. However, the angle of incidence with an extremely high resolution of 0.05 ° must be precisely adjusted, which requires a complex rotational storage of the arrangement of substrate, waveguide and mounted grid. Even then, the coupling efficiency is only in the range of about 1%. Although higher coupling efficiencies should theoretically be possible, they were not shown experimentally. In any case, the elaborate apparatus for adjusting the angle of incidence of the free jet prevents a wide technical applicability.

Kurze Darstellung der ErfindungBrief description of the invention

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einkoppelvorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen planaren Wellenleiter anzugeben, der eine effiziente Kopplung des Lichts ermöglicht und gleichzeitig einfach anwendbar und dementsprechend kostengünstig realisierbar ist.An object of the present invention is to provide a coupling device for coupling light in a planar waveguide, which allows efficient coupling of the light and at the same time is easy to use and, accordingly, inexpensive to implement.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einkoppelvorrichtung nach dem Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a coupling device according to claim 1.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung ist die Justiereinheit ausgebildet, um das Austrittsende in seiner Lage relativ zum Kollimationselement zu justieren, und ggf. auch um das Austrittsende in seinem Winkel relativ zum Kollimationselement zu justieren.In one embodiment of the coupling device according to the invention, the adjusting unit is designed to adjust the outlet end in its position relative to the Kollimationselement, and possibly also to adjust the outlet end in its angle relative to the Kollimationselement.

Die Einkoppelvorrichtung kann mit einer Positioniereinheit verbindbar sein, die zum Positionieren der Gitterstruktur auf einem Objekttisch beispielsweise eines Mikroskops ausgebildet ist. Als Positioniereinheit kann beispielsweise ein Manipulator eines Mikroskops Verwendung finden, mit dem die erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung verbindbar ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Positioniereinheit auch in die Einkoppelvorrichtung integriert sein.The coupling device can be connectable to a positioning unit, which is designed to position the grid structure on an object table, for example of a microscope. As a positioning unit, for example, a manipulator of a microscope can be used, with which the coupling device according to the invention can be connected. Additionally or alternatively, the positioning unit can also be integrated in the coupling device.

Die Justiereinheit kann insbesondere für eine Feineinstellung des Koppelwinkels ausgebildet sein, um durch eine entsprechende Justierung eine hohe Koppeleffizienz zu erreichen.The adjusting unit can be designed in particular for a fine adjustment of the coupling angle in order to achieve a high coupling efficiency by means of a corresponding adjustment.

Die erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung kann auf einen planaren Wellenleiter aufgesetzt werden, um sodann von der Positioniereinheit positioniert zu werden. Die Positioniereinheit kann zusätzlich oder alternativ ausgebildet sein, um die Gitterstruktur in einem geringen Abstand vom Wellenleiter zu positionieren, so dass beispielsweise eine mechanische Abnutzung der Gitterstruktur und/oder Wellenleiteroberfläche minimiert wird.The coupling device according to the invention can be placed on a planar waveguide, in order then to be positioned by the positioning unit. The positioning unit may additionally or alternatively be designed to position the grid structure at a small distance from the waveguide so that, for example, a mechanical wear of the grid structure and / or waveguide surface is minimized.

Das Kollimationselement kann einen lichtdurchlässigen Körper umfassen, der unter dem Koppelwinkel angeschliffen ist. Der Koppelwinkel kann bspw. zur Einkopplung einer ersten (oder zweiten, etc.) Beugungsordnung der Gitterstruktur vorgesehen sein. Das Kollimationselement kann beispielsweise eine Kollimationslinse oder eine andere kollimierende Optik, gegebenenfalls kombiniert mit einem Glas- oder Quarzzylinder, eine Stablinse und/oder eine Gradienten-Index-Linse (GRIN) umfassen.The collimating element may comprise a translucent body which is ground under the coupling angle. The coupling angle can be provided, for example, for coupling in a first (or second, etc.) diffraction order of the lattice structure. The collimating element may comprise for example a collimating lens or another collimating optics, optionally combined with a glass or quartz cylinder, a rod lens and / or a gradient index lens (GRIN).

Bei einer bestimmten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung ist die Gitterstruktur in eine Lichtaustrittsfläche des Kollimationselements einstrukturiert. Eine Gitterlänge der Gitterstruktur kann schmaler als ein Durchmesser des aus dem Kollimationselement austretenden Lichtstrahls sein. Eine Gittertiefe der Gitterstruktur kann kleiner sein als eine Wellenlänge des verwendeten Lichts, beispielsweise die Wellenlänge eines Lichtstrahls. Eine Gittertiefe der Gitterstruktur kann in etwa vergleichbar mit einem durchschnittlichen Abstand des Gitters vom Wellenleiter sein, wie er sich auch bei Aufsetzen der Gitterstruktur auf den planaren Wellenleiter durch Unebenheiten und/oder eine Immersionsflüssigkeit ergibt. Für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich kann eine Gittertiefe beispielsweise bevorzugt in der Größenordnung von 50 nm–200 nm, besonders bevorzugt von 100 nm sein.In a specific embodiment of the coupling device according to the invention, the grid structure is structured in a light exit surface of the Kollimationselements. A grating length of the grating structure may be narrower than a diameter of the light beam emerging from the collimating element. A grating depth of the grating structure may be smaller than a wavelength of the light used, for example, the wavelength of a light beam. A lattice depth of the lattice structure can be approximately comparable to an average distance of the lattice from the waveguide, as it results even when placing the lattice structure on the planar waveguide by unevenness and / or an immersion liquid. For light in the visible wavelength range, for example, a grating depth may preferably be in the order of 50 nm-200 nm, particularly preferably 100 nm.

Die Justiereinheit kann zur Aufnahme des Austrittsendes eines als Lichtleitfaser ausgebildeten Lichtstrahlleiters ausgebildet sein. Die Lichtleitfaser kann insbesondere eine Single-Mode-Faser oder Monomode-Faser sein.The adjusting unit may be designed to receive the outlet end of a light beam conductor designed as an optical fiber. The optical fiber may be, in particular, a single-mode fiber or a single-mode fiber.

Erfindungsgemäß wird weiterhin ein Mikroskop vorgeschlagen, welches eine der vorstehend skizzierten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung umfasst.According to the invention, a microscope is also proposed which comprises one of the above-outlined embodiments of a coupling device according to the invention.

Erfindungsgemäß wird weiterhin die Verwendung eines derart ausgebildeten Mikroskops für die Fluoreszenz-Mikroskopie, insbesondere die Interne Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (”Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy”, TIRF), vorgeschlagen.The invention further proposes the use of a microscope designed in this way for fluorescence microscopy, in particular internal total reflection fluorescence microscopy (TIRF).

Erfindungsgemäß wird weiterhin die Verwendung einer Positioniereinheit, beispielsweise eines Manipulators, eines Mikroskops vorgeschlagen, um eine Gitterstruktur einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung wie vorstehend skizziert zu positionieren, zum Beispiel an einem Objekttisch des Mikroskops.The invention further proposes the use of a positioning unit, for example of a manipulator, of a microscope, in order to position a grid structure of an embodiment of a coupling device according to the invention as sketched above, for example on a microscope stage.

In einer nicht erfindungsgemäßen Ausführung wird eine Einkoppelvorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen planaren Wellenleiter vorgeschlagen, welche eine Lichtleitfaser und eine Gitterstruktur umfasst. Die Lichtleitfaser ist zum Leiten eines Lichtstrahls von einer Lichtquelle ausgebildet und hat ein Austrittsende, an dem der Lichtstrahl austritt. Die Gitterstruktur ist in das Austrittsende der Lichtleitfaser einstrukturiert. Ein Teil des Lichts ist in den planaren Wellenleiter einkoppelbar, wenn die Gitterstruktur in einen Bereich eines evaneszenten Feldes am planaren Wellenleiter eingebracht wird. In a non-inventive embodiment, a coupling device for coupling light into a planar waveguide is proposed, which comprises an optical fiber and a lattice structure. The optical fiber is designed to guide a light beam from a light source and has an exit end at which the light beam exits. The lattice structure is structured in the exit end of the optical fiber. A portion of the light can be coupled into the planar waveguide when the grating structure is introduced into an evanescent field region on the planar waveguide.

Der Lichtleitfaser kann insbesondere eine Multi-Mode-Faser sein. Das Austrittsende der Lichtleitfaser kann unter einem Koppelwinkel angeschliffen sein. Die Einkoppelvorrichtung kann mit einer Positioniereinheit verbindbar sein, die zum Positionieren der Gitterstruktur auf einem Objekttisch, beispielsweise eines Mikroskops, ausgebildet ist. Bei dieser Positioniereinheit kann es sich insbesondere um einen Manipulator eines Mikroskops handeln.The optical fiber may in particular be a multi-mode fiber. The exit end of the optical fiber may be ground at a coupling angle. The coupling device can be connectable to a positioning unit, which is designed to position the grid structure on an object table, for example a microscope. This positioning unit may in particular be a manipulator of a microscope.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung ermöglicht ein einfaches Einstellen bzw. Einjustieren des Einstrahlwinkels auf die Gitterstruktur. Auf diese Weise kann eine hohe Koppeleffizienz erreicht werden. Somit kann insbesondere ein Laserstrahl effizient in einen Wellenleiter eingekoppelt werden, ohne dass dieser beispielsweise über eine eingeprägte Gitterstruktur verfügen muss. Die Einkoppelvorrichtung kann für eine beliebig große Zahl an Wellenleitern (wieder) verwendet werden. Aufwändige Strukturen zur Feinjustierung des Einkoppelwinkels entfallen. Darüberhinaus kann unter Umständen für die Positionierung der Einkoppelvorrichtung beispielsweise auf einem Objekttisch eines Mikroskops ein an einem Mikroskop bereits vorhandener Manipulator verwendet werden.The coupling device according to the invention enables a simple adjustment or adjustment of the angle of incidence on the grid structure. In this way, a high coupling efficiency can be achieved. Thus, in particular, a laser beam can be efficiently coupled into a waveguide without this having to have, for example, an embossed grid structure. The coupling device can (re) be used for an arbitrarily large number of waveguides. Elaborate structures for fine adjustment of the coupling angle eliminated. Moreover, under certain circumstances, a manipulator already present on a microscope can be used for positioning the coupling-in device, for example on a microscope stage of a microscope.

Da bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung in die Wellenleiter integrierte Gitterkoppler entfallen können, können Wellenleiterkomponenten kostengünstig gefertigt werden, was insbesondere bei wellenleiterbasierten Einwegprodukten, wie bei vielen Biochips, von Bedeutung ist. Darüber hinaus entfallen Restriktionen bei der Herstellung von Wellenleiterchips. So ist es beispielsweise bisher nicht möglich gewesen, Wellenleiter mit integrierten Gitterkopplern und gleichzeitig sehr kleinen, für die inverse Mikroskopie geeigneten Substratdicken herzustellen; dieses Problem entfällt nunmehr.Since when using a coupling device according to the invention integrated into the waveguide grating couplers can be omitted, waveguide components can be manufactured inexpensively, which is particularly important in waveguide-based disposable products, as in many biochips of importance. In addition, there are no restrictions on the production of waveguide chips. For example, it has not hitherto been possible to produce waveguides with integrated grating couplers and at the same time very small substrate thicknesses suitable for inverse microscopy; this problem is now eliminated.

Da der Laserstrahl nicht im Freifeld geführt werden muss, sondern einfach in ein entferntes Faserende eingekoppelt wird, ist eine den Laser hochgenau in Winkel und Lage zu den bisher verwendeten Gitterkopplern positionierende Mechanik überflüssig.Since the laser beam does not have to be guided in the free field but is simply coupled into a remote fiber end, a mechanism that positions the laser with high precision in terms of angle and position to the previously used grating couplers is superfluous.

Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung kann auf einfachen, nicht speziell für Fluoreszenzanwendungen ausgerüsteten Mikroskopen eine Evaneszenzfeld-Anregung durchgeführt werden. Somit können einfache Mikroskope als Plattform für die beispielsweise TIRF-Mikroskopie verwendet werden. Die erforderlichen Nachrüstungen sind für Mikroskope und Probenträger, falls überhaupt erforderlich, kostengünstig möglich.When using a coupling device according to the invention an evanescent field excitation can be carried out on simple, not specially equipped for fluorescence microscopes. Thus, simple microscopes can be used as a platform for, for example, TIRF microscopy. The necessary retrofits are cost-effective for microscopes and sample carriers, if necessary at all.

Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung von speziellen Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Figuren ersichtlich. Von diesen zeigt:Further aspects and advantages of the invention will become apparent from the following description of specific embodiments with reference to the accompanying figures. From these shows:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung; 1 a first embodiment of a coupling device according to the invention;

2 eine Detailansicht der Gitterstruktur der Einkoppelvorrichtung aus 1; 2 a detailed view of the grid structure of the coupling device 1 ;

3 eine Detailansicht der Justiereinheit der Einkoppelvorrichtung aus 1; 3 a detailed view of the adjusting unit of the coupling device 1 ;

4 in Form einer Prinzipskizze ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung verbunden mit einem Manipulator eines Mikroskops; 4 in the form of a schematic diagram of another embodiment of a coupling device according to the invention connected to a manipulator of a microscope;

5 ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Einkoppelvorrichtung; und 5 a non-inventive embodiment of a coupling device; and

6 eine Detailansicht der Einkoppelvorrichtung aus 5 verbunden mit einem Manipulator eines Mikroskops. 6 a detailed view of the coupling device 5 connected to a manipulator of a microscope.

Detaillierte Beschreibung der AusführungsbeispieleDetailed description of the embodiments

In den Figuren werden für gleiche Komponenten gleiche Bezugszeichen verwendet.In the figures, like reference numerals are used for like components.

1 zeigt in Form einer Prinzipskizze ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung 100 zum Einkoppeln von Licht in einen planaren Wellenleiter 102, der auf einem Substrat 104 aufgebracht ist. Die Einkoppelvorrichtung 100 umfasst eine Justiereinheit 106, ein Kollimationselement 108 und eine Gitterstruktur 110. Ein als optische Faser 112 ausgeführter Lichtstrahlleiter ist in der Justiereinheit 106 aufgenommen. 1 shows in the form of a schematic diagram of a first embodiment of a coupling device according to the invention 100 for coupling light into a planar waveguide 102 standing on a substrate 104 is applied. The coupling device 100 includes an adjustment unit 106 , a collimation element 108 and a grid structure 110 , One as an optical fiber 112 executed light beam is in the alignment unit 106 added.

Ein Lichtstrahl 114 wird von einer entfernten Lichtquelle (nicht gezeigt) über die optische Faser 112 in die Einkoppelvorrichtung 100 geführt. Das Kollimationselement 108 weitet den Lichtstrahl 112 auf und kollimiert ihn. Das kollimierte Licht fällt auf die Gitterstruktur 110. Ein Teil 116 des Lichts 114 koppelt in den planaren Wellenleiter 102 ein, wenn sich die Gitterstruktur 110 in einem Bereich 118 eines evaneszenten Feldes 120 des Wellenleiters 102 befindet.A ray of light 114 is from a remote light source (not shown) over the optical fiber 112 in the coupling device 100 guided. The collimation element 108 widens the beam of light 112 up and collapsing him. The collimated light falls on the grid structure 110 , A part 116 of the light 114 coupled in the planar waveguide 102 one, if the grid structure 110 in one area 118 an evanescent field 120 of the waveguide 102 located.

Bei der optischen Faser 112 kann es sich konkret um eine Single-Mode-Faser handeln, die Licht mit einer Wellenlänge von 633 nm eines als Lichtquelle verwendeten He-Ne-Lasers führt. Bei dem planaren Wellenleiter 102 kann es sich insbesondere um einen Monomode-Wellenleiter (bspw. einen Dünnschicht-Wellenleiter) zum Leiten einer einzigen Mode handeln.With the optical fiber 112 Concretely, it may be a single-mode fiber that carries light having a wavelength of 633 nm of a He-Ne laser used as a light source. In the planar waveguide 102 in particular, it may be a single mode waveguide (eg, a thin film waveguide) for conducting a single mode.

2 zeigt eine Lichtaustrittsfläche 200 des Kollimationselements 108 aus 1 in einer vergrößerten Ausschnittsansicht. Bei dem hier beschriebenen Beispiel umfasst das Kollimationselement 108 eine Gradientenoptik, d. h. eine Gradienten-Index(GRIN)-Linse 202, die bspw. eine Pitchlänge von 0.25, eine Numerische Apertur NA von 0.46 und einen Durchmesser von 1 Millimeter (mm) aufweisen kann. Die GRIN-Linse 202 ist unter einem Winkel 204 von bspw. 20° angeschliffen. 2 shows a light exit surface 200 of the collimation element 108 out 1 in an enlarged detail view. In the example described here, the collimation element comprises 108 a gradient optics, ie a gradient index (GRIN) lens 202 which may, for example, have a pitch length of 0.25, a numerical aperture NA of 0.46 and a diameter of 1 millimeter (mm). The GRIN lens 202 is at an angle 204 ground of, for example, 20 °.

Die Gitterstruktur 110 ist unmittelbar in die Lichtaustrittsfläche 200 der GRIN-Linse 202 einstrukturiert. Dies kann bspw. durch direkte Laserablation unter Verwendung eines F₂-Lasers bei 157 nm und einer Maskenprojektion erfolgen. Statt eines Rechteckprofils wie in 2 gezeigt kann etwa auch ein Sägezahn- oder Sinusprofil einstrukturiert werden. Eine Gitterperiode 206 kann bspw. 500 nm betragen. Für einen Durchmesser 208 des kollimierten Strahls 114 von zum Beispiel 250 μm kann eine Länge 210 des Gitters bzw. Gitterstreifens 110 einen etwas kleineren Wert von z. B. 200 μm haben. Eine Gittertiefe 212 kann etwa 100 nm betragen.The grid structure 110 is directly in the light exit surface 200 the GRIN lens 202 einstrukturiert. This can be done, for example, by direct laser ablation using an F ₂ laser at 157 nm and a mask projection. Instead of a rectangle profile like in 2 For example, a sawtooth or sinusoidal profile can also be structured. A grating period 206 may be, for example, 500 nm. For a diameter 208 of the collimated beam 114 of, for example, 250 microns, a length 210 of the grid or lattice strip 110 a slightly smaller value of z. B. have 200 microns. A grid depth 212 can be about 100 nm.

Bei Verwendung von Licht einer anderen Wellenlänge kann es vorteilhaft sein, die Werte von bspw. Gitterperiode und -tiefe anders zu wählen. Jedoch sollte eine Gittertiefe der Gitterstruktur kleiner sein als die Wellenlänge des verwendeten (monochromen) Lichts. Die Gittertiefe kann vergleichbar zur Reichweite des evaneszenten Feldes gewählt werden; eine größere Gittertiefe führt nicht mehr zu einer weiteren Erhöhung der erzielbaren Koppeleffizienz, während eine kleinere Gittertiefe die maximal erreichbare Koppeleffizienz verringert.When using light of a different wavelength, it may be advantageous to choose the values of, for example, grating period and depth differently. However, a grating depth of the grating structure should be smaller than the wavelength of the used (monochrome) light. The grid depth can be selected comparable to the range of the evanescent field; a larger grid depth no longer leads to a further increase in the achievable coupling efficiency, while a smaller grid depth reduces the maximum achievable coupling efficiency.

Bei einer Abwandlung der hier diskutierten Einkoppelvorrichtung wird statt einer GRIN-Linse beispielsweise eine konventionelle (z. B. sphärische) Kollimationslinse oder eine Stablinse verwendet. Die Gitterstruktur kann etwa in Zusammenhang mit einem weiteren optischen Element vorliegen, beispielsweise einem Glas- oder Quarzzylinder.In a variation of the coupling device discussed herein, instead of a GRIN lens, for example, a conventional (eg, spherical) collimating lens or rod lens is used. The lattice structure may be present in connection with another optical element, for example a glass or quartz cylinder.

Unter erneuter Bezugnahme auf 1 kann es sich bei der Anordnung aus Substrat 104 und Wellenleiter 102 beispielsweise um einen für eine Anwendung in der Biosensorik vorgesehenen Wellenleiter-Chip bzw. Biochip 121 handeln. So kann der Wellenleiter 102 beispielsweise aus Tantal(V)-oxid (Ta₂O₅) bei einer Schichtdicke 122 von 150 nm bestehen, aufgebracht auf 0.7 mm Glassubstrat 104.Referring again to 1 it may be in the arrangement of substrate 104 and waveguides 102 For example, a provided for an application in the biosensor waveguide chip or biochip 121 act. So can the waveguide 102 for example, from tantalum (V) oxide (Ta ₂ O ₅ ) at a layer thickness 122 of 150 nm, deposited on 0.7 mm glass substrate 104 ,

Bei der Anordnung in 1 wird die Gitterstruktur 110 mit direktem Kontakt auf die Oberfläche 124 des Wellenleiters 102 aufgesetzt. Die Verwendung einer Immersionsflüssigkeit ist möglich, kann aber problematisch sein, da eine solche Flüssigkeit in der Regel zu einer Reduzierung des Brechungsindexunterschiedes führt. Die Flüssigkeit dringt eventuell auch in das Gitter ein, so dass hier der Übergang vom Material der Gitterstruktur zur Umgebung (hierbei kann es sich bspw. um einen Übergang Glas – Luft handeln) verändert wird. Das direkte Aufsetzen des Gitters auf den Wellenleiter ist in vielen Fällen unproblematisch, bspw. wenn die Gitterstruktur aus Glas besteht, ist diese hart genug, um eine Vielzahl von Anwendungen zu überstehen. – Aufgrund von Unebenheiten wird stets ein endlicher Abstand zwischen Gitterstruktur 110 und Wellenleiteroberfläche 124 verbleiben. Zur Erreichung einer hohen Einkoppeleffizienz muss dieser Abstand aber kleiner sein als die Reichweite 118 des evaneszenten Feldes, damit das hochfrequente Gitter die zur Kopplung notwendige Modulation des Brechungsindex im Wellenleiter induzieren kann. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel 100 einer Einkoppelvorrichtung sind Koppeleffizienzen im Bereich von bis zu 40% oder mehr erzielbar.When arranged in 1 becomes the lattice structure 110 with direct contact to the surface 124 of the waveguide 102 placed. The use of an immersion liquid is possible, but can be problematic, since such a liquid usually leads to a reduction in the refractive index difference. The liquid may also penetrate into the grid, so that here the transition from the material of the grid structure to the environment (this may, for example, to a transition glass - air act) is changed. The direct placement of the grid on the waveguide is unproblematic in many cases, for example. If the grid structure is made of glass, this is hard enough to survive a variety of applications. - Due to bumps is always a finite distance between grid structure 110 and waveguide surface 124 remain. To achieve a high coupling efficiency, however, this distance must be smaller than the range 118 of the evanescent field, so that the high-frequency grating can induce the necessary for coupling modulation of the refractive index in the waveguide. In the embodiment described here 100 a coupling device coupling efficiencies in the range of up to 40% or more can be achieved.

Für eine große Koppeleffizienz muss der Koppelwinkel sehr genau einstellbar sein. Der optimale Koppelwinkel hängt u. a. auch geringfügig vom Abstand zwischen Gitterstruktur und Wellenleiteroberfläche ab, der wiederum im Detail von den konkreten Anwendungsbedingungen abhängt. Eine Grobeinstellung des Koppelwinkels, wie sie durch das unter dem Winkel 204 (2) angeschliffene Kollimationselement bereitgestellt wird, reicht für die Erzielung hoher Koppeleffizienzen in der Regel nicht aus.For a large coupling efficiency, the coupling angle must be very precisely adjustable. The optimal coupling angle also depends, inter alia, slightly on the distance between the lattice structure and the waveguide surface, which in turn depends in detail on the specific application conditions. A coarse adjustment of the coupling angle, as by the angle 204 ( 2 ) provided polished collimating element is not sufficient for the achievement of high coupling efficiencies in the rule.

Die Einkoppelvorrichtung 100 bietet eine Möglichkeit zur hochgenauen Feinjustierung des Koppelwinkels über die Justiereinheit 106. Eine genauere Darstellung der Justiereinheit 106 ist in 3 gegeben. Das Austrittsende 302 der Single-Mode-Faser 112 ist in eine Positioniermechanik 304 der Justiereinheit 106 aufgenommen. Wie durch den Doppelpfeil 306 angedeutet, ist die Mechanik 304 ausgebildet, eine Lage des Austrittsendes 302 (und damit des Lichtstrahls 114) relativ zum Kollimationselement 108 einzustellen. Die Mechanik 304 kann weiterhin ausgebildet sein, eine Winkelposition des Austrittsendes 302 relativ zum Kollimationselement 108 einzustellen, und damit einen Winkel, unter dem der Lichtstrahl 114 in das Kollimationselement eintritt, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Im Grundsatz verändert eine Veränderung der Lage der Faser 112 den Koppelwinkel, während eine Veränderung des Winkels der Faser 112 lediglich die Lage des aus der Gitterstruktur austretenden 'Lichtflecks' verändert.The coupling device 100 offers a possibility for highly accurate fine adjustment of the coupling angle via the adjusting unit 106 , A more detailed representation of the adjustment unit 106 is in 3 given. The exit end 302 the single-mode fiber 112 is in a positioning mechanism 304 the adjustment unit 106 added. As by the double arrow 306 implied is the mechanics 304 formed, a position of the outlet end 302 (and thus the light beam 114 ) relative to the collimation element 108 adjust. The mechanic 304 can also be formed, an angular position of the outlet end 302 relative to the collimation element 108 adjust, and thus an angle under which the beam of light 114 enters the collimation, but this is not mandatory. In principle, a change in the position of the fiber changes 112 the coupling angle, while a change in the angle of the fiber 112 only changed the position of emerging from the grid structure 'light spot'.

Ein Bediener der Justiereinheit 106 greift über ein Einstellelement 310 auf die Positioniermechanik 304 zu. Entsprechend einer konkreten Position in Winkel und Lage des Austrittsendes 302 ändert sich der Durchgang des Strahls 114 durch das Kollimationselement 108 und das Auftreffen des Strahls 114 auf die Gitterstruktur 110 (1). Auf diese Weise kann der Koppelwinkel des einzukoppelnden Lichts justiert werden. In einem Mikroskopier-Umfeld kann ein Bediener durch Bedienung des Einstellelements 310 und bspw. gleichzeitige Beobachtung von in den Wellenleiter eingekoppelten Licht die Koppeleffizienz auf einfache Weise optimieren. Hierfür kann bspw. Licht aus dem Wellenleiter wieder ausgekoppelt werden oder es kann die Koppeleffizienz anhand des Auftretens von Fluoreszenzerscheinungen beurteilt werden. Bei geringfügiger Dejustage des Koppelwinkels geht die Einkopplung verloren.An operator of the adjustment unit 106 accesses a setting element 310 on the positioning mechanism 304 to. Corresponding to a specific position in angle and position of the exit end 302 the passage of the beam changes 114 through the collimation element 108 and the impact of the beam 114 on the grid structure 110 ( 1 ). In this way, the coupling angle of the light to be coupled can be adjusted. In a microscopy environment, an operator can operate by adjusting the adjustment 310 and, for example, simultaneous observation of light coupled into the waveguide optimizes the coupling efficiency in a simple manner. For this purpose, for example, light can be coupled out of the waveguide again or the coupling efficiency can be assessed on the basis of the appearance of fluorescence phenomena. At slight misalignment of the coupling angle, the coupling is lost.

4 zeigt in Form einer perspektivischen Prinzipskizze die Verwendung eines weiteren Ausführungsbeispiels 400 einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung an einem Mikroskop 402. Ein Biochip 404 weist wie der Biochip 121 aus 1 einen planaren Dünnschicht-Wellenleiter 405 auf. Der Biochip befindet sich auf einem Objekttisch 406 des Mikroskops 402. Die Einkoppelvorrichtung 400 weist vergleichbare Komponenten wie die in 1 illustrierte Einkoppelvorrichtung 100 auf, die jedoch in eine äußere Ummantelung 408 der Einkoppelvorrichtung 400 aufgenommen und daher in der Ansicht der 4 nicht sichtbar sind. Weiterhin verfügt die Einkoppelvorrichtung 400 über eine Single-Mode-Faser 410, die auf vergleichbare Weise wie in den 1 und 3 anhand der Faser 112 gezeigt, Licht in die Einkoppelvorrichtung 400 hineinführt. Die Faser 410 verfügt über ein Eintrittsende 412, über das Licht einer entfernten Laserquelle 414 und gegebenenfalls eine weitere Faser 416 in die Faser 410 bzw. die Einkoppelvorrichtung 400 eingespeist wird. 4 shows in the form of a perspective schematic diagram the use of a further embodiment 400 a coupling device according to the invention on a microscope 402 , A biochip 404 like the biochip 121 out 1 a planar thin-film waveguide 405 on. The biochip is on a stage 406 of the microscope 402 , The coupling device 400 has comparable components as those in 1 illustrated coupling device 100 on, however, in an outer shell 408 the coupling device 400 recorded and therefore in the view of 4 are not visible. Furthermore, the coupling device has 400 over a single-mode fiber 410 in a similar way as in the 1 and 3 based on the fiber 112 shown light in the coupling device 400 ushers. The fiber 410 has an entry end 412 , via the light of a distant laser source 414 and optionally another fiber 416 in the fiber 410 or the coupling device 400 is fed.

Die Einkoppelvorrichtung 400 wird durch einen Manipulator 418 gehalten, der bspw. ein integrierter Bestandteil des Mikroskops 402 sein kann. Durch den Manipulator 418 wird die Einkoppelvorrichtung mit ihrem unter dem gewünschten Koppelwinkel angeschliffenen Ende (vgl. 1 und 2) plan auf dem planaren Wellenleiter 405 des Biochips 404 aufgesetzt und so gehalten. Wie aus 4 unmittelbar ersichtlich, kann der Wellenleiter 405 insgesamt plan ausgeführt sein; für die Einkopplung von Licht mittels einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung ist es allerdings nur erforderlich, dass der Wellenleiter im Bereich der aufgesetzten Gitterstruktur plan ist. Abgesehen davon kann der Wellenleiter aber im Prinzip insgesamt durchaus auch eine andere Form, bspw. eine konvexe oder konkave Form haben. Es wird angemerkt, dass auch diese abweichenden Formgebungen unter die Bezeichnung ”planarer Wellenleiter” fallen sollen.The coupling device 400 is through a manipulator 418 held, the example. An integrated part of the microscope 402 can be. Through the manipulator 418 If the coupling device with its ground under the desired coupling angle end (see. 1 and 2 ) plan on the planar waveguide 405 of the biochip 404 put on and kept that way. How out 4 Immediately apparent, the waveguide 405 overall plan to be executed; for the coupling of light by means of a coupling device according to the invention, however, it is only necessary that the waveguide in the region of the patch grid structure is flat. Apart from that, however, the waveguide can, in principle, quite definitely also have a different shape, for example a convex or concave shape. It should be noted that these deviant shapes should also be called "planar waveguides".

Nach dem Aufsetzen der Einkoppelvorrichtung 400 auf den Wellenleiter 405 und ggf. den Anschluss der Laserquelle 414 muss zur Erzielung einer hohen Koppeleffizienz der Koppelwinkel feinjustiert werden. Hierzu ist der Einkoppelvorrichtung 400, statt eines unmittelbar mechanischen Einstellelements 310 wie in 3 gezeigt, eine entfernte Steuerung 420 zugeordnet, die über eine Verbindung 422 auf die Justiereinheit der Einkoppelvorrichtung 400 zugreift. Die Verbindung 422 kann bspw. als (elektrische) Kabelverbindung ausgeführt sein.After placing the coupling device 400 on the waveguide 405 and possibly the connection of the laser source 414 In order to achieve a high coupling efficiency, the coupling angle must be finely adjusted. For this purpose, the coupling device 400 , instead of a directly mechanical adjustment 310 as in 3 shown a remote control 420 associated with that over a connection 422 on the adjusting unit of the coupling device 400 accesses. The connection 422 can, for example, be designed as (electrical) cable connection.

Wie aus der 4 unmittelbar ersichtlich, kann die Einkoppelvorrichtung 400 mittels des Manipulators 418 frei auf dem Wellenleiter 405 positioniert werden, bspw. in der Nähe eines Bildfeldes 424, und wieder vom Wellenleiter 405 bzw. Biochip 404 entfernt werden. Die Einkoppelvorrichtung kann so für die Einkopplung von Licht in eine prinzipiell unbegrenzte Anzahl an planaren Wellenleitern genutzt werden. Diese Wellenleiter bzw. die diese Wellenleiter enthaltenden Anordnungen (Biochips, etc.) benötigen keine weiteren Einkoppelvorrichtungen wie bspw. eingeprägte Gitterkoppler und können deshalb einfach ausgeführt sein.Like from the 4 Immediately apparent, the coupling device 400 by means of the manipulator 418 free on the waveguide 405 be positioned, for example, in the vicinity of a field of view 424 , and again from the waveguide 405 or biochip 404 be removed. The coupling device can thus be used for the coupling of light in a basically unlimited number of planar waveguides. These waveguides or the arrangements containing these waveguides (biochips, etc.) do not require any further coupling devices such as, for example, embossed grating couplers and can therefore be designed simply.

Statt eines vorhandenen Manipulators kann dieser oder eine vergleichbare Positioniermechanik auch nachträglich an einem Verfahrtisch eines Mikroskops oder eines Chipreaders angebracht werden. Eine derartige Mechanik kann bspw. zusammen mit einer erfindungsgemäßen Einkoppelvorrichtung zum Anschluss an ein handelsübliches Mikroskop ausgeliefert werden. Die Einkoppelvorrichtung 400 kann in das Mikroskop 402 integriert sein oder kann als Zubehör ausgeliefert werden.Instead of an existing manipulator, this or a comparable positioning mechanism can also be retrofitted to a travel table of a microscope or a chip reader. Such a mechanism can be delivered, for example, together with a coupling device according to the invention for connection to a commercially available microscope. The coupling device 400 can in the microscope 402 be integrated or can be delivered as an accessory.

Die erfindungsgemäße Einkoppelvorrichtung 400 ermöglicht die Verwendung eines beliebigen Mikroskops etwa im Bereich der Fluoreszenz-Mikroskopie, insbesondere der TIRF-Mikroskopie, bzw. der Evaneszenz-Feld-Anregungen. Es kann auf einfache Weise, basierend auf einer einzelnen Mode, ein homogenes evaneszentes Feld an der Wellenleiteroberfläche erzeugt werden. Somit kann für viele Anwendungsfälle zum Beispiel auf komplexe und entsprechend teure Through-Optics-Systeme verzichtet werden.The coupling device according to the invention 400 allows the use of any microscope, for example in the field of fluorescence microscopy, in particular TIRF microscopy, or the evanescent field excitations. It is easy to generate a homogeneous evanescent field on the waveguide surface based on a single mode. Thus, for many applications, for example, can be dispensed with complex and correspondingly expensive through-optics systems.

5 zeigt ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel 500 einer Einkoppelvorrichtung zum Einkoppeln von Licht in einen planaren Wellenleiter 502, der auf einem Substrat 504 aufgebracht ist. Die Einkoppelvorrichtung 500 umfasst einen Lichtstrahlleiter 506 und eine Gitterstruktur 508. Der Lichtstrahlleiter 506 ist als optische Faser (bspw. als Multi-Mode-Faser mit i. d. R. einer größeren Kopplungslänge als einer Single-Mode-Faser) zum Leiten eines Laserstrahls 510 von einer Laserquelle (nicht gezeigt) ausgeführt. Der Laserstrahl 510 tritt an einem Austrittsende 512 der Faser 506 aus. Die Gitterstruktur 508 ist in das Austrittsende 512 der Faser 506 einstrukturiert. Das Austrittsende 512 ist unter einem gewünschten Koppelwinkel angeschliffen. 5 shows a non-inventive embodiment 500 a coupling device for coupling light in a planar waveguide 502 standing on a substrate 504 is applied. The coupling device 500 includes a light beam conductor 506 and a grid structure 508 , The light beam conductor 506 is as an optical fiber (for example, as a multi-mode fiber with usually a greater coupling length than a single-mode fiber) for guiding a laser beam 510 from a laser source (not shown). The laser beam 510 occurs at an exit end 512 the fiber 506 out. The grid structure 508 is in the exit end 512 the fiber 506 einstrukturiert. The exit end 512 is ground at a desired coupling angle.

Ein Teil des Lichts 510 ist in den planaren Wellenleiter 502 einkoppelbar, wenn die Gitterstruktur 508 in einen Bereich 514 eines evaneszenten Feldes 516 am planaren Wellenleiter 502 eingebracht wird. Für die Eigenschaften der Gitterstruktur 508 gilt das oben in Bezug auf die Gitterstruktur 110 Gesagte sinngemäß.A part of the light 510 is in the planar waveguide 502 einkoppelbar, if the lattice structure 508 in an area 514 an evanescent field 516 on the planar waveguide 502 is introduced. For the properties of the lattice structure 508 this applies above with respect to the lattice structure 110 Said analogously.

6 illustriert die Verwendung der Einkoppelvorrichtung 500 an einem Mikroskop 602. Ein Biochip 604 weist wie der Biochip 121 aus 1 einen planaren Dünnschicht-Wellenleiter 606 auf. Der Biochip 604 befindet sich auf einem Objekttisch 608 des Mikroskops 602. In die Faser 506 der Einkoppelvorrichtung 500 wird direkt oder indirekt das Licht einer entfernten Laserquelle 610 eingespeist. 6 illustrates the use of the coupling device 500 on a microscope 602 , A biochip 604 like the biochip 121 out 1 a planar thin-film waveguide 606 on. The biochip 604 is on a stage 608 of the microscope 602 , In the fiber 506 the coupling device 500 is directly or indirectly the light of a remote laser source 610 fed.

Die Einkoppelvorrichtung 500 wird durch Manipulatoren 612 und 614 gehalten. Einer oder beide dieser Manipulatoren können ein integrierter Bestandteil des Mikroskops 602 sein. Die Manipulatoren 612 und 614 wirken zusammen, um die Einkoppelvorrichtung 500 mit ihrem unter dem gewünschten Koppelwinkel angeschliffenen Ende (vgl. 5) plan auf dem planaren Wellenleiter 606 des Biochips 604 aufzusetzen und so zu halten. Einer der beiden Manipulatoren (612) kann dabei primär für eine frei wählbare Grobpositionierung der Einkopplungsvorrichtung 500 beispielsweise nahe an einem Bildfeld 616 verwendet werden, während der andere der beiden Manipulatoren (614) für die exakte Positionierung der Einkopplungsvorrichtung 500 auf der Wellenleiteroberfläche verwendet wird, und auch zu einer gewissen Justierung des Austrittsendes 512 relativ zur Wellenleiteroberfläche verwendet werden kann, um auf diese Weise eine Optimierung des Koppelwinkels zu erreichen.The coupling device 500 is through manipulators 612 and 614 held. One or both of these manipulators may be an integral part of the microscope 602 be. The manipulators 612 and 614 work together to the coupling device 500 with its ground at the desired coupling angle end (see. 5 ) plan on the planar waveguide 606 of the biochip 604 to sit up and hold like that. One of the two manipulators ( 612 ) can primarily for a freely selectable coarse positioning of the coupling device 500 for example, close to an image field 616 be used while the other of the two manipulators ( 614 ) for the exact positioning of the coupling device 500 is used on the waveguide surface, and also to some adjustment of the exit end 512 can be used relative to the waveguide surface, in order to achieve in this way an optimization of the coupling angle.

Die Einkoppelvorrichtung 500 kann mittels der beiden Manipulatoren 612, 614 frei auf der Oberfläche des Wellenleiters positioniert werden. Die sich diesbezüglich ergebenden Vorteile sind oben in Bezug auf das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ausgeführt und gelten hier entsprechend.The coupling device 500 can by means of the two manipulators 612 . 614 be positioned freely on the surface of the waveguide. The advantages in this respect are above with respect to the in 4 embodiment shown executed and apply here accordingly.

Ohne Kollimationsoptik hat die Gitterstruktur 508 der Einkopplungsvorrichtung eine vergleichsweise geringe Gitterlänge. Die daraus resultierende geringe Kopplungslänge führt zu einer im allgemeinen geringen Kopplungseffizienz, die im Bereich von bspw. wenigen Prozent liegt. Diese Art der Kopplung ist daher für Anwendungen wie etwa Materialuntersuchungen geeignet, bei denen die Koppeleffizienzen keine entscheidende Rolle spielen. Dementsprechend weist das hier gezeigte Ausführungsbeispiel 500 einer Einkoppelvorrichtung keine speziellen Einrichtungen zur Feineinstellung des Koppelwinkels auf. Bei einer Abwandlung des in 6 gezeigten Ausführungsbeispiels wird statt zwei Manipulatoren nur ein einziger Manipulator verwendet.Without collimation optics has the lattice structure 508 the coupling device has a comparatively small grid length. The resulting low coupling length leads to a generally low coupling efficiency, which is in the range of, for example, a few percent. This type of coupling is therefore suitable for applications such as materials testing where coupling efficiencies are not critical. Accordingly, the embodiment shown here 500 a coupling device on no special means for fine adjustment of the coupling angle. In a modification of the in 6 shown embodiment, only a single manipulator is used instead of two manipulators.

Die Einkoppelvorrichtung 500 kann in das Mikroskop 602 integriert sein oder kann als Zubehör für dieses ausgeliefert werden. Einer oder beide der Manipulatoren 612 und 614 (oder eine vergleichbare Positioniermechanik) kann ebenfalls als Zubehör zum Mikroskop 602 und/oder der Einkoppelvorrichtung 500 auch nachträglich zum Anbringen an einem Verfahrtisch eines Mikroskops oder eines Chipreaders vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Einkoppelvorrichtung 500 zusammen mit einem oder beiden der Manipulatoren 612, 614 zum Verwendung mit dem Mikroskop 602 ausgeliefert werden.The coupling device 500 can in the microscope 602 be integrated or can be delivered as an accessory for this. One or both of the manipulators 612 and 614 (or a comparable positioning mechanism) can also be used as an accessory to the microscope 602 and / or the coupling device 500 also be provided later for attachment to a travel table of a microscope or a chip reader. For example, the coupling device 500 together with one or both of the manipulators 612 . 614 for use with the microscope 602 be delivered.

Die Einkoppelvorrichtung 500 ermöglicht die Verwendung eines beliebigen Mikroskops bspw. für die Materialprüfung.The coupling device 500 allows the use of any microscope eg. For material testing.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt; vielmehr sind innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein; Rather, within the scope given by the appended claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.

Claims

Coupling device ( 100 . 400 ) for coupling light into a planar waveguide ( 102 ), comprising: - an adjustment unit ( 106 ); - a collimation element ( 108 ); and a lattice structure ( 110 ); wherein a light beam conductor ( 112 ) for directing a light beam ( 114 ) from a light source an exit end ( 302 ) on which the light beam ( 114 ), and the adjustment unit ( 106 ) for receiving the exit end ( 302 ) is trained; and wherein the coupling device ( 100 ) is formed such that the collimation ( 108 ) Light from the exit end ( 302 ) emerging light beam ( 114 ) collimated; and the collimated light on the grid structure ( 110 ), so that part of the light enters the planar waveguide ( 102 ) can be coupled, if the grid structure ( 110 ) into an area ( 118 ) of an evanescent field ( 120 ) on the planar waveguide ( 102 ) is introduced; the adjustment unit ( 106 ) is designed such that the outlet end ( 302 ) of the light beam conductor ( 112 ) relative to the collimation element ( 108 ) is adjustable to set a coupling angle of the light to be coupled and wherein the coupling device ( 100 ) for mounting on the planar waveguide ( 102 ) is set up.

Coupling device according to claim 1, wherein the adjusting unit ( 106 ), the exit end ( 302 ) in its position relative to the Kollimationselement ( 108 ) to adjust.

Coupling device according to claim 1 or 2, wherein the coupling device ( 400 ) with a positioning unit ( 418 ), which is used for positioning the grid structure ( 110 ) on a stage ( 406 ) is trained.

Coupling device according to one of the preceding claims, wherein the collimation element ( 108 ) comprises a light transmissive body which is ground under the coupling angle.

Coupling device according to one of the preceding claims, wherein the collimation element ( 108 ) comprises a collimating lens.

Coupling device according to one of the preceding claims, wherein the collimation element ( 108 ) a gradient index lens ( 202 ).

Coupling device according to one of the preceding claims, wherein the grid structure ( 110 ) in a light exit surface ( 200 ) of the collimation element ( 108 ) is structured.

Coupling device according to one of the preceding claims, wherein a grid depth ( 212 ) of the lattice structure ( 110 ) is less than a wavelength of light.

Microscope ( 402 ), comprising a coupling device ( 400 ) according to one of claims 1 to 8.

Use of the microscope according to claim 9 for fluorescence microscopy.