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HINTERGRUND
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Sensoren werden in Abfühlsystemen zum Detektieren von Eigenschaften, wie z.B. Licht, Temperatur, Bewegung und dergleichen, eingesetzt. Eine Art von Sensor ist ein Fluid-(Flüssigkeits- oder/und Gas-)Sensor, der zum Abfühlen von Fluiden eingesetzt werden kann. Durch den Sensor werden Messungen auf eine bestimmte Eigenschaft des Fluids vorgenommen, und diese Messungen werden dann zum Bestimmen der Art des Fluids selbst oder zum Bestimmen einer weiteren Eigenschaft des Fluids herangezogen.
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Ein üblicher Sensor ist ein Absorptionssensor, der zum Messen von Fluiden verwendet wird, und eine typische Konfiguration ist ein gerader Wellenleiter. Die gerade Wellenleiterkonfiguration verwendet einen geraden Steg (eine Rippe), wodurch Licht durchtritt. Der Steg ist in Kontakt mit einer Probe. Ein Ausgangsanschluss des Wellenleiters stellt austretendes Licht bereit, und das Ausgangssignal ändert sich, wenn das Licht in dem Wellenleiter mit dem darauf befindlichen Fluid wechselwirkt. Diese Variationen können gemessen und mit Fluiden korreliert werden.
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Derlei Wellenleiter sind jedoch relativ unempfindlich und erfordern sehr hohe Längen, um unterschiedliche Flüssigkeiten hinlänglich zu identifizieren. Alternativ dazu werden zur Erhöhung der Empfindlichkeit im Allgemeinen mehrere Wellenleiter benötigt und als Gitter ausgebildet. Diese Gitterkonstruktion ist fragil und daher beschädigungsanfällig. Es bedarf eines verbesserten Sensors.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems unter Verwendung eines Ringwellenleiters.
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2 ist eine schematische Darstellung, die eine Seitenansicht eines Multi-Pass-Ringwellenleiter-Sensors zeigt.
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3A ist eine schematische Darstellung, die einen ringförmigen Multi-Pass-Wellenleiter 300 mit vier Anschlüssen zeigt.
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3B ist eine schematische Darstellung, die einen ringförmigen Multi-Pass-Wellenleiter mit zwei Anschlüssen zeigt.
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4A ist eine schematische Darstellung, die einen ringförmigen Multi-Pass-Wellenleiter zeigt, der durch einen photonischen Kristall verwirklicht ist und vier Anschlüsse aufweist.
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4B ist eine schematische Darstellung, die einen ringförmigen Multi-Pass-Wellenleiter zeigt, der durch einen photonischen Kristall verwirklicht ist und zwei Anschlüsse aufweist.
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5 ist eine schematische Darstellung eines Wellenleiters mit keilförmigen Gitterregionen.
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6 ist eine schematische Darstellung eines Wellenleiters mit linearen oder nicht keilförmigen Gitterregionen.
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7 ist eine schematische Darstellung, die das Substrat der Struktur verwirklicht als Membran mit hexagonal geformten Komponenten zeigt.
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8 ist ein Flussbild, das ein Verfahren zum Betrieb eines Sensors mit einer Multi-Pass-Wechselwirkungsregion zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figurenzeichnungen beschrieben, wobei durchwegs gleiche Bezugszeichen der Kennzeichnung gleicher Elemente dienen und wobei die gezeigten Strukturen und Vorrichtungen nicht zwangsläufig maßstabgetreu gezeichnet sind.
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Es sind Sensorsysteme und Verfahren offenbart, die Sensoren mit Multi-Pass-Regionen verwenden, welche gerade und/oder gekrümmte Formen aufweisen. Die Multi-Pass-Regionen ermöglichen mehrere Durchtritte von Licht durch ein Wechselwirkungsvolumen, d.h. mehrere Wechselwirkungen zwischen dem Licht und der Probe. Die Größe, Form und Zusammensetzung des Wellenleiters kann variiert oder so eingestellt werden, dass unterschiedliche Arten von Flüssigkeiten und Gasen gemessen werden können.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Sensorsystems 100 unter Verwendung eines Ringwellenleiters. Zum besseren Verständnis ist das System 100 in vereinfachter Form bereitgestellt. Das System 100 ist als Beispiel für ein System bereitgestellt, das einen Ringsensor zum Abfühlen (Abtasten) von Flüssigkeiten oder Gasen verwendet.
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Das System 100 umfasst eine Schnittstelle 102, einen Ringsensor 104 und eine Steuereinheit 106. Die Schnittstelle 102 koppelt den Ringsensor 104 mit der Steuereinheit 106. Die Schnittstelle 102 kann konfiguriert sein, Energie und/oder Signale für die Kommunikation bereitzustellen.
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Die Steuereinheit 106 ist konfiguriert, den Ringsensor 104 zu steuern und durch den Ringsensor 104 erzeugte Messungen zu erhalten und einzusetzen. Beispielsweise kann die Steuereinheit 106 in einem Beispiel konfiguriert sein, eine Flüssigkeit und eine Zusammensetzung der Flüssigkeit anhand einer Messung oder eines Ausgangssignals von dem Ringsensor 104 zu bestimmen.
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Der Ringsensor 104 ist konfiguriert, eine oder mehrere unmittelbar neben dem Ringsensor 104 angeordnete Proben zu messen und/oder zu detektieren. Der Sensor 104 kann konfiguriert sein, chemische und/oder Umwelteigenschaften einer unmittelbar neben dem Sensor 104 angeordneten Probe zu messen. Die Probe kann in Kontakt mit dem Sensor 104 platziert oder angeordnet sein.
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Der Sensor 104 umfasst einen gekrümmten oder ringförmigen Wellenleiter. Manche Beispiele für geeignete Formen sind unten stehend bereitgestellt. Eine Lichtquelle ist mit einem Eingang des Wellenleiters gekoppelt, und ein Lichtdetektor ist mit einem Ausgang des Wellenleiters gekoppelt. Licht tritt mehrmals durch die gekrümmte oder ringförmige Wechselwirkungsregion. Bei Durchtritt des Lichts kommt es zu einer Dämpfung des Lichts. Diese Dämpfung variiert gemäß einer Probe im Kontakt mit oder unmittelbar neben der Wechselwirkungsregion. Der Detektor misst das ausgegebene Licht. Diese Information oder Messung kann der Steuereinheit 106 zur Analyse bereitgestellt werden. Die Messung korreliert mit der Probe und umfasst z.B. Probenart, Flüssigkeit, Gas, Temperatur und dergleichen.
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2 ist eine schematische Darstellung, die eine Seitenansicht eines Multi-Pass-Wellenleitersensors 200 zeigt. Der Sensor 200 wird zum Detektieren und/oder Messen von unmittelbar neben dem Sensor 200 angeordnetem Fluid verwendet. Der Sensor 200 verwendet eine Multi-Pass-Region, wo Licht mehrmals hindurchtritt, um die Absorptionsrate zu erhöhen und eine Größe für den Sensor zu reduzieren.
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Der Sensor 200 umfasst einen Wellenleiter 201, eine Lichtquelle 208 und einen Lichtdetektor 210. Die Lichtquelle 208 gibt ein elektromagnetisches Feld (oder Licht) ab. Die Lichtquelle 208 kann konfiguriert sein, eine bestimmte Lichtwellenlänge, wie z.B. Infrarot, abzugeben. Der Detektor 210 ist konfiguriert, die Wellenlänge des von der Lichtquelle 208 abgegebenen Lichts nach dessen Hindurchtreten durch den Wellenleiter 201 zu detektieren oder zu messen. Eine Probe 212 ist unmittelbar neben oder in Kontakt mit dem Wellenleiter 201 angeordnet. Die Probe 212 kann eine Flüssigkeit und/oder ein Gas umfassen.
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Der Wellenleiter 201 umfasst eine Eingangsregion 202, eine Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 204 und eine Ausgangsregion 206 und ist auf einer Membran 214 ausgebildet. Der Wellenleiter 201 besteht aus einem geeigneten Material, wie z.B. Silicium, und weist eine geeignete Ausdehnung auf. In einem Beispiel weist der Wellenleiter 201 eine Breite von 2 Mikrometern und eine Höhe von 600 Nanometern auf. Weitere Eigenschaften für den Wellenleiter 201 können auch ausgewählt oder eingestellt werden, darunter, ohne auf diese beschränkt zu sein, verwendete Anschlüsse, Ring- oder Scheibenform für die Wechselwirkungsregion 204, Materialien und dergleichen. Ferner ist der Wellenleiter 201 in einem Beispiel ein Rippenwellenleiter als Leitmedium. Der Rippenwellenleiter begrenzt durchtretendes Licht in zwei Dimensionen. In einem weiteren Beispiel ist der Wellenleiter ein photonischer Kristall oder in einem solchen ausgebildet oder ein segmentierter Wellenleiter, der periodische Änderungen seines Querschnitts/Brechungsindex aufweist. Der photonische Kristall oder der segmentierte Wellenleiter kann mit 2D- oder 3D-Strukturierung ausgebildet werden.
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Im Allgemeinen ist ein photonischer Kristall eine periodische Struktur mit zwei Arten: Luftlöcher in einem Materialblock und Materialstäbe in Luft. Bei Luftlöchern in einem Materialblock sind die Luftlöcher in einem periodischen Gitter angeordnet. Bei Materialstäben in Luft sind die Stäbe in einem periodischen Gitter angeordnet. Ein Beispiel für einen photonischen Kristall ist unten stehend beschrieben. Die Löcher im Block können mit Material gefüllt werden, das einen anderen Brechungsindex aufweist als das Material des Blocks.
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Die Eingangsregion 202 empfängt das abgegebene Licht aus der Lichtquelle 208 und lenkt das Licht in die Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 204. In einem Beispiel wird die Lichtquelle 208 nicht auf einer Ebene mit dem Wellenleiter 201 positioniert und ist die Eingangsregion 202 mit einem Gitter konfiguriert, damit das Licht in den Wellenleiter 201 eintreten kann. In einem weiteren Beispiel ist die Lichtquelle 208 so positioniert, dass das abgegebene Licht durch den Wellenleiter 201 gelenkt wird. Das Gitter hat geeignete Ausdehnungen, wie z.B. Gitterperiode, Gitterhöhe und Länge der Gitterregion (z.B. 2 mm), damit ausreichend Licht in den Wellenleiter 201 eintreten kann. In wieder einem anderen Beispiel befindet sich die Lichtquelle 208 auf einem und demselben Chip wie der Wellenleiter 201 und auf einer Linie (in einer Reihe) mit dem Wellenleiter 201.
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Die Membran 214 besteht aus einem geeigneten Material zur Stützung des Wellenleiters 201 und typischerweise einer Reihe weiterer Wellenleiter/Sensoren. Außerdem wird das geeignete Material so ausgewählt, dass es Membraneigenschaften bereitstellt, darunter z.B. Brechungsindex, Flexibilität und dergleichen. Die Membran 214 kann einigermaßen starr oder flexibel sein, je nach verwendeten Materialien. In einem Beispiel umfasst die Membran 214 eine Wabenstruktur auf ihrer Rückseite In Bezug auf den Wellenleiter, was Festigkeit unterstützt, aber Flexibilität zulässt. In einem Beispiel ist das geeignete Material Siliciumnitrid. In einem weiteren Beispiel weist das geeignete Material einen niedrigen Brechungsindex auf.
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Die Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 204, die auch als Resonatorregion bezeichnet wird, umfasst eine Ring- oder gekrümmte Form, die konfiguriert ist, das geleitete Licht dazu zu bringen, mehrmals hindurchzutreten oder sich durch die Region auszubreiten. Die Ringform und die Größe sind für eine ausgewählte Wellenlänge und Absorptionsrate konfiguriert. Beim Hindurchtreten des geleiteten Lichts durch die Absorptionsregion wird das geleitete Licht gemäß der Probe 212 gedämpft. So ergeben variierte Probenarten und -eigenschaften, wie z.B. Alter und Temperatur, unterschiedliche Absorptionsraten durch die Region. Folglich tritt das geleitete Licht aus der Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 204 gedämpft aus. Das wechselgewirkte Licht ist im Vergleich zu dem abgegebenen Licht oder zu dem Licht ohne die Probe 212 gedämpft.
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Das wechselgewirkte Licht tritt an der Ausgangsregion 206 aus dem Wellenleiter 201 aus. Das wechselgewirkte Licht wird durch den Detektor 210 gemessen. In einem Beispiel weist die Ausgangsregion 206 ein Gitter auf, damit das wechselgewirkte Licht aus dem Wellenleiter 201 austreten kann. In einem weiteren Beispiel weist die Ausgangsregion 206 einen Ausgang oder eine Öffnung auf, der/die auf einer Linie mit dem Detektor 210 positioniert ist. Beispielsweise kann der Detektor auf einem Chip mit und auf einer Linie mit dem Wellenleiter 201 ausgebildet sein.
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Der Detektor 210 misst das aus der Ausgangsregion 206 des Wellenleiters 201 austretende Licht. Das austretende Licht ist im Vergleich zu dem abgegebenen Licht oder zu dem Licht ohne die Probe 212 gedämpft. Der Detektor 210 oder ein anderes Bauteil, wie z.B. eine Steuerung, verwendet das gemessene Licht, um eine Zusammensetzung und weitere Eigenschaften der Probe 212 zu bestimmen. Der Detektor 210 kann konfiguriert sein, auf einer Linie mit dem Wellenleiter 201 zu sein. Alternativ dazu kann der Detektor 210 konfiguriert sein, nicht auf einer Ebene/Linie mit dem Wellenleiter zu sein.
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Der Detektor 210 kann konfiguriert sein, einen ausgewählten Bereich von Lichtwellenlängen zu messen, z.B. Infrarot. In einem Beispiel ist der Wellenleiter 200 konfiguriert, Wellenlängen von etwa 5 bis 6 Mikrometern abzufühlen (abzutasten).
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Es sei angemerkt, dass der Wellenleiter 201 konfiguriert sein kann, eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich bereitzustellen, die/der als Ausgangswellenlänge bezeichnet wird, wobei es sich um einen Teilbereich der Wellenlängen des abgegebenen Lichts handeln kann. Im Wesentlichen kann der Wellenleiter 201 konfiguriert sein, durch die Wahl der verwendeten Anschlüsse, der Radius-/Periodengröße (im Falle eines photonischen Kristalls), der Form und Größe der Region 204, der verwendeten Materialien und dergleichen andere Wellenlängen auszufiltern oder andere Wellenlängen zu dämpfen.
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3A ist eine schematische Darstellung, die einen ringförmigen Multi-Pass-Wellenleiter 300 mit vier Anschlüssen zeigt. Der Wellenleiter 300 kann in den oben stehend beschriebenen Sensor 200 eingebaut sein, um eine Probe zu messen oder zu detektieren. Der Wellenleiter 300 umfasst eine Multi-Pass- oder Resonatorregion, die die Absorptionsrate des Wellenleiters 300 erhöht, ohne wesentliche Fläche zu verbrauchen.
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Der Wellenleiter 300 umfasst einen Eingangsanschluss 302, eine Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 304, einen Ausgangsanschluss 306, einen Durchlassanschluss 308 und einen Add/Drop-Anschluss 310. In diesem Beispiel sind der Durchlassanschluss 308 und der Add/Drop-Anschluss 310 zwar dargestellt, werden aber nicht verwendet. Es versteht sich, dass Variationen des Wellenleiters 300 den Durchlassanschluss 308 und den Add/Drop-Anschluss 310 für zusätzliche Funktionen einsetzen können.
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Der Eingangsanschluss 302 empfängt das abgegebene Licht aus einer Lichtquelle und lenkt das Licht in die Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 304. In einem Beispiel ist der Eingangsanschluss 302 mit einem Gitter konfiguriert, damit das Licht eintreten kann. In einem weiteren Beispiel ist die Lichtquelle auf einer Linie mit dem Eingangsanschluss 302 positioniert, um das abgegebene Licht in den Eingangsanschluss 302 einzuspeisen.
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Die Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 304, auch als Resonatorregion bezeichnet, umfasst eine Ring- oder gekrümmte Form, die konfiguriert ist, das geleitete Licht dazu zu bringen, mehrmals hindurchzutreten (z.B. zu zirkulieren). Ein Pfeil in 3 zeigt die allgemeine Drehung des Lichts durch die Region 304. Form und Größe des Rings sind für eine ausgewählte Wellenlänge und Absorptionsrate konfiguriert. Beim Hindurchtreten oder bei der Ausbreitung des Lichts durch die Absorptions- und Wechselwirkungsregion 304 wird das Licht gemäß einer unmittelbar neben der Wechselwirkungsregion 304 angeordneten Probe gedämpft. Das Ausmaß und/oder die Rate der Dämpfung variiert gemäß der Probe und den Eigenschaften der Probe. Beispielsweise ergeben variierte Probenarten und -eigenschaften, wie z.B. Zusammensetzung, Temperatur oder Alter des Fluids, unterschiedliche Absorptionsraten durch die Region. Folglich tritt wechselgewirktes Licht aus der Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 304 gedämpft aus. Das wechselgewirkte Licht ist im Vergleich zu dem abgegebenen Licht oder zu dem Licht ohne die Probe 212 gedämpft.
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Das wechselgewirkte Licht tritt aus der Region 304 aus und tritt am Ausgangsanschluss 306 aus dem Wellenleiter 300 aus. Das wechselgewirkte Licht wird durch einen Detektor, wie z.B. den oben stehend dargestellten, gemessen. In einem Beispiel weist der Ausgangsanschluss 306 ein Gitter auf, damit das wechselgewirkte Licht aus dem Wellenleiter 300 austreten kann. In einem weiteren Beispiel weist der Ausgangsanschluss 306 einen Ausgang oder eine Öffnung auf, der/die auf einer Linie mit dem Detektor positioniert ist.
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Es sei angemerkt, dass die Konfiguration des Wellenleiters 300 Licht daran hindert, direkt durch den Wellenleiter 300 hindurchzutreten, wie das bei anderen, geradlinigen Wellenleitern vorkommen kann.
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3B ist eine schematische Darstellung, die einen ringförmigen Multi-Pass-Wellenleiter 300 mit zwei Anschlüssen zeigt. Der Wellenleiter 300 kann in den oben stehend beschriebenen Sensor 200 eingebaut sein, um eine Probe zu messen oder zu detektieren. Der Wellenleiter 300 umfasst eine Multi-Pass- oder Resonatorregion, die die Absorptionsrate des Wellenleiters 300 erhöht, ohne wesentliche Fläche zu verbrauchen.
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Der Wellenleiter 300 umfasst einen Eingangsanschluss 302, eine Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 304 und einen Ausgangsanschluss 306. Der Eingangsanschluss 302 empfängt das abgegebene Licht aus einer Lichtquelle, breitet es entlang des geraden Wellenleiters aus und koppelt das Licht in den Ring 304 ein. Nachdem es im Ring 304 eingeschlossen wurde (wo eine Wechselwirkung mit der Probe stattfindet), wird das teilweise gedämpfte Licht aus dem geraden Wellenleiter in Richtung des Ausgangsanschlusses ausgekoppelt. In einem Beispiel ist der Eingangsanschluss 302 mit einem Gitter konfiguriert, damit das Licht eintreten kann. In einem weiteren Beispiel ist die Lichtquelle auf einer Linie mit dem Eingangsanschluss 302 positioniert, um das abgegebene Licht in den Eingangsanschluss 302 einzuspeisen.
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Die Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 304, auch als Resonatorregion bezeichnet, umfasst eine Ring- oder gekrümmte Form, die konfiguriert ist, das geleitete Licht dazu zu bringen, mehrmals hindurchzutreten. Ein Pfeil in 3B zeigt die allgemeine Drehung/Ausbreitung des Lichts durch die Region 304. Form und Größe des Rings sind für eine ausgewählte Wellenlänge und Absorptionsrate konfiguriert. Beim Hindurchtreten des Lichts durch die Absorptions- und Wechselwirkungsregion 304 wird das Licht gemäß einer unmittelbar neben der Wechselwirkungsregion 304 angeordneten Probe gedämpft. Das Ausmaß und/oder die Rate der Dämpfung variiert gemäß der Probe und den Eigenschaften der Probe. Beispielsweise ergeben variierte Probenarten und -eigenschaften, wie z.B. Zusammensetzung, Temperatur oder Alter des Fluids, unterschiedliche Absorptionsraten durch die Region. Folglich tritt wechselgewirktes Licht aus der Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 304 gedämpft aus. Das wechselgewirkte Licht ist im Vergleich zu dem abgegebenen Licht oder zu dem Licht ohne die Probe 212 gedämpft.
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Das wechselgewirkte Licht tritt aus der Region 304 aus und tritt am Ausgangsanschluss 306 aus dem Wellenleiter 300 aus. Das wechselgewirkte Licht wird durch einen Detektor, wie z.B. den oben stehend dargestellten, gemessen. In einem Beispiel weist der Ausgangsanschluss 306 ein Gitter auf, damit das wechselgewirkte Licht aus dem Wellenleiter 300 austreten kann. In einem weiteren Beispiel weist der Ausgangsanschluss 306 einen Ausgang oder eine Öffnung auf, der/die auf einer Linie mit dem Detektor positioniert ist.
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Es sei angemerkt, dass die Konfiguration des Wellenleiters 300 von 3B Licht ermöglicht, direkt durch den Wellenleiter 300 hindurchzutreten. Zusätzlich bewegt sich das Light durch die gesamte Multi-Pass-Region 304 von oben betrachtet gegen den Uhrzeigersinn hindurch.
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4A ist eine schematische Darstellung, die einen ringförmigen Multi-Pass-Wellenleiter 400 zeigt, der als photonischer Kristall (PhC) verwirklicht ist und vier Anschlüsse aufweist. Der Wellenleiter 400 kann in den oben stehend beschriebenen Sensor 200 eingebaut sein, um eine Probe zu messen oder zu detektieren. Der Wellenleiter 400 umfasst eine PhC-Multi-Pass- oder Resonatorregion, die die Absorptionsrate des Wellenleiters 400 erhöht, ohne wesentliche Fläche zu verbrauchen.
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Der Wellenleiter 400 ist unter Verwendung eines photonischen Kristalls ausgebildet. Eine Beispielstrukturierung ist dargestellt, um den photonischen Kristall zu veranschaulichen, es versteht sich jedoch, dass die Strukturierung Anschauungszwecken dient und dass auch andere Strukturierungen eingesetzt werden können. Die Strukturierung ist zwei- oder dreidimensional und für Eigenschaften konfiguriert wie z.B. Wellenlänge, Absorption, Durchlassgrad und dergleichen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Der Wellenleiter 400 ist mit einem kubischen Gitter dargestellt, aber auch andere Konfigurationen, wie z.B. ein hexagonales Gitter, ein hexagonaler Ring und dergleichen, können eingesetzt werden.
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Der Wellenleiter 400 verwendet ein geeignetes Material oder ist aus einem solchen ausgebildet. In einem Beispiel ist/sind der photonische Kristall und/oder der Wellenleiter 400 auf einem Siliciumwafer ausgebildet. Zusätzlich dazu kann/können ein Epoxidharz und/oder ein Imid als photonische Schicht innerhalb des Wellenleiters 400 zum Einsatz kommen. Ein weiteres Material, das für den Wellenleiter 400 verwendet werden kann, ist PMMI (Polymethacrylmethylimid) – ein amorpher, kristallklarer Kunststoff mit einem Durchlassgrad von 90 % und einer Dicke von 3 mm. Der Brechungsindex für das PMMI steigt, je höher die Konzentration von Imid ist.
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Der Wellenleiter 400 umfasst einen Eingangsanschluss 402, eine Multi-Pass-PhC-Wechselwirkungsregion 404, einen Ausgangsanschluss 406, einen Durchlassanschluss 408 und einen Add/Drop-Anschluss 410. Der Durchlassanschluss 408 und der Add/Drop-Anschluss 410 sind zwar dargestellt, werden aber nicht verwendet. Es versteht sich, dass Variationen des Wellenleiters 400 den Durchlassanschluss 408 und den Add/Drop-Anschluss 410 für zusätzliche Funktionen einsetzen können. Die Funktionen des Wellenleiters 400 sind ähnlich jenen des in 3A beschriebenen Wellenleiters 300.
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Der Eingangsanschluss 402 empfängt das abgegebene Licht aus einer Lichtquelle und lenkt das Licht in die Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 404. In einem Beispiel ist der Eingangsanschluss 402 mit einem Gitter konfiguriert, damit das Licht eintreten kann. In einem weiteren Beispiel ist die Lichtquelle auf einer Linie mit dem Eingangsanschluss 402 positioniert, um das abgegebene Licht in den Eingangsanschluss 402 einzuspeisen.
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Die Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 404, auch als PhC-Resonatorregion bezeichnet, umfasst eine Ring- oder gekrümmte Form, die konfiguriert ist, das geleitete Licht dazu zu bringen, mehrmals hindurchzutreten (z.B. zu zirkulieren). Ein Pfeil in 4A zeigt die allgemeine Drehung des Lichts durch die Region 404. Form und Größe des Rings sind für eine ausgewählte Wellenlänge und Absorptionsrate konfiguriert. Beim Hindurchtreten oder bei der Ausbreitung des Lichts durch die Absorptions- und Wechselwirkungsregion 404 wird das Licht gemäß einer unmittelbar neben der Wechselwirkungsregion 404 angeordneten Probe gedämpft. Das Ausmaß und/oder die Rate der Dämpfung variiert gemäß der Probe und den Eigenschaften der Probe. Beispielsweise ergeben variierte Probenarten und -eigenschaften, wie z.B. Zusammensetzung, Temperatur oder Alter des Fluids, unterschiedliche Absorptionsraten durch die Region. Folglich tritt wechselgewirktes Licht aus der Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 404 gedämpft aus. Das wechselgewirkte Licht ist im Vergleich zu dem abgegebenen Licht gedämpft.
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Das wechselgewirkte Licht tritt aus der Region 404 aus und tritt am Ausgangsanschluss 406 aus dem Wellenleiter 400 aus. Das wechselgewirkte Licht wird durch einen Detektor, wie z.B. den oben stehend dargestellten, gemessen. In einem Beispiel weist der Ausgangsanschluss 406 ein Gitter auf, damit das wechselgewirkte Licht aus dem Wellenleiter 400 austreten kann. In einem weiteren Beispiel weist der Ausgangsanschluss 406 einen Ausgang oder eine Öffnung auf, der/die auf einer Linie mit dem Detektor positioniert ist.
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4B ist eine schematische Darstellung, die einen ringförmigen Multi-Pass-Wellenleiter 400 unter Verwendung eines photonischen Kristalls mit vier Anschlüssen zeigt. Der Wellenleiter 400 kann in den oben stehend beschriebenen Sensor 200 eingebaut sein, um eine Probe zu messen oder zu detektieren. Der Wellenleiter 400 umfasst eine Multi-Pass- oder Resonatorregion, die die Absorptionsrate des Wellenleiters 400 erhöht, ohne wesentliche Fläche zu verbrauchen.
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Der Wellenleiter 400 ist unter Verwendung eines photonischen Kristalls ausgebildet. Eine Beispielstrukturierung ist dargestellt, um den photonischen Kristall zu veranschaulichen, es versteht sich jedoch, dass die Strukturierung Anschauungszwecken dient und dass auch andere Strukturierungen eingesetzt werden können. Die Strukturierung ist zwei- oder dreidimensional und für Eigenschaften konfiguriert wie z.B. Wellenlänge, Absorption, Durchlassgrad und dergleichen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Der Wellenleiter 400 ist mit einem kubischen Gitter dargestellt, aber auch andere Konfigurationen, wie z.B. ein hexagonales Gitter, ein hexagonaler Ring und dergleichen, können eingesetzt werden.
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Der Wellenleiter 400 verwendet ein geeignetes Material oder ist aus einem solchen ausgebildet. In einem Beispiel ist/sind der photonische Kristall und/oder der Wellenleiter 400 auf einem Siliciumwafer ausgebildet. Zusätzlich dazu kann/können ein Epoxidharz und/oder ein Imid als photonische Schicht innerhalb des Wellenleiters 400 zum Einsatz kommen. Ein weiteres Material, das für den Wellenleiter 400 verwendet werden kann, ist PMMI (Polymethacrylmethylimid) – ein amorpher, kristallklarer Kunststoff mit einem Durchlassgrad von 90 % und einer Dicke von 3 mm. Der Brechungsindex für das PMMI steigt, je höher die Konzentration von Imid ist.
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Der Wellenleiter 400 umfasst einen Eingangsanschluss 402, eine PhC-Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 404 und einen Ausgangsanschluss 406. Der Eingangsanschluss 402 empfängt das abgegebene Licht aus einer Lichtquelle, breitet es entlang dem geraden Wellenleiter aus und koppelt das Licht in den Ring 404 ein. Nachdem es im Ring 404 eingeschlossen wurde (wo eine Wechselwirkung mit der Probe stattfindet), wird das teilweise gedämpfte Licht aus dem geraden Wellenleiter in Richtung des Ausgangsanschlusses ausgekoppelt. In einem Beispiel ist der Eingangsanschluss 402 mit einem Gitter konfiguriert, damit das Licht eintreten kann. In einem weiteren Beispiel ist die Lichtquelle auf einer Linie mit dem Eingangsanschluss 402 positioniert, um das abgegebene Licht in den Eingangsanschluss 402 einzuspeisen.
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Die Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 404, auch als Resonatorregion bezeichnet, umfasst eine Ring- oder gekrümmte Form, die konfiguriert ist, das geleitete Licht dazu zu bringen, mehrmals hindurchzutreten. Ein Pfeil in 4B zeigt die allgemeine Drehung des Lichts durch die Region 404. Form und Größe des Rings sind für eine ausgewählte Wellenlänge und Absorptionsrate konfiguriert. Beim Hindurchtreten des abgegebenen Lichts durch die Absorptions- und Wechselwirkungsregion 404 wird das abgegebene Licht gemäß einer unmittelbar neben der Wechselwirkungsregion 404 angeordneten Probe gedämpft. Das Ausmaß und/oder die Rate der Dämpfung variiert gemäß der Probe und den Eigenschaften der Probe. Beispielsweise ergeben variierte Probenarten und -eigenschaften, wie z.B. Alter der Probe und Temperatur, unterschiedliche Absorptionsraten durch die Region. Folglich tritt wechselgewirktes Licht aus der Multi-Pass-Wechselwirkungsregion 404 gedämpft aus. Das wechselgewirkte Licht ist im Vergleich zu dem abgegebenen Licht oder zu dem Licht ohne die Probe 212 gedämpft.
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Das wechselgewirkte Licht tritt aus der Region 404 aus und tritt am Ausgangsanschluss 406 aus dem Wellenleiter 400 aus. Das wechselgewirkte Licht wird durch einen Detektor, wie z.B. den oben stehend dargestellten, gemessen. In einem Beispiel weist der Ausgangsanschluss 406 ein Gitter auf, damit das wechselgewirkte Licht aus dem Wellenleiter 400 austreten kann. In einem weiteren Beispiel weist der Ausgangsanschluss 406 einen Ausgang oder eine Öffnung auf, der/die auf einer Linie mit dem Detektor positioniert ist.
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Es sei angemerkt, dass durch die Konfiguration des Wellenleiters 400 Licht direkt durch den Wellenleiter 400 hindurchtreten kann. Zusätzlich dazu bewegt sich das Licht durch die gesamte Multi-Pass-Region 404 von oben betrachtet im Uhrzeigersinn.
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5 ist eine schematische Darstellung eines Wellenleiters 300 mit keilförmigen Gitterregionen. Es versteht sich, dass auch andere Wellenleiter mit Multi-Pass-Regionen die keilförmigen Gitterregionen einsetzen können, darunter z.B. der Wellenleiter 300 aus 3B.
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Der Wellenleiter 300 umfasst einen Eingangsanschluss 302, eine Multi-Pass-Region 304 und einen Ausgangsanschluss 306. Der Eingangsanschluss 302 ist mit einer keilförmigen Eingangsgitterregion 512 gekoppelt oder umfasst eine solche. Der Ausgangsanschluss 306 ist mit einer keilförmigen Ausgangsgitterregion 514 gekoppelt oder umfasst eine solche.
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Die Gitterregion 512 weist eine keilförmige Form auf, die sich in Richtung des Wellenleiters 300 verjüngt. Die keilförmige Form gestattet einer Lichtquelle eine breitere Dispersion des Strahls oder einfach einen größeren Strahlendurchmesser in Bezug auf die Breite des Wellenleiters 300. Beispielsweise ermöglicht die keilförmige Form eine Erhöhung der Menge an Licht aus der Quelle, die über den Eingangsanschluss in den Wellenleiter 300 eingekoppelt wird. Folglich kann eine weniger einschränkende Lichtquelle eingesetzt werden. Das Gitter umfasst beabstandete oder getrennte Öffnungen innerhalb der Region und ist konfiguriert, das Eintreten von Licht in den Wellenleiter 300 zu ermöglichen. Zwischen den Öffnungen sind innerhalb der Gitterregion 512 Abschnitte vorhanden. Wie dargestellt, umfasst das Gitter ebenfalls eine keilförmige Form. Das Gitter ist konfiguriert, eine Beugungsordnung aufzuweisen, die von den Ausdehnungen der Öffnungen abhängt.
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Die Ausgangsgitterregion 514 weist ebenfalls eine keilförmige Form auf und erstreckt oder erhöht sich vom Wellenleiter 300 weg. Die keilförmige Form dispergiert aus dem Wellenleiter 300 austretendes Licht und lässt den Einsatz eines größer dimensionierten Detektors zu.
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6 ist eine schematische Darstellung eines Wellenleiters 300 mit linearen oder nicht keilförmige Gitterregionen. Der Wellenleiter 300 ist hier mit den linearen Gitterregionen abgebildet. Es versteht sich, dass auch andere Wellenleiter mit Multi-Pass-Regionen die linearen Gitterregionen einsetzen können, darunter z.B. der Wellenleiter 300 aus 3B.
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Der Wellenleiter 300 umfasst einen Eingangsanschluss 302, eine Multi-Pass-Region 304 und einen Ausgangsanschluss 306. Der Eingangsanschluss 302 ist mit einer Eingangsgitterregion 612 gekoppelt oder umfasst eine solche. Der Ausgangsanschluss 306 ist mit einer Ausgangsgitterregion 614 gekoppelt oder umfasst eine solche.
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Die Gitterregion 612 weist eine nicht keilförmige, lineare Form auf, die im Allgemeinen zu dem Wellenleiter 300 passt. Die Form erfordert im Allgemeinen eine passende Lichtquelle mit engerer Dispersion (oder einem kleinen Strahlendurchmesser) als die für 5 verwendete Lichtquelle. Das Gitter ist konfiguriert, das Eintreten von Licht in den Wellenleiter 300 zu ermöglichen.
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Die Ausgangsgitterregion 614 weist auch eine lineare Form auf einer Linie mit dem Wellenleiter 300 auf. Die lineare Form hält eine geringe Breite des aus dem Wellenleiter 300 austretenden Lichts aufrecht und lässt den Einsatz eines kleiner dimensionierten Detektors zu.
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Es versteht sich, dass Variationen der Gitterregionen in Betracht gezogen sind. Beispielsweise kann eine keilförmige Eingangsgitterregion 512 nach 5 mit einer linearen Ausgangsgitterregion 614 unter Verwendung der Wellenleiter 400 oder 300 verwendet werden. Als weiteres Beispiel kann eine lineare Eingangsgitterregion 612 mit einer keilförmigen Ausgangsgitterregion 514 unter Verwendung der Wellenleiter 400 oder 300 verwendet werden.
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7 ist eine schematische Darstellung, die eine Membran 700 mit hexagonal geformten Komponenten zeigt. Die Membran 700 dient dazu, einen oder mehrere Wellenleiter, typischerweise mit Multi-Pass-Wechselwirkungsregionen, darauf aufzulegen oder daran zu befestigen. Die Membran 700 kann für die oben stehend beschriebene Membran 214 zum Einsatz kommen.
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Die Membran 700 umfasst eine Vielzahl von hexagonal geformten Komponenten, um eine Wabenstruktur auszubilden. Die einzelnen Komponenten können relativ starr sein; Verbindungsleitungen zwischen Bauteilen sind hingegeben biegsam und verbessern die Flexibilität.
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Die Membran 700 besteht aus einem geeigneten Material und weist einen ausgewählten Brechungsindex auf. Die Membran 700 kann konfiguriert sein, weitere Komponenten darauf aufzulegen, z.B., ohne auf diese beschränkt zu sein, Sensoren, Lichtquellen, Lichtdetektoren, Zwischenverbindungen und dergleichen.
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8 ist ein Flussbild, das ein Verfahren 800 zum Betrieb eines Sensors mit einer Multi-Pass-Wechselwirkungsregion zeigt. Das Verfahren 800 verwendet mehrere Durchtritte durch eine Wechselwirkungsregion dazu, beanspruchten Platz zu reduzieren und eine Absorptionsrate zu verbessern.
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Das Verfahren 800 beginnt am Block 802, wo eine Wellenlänge oder ein Wellenlängenbereich ausgewählt wird. Die Wellenlänge kann gemäß einer Probe und/oder Arten von Proben ausgewählt werden, die zu detektieren sind. Zusätzlich dazu kann die Wellenlänge zum Detektieren bestimmter chemischer Eigenschaften und Umwelteigenschaften ausgewählt werden. In einem Beispiel ist die Wellenlänge so ausgewählt, dass sie nur Infrarotlicht umfasst.
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An Block 804 wird gemäß der ausgewählten Wellenlänge ein Wellenleiter mit einer Multi-Pass-Wechselwirkungsregion konfiguriert. Der Wellenleiter wird konfiguriert, ausgewählte Eigenschaften aufzuweisen, wie z.B. eine ausgewählte Höhe, Breite und Länge. Weitere ausgewählte Eigenschaften können Material, Form der Multi-Pass-Region und dergleichen umfassen. In einem Beispiel wird die Multi-Pass-Wechselwirkungsregion konfiguriert, einen gemäß der ausgewählten Wellenlänge und/oder gemäß den zu detektierenden chemischen und Umwelteigenschaften ausgewählten Radius aufzuweisen.
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An Block 806 gibt eine Lichtquelle Licht mit der ausgewählten Wellenlänge ab. Die Lichtquelle wird in einem Beispiel so gesteuert, dass sie nur die ausgewählte Wellenlänge bereitstellt. In einem weiteren Beispiel ist die Lichtquelle ausgelegt, die ausgewählte Wellenlänge abzugeben. Die Lichtquelle ist auch konfiguriert, eine Menge an Licht abzugeben, die bekannt ist und später dazu verwendet werden kann, die Dämpfung durch den Wellenleiter zu bestimmen. In noch einem weiteren Beispiel kann die Lichtquelle ein Breitbandlicht abgeben und erfolgt die Auswahl der Wellenlänge(n) mittels eines Filters, wie z.B. eines photonischen Kristalls.
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An Block 808 tritt das abgegebene Licht durch den Wellenleiter und die Multi-Pass-Wechselwirkungsregion hindurch. Da das Licht mehrere Durchtritte vollzieht, werden Teile des Lichts durch eine unmittelbar neben dem Wellenleiter und der Wechselwirkungsregion angeordnete Probe absorbiert. Die Absorptionsrate hängt zumindest teilweise von der Probe ab.
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An Block 810 tritt das wechselgewirkte Licht aus dem Wellenleiter aus und wird durch einen Detektor gemessen. Sobald das Licht mehrmals durch den Wellenleiter hindurchtritt und mit der Probe wechselgewirkt hat, tritt das wechselgewirkte Licht durch eine Ausgangsregion aus dem Wellenleiter aus. Der Lichtdetektor fängt das Licht, das wechselgewirkt hat und aus dem Wellenleiter ausgetreten ist, ein und misst es.
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An Block 812 werden gemäß dem abgegebenen Licht und dem gemessenen Licht Probeneigenschaften bestimmt. Die Eigenschaften umfassen chemische und/oder Umwelteigenschaften. Zusätzlich dazu kann an Block 812 die Probenart bestimmt werden. Der Lichtdetektor und/oder eine gesonderte Steuerung kann konfiguriert sein, die Bestimmung durchzuführen.
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Obwohl das Verfahren unten stehend als Serie von Aktionen oder Ereignissen gezeigt und beschrieben wird, versteht sich, dass die gezeigt Reihenfolge solcher Aktionen oder Ereignisse nicht in einem einschränkenden Sinn auszulegen ist. Beispielsweise können manche Aktionen in verschiedenen Reihenfolgen und/oder gleichzeitig mit anderen Aktionen oder Ereignisse abgesehen von den hier gezeigten oder beschriebenen auftreten. Zusätzlich dazu können nicht gezeigte Aktionen erforderlich sein, um einen oder mehrere Aspekte oder Ausführungsformen der Offenbarung hierin zu implementieren. Außerdem kann einer oder können mehrere der hierin gezeigten Aktionen in einer oder mehreren getrennten Aktionen und/oder Phasen durchgeführt werden.
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Es versteht sich, dass der beanspruchte Gegenstand als Verfahren, Vorrichtung oder Fabrikat unter Verwendung von Standardprogrammierungs- und/oder Ingenieursverfahren implementiert werden kann, um Software, Firmware, Hardware oder jede Kombination daraus herzustellen, um einen Computer zu steuern, damit dieser den offenbarten Gegenstand umsetzt (z.B. sind die in den 1, 2 etc. dargestellten Systeme nichtbeschränkende Beispiele für ein System, das verwendet werden kann, um die obigen Verfahren zu implementieren). Der Begriff „Fabrikat“, wie hierin verwendet, soll ein Computerprogramm umfassen, das von jeder computerlesbaren Vorrichtung, jedem computerlesbaren Träger oder Medium aus zugänglich ist. Natürlich werden Fachleute anerkennen, dass Modifikationen an dieser Konfiguration zahlreiche vorgenommen werden können, ohne dabei vom Schutzumfang oder dem Gedanken des beanspruchten Gegenstands abzuweichen.
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Ein Sensorsystem mit einer Multi-Pass-Wechselwirkungsregion ist offenbart. Das System umfasst eine Eingangsregion, eine Multi-Pass-Region und eine Ausgangsregion. Die Eingangsregion ist konfiguriert, abgegebenes Licht zu empfangen. Die Multi-Pass-Region ist mit der Eingangsregion gekoppelt und konfiguriert, Teile des abgegebenen Lichts gemäß einer unmittelbar neben der Multi-Pass-Region angeordneten Probe zu absorbieren. Die Ausgangsregion ist mit der Multi-Pass-Region gekoppelt und konfiguriert, wechselgewirktes Licht aus der Multi-Pass-Region bereitzustellen.
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Ein Sensorsystem mit einer Multi-Pass-Wechselwirkungsregion ist offenbart. Das System umfasst einen Sensor und eine Steuereinheit. Der Sensor umfasst eine Lichtquelle, einen Wellenleiter und einen Detektor. Die Lichtquelle ist konfiguriert, Licht in einer oder mehreren ausgewählten Wellenlängen abzugeben. Der Wellenleiter ist konfiguriert, das abgegebene Licht zu empfangen, Wechselwirkung mit der Probe bereitzustellen und wechselgewirktes Licht bereitzustellen. Der Detektor ist konfiguriert, das wechselgewirkte Licht aus dem Wellenleiter zu messen. Die Steuereinheit ist mit dem Sensor gekoppelt und konfiguriert, Eigenschaften der Probe gemäß dem gemessenen Licht und dem abgegebenen Licht zu bestimmen.
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Ein Verfahren zum Betrieb eines Sensors mit einer Multi-Pass-Wechselwirkungsregion ist offenbart. Eine Wellenlänge zur Detektion wird
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ausgewählt. In einem Beispiel ist die Wellenlänge Infrarot. Ein Wellenleiter mit einer Multi-Pass-Wechselwirkungsregion wird gemäß der ausgewählten Wellenlänge konfiguriert. Licht mit der ausgewählten Wellenlänge wird am Wellenleiter empfangen. Das empfangene Licht wechselwirkt in der Multi-Pass-Wechselwirkungsregion. Aus dem Wellenleiter austretendes Licht wird gemessen. Das gemessene Licht und das empfangene Licht können zum Bestimmen oder Detektieren einer Probe verwendet werden.
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Mit besonderer Hinsicht auf die verschiedenen Funktionen, die von den oben beschriebenen Bauteilen oder Strukturen (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systemen etc.) vorgenommen werden, sollen die zur Beschreibung solcher Bauteile verwendeten Ausdrücke (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“) eines beliebigen Bauteils oder Struktur entsprechen, welche die spezifizierte Funktion des beschriebenen Bauteils vornimmt (z.B. die funktionell äquivalent ist), auch wenn sie zur geoffenbarten Struktur nicht strukturell äquivalent ist, welche die Funktion in den hier als Beispiele veranschaulichten Implementierungen der Erfindung vornimmt, wenn nichts anderes angegeben ist. Obwohl zudem ein besonderes Merkmal der Erfindung in Bezug auf nur eine von mehreren Implementierungen offenbart worden sein kann, kann ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Implementierungen kombiniert werden, wie das für eine beliebige oder bestimmte Anwendung erwünscht oder vorteilhaft sein kann. Des Weiteren sollen die Begriffe „einschließlich“, „schließt ein“, „aufweisend“, „weist auf“, „mit“ oder Varianten davon, sofern sie einerseits in der ausführlichen Beschreibung und andererseits in den Patentansprüchen verwendet werden, ähnlich wie der Begriff „umfassend“ einschließlich gemeint sein.
