DE102016216328A1

DE102016216328A1 - 3D-Spalt-Wellenleiter, Sensoranordnung und Herstellungsverfahren eines 3D-Spalt-Wellenleiters

Info

Publication number: DE102016216328A1
Application number: DE102016216328.0A
Authority: DE
Inventors: Isabelle Raible; Johannes Milvich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-08-30
Filing date: 2016-08-30
Publication date: 2018-03-01
Also published as: FR3055415A1; IT201700096070A1; FR3055415B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen 3D-Spalt-Wellenleiter (100), umfassend – eine Wellenleiteranordnung, – eine erste Schicht (1), welche einen ersten Brechungsindex aufweist und welche zumindest teilweise auf der Wellenleiteranordnung angeordnet ist und – eine zweite Schicht (2), welche einen zweiten Brechungsindex aufweist, wobei – die Wellenleiteranordnung einen Streifen-Wellenleiter (4) umfasst, – die zweite Schicht (2) zumindest teilweise auf einer von dem Streifen-Wellenleiter (4) abgewandten Seite (104) der ersten Schicht (1) angeordnet ist, wobei die erste Schicht (1) einen Spalt des 3D-Spalt-Wellenleiters (100) bildet, – die zweite Schicht (2) zumindest teilweise durchlässig für mindestens einen Analyten ist, und – die erste Schicht (1) mindestens eine Eigenschaft aufweist, die von dem mindestens einen Analyten abhängt.

Description

Die Erfindung betrifft einen 3D-Spalt-Wellenleiter, eine Sensoranordnung und ein Herstellungsverfahren eines 3D-Spalt-Wellenleiters.
Stand der Technik
In „Experimental demonstration of guiding and confining light in nanometer-size low-refractive-index material" (Xu et al., Optics Letter, Vol. 29, No. 14, 2004) ist ein Spalt-Wellenleiter beschrieben. Der Spalt-Wellenleiter umfasst einen schmalen Spalt aus einem niedrigbrechenden Material, welches zwischen zwei rechteckigen Bereichen mit hohem Brechungsindex angeordnet ist, die beide von einem Mantel aus niedrigbrechenden Material umgeben sind.
Elektromagnetische Wellen werden bei Spalt-Wellenleitern im Spalt geführt, während bei herkömmlichen Streifen-Wellenleitern die elektromagnetischen Wellen im Wellenleiter geführt werden.
Kern und Vorteile der Erfindung
Integrierte photonische Sensoren weisen eine Vielzahl von Verwendungszwecken, beispielsweise als Umweltsensoren, Inertialsensoren und/ oder biologische Sensoren, auf. Beispielsweise können integrierte photonische Sensoren zur DNA Analyse eingesetzt werden. Um eine Sensitivität integrierter photonischer Sensoren für spezielle Analyten, die untersucht werden sollen, zu realisieren, kann eine Funktionalisierung der integrierten photonischen Sensoren beispielsweise mittels einer geeigneten Ummantelung erzielt werden. Die Ummantelung kann insbesondere eine sensitive Schicht sein, welche in Abhängigkeit der Konzentration des Analyten beispielsweise ihren Brechungsindex oder ihre Dimensionen ändert. Analyten können beispielsweise Gase, Flüssigkeiten, Festkörper oder Gemische unterschiedlicher Aggregatzustände sein. Bei funktionalisierten Streifen-Wellenleitern, welche eine sensitive Schicht aufweisen, reagiert eine evaneszente Wellen der im Wellenleiter geführten elektromagnetischen Strahlung mit der sensitiven Schicht, deren Brechungsindex oder deren Abmessungen sich mit der Konzentration des Analyten ändert. Diese Änderung des Brechungsindex kann beispielsweise mit einem resonanten oder interferometrischen Ausleseverfahren detektiert bzw. ausgewertet werden. Ein System zur Durchführung des Ausleseverfahrens kann auf dem gleichen Chip wie der funktionalisierte Streifen-Wellenleiter angeordnet werden. Zudem können beispielsweise auch Strahlungsquellen zur Erzeugung von Strahlung und/ oder Fotodetektoren zur Detektion von Strahlung auf dem Chip integriert werden. Je größer ein Überlapp zwischen der im Wellenleiter geführten Mode der elektromagnetischen Strahlung und der sensitiven Schicht ist, desto sensitiver kann der integrierte photonische Sensor auf den Analyten reagieren und desto höher kann eine Messgenauigkeit des Sensors sein. Bei funktionalisierten Spalt-Wellenleitern wird die elektromagnetische Strahlung vorwiegend in der sensitiven Schicht geführt. Im Gegensatz dazu wird bei funktionalisierten Streifen-Wellenleitern die Mode verstärkt im Streifen-Wellenleiter geführt. Bei Streifen-Wellenleitern interagiert die evaneszente Welle mit der sensitiven Schicht. Bei einer Verwendung von funktionalisierten Spalt-Wellenleitern kann eine höhere Sensitivität für das Sensieren von Analyten erreicht werden. Funktionalisierte Spalt-Wellenleiter aus dem Stand der Technik können beispielsweise mittels lithographischer Verfahren und Ätzprozessen hergestellt werden, welche dazu geeignet sind Strukturen, wie beispielsweise den Spalt des funktionalisierten Spalt-Wellenleiters, im Nanometer-Bereich präzise herzustellen.
Die Erfindung betrifft einen 3D-Spalt-Wellenleiter, eine Sensoranordnung und ein Herstellungsverfahren eines 3D-Spalt-Wellenleiters.
Ein Vorteil der Erfindung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche ist, dass eine Herstellung eines robusten 3D-Spalt-Wellenleiters mit einfachen Verfahrensschritten ermöglicht wird. Zudem kann eine hohe Sensitivität und eine hohe Genauigkeit der Messergebnisse bei einer Untersuchung eines Analyten unter Verwendung des 3D-Spalt-Wellenleiters ermöglicht werden.
Dies wird erreicht mit einem 3D-Spalt-Wellenleiter, umfassend eine Wellenleiteranordnung, eine erste Schicht, welche einen ersten Brechungsindex aufweist und welche zumindest teilweise auf der Wellenleiteranordnung angeordnet ist und eine zweite Schicht, welche einen zweiten Brechungsindex aufweist. Der 3D-Spalt-Wellenleiter zeichnet sich dadurch aus, dass die Wellenleiteranordnung einen Streifen-Wellenleiter umfasst, die zweite Schicht zumindest teilweise auf einer von dem Streifen-Wellenleiter abgewandten Seite der ersten Schicht angeordnet ist, wobei die erste Schicht einen Spalt des 3D-Spalt-Wellenleiters bildet, die zweite Schicht zumindest teilweise durchlässig für mindestens einen Analyten ist, und die erste Schicht mindestens eine Eigenschaft aufweist, die von dem mindestens einen Analyten abhängt.
In einer Ausführungsform kann der erste Brechungsindex kleiner als der zweite Brechungsindex sein. Insbesondere kann ein Brechungsindex des Streifen-Wellenleiters größer als der erste Brechungsindex sein. Ein Vorteil ist, dass elektromagnetische Strahlung in der ersten Schicht geführt werden kann und somit ein Überlapp zwischen der im 3D-Spalt-Wellenleiter geführten elektromagnetischen Strahlung und der ersten Schicht, welche eine von dem Analyten abhängige Eigenschaft aufweist, vorteilhafterweise groß ist. Somit kann eine hohe Sensitivität und eine hohe Genauigkeit der Messergebnisse bei einer Untersuchung des Analyten unter Verwendung des 3D-Spalt-Wellenleiters ermöglicht werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine erste Eigenschaft der ersten Schicht, welche von dem mindestens einen Analyten abhängt, der erste Brechungsindex, insbesondere der Realteil des ersten Brechungsindex, sein. Alternativ oder ergänzend kann eine zweite Eigenschaft der ersten Schicht, welche von dem mindestens einen Analyten abhängt, der erste Brechungsindex der ersten Schicht sein, wobei der erste Brechungsindex ein komplexer Brechungsindex, insbesondere der Imaginärteil des ersten Brechungsindex, ist. Ein Vorteil ist, dass bei einer Betrachtung einer Änderung des komplexen Brechungsindex, als Eigenschaft, die sich beispielsweise in Abhängigkeit einer Konzentration des Analyten ändert, Dämpfungseffekte wie sie beispielsweise durch Absorption elektromagnetischer Strahlung auftreten, berücksichtigt werden können und somit zusätzliche Informationen zur Selektierung oder Referenzierung vorhanden sind.
Alternativ oder ergänzend kann eine dritte Eigenschaft der ersten Schicht, welche von dem mindestens einen Analyten abhängt, mindestens eine Abmessung der ersten Schicht sein. Wird ein Kontakt zwischen der ersten Schicht und dem Analyten hergestellt, so kann die erste Schicht anschwellen oder schrumpfen, sodass sich mindestens eine Abmessung der ersten Schicht ändert. Beispielsweise kann sich eine Dicke der Schicht ändern. Durch das Anschwellen kann beispielsweise eine Änderung eines effektiven Brechungsindex einer Mode der elektromagnetischen Strahlung auftreten, wobei diese Änderung beispielsweise mittels eines resonanten oder interferometrischen Auswertesystem ermittelt und einer Konzentration des Analyten zugeordnet werden kann.
In einer Ausführungsform kann die zweite Schicht aus einem Material ausgebildet werden, welches porös für den mindestens einen Analyten ist. Ein Vorteil ist, dass der Analyt somit auf einfache Weise durch die zweite Schicht zu der ersten Schicht durchdringen kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Durchlässigkeit der zweiten Schicht für den mindestens einen Analyten alternativ oder ergänzend durch chemische Eigenschaften der zweiten Schicht realisiert werden kann, sodass durch die zweite Schicht selektiv nur ausgewählte Analyten zur ersten Schicht gelangen.
Alternativ oder ergänzend kann die zweite Schicht eine vorgegebene Porengröße aufweisen, wobei die zweite Schicht als Filter für Moleküle oder Partikel eingerichtet ist, wobei eine Filterfunktion des Filters von der Porengröße abhängt. Ein Vorteil ist, dass somit unerwünschte Stoffgemische, welche beispielsweise eine Verfälschung des Messergebnisses bewirken könnten, nicht zu der ersten Schicht gelangen können und somit keine Eigenschaft der Schicht ändern können. Somit kann die Sensitivität, die Selektivität gegenüber bestimmter Analyten, die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit von Messungen, bei denen der 3D-Spalt-Wellenleiter verwendet wird, erhöht werden. Zudem kann die erste Schicht somit vor Umwelteinflüssen durch Gase, insbesondere Feuchtigkeit, Flüssigkeiten und/ oder Festkörper, welche beispielsweise eine Beschädigung der ersten Schicht durch chemische Reaktionen oder ähnliches bewirken könnten, geschützt werden. Somit kann vorteilhafterweise eine Robustheit und eine Lebensdauer des 3D-Spalt-Wellenleiters erhöht werden.
Eine Sensoranordnung, welche mindestens einen 3D-Spalt-Wellenleiter gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen und eine Auswerteeinheit zur Bestimmung des Analyten aus einer Änderung der mindestens einen Eigenschaft der ersten Schicht umfasst, ist vorteilhaft, da gemäß den Vorteilen zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen die Sensitivität, die Selektivität für bestimmte Analyten, die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Messergebnisse der Sensoranordnung erhöht werden können.
Ein Verfahren zur Herstellung eines 3D-Spalt-Wellenleiters gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen umfasst die nachfolgend aufgeführten Schritte: Bereitstellen des Streifen-Wellenleiters; Aufbringen der ersten Schicht auf den Streifen-Wellenleiter; Aufbringen der zweiten Schicht auf die von dem Streifen-Wellenleiter abgewandte Seite der ersten Schicht. Ein Vorteil ist, dass die Schritte mittels einfacher Prozesse mit einer hohen Genauigkeit durchgeführt werden können. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine Herstellung des 3D-Spalt-Wellenleiters mit einer hohen Güte und Zuverlässigkeit ermöglicht wird und somit eine kostengünstige Herstellung des 3D-Spalt-Wellenleiters in großer Stückzahl und mit einer hohen Qualität ermöglicht wird. Insbesondere sind keine lithographischen Prozessschritte erforderlich, welche eine Lithographie-Präzision kleiner 100 nm realisieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche oder gleichwirkende Elemente.
Es zeigen
1a einen Querschnitt eines funktionalisierten Streifen-Wellenleiters,
1b einen Querschnitt eines funktionalisierten Spalt-Wellenleiters, umfassend zwei Streifen-Wellenleiter,
2 einen Querschnitt eines 3D-Spalt-Wellenleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine Blockdiagramm einer Sensoranordnung,
4 ein Simulationsergebnis für ein TE-Modenprofil eines Streifen-Wellenleiters mit einer sensitiven Schicht,
5 ein Simulationsergebnis für ein TE-Modenprofil eines 3D-Spalt-Wellenleiters,
6 ein Simulationsergebnis für ein TM-Modenprofil eines Streifen-Wellenleiters mit einer sensitiven Schicht,
7 ein Simulationsergebnis für ein TM-Modenprofil eines 3D-Spalt-Wellenleiters,
8 ein Simulationsergebnis einer Sensitivität eines Streifen-Wellenleiters mit einer sensitiven Schicht für TE-Moden,
9 ein Simulationsergebnis einer Sensitivität eines 3D-Spalt-Wellenleiters für TE-Moden,
10 ein Simulationsergebnis einer Sensitivität eines Streifen-Wellenleiters mit einer sensitiven Schicht für TM-Moden,
11 ein Simulationsergebnis einer Sensitivität eines 3D-Spalt-Wellenleiters für TM-Moden und
12 ein Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens eines 3D-Spalt-Wellenleiters.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1a zeigt einen Querschnitt eines funktionalisierten Streifen-Wellenleiters 200‘, welcher einen Streifen-Wellenleiter 202 umfasst, der auf einem Substrat 203 angeordnet ist und der von einer sensitiven Schicht 201 umgeben ist. Sensitive Bereiche des Streifen-Wellenleiters 202 in 1a sind als gestrichelte Ellipsen skizziert. Bei funktionalisierten Streifen-Wellenleitern 200‘ wird eine Mode der elektromagnetischen Strahlung im Streifen-Wellenleiter 202 geführt. Die Mode dringt in die sensitive Schicht 201 ein und klingt in der sensitiven Schicht 201 exponentiell ab. Dieses Phänomen wird als Evaneszenz bezeichnet. Es interagiert somit eine evaneszente Welle mit der sensitiven Schicht 201.
1b zeigt einen funktionalisierten Spalt-Wellenleiter 200. Der funktionalisierte Spalt-Wellenleiter 200 umfasst zwei Streifen-Wellenleiter 202, welche voneinander beabstandet auf einem gemeinsamen Substrat 203 angeordnet sein können. Ein Spaltabstand 205 bezeichnet den Abstand zwischen den Streifen-Wellenleitern 202. Der Spaltabstand 205 liegt in einem Nanometerbereich. Die beiden Streifen-Wellenleiter 202 sind von einer sensitiven Schicht 201 bedeckt, welche auch im Spalt zwischen den Streifen-Wellenleitern 202 vorliegt. Ein sensitiver Bereich 204 des Spalt-Wellenleiters 200 ist im Bereich des Spaltes als gestrichelte Ellipse skizziert.
2 zeigt einen Querschnitt eines 3D-Spalt-Wellenleiters 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Auf einem Substrat 3, beispielsweise einem Silicon-on-Insulator Substrat, ist ein Streifen-Wellenleiter 4 ausgebildet, welcher eine Wellenleiteranordnung darstellt. Der Streifen-Wellenleiter 4 kann beispielsweise aus Silizium (Si) ausgebildet sein. Eine Oberfläche 105 des Streifen-Wellenleiters 4 umfasst in 2 drei Flächen: Zum einen zwei Seitenflächen des Streifen-Wellenleiters 4, welche voneinander beabstandet in jeweils einer Ebene parallel zur y-z-Ebene angeordnet sind und zum anderen eine obere Fläche des Wellenleiters 4, welche die beiden Seitenflächen miteinander verbindet und welche in einer Ebene parallel zur x-z-Ebene auf einer von dem Substrat 4 abgewandten Seite des Substrats 4 angeordnet ist. Auf der Oberfläche 105 des Streifen-Wellenleiters 4 ist in 2 eine erste Schicht 1, welche einen ersten Brechungsindex aufweist, angeordnet. Eine zweite Schicht 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf einer von dem Streifen-Wellenleiter 4 abgewandten Seite 104 der ersten Schicht 1 angeordnet. Die erste Schicht 1 bildet einen Spalt des 3D-Spalt-Wellenleiters 100 zwischen dem Streifen-Wellenleiter 4 und der zweiten Schicht 2. Die zweite Schicht 2 weist einen zweiten Brechungsindex auf. Die zweite Schicht 2 ist zumindest teilweise durchlässig für mindestens einen Analyten. Der mindestens eine Analyt kann auf einer von der ersten Schicht 1 abgewandten Seite der zweiten Schicht 2, welche in 2 einer Oberfläche 106 des 3D-Spalt-Wellenleiters 100 entspricht, angeordnet oder zumindest teilweise aufgebracht werden. Aufgrund einer Beschaffenheit der zweiten Schicht 2 kann der mindestens eine Analyt zu der ersten Schicht 1 gelangen. Die erste Schicht 1 weist mindestens eine Eigenschaft auf, die von dem mindestens einen Analyten abhängt. Der 3D-Spalt-Wellenleiter 100 umfasst den Streifen-Wellenleiter 4, die erste Schicht 1 und die zweite Schicht 2. Ein Brechungsindex des Streifen-Wellenleiters 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel größer als der erste Brechungsindex und der erste Brechungsindex ist kleiner als der zweite Brechungsindex. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Brechungsindex größer als ein Brechungsindex der Probe, die den mindestens einen Analyten umfasst, sein. Der Streifen-Wellenleiter 4, die erste Schicht 1 und die zweite Schicht 2 bilden somit eine Schichtabfolge von Schichten 4, 1, 2 mit hohem, niedrigem, hohem Brechungsindex. Wird elektromagnetische Strahlung in den Streifen-Wellenleiter 4 eingekoppelt, so kann mindestens eine Mode der elektromagnetischen Strahlung im Streifen-Wellenleiter geführt werden. Durch Ausbilden der Schichtabfolge kann erreicht werden, dass die mindestens eine Mode nicht im Streifen-Wellenleiter 4 sondern vermehrt in der ersten Schicht 1 geführt wird. Die erste Schicht 1 weist mindestens eine Eigenschaft auf, die sich in Abhängigkeit des Analyten ändert und wirkt somit als sensitive Schicht. Wird die mindestens eine Mode in der ersten Schicht 1 geführt, so ist der Überlapp der mindestens einen Mode mit der sensitiven Schicht am größten. Somit kann die Sensitivität der ersten Schicht 1 optimal ausgenutzt werden. Durch die Wahl der Brechungsindizes der Schichten 4, 1, 2 kann dieser Überlapp eingestellt werden. Durch eine Wahl der Materialien und der Abmessungen der Elemente des 3D-Spalt-Wellenleiters 100, wie beispielsweise der ersten Schicht 1, der zweiten Schicht 2 und des Streifen-Wellenleiters 4 kann eingestellt werden welche Mode bzw. welche Moden mit welcher Wellenlänge im 3D-Spalt-Wellenleiter 100 geführt werden. Beispielsweise können die Materialien und Abmessungen derart gewählt werden, dass eine Mode mit einer Wellenlänge von 1,55 µm im 3D-Spalt-Wellenleiter 100 geführt wird. Wie bei dem in 1b gezeigten 3D-Spalt-Wellenleiter 200 bildet auch der Spalt, der in 2 durch die erste Schicht 1 gebildet wird, einen sensitiven Bereich des 3D-Spalt-Wellenleiters 100. Die Oberfläche 105 des Streifen-Wellenleiters 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel vollständig von der ersten Schicht 1 bedeckt. In 2 sind die sensitiven Bereiche 101, 102, 103 durch gestrichelte Ellipsen skizziert. Der erste sensitive Bereich 101 und der zweite sensitive Bereich 102 befinden sich im Bereich der einander gegenüberliegenden Seitenflächen der Oberfläche 105 des Streifen-Wellenleiters 4. Der dritte sensitive Bereich 103 befindet sich auf einer vom Substrat 3 abgewandten Seite des Streifen-Wellenleiters 4.
Die erste Schicht 1 weist mindestens eine Eigenschaft abhängig vom Analyten auf. Eine Sensitivität des 3D-Spalt-Wellenleiters 4 gegenüber dem Analyten wird durch die erste Schicht 1 realisiert. Der 3D-Spalt-Wellenleiter 100 kann in einem Ausführungsbeispiel auch sensitiv gegenüber mehreren Analyten sein. Analyten sind in einer Probe enthaltene Stoffe, über die bei einer chemischen Analyse eine Aussage getroffen werden soll. Analyten können beispielsweise biologische oder chemische Stoffe sein. Chemische Analyten können beispielsweise gasförmige Moleküle, wie Kohlenstoffdioxid (CO₂), Formaldehyd oder Wasser (H₂O) für Umweltuntersuchungen, umfassen. Des Weiteren können chemische Analyten Ionen, wie Kalziumionen (Ca²⁺), Kaliumionen (K⁺) für Blutüberwachungsanwendungen oder der Wasserqualität, aber auch neutrale Moleküle, wie Methanol in Brennstoffzellen oder Wasserstoffperoxid (H₂O₂) für eine Atemluftanalyse, umfassen. Beispielsweise kann eine Konzentration eines oder mehrerer Analyten im Rahmen einer chemischen Analyse ermittelt werden. Als Probe wird ein zu untersuchendes Material bezeichnet, welches ein chemischer Stoff oder ein Stoffgemisch sein kann. Die Probe kann gasförmig, flüssig und/ oder fest vorliegen. Beispielsweise kann die Probe biologisches Material umfassen, anhand dessen eine DNA-Analyse durchgeführt werden soll. Der erste Brechungsindex der ersten Schicht 1 kann möglichst klein gewählt werden, sodass die Mode der elektromagnetischen Strahlung vermehrt in der ersten Schicht 1 geführt wird. „Vermehrt“ bedeutet hierbei, dass die zumindest eine Mode zumindest teilweise in der ersten Schicht 1 geführt wird. In Anwesenheit des mindestens einen Analyten kann die erste Schicht mindestens eine Eigenschaft beispielsweise in Abhängigkeit der Konzentration des Analyten ändern. Die mindestens eine Eigenschaft kann eine erste Eigenschaft, eine zweite Eigenschaft und/ oder eine dritte Eigenschaft umfassen. Die erste Eigenschaft der ersten Schicht 1, die abhängig vom Analyten ist, kann der erste Brechungsindex sein. Beispielsweise kann eine Änderung der Konzentration des Analyten zu einer Änderung des ersten Brechungsindex führen. Aus dieser Änderung kann auf die Konzentration des Analyten rückgeschlossen werden. Alternativ oder ergänzend kann sich die zweite Eigenschaft der ersten Schicht 1 beispielsweise in Abhängigkeit der Konzentration des Analyten ändern. Die zweite Eigenschaft kann der erste Brechungsindex sein, welcher ein komplexer Brechungsindex ist. Der erste Brechungsindex kann zur Berücksichtigung beispielsweise einer Absorption der Mode im 3D-Spalt-Wellenleiter 100 auch als komplexe Zahl angegeben werden. Eine Änderung des ersten Brechungsindex kann dann unter Berücksichtigung von Dämpfungseffekten wie beispielsweise der Absorption der Mode der Konzentration des Analyten zugeordnet werden. Dadurch kann die Genauigkeit und die Selektivität der Konzentrationsmessung sowie die Robustheit der Konzentrationsmessung gegenüber Hintergrundeffekten erhöht werden. Alternativ oder ergänzend kann sich die dritte Eigenschaft der ersten Schicht 1 in Abhängigkeit des Analyten ändern. Die dritte Eigenschaft kann ein mindestens eine Abmessung der ersten Schicht 1 sein. Die Abmessungen der ersten Schicht 1 können beispielsweise eine Dicke der ersten Schicht 1 umfassen. Die Dicke der ersten Schicht ist durch einen Abstand der zweiten Schicht 2 von der Oberfläche 105 des Streifen-Wellenleiters 4 gegeben. Weitere Abmessungen können beispielsweise eine Breite der ersten Schicht 1 umfassen. Wird ein Kontakt zwischen der ersten Schicht und dem Analyten hergestellt, so kann die erste Schicht 1 anschwellen oder schrumpfen bzw. austrocknen, sodass sich die mindestens eine Abmessung der ersten Schicht 1 ändert. Änderungen der ersten Eigenschaft, der zweiten Eigenschaft und/ oder der dritten Eigenschaft in Abhängigkeit der Konzentration des Analyten können eine Änderung eines komplexen effektiven Brechungsindex der im 3D-Spalt-Wellenleiter 100 geführten Mode bewirken. Als Material für die erste Schicht 1 können beispielsweise Materialien gewählt werden, welche im Vergleich zum zweiten Brechungsindex und zum Brechungsindex des Streifen-Wellenleiters 4 einen kleinen ersten Brechungsindex aufweisen und welche mindestens eine Eigenschaft aufweisen, welche eine Empfindlichkeit gegenüber dem Analyten aufweist. Da die Mode der elektromagnetischen Strahlung vermehrt in der ersten Schicht 1 geführt wird, kann das Material so gewählt werden, dass es eine geringe Absorption für die Wellenlänge dieser Mode aufweist. Die geringe Absorption ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Realteil des ersten Brechungsindex zur Messung beispielsweise der Konzentration des Analyten betrachtet wird. Wenn die Absorption als Eigenschaft, die sich aufgrund des Analyten ändert, gemessen werden soll, so ist keine geringe Absorption erforderlich. „Vermehrt“ bedeutet hierbei, dass die zumindest eine Mode zumindest teilweise in der ersten Schicht 1 geführt wird.
„Vermehrt“ bedeutet, dass zumindest ein Anteil der Strahlung in der ersten Schicht 1 geführt wird, im Gegensatz zu dem funktionalisierten Streifen-Wellenleiter 200‘, umfassend den Streifen-Wellenleiter 202 mit der sensitiven Schicht 201 aus 1a, bei dem die Strahlung im Streifen-Wellenleiter 202 geführt wird und in einer Umgebung des Streifen-Wellenleiters 202, also in 1a in der sensitiven Schicht 201, als evaneszentes Feld abfällt. Insbesondere kann der Anteil der Strahlung, der in der ersten Schicht 1 geführt wird, größer sein als der Anteil der Strahlung, der im Streifen-Wellenleiter 4 geführt wird. Materialien, welche beispielsweise zumindest teilweise mit dem Analyten in einer vorgegebenen Zeitdauer reagieren, können als erste Schicht 1 verwendet werden. Die erste Schicht 1 kann beispielsweise aus einem Polymer ausgebildet sein. Die erste Schicht 1 kann in einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Mode mit einer Wellenlänge von 1,55 µm im 3D-Spalt-Wellenleiter 100 geführt wird, eine Dicke von etwa 10 Nanometern (nm) bis einige hundert Nanometer aufweisen. Die erste Schicht 1 kann beispielsweise aus einem oder mehreren der nachfolgend aufgeführten Materialien ausgebildet sein: Polymere, Metall-organische Gerüste (MOF), Metall-Oxide, Porphyrin, organische oder anorganische Verbindungen, enzym-basierte Materialien.
Die zweite Schicht 2 kann aus einem für den Analyten durchlässigen Material ausgebildet werden. „Durchlässig“ bedeutet hierbei, dass er Analyt die zweite Schicht passieren kann. Beispielsweise kann die zweite Schicht 2 aus einem porösen Material ausgeführt sein und somit durchlässig für den mindestens einen Analyten sein. Der mindestens eine Analyt kann somit die zweite Schicht 2 passieren und somit zur ersten Schicht 1 gelangen. Alternativ oder ergänzend weist die zweite Schicht 2 eine chemische Eigenschaft auf, durch eine Selektion stattfinden kann, sodass nur gewisse Analyten zur ersten Schicht 1 gelangen können. Die Selektion der Analyten kann somit chemisch, durch beispielsweise Ausbilden von chemischen Bindungen, oder physikalisch, beispielsweise durch eine Wahl der Porengröße, oder durch eine Mischung beider Selektionsverfahren erfolgen. Der zweite Brechungsindex der zweiten Schicht 2 kann größer als der erste Brechungsindex der ersten Schicht 1 gewählt werden. Somit kann die Mode vermehrt in der ersten Schicht 1 geführt werden. Die zweite Schicht 2 kann beispielsweise aus Metall-organische Gerüste mit beliebig einstellbarer Porengröße bis beispielsweise 10 nm ausgeführt sein. In einem Ausführungsbeispiel kann die zweite Schicht 2 eine vorgegebene Porengröße aufweisen. Eine Porosität der zweiten Schicht 2 kann beispielsweise über die Wahl der Porengröße einstellbar sein. Die vorgegebene Porengröße sollte hierbei zumindest ermöglichen, dass der mindestens eine Analyt durch die zweite Schicht 2 zur ersten Schicht 1 durchdringen kann. Die Porosität der zweiten Schicht 2 kann intrinsisch sein. Materialien, welche eine intrinsische Porosität aufweisen sind beispielsweise Teflon AF, Metall-organische Gerüste (MOF) sowie Netzwerke aus Nano-Materialien, wie Kohlenstoff-Nanoröhren. Alternativ oder ergänzend kann die Porosität der zweiten Schicht 2 bei der Herstellung der zweiten Schicht 2 eingestellt werden, indem beispielsweise ein Template bei der Abscheidung der zweiten Schicht 2 verwendet wird. Hierzu können beispielsweise Methoden verwendet werden, die aus der Herstellung geprägter Polymere bekannt sind, wie die Verwendung von Tensiden (2D Poren) oder Multilagen-Nano-Teilchen Templates. Die zweite Schicht 2 kann als Filter für Moleküle oder Partikel eingerichtet sein, wobei eine Filterfunktion des Filters von der Porengröße der zweiten Schicht 2 abhängt. Moleküle oder Partikel, welche größer als die Porengröße sind, können somit nicht zur ersten Schicht 1 gelangen. Beispielsweise kann es wünschenswert sein Staubpartikel von der ersten Schicht 1 fernzuhalten. Diese können beispielsweise durch die zweite Schicht 2, die als Filter wirkt, von der ersten Schicht 1 ferngehalten werden. Die zweite Schicht 2 weist vorzugsweise eine geringe Absorption oder Streuung bei der Wellenlänge auf, die vom 3D-Spalt-Wellenleiter 100 geführt werden soll. Die geringe Absorption ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Realteil des ersten Brechungsindex zur Messung beispielsweise der Konzentration des Analyten betrachtet wird. Wenn hingegen die Absorption als Eigenschaft, die sich aufgrund des Analyten ändert, gemessen werden soll, so ist keine geringe Absorption erforderlich. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel soll eine Mode mit einer Wellenlänge von 1,55 µm im 3D-Spalt-Wellenleiter 100 geführt werden. Die zweite Schicht 2 kann beispielsweise aus Kohlenstoff-basierten Materialien ausgeführt sein. Die Kohlenstoff-basierten Materialien können beispielsweise ein Netzwerk aus Kohlenstoffnanoröhren (CNT) oder Nanopartikeln umfassen. Kohlenstoff-Nanostrukturen lassen sich über chemische Verbindungen miteinander verbinden, um die mechanische Stabilität der zweiten Schicht 2 zu erhöhen. Beispielsweise eignen sich hierzu COOH-modifizierte Kohlenstoffnanoröhren, welche mit Diaminen verbunden werden. Kohlenstoff-basierte Materialien ermöglichen eine gute Diffusion des mindestens einen Analyten zur ersten Schicht 1 und sind als hochbrechende Materialien einsetzbar. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Schicht 2 aus einem hochbrechenden Polymer (HRIP) ausgebildet sein, wie beispielsweise Polymere, welche als Antireflex-Beschichtung verwendet werden können. Eine Erhöhung des Brechungsindex eines Polymers kann beispielsweise mittels aromatischer Monomere, durch ein Hinzufügen von Atomen, wie beispielsweise Schwefel (S), oder chemischer Verbindungen, wie beispielsweise Monophosphan (PH₃), erzielt werden. Alternativ oder ergänzend können zur Erhöhung des Brechungsindex des Polymers Nano-Teilchen zugegeben werden, welche Nanocomposite bilden können. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Schicht 2 aus Nano-Teilchen, wie beispielsweise Siliziumnitrid (Si₃N₄), Silizium (Si), Metalloxiden, Polystyrolen, ausgebildet sein. Ein Hersteller von Nano-Teilchen ist beispielsweise EPRUI Nanoparticles & Microspheres Co. Ltd. Abhängig von den chemischen Eigenschaften der gewählten Nano-Teilchen der zweiten Schicht 2 kann ein stabiles Netzwerk unter Anwendung verschiedener Vernetzungsarten realisiert werden. Beispielsweise können Gold-Nano-Teilchen über eine Dithiol-Verbindung, Amin-funktionalisierte Polystyrol Mikrosphären mittels Dicarbonsäuren und Silizium-Nanopartikel über eine Silanisierung vernetzt werden.
In einem Ausführungsbeispiel kann der 3D-Spalt-Wellenleiter 100 über geeignete Verjüngungs- und/ oder Kopplerstrukturen mit gewöhnlichen Routing-Wellenleitern verbunden werden, um Verluste, Reflexionen, Absorption und/ oder Streuung der elektromagnetischen Strahlung, welche im 3D-Spalt-Wellenleiter 100 geführt wird, außerhalb des sensitiven Bereichs zu reduzieren oder zu vermeiden und somit zu ermöglichen, dass die Mode der elektromagnetischen Strahlung zuverlässig geführt werden kann.
Eine optimale Dimensionierung des Streifen-Wellenleiters 4, der ersten Schicht 1 und der zweiten Schicht 2 kann ermittelt werden, indem der Anteil der Mode, der in der ersten Schicht 1 geführt wird, maximiert oder auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. Das Maximieren ist sinnvoll, falls die erste Schicht 1 keine oder eine nur geringe Absorption aufweist. Die Einstellung eines vorgegebenen Wertes kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn die erste Schicht 1 absorbierend ist. In diesem Fall kann der Überlapp so eingestellt werden, dass die Mode mit der ersten Schicht 1 interagiert und gleichzeitig die Mode nicht sofort vollständig absorbiert wird. Die optimale Dimensionierung kann des Weiteren davon abhängen, ob eine quasi Transversal-elektrische Mode (quasi TE-Mode) und/ oder eine quasi Transversal-magnetische Mode (quasi TM-Mode) für eine Analyse einer Probe verwendet wird. Die optimale Dimensionierung kann beispielsweise mittels einer Simulation ermittelt werden. Die Simulation ergibt bei Verwendung der quasi TE-Mode in einem Ausführungsbeispiel, bei dem der Streifen-Wellenleiter 4 aus Silizium (Si), die erste Schicht aus einem Polymer und die zweite Schicht 2 aus Kohlenstoff-Nanoröhren ausgeführt sind, folgende optimale Dimensionierung des Streifen-Wellenleiters 4, der ersten Schicht 1 und der zweiten Schicht 2: Der Streifen-Wellenleiter 4 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine optimale Breite, das heißt eine optimale Ausdehnung in x-Richtung, von 300 nm bei einer Höhe, das heißt einer Ausdehnung in y-Richtung, von 220 nm. Die erste Schicht 1 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine optimale Dicke von etwa 100 nm und die zweite Schicht 2 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine optimale Dicke von etwa 200 nm. Die Simulation ergibt bei Verwendung der quasi TM-Mode in einem Ausführungsbeispiel, bei dem der Streifen-Wellenleiter 4 aus Silizium (Si), die erste Schicht aus einem Polymer und die zweite Schicht 2 aus Kohlenstoff-Nanoröhren ausgeführt sind, folgende optimale Dimensionierung des Streifen-Wellenleiters 4, der ersten Schicht 1 und der zweiten Schicht 2: Der Streifen-Wellenleiter 4 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine optimale Breite, das heißt eine optimale Ausdehnung in x-Richtung, von 500 nm bei einer Höhe, das heißt einer Ausdehnung in y-Richtung, von 220 nm. Die erste Schicht 1 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine optimale Dicke von etwa 100 nm und die zweite Schicht 2 hat in diesem Ausführungsbeispiel eine optimale Dicke von etwa 200 nm.
Wird ein Kontakt zwischen der ersten Schicht 1 und dem Analyten hergestellt, so kann die erste Schicht 1 anschwellen oder schrumpfen, sodass sich mindestens eine Abmessung der ersten Schicht 1 ändert. Beispielsweise kann sich die Dicke der ersten Schicht 1 ändern. Durch das Anschwellen oder Schrumpfen der ersten Schicht 1 kann eine Änderung eines effektiven Brechungsindex einer Mode der elektromagnetischen Strahlung auftreten, da der effektive Brechungsindex unter anderem von einer Geometrie des 3D-Spalt-Wellenleiters 100 abhängt, welche durch das Anschwellen der ersten Schicht verändert wird. Der effektive Brechungsindex kann sich alternativ oder ergänzend beispielsweise in Abhängigkeit von einer Füllung der Poren der zweiten Schicht 2 mit dem Analyten sowie von Ionenpaarbildungen und/ oder einer Adsorption/Spaltung von Molekülen ändern, welche durch den Kontakt mit dem mindestens einen Analyten auftreten können. In 3 ist eine Sensoranordnung 107 dargestellt, welche einen 3D-Spalt-Wellenleiter 100, beispielsweise gemäß einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, und eine Auswerteeinheit 5 umfasst. Die Auswerteeinheit 5 kann auf dem gleichen Substrat 3 wie der 3D-Spalt-Wellenleiter 100 angeordnet werden. Die Auswerteeinheit 5 kann Detektoren zur Detektion von Strahlung umfassen. Diese können beispielsweise auf dem Substrat 3 integriert werden. Alternativ oder ergänzend kann die Auswerteeinheit 5 zumindest teilweise auf einem weiteren Substrat, welches nicht mit dem Substrat 3 übereinstimmt, angeordnet sein. Eine Wellenausbreitung, hier eine Ausbreitung der Mode im 3D-Spalt-Wellenleiter 100, ist durch die Wellengleichung gegeben. Das elektrische Feld ist gegeben durch E → = E →₀exp(i(kx – ωt)), wobei die Propagationskonstante mit dem Formelzeichen proportional zum effektiven Brechungsindex ist. Der effektive Brechungsindex weist einen Realteil auf, der die Brechung der Mode beschreibt und einen Imaginärteil, den Extinktionskoeffizienten, auf. Der Extinktionskoeffizienz ist ein Maß für die Schwächung der Mode durch ein Medium bezogen auf die Weglänge durch das Medium. Die Schwächung erfolgt durch Streuung und/ oder Absorption. Der effektive Brechungsindex kann sich beispielsweise ändern, wenn sich der Brechungsindex in mindestens einem Teil des Mediums, hier insbesondere in der ersten Schicht 1, in dem die Mode geführt wird, ändert, wenn sich die Absorption in mindestens einem Teil des Volumens des Mediums, hier insbesondere in der ersten Schicht 1, in dem die Mode geführt wird, ändert oder wenn sich die Abmessungen der ersten Schicht 1 ändern. Die Auswerteeinheit 5 kann die Änderung des effektiven Brechungsindex detektieren und/ oder auswerten. Die Änderung des effektiven Brechungsindex kann beispielsweise wie folgt gemessen werden. Zum einen kann der der Realteil des effektiven Brechungsindex gemessen werden, hierbei ergibt sich nach Durchlauf einer Messstrecke/ des 3D-Spalt-Wellenleiters 100 einer definierten Länge eine Phasenänderung gegenüber dem Normalzustand. Diese Phasenänderung kann beispielsweise über Interferometrie mit einem Referenzpfad gemessen werden. Alternativ oder ergänzend kann der Imaginärteil des effektiven Brechungsindex gemessen werden, der ein Maß für die Absorption darstellt, hierbei gibt es nach Durchlauf einer Messstrecke/ des 3D-Spalt-Wellenleiters 100 einer definierten Länge eine Amplitudenänderung bzw. eine Intensitätsänderung der Mode. Die Amplitudenänderung kann beispielsweise mit einer Fotodiode gemessen werden. Es kann beispielsweise die Konzentration und der Typ des Analyten aus der Änderung des effektiven Brechungsindex mittels der Auswerteeinheit 5 ermittelt werden. Es wird ein Messsignal 6 von dem 3D-Spalt-Wellenleiter 100 an die Auswerteeinheit 5 übermittelt. Die Auswerteeinheit 5 kann beispielsweise eine resonante oder interferometrische Auswerteeinheit 5 sein. Bei der Verwendung einer interferometrischen Auswerteeinheit 5 kann die Auswerteeinheit 5 beispielsweise ein Young-Interferometer, ein Mach-Zehnder Interferometer oder einen Ring-Resonator umfassen. Alle vorgenannten interferometrischen Messprinzipien beruhen auf einer Messung der Phasen. Die Phasenänderung kann in eine Änderung des effektiven Brechungsindex umgerechnet werden. Es kann beispielsweise über eine Kennlinie aus der Änderung des effektiven Brechungsindex die Konzentration des Analyten bestimmt werden. Die Konzentration des mindestens einen Analyten kann beispielsweise einen Ausgangswert 7 der Auswerteeinheit 5 und/ oder der Sensoranordnung 107 bilden. Dies ist in 3 durch einen Pfeil angedeutet. Wenn sich zusätzlich die Amplitude ändert, überlagert dieser Effekt die Phasenmessung. Hieraus können weitere Informationen gewonnen werden.
4 bis 7 zeigen Skizzen von Simulationsergebnissen verschiedener Modenprofile. Die erste Schicht 1 und die sensitive Schicht 201 sind in diesen Ausführungsbeispielen aus einem Polymer ausgebildet und die Streifen-Wellenleiter 4, 202 sind aus Silizium (Si) ausgebildet. Eine Dichte einer Punktewolke ist ein Maß für eine Amplitude eines auf eins normierten Feldes der Mode. Die Amplitude kann Werte zwischen 0 und 1 annehmen. Die Amplitude nimmt mit steigender Dichte der Punktewolke zu. Das heißt, eine sehr dichte Punktewolke entspricht einem Wert der Amplitude nahe eins, während eine Punktewolke mit einer sehr geringen Dichte der Punkte einem Wert der Amplitude nahe null entspricht. In 4 und 6 sind Skizzen der Simulationsergebnisse für einen funktionalisierten Streifen-Wellenleiter 200‘, wie er beispielsweise in 1a dargestellt ist, gezeigt. In 4 ist das Modenprofil für eine TE-Mode gezeigt, in 6 ist das Modenprofil für eine TM-Mode gezeigt. Die x-Achse und die y-Achse geben Abmessungen in 10^–7 m an. In 5 und 7 sind Skizzen der Simulationsergebnisse für einen 3D-Spalt-Wellenleiter 100, wie er beispielsweise in 2 dargestellt ist, gezeigt. In 5 ist das Modenprofil für eine TE-Mode gezeigt, in 7 ist das Modenprofil für eine TM-Mode gezeigt. Die x-Achse und die y-Achse geben Abmessungen in 10^–7 m an. In 4 ist die Amplitude der TE-Mode im Bereich der Seitenflächen des Streifen-Wellenleiters 202, welche jeweils in einer Ebene parallel zur y-z-Ebene voneinander beabstandet angeordnet sind, am größten, wobei die Amplitude des elektrischen Feldes im Streifen-Wellenleiter 202 einen Wert zwischen etwa 0,5 und etwa 0,75 aufweist. Die Amplitude der Mode nimmt im Bereich der von den Seitenflächen abgewandten Seiten der sensitiven Schicht 201 Werte zwischen etwa 0,4 und 0,7 an. In 5 ist die Amplitude der TE-Mode im Bereich der Seitenflächen des 3D-Spalt-Wellenleiters 100, welche voneinander beabstandet jeweils in einer Ebene parallel zur y-z-Ebene angeordnet sind, am größten, das heißt zwischen etwa 0,9 und etwa 1, wobei die Amplitude im Streifen-Wellenleiter 4 des 3D-Spalt-Wellenleiters 100 nur Werte zwischen etwa 0,45 und etwa 0,55 aufweist. Die Amplitude der Mode ist in der zweiten Schicht 2 kleiner als 0,4. Die Mode wird in dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel vermehrt in der ersten Schicht 1 geführt, welche wie vorstehend beschrieben, die mindestens eine Eigenschaft aufweist, welche von dem mindestens einen Analyten abhängt. Der Überlapp des Feldes der Mode mit der ersten Schicht 1 ist daher groß. In 6 nimmt die Amplitude der TM-Mode im Bereich einer oberen Fläche des Streifen-Wellenleiters 202, welche sich in einer Ebene parallel zur x-z-Ebene an einer Grenze zur sensitiven Schicht 201 befindet, Werte zwischen etwa 0,6 und etwa 0,85 an. Im Bereich einer Unterseite des Streifen-Wellenleiters 202, welche sich in einer Ebene parallel zur x-z-Ebene an einer Grenze zum Substrat 203 befindet, ist die Amplitude der Mode am größten, das heißt in einem Bereich von etwa 0,7 bis etwa 1. In 7 ist die Amplitude der TM-Mode im Bereich der oberen Fläche des Streifen-Wellenleiters 202, welche sich in einer Ebene parallel zur x-z-Ebene an einer Grenze zur sensitiven Schicht 201 befindet am größten, das heißt in einem Bereich zwischen etwa 0,75 und etwa 1. Im Bereich einer Unterseite des Streifen-Wellenleiters 202, welche sich in einer Ebene parallel zur x-z-Ebene an einer Grenze zum Substrat 203 befindet, weist die Amplitude Werte zwischen etwa 0,6 und etwa 0,75 auf. Die Mode wird in dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel vermehrt in der ersten Schicht 1 geführt, welche wie vorstehend beschrieben, die mindestens eine Eigenschaft aufweist, welche von dem mindestens einen Analyten abhängt. Der Überlapp des Feldes der Mode mit der ersten Schicht 1 ist daher groß.
8 bis 11 zeigen Skizzen von Simulationsergebnissen einer Sensitivität einer Sensoranordnung, umfassend einen Wellenleiter 100, 200‘, für TE- bzw. TM-Moden in Abhängigkeit der Dimensionierung der Wellenleiter 100, 200‘. Auf der x-Achse ist jeweils die Breite des Streifen-Wellenleiters 4, 202 in Nanometern (nm) aufgetragen. Auf der y-Achse sind in 8 und 10 jeweils die Dicke der sensitiven Schicht 201 des funktionalisierten Streifen-Wellenleiters 200‘, in 9 und 11 jeweils die Dicke der ersten Schicht 1 des 3D-Spalt-Wellenleiters 100 aufgetragen. Es gibt in 8 bis 11 Bereiche mit verschieden dichten Punktewolken. Jedem Bereich ist ein Wert zugeordnet, welcher ein Maß für eine Sensitivität des Wellenleiters 100, 200‘ darstellt. Die Sensitivtät ist hier als Differenz des effektiven Brechungsindex der Mode vor dem Kontakt mit dem Analyten und dem effektiven Brechungsindex der Mode nach dem Kontakt mit dem Analyten, durch welchen ein Anschwellen der ersten Schicht 1 bzw. der sensitiven Schicht 201 um fünf Prozent erfolgt ist, angegeben. Diese Differenz ist ein Maß für die Sensitivität des Wellenleiters 100, 200‘. Eine hohe Dichte der Punktewolke entspricht einer kleinen Differenz, eine geringe Dichte der Punktewolke entspricht einer großen Differenz. Je größer die Differenz, desto höher ist die Sensitivität des Wellenleiters 100, 200‘. Die erste Schicht 1 und die sensitive Schicht 201 sind in 8 bis 11 aus einem Polymer ausgebildet und die Streifen-Wellenleiter 4, 202 sind in 8 bis 11 aus Silizium (Si) ausgebildet. In 8 und 10 sind Skizzen der Simulationsergebnisse der Sensitivität für einen funktionalisierten Streifen-Wellenleiter 200‘, wie er beispielsweise in 1a dargestellt ist, gezeigt. In 8 ist die Sensitivität für die Sensoranordnung, umfassend einen Streifen-Wellenleiter 202 mit einer sensitiven Schicht 201 auf einem Substrat 203, gezeigt, wobei eine TE-Mode betrachtet wird. Es werden in 8 Differenzen der effektiven Brechungsindizes vor und nach dem Kontakt mit dem mindestens einen Analyten zwischen 0,0005 und 0,003 erzielt. In 9 ist die Sensitivität der Sensoranordnung 107, umfassend einen 3D-Spalt-Wellenleiter 100 gezeigt, wobei eine TE-Mode betrachtet wird. Es werden in 9 Differenzen der effektiven Brechungsindizes vor und nach dem Kontakt mit dem mindestens einen Analyten zwischen 0,003 und 0,009 erzielt. Die Sensitivität der Sensoranordnung 107, umfassend den 3D-Spalt-Wellenleiter 100, ist somit bei Verwendung von TE-Moden sehr hoch. In 10 ist die Sensitivität für die Sensoranordnung, umfassend einen Streifen-Wellenleiter 202 mit einer sensitiven Schicht 201 auf einem Substrat 203, gezeigt, wobei eine TM-Mode betrachtet wird. Es werden in 10 Differenzen der effektiven Brechungsindizes vor und nach dem Kontakt mit dem mindestens einen Analyten zwischen 0,0005 und 0,002 erzielt. In 11 ist die Sensitivität für einen 3D-Spalt-Wellenleiter 100 gezeigt, wobei eine TM-Mode betrachtet wird. Es werden in 11 Differenzen der effektiven Brechungsindizes vor und nach dem Kontakt mit dem mindestens einen Analyten zwischen 0,0065 und 0,008 erzielt. Die Sensitivität der Sensoranordnung 107, umfassend den 3D-Spalt-Wellenleiter 100, ist somit bei Verwendung von TM-Moden sehr hoch.
12 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 20 zur Herstellung des 3D-Spalt-Wellenleiters 100. Das Verfahren 20 umfasst die Schritte Bereitstellen 21 des Streifen-Wellenleiters 100, Aufbringen 22 der ersten Schicht 1 auf den Streifen-Wellenleiter 100 und Aufbringen 23 der zweiten Schicht 2 auf die von dem Streifen-Wellenleiter 100 abgewandte Seite 104 der ersten Schicht 1. Das Aufbringen 22 der ersten Schicht 1 kann mit Standard-Abscheideverfahren, wie beispielsweise Spin-coating, chemische Dampfphasenabscheidung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD), nasschemisches Verfahren oder durch schichtweises Abscheiden, erfolgen. Das Aufbringen 23 der zweiten Schicht 2 kann mit Standard-Abscheideverfahren, wie beispielsweise Spin-coating, chemische Dampfphasenabscheidung (CVD), Atomlagenabscheidung (ALD), nasschemisches Verfahren oder durch schichtweises Abscheiden, erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Experimental demonstration of guiding and confining light in nanometer-size low-refractive-index material” (Xu et al., Optics Letter, Vol. 29, No. 14, 2004) [0002]

Claims

3D-Spalt-Wellenleiter (100), umfassend – eine Wellenleiteranordnung, – eine erste Schicht (1), welche einen ersten Brechungsindex aufweist und welche zumindest teilweise auf der Wellenleiteranordnung angeordnet ist und – eine zweite Schicht (2), welche einen zweiten Brechungsindex aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wellenleiteranordnung einen Streifen-Wellenleiter (4) umfasst, – die zweite Schicht (2) zumindest teilweise auf einer von dem Streifen-Wellenleiter (4) abgewandten Seite (104) der ersten Schicht (1) angeordnet ist, wobei die erste Schicht (1) einen Spalt des 3D-Spalt-Wellenleiters (100) bildet, – die zweite Schicht (2) zumindest teilweise durchlässig für mindestens einen Analyten ist, und – die erste Schicht (1) mindestens eine Eigenschaft aufweist, die von dem mindestens einen Analyten abhängt.
3D-Spalt-Wellenleiter (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brechungsindex kleiner als der zweite Brechungsindex ist.
3D-Spalt-Wellenleiter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Eigenschaft der ersten Schicht (1), welche von dem mindestens einen Analyten abhängt, der erste Brechungsindex ist.
3D-Spalt-Wellenleiter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Eigenschaft der ersten Schicht (1), welche von dem mindestens einen Analyten abhängt, der erste Brechungsindex der ersten Schicht (1) ist und der erste Brechungsindex ein komplexer Brechungsindex ist.
3D-Spalt-Wellenleiter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Eigenschaft der ersten Schicht (1), welche von dem mindestens einen Analyten abhängt, mindestens eine Abmessung der ersten Schicht (1) ist.
3D-Spalt-Wellenleiter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (2) aus einem Material ausgebildet ist, welches durchlässig für den mindestens einen Analyten ist.
3D-Spalt-Wellenleiter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (2) aus einem Material ausgebildet ist, welches porös für den mindestens einen Analyten ist.
3D-Spalt-Wellenleiter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (2) eine vorgegebene Porengröße aufweist, wobei die zweite Schicht (2) als Filter für Moleküle oder Partikel eingerichtet ist, wobei eine Filterfunktion des Filters von der Porengröße abhängt.
Sensoranordnung(107), dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoranordnung (107) mindestens einen 3D-Spalt-Wellenleiter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Auswerteeinheit (5) zur Bestimmung des Analyten aus einer Änderung der mindestens einen Eigenschaft der ersten Schicht (1) umfasst.
Verfahren (20) zur Herstellung eines 3D-Spalt-Wellenleiters (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren (20) die nachfolgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen (21) des Streifen-Wellenleiters (100); – Aufbringen (22) der ersten Schicht (1) auf den Streifen-Wellenleiter (100); – Aufbringen (23) der zweiten Schicht (2) auf die von dem Streifen-Wellenleiter (100) abgewandte Seite (104) der ersten Schicht (1).