DE102021131644A1

DE102021131644A1 - Diffraktiver PIC Sensor

Info

Publication number: DE102021131644A1
Application number: DE102021131644.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Harter; Heiner Zwickel; Matthias Hillenbrand
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2021-12-01
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2023-06-01

Abstract

Partikelsensor (100), wobei der Partikelsensor (100) einen integrierten photonischen Schaltkreis (110) umfasst, wobei der integrierte photonische Schaltkreis (110) einen ersten Wellenleiter (111) umfasst, wobei der erste Wellenleiter (111) einen ersten Oberflächenabschnitt (112) aufweist, welcher eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten Wellenleiter (111) räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für erste Partikel aufweist, und wobei der Partikelsensor (100) Mittel (121, 122, 123) zur Bestimmung einer Änderung der Intensität und/oder Phase von in dem ersten Wellenleiter (111) propagierendem Licht umfasst. Ebenso wird die Verwendung eines Partikelsensors (100) vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelsensor und eine Verwendung eines Partikelsensors.
In der WO 2020 /127620 A1 wird ein Verfahren zur Detektion von Zielnukleinsäuren unter Verwendung von fokaler Molographie offenbart. Bei der fokalen Molographie wird eine durch spezifische Bindemittel gebildete Submikrometer-Affinitätsmodulation eines planaren Schichtwellenleiters einer biologischen Probe (z.B. Blut) ausgesetzt. Die Mode einer Lichtwelle in dem Schichtwellenleiter mit hohem Brechungsindex sorgt für eine Dunkelfeldbeleuchtung der Moleküle in der Nähe der Sensoroberfläche. Die Form des Musters wirkt wie eine Beugungslinse, die das aufgrund der zu detektierenden Moleküle gebeugte Lichtsignal auf einen Brennpunkt außerhalb des Lichtwellenleiters, auf der der Submikrometer-Affinitätsmodulation gegenüberliegenden Seite konzentriert, während ein Hintergrundlichtsignal sich auf den gesamten Raumwinkel verteilt.
Für die Auswertung des auf den Brennpunkt außerhalb des Lichtwellenleiters konzentrierten Lichtsignals sind regelmäßig voluminöse Mikroskope oder Kameras erforderlich (vgl., z.B., Frutiger et al., „Ultra-Stable Molecular Sensors by Sub-Micron Referencing and Why They Should Be Interrogated by Optical Diffraction - Part I. The Concept of a Spatial Affinity Lock-in Amplifier“, https://doi.org/10.3390/s21020469; Frutiger et al., „Ultra Stable Molecular Sensors by Submicron Referencing and Why They Should Be Interrogated by Optical Diffraction - Part II. Experimental Demonstration“, https://dx.doi.org/10.3390/s21010009, Fig. A1; Blickenstorfer et al., „Quantitative diffractometric biosensing“, https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.15.034023, 1).
Es besteht daher Bedarf an einem Partikelsensor mit kompakteren Abmessungen.
Hiervon ausgehend werden ein Partikelsensor und eine Verwendung eines Partikelsensors gemäß Haupt- und Nebenanspruch vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Vorgeschlagen wird ein Partikelsensor, wobei der Partikelsensor einen integrierten photonischen Schaltkreis (110) umfasst, wobei der integrierte photonische Schaltkreis einen ersten Wellenleiter umfasst, wobei der erste Wellenleiter einen ersten Oberflächenabschnitt aufweist, welcher eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten Wellenleiter räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für erste Partikel aufweist, und wobei der Partikelsensor Mittel zur Bestimmung einer Änderung der Intensität und/oder Phase von in dem ersten Wellenleiter propagierendem Licht umfasst.
Der Begriff Partikel kann hierbei ein Atom, ein Molekül, insbesondere ein biologisches Molekül, ein Makromolekül, insbesondere ein biologisches Makromolekül wie eine Nukleinsäure oder ein Protein), ein biologischer Komplex, insbesondere ein Proteinkomplex, ein Virus (insbesondere auch ein Virusfragment), eine Zelle, insbesondere eine bakterielle Zelle oder eine tierische Zelle oder eine pflanzliche Zelle und/oder einen Zellkomplex, insbesondere einen Zellklon oder eine Zellkolonie oder ein Gewebe, umfassen. Das bzw. die Partikel können dabei insbesondere in einem Fluid gelöst oder suspendiert sein. Typischerweise handelt es sich bei dem Fluid um eine Flüssigkeit. Es ist allerdings denkbar, dass das bzw. die Partikel auch in einem Gas gelöst sind. Das bzw. die nachzuweisenden Partikel können sich beispielsweise einer wässrigen Lösung wie einem Serum oder einer Pufferlösung befinden.
Im Vergleich zu konventionellen Nachweismethoden für biologische Moleküle, welche auch als Analyt bezeichnet werden können, kann der vorgeschlagene Partikelsensor eine selektivere und/oder sensitivere und/oder schnellere und/oder kostengünstigere Detektion der Partikel ermöglichen. Insbesondere kann in Beispielen auf eine Markierung des Analyten, z.B. mit fluoreszierenden Markern, und/oder einen Vervielfältigungsschritt, z.B. durch eine Polymerase-Kettenreaktion, verzichtet werden.
Sensoren können, sofern sie für den Nachweis biologischer Substanzen genutzt werden, auch als Biosensoren bezeichnet werden. Im Vergleich zu existierenden Biosensoren kann der hier vorgeschlagene Partikelsensor besonders unempfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen sein. Der Partikelsensor kann insbesondere die ersten Partikel unabhängig von der Präsenz weiterer Partikel in dem Fluid detektieren.
Das evaneszente Feld von im Wellenleiter geführten Licht kann stark an dem ersten Oberflächenabschnitt lokalisiert sein und somit wenig von den Randbedingungen im Probenvolumen beeinflusst werden.
Der vorgeschlagene Partikelsensor kann insbesondere in der medizinischen Diagnostik, dem Umweltmonitoring, dem Gesundheitsmanagement und/oder in der Biotechnologie eingesetzt werden.
Aufgrund der sich räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernden Adsorptionsfähigkeit, kann sich bei Anlagerung der ersten Partikel am ersten Oberflächenabschnitt des ersten Wellenleiters ein optisches Gitter ausbilden oder ein ggf. vorhandenes optisches Gitter abschwächen oder verstärken. Dies kann die Intensität und/oder die Phase von in dem ersten Wellenleiter propagierendem Licht beeinflussen. Das Maß der Änderung der Intensität und/oder Phase kann dabei als Maß für die Menge der adsorbierten ersten Partikel dienen. Die nachzuweisenden ersten Partikel können sich mit räumlich periodischer Struktur an den ersten Wellenleiter anlagern und ein Streugitter erzeugen, dessen Kontrast mit der Anzahl der angelagerten ersten Partikel steigt. Die Anzahl der angelagerten ersten Partikel kann mittels der Intensität des gestreuten Lichts gemessen werden.
Die Adsorptionsfähigkeit kann auf verschiedene Art und Weise variiert werden. Beispielsweise ist es denkbar, im ersten Oberflächenabschnitt gezielt Rezeptoren, an die die ersten Partikel, insbesondere Analyte, binden können, vorzusehen. Dies kann auch als Oberflächenfunktionalisierung bezeichnet werden. Beispielsweise kann die Oberflächenfunktionalisierung aus Enzymen, Antigenen, Zellen, Gewebe, DNA, RNA und/oder sonstigen Proteinen bestehen.
Da die Anlagerung der Partikel am ersten Oberflächenabschnitt des ersten Wellenleiters, die diffraktiven Eigenschaften ändert, kann auch von einem diffraktiven Sensor gesprochen werden.
Herkömmliche wellenleiterbasierte Sensoren, welche beispielsweise in den Druckschriften Estevez et al., „Integrated optical devices for lab-on-a-chip biosensing applications“, https://doi.org/10.1002/lpor.201100025; Homola, „Surface Plasmon Resonance Sensors for Detection of Chemical and Biological Species“, https://doi.org/10.1021/cr068107d; Cottier et al., „Label-free highly sensitive detection of (small) molecules by wavelength interrogation of integrated optical chips“, https://doi.org/10.1016/S0925-4005(03)00117-5; Iqbal et al., „Label-Free Biosensor Arrays Based on Silicon Ring Resonators and High-Speed Optical Scanning Instrumentation“, https://doi.org/10.1109/JSTQE.2009.2032510; Schmitt et al., „Interferometric biosensor based on planar optical waveguide sensor chips for label-free detection of surface bound bioreactions“, https://doi.org/10.1016/j.bios.2006.10.016 beschrieben sind, beruhen typischwerweise auf einem refraktiven Prozess, d.h. auf einer Bestimmung der Änderung des Brechungsindex über eine direkte oder indirekte Phasenmessung.
Indem mit dem vorgeschlagenen Partikelsensor eine Änderung der Stärke eines induzierten Streugitters mittels des gestreuten Lichts bestimmt wird, kann gegenüber den bekannten wellenleiterbasierten, refraktiven Sensoren die Störanfälligkeit des Sensors reduziert werden.
In einer ersten Ausgestaltung des Partikelsensors ist der erste Oberflächenabschnitt so konfiguriert, dass sich bei Adsorption der ersten Partikel die Intensität von in dem Wellenleiter propagierendem Licht erhöht. Die sich erhöhende Lichtintensität kann besonders leicht gemessen werden. Zudem ist das Risiko, dass eine durch Schädigung des ersten Wellenleiters abnehmende Intensität des Lichts ein fehlerhaftes Partikelsignal generiert, herabgesetzt.
Ein anderes Beispiel sieht vor, dass der erste Oberflächenabschnitt so ausgestaltet ist, dass sich bei Adsorption der ersten Partikel die Intensität von in dem Wellenleiter propagierendem Licht erniedrigt. Ein solcher Oberflächenabschnitt kann den Vorteil einer leichteren Herstellbarkeit haben.
In Beispielen ist der erste Wellenleiter Teil eines Interferometers, insbesondere eines Multi-Mode-Interferometers (MMI), oder Mach-Zehnder-Interferometers (MZI). Auf diese Weise kann das Signal-Rausch-Verhältnis des Partikelsensors verbessert werden.
Es ist möglich, dass der erste Wellenleiter Teil eines Resonators, insbesondere eines Resonators eines Lasers, ist. Dies kann zu einer höheren Empfindlichkeit des Partikelsensors führen. Der erste Wellenleiter kann insbesondere Teil eines Ringresonators sein.
Der erste Wellenleiter kann insbesondere Teil eines aktiven Mediums eines Lasers ist. Dies kann die Flexibilität bei der Wahl der Wellenlänge des im Wellenleiter propagierenden Lichts erhöhen.
Beispiele des Partikelsensors sehen vor, dass der erste Wellenleiter einen Schlitzwellenleiter umfasst. Die kann zu einem besonders empfindlichen Sensor führen.
Der erste Wellenleiter des Partikelsensors kann auch eine Mono- oder Multimodefaser umfassen. Fasern können sich insbesondere gut eigenen, in schwer zugängliche Kavitäten eingebracht zu werden, um dort das Vorhandensein von Partikeln zu detektieren. Der erste Oberflächenabschnitt kann in dem Fall beispielsweise an einem Faserabschnitt vorgesehen sein, in welchem kein Cladding vorgesehen ist. Dies kann beispielsweise an einem distalen Ende der Faser der Fall sein.
In Beispielen des Partikelsensors weist der erste Wellenleiter einen reflektierenden Endabschnitt auf. Eine in dem ersten Wellenleiter propagierende optische Mode kann folglich zweimal von dem ersten Oberflächenabschnitt beeinflusst werden, was zu einem höheren Ausgangssignal führen kann.
Der Partikelsensor kann weiter einen zweiten Wellenleiter aufweisen. Ein zweiter Oberflächenabschnitt des ersten und/oder zweiten Wellenleiters kann eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten bzw. zweiten Wellenleiter räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für zweite Partikel aufweisen. Der Partikelsensor kann folglich bei weiter kompakten Abmessungen für die Detektion unterschiedlicher Partikel eingerichtet sein.
Eine Periodizität des ersten Oberflächenabschnitts kann sich von einer Periodizität des zweiten Oberflächenabschnitts unterscheiden. Dies kann es erlauben optische Moden unterschiedlicher Wellenlänge für die Detektion der ersten und zweiten Partikel zu verwenden.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die ersten und zweiten Partikel gleich sind. Mit anderen Worten können der erste Oberflächenabschnitt und ein sich von diesem unterscheidender zweiter Oberflächenabschnitt dazu verwendet werden, die gleichen Partikel auf unterschiedliche Art und Weise zu detektieren. Dies kann die Zuverlässigkeit des Partikelsensors erhöhen und die Wahrscheinlichkeit von Fehldetektionen verringern.
Der photonische Schaltkreis des Partikelsensors kann einen optischen Filter zur Filterung von in dem ersten Wellenleiter propagierendem Licht aufweisen. Auf diese Weise kann ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Partikelsensors erreicht werden.
Der photonische Schaltkreis kann eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser, und/oder Mittel zur Einkopplung von mittels einer externen Lichtquelle erzeugten Lichts in den ersten Wellenleiter aufweisen. Dies kann die Kompaktheit des Partikelsensors weiter erhöhen.
Der photonische Schaltkreis kann weiter Mittel zur Auskopplung des in dem ersten Wellenleiter propagierenden Lichts und/oder einen integrierten Lichtdetektor, insbesondere eine Photodiode, zur Detektion des Lichts aufweisen.
Weiter kann der Partikelsensor dazu eingerichtet sein, Partikel in einem Fluid in einer Kavität eines Lebewesens zu detektieren, insbesondere dazu eingerichtet sein, in die Kavität eingebracht zu werden.
Der Partikelsensor kann ein mikrofluidisches System umfassen, wobei der Partikelsensor dazu eingerichtet ist, Partikel in einem in einer Kavität des mikrofluidischen System befindlichen Fluid zu detektieren.
Vorgeschlagen wird weiter die Verwendung eines Partikelsensors zur Detektion von Partikeln, wobei der Partikelsensor einen integrierten photonischen Schaltkreis umfasst, wobei der integrierte photonische Schaltkreis einen ersten Wellenleiter umfasst, wobei der erste Wellenleiter einen ersten Oberflächenabschnitt aufweist, welcher eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im Wellenleiter räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für die Partikel aufweist, wobei eine Änderung der Intensität des im Wellenleiter propagierendem Licht zur Detektion der Partikel verwendet wird.
Der vorgeschlagene Partikelsensor und dessen Verwendung werden nachfolgend unter Bezugnehme auf die Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:

1 einen Partikelsensor mit einem integrierten photonischen Schaltkreis;
2 einen ersten Wellenleiter mit einem ersten Oberflächenabschnitt;
3 einen ersten Wellenleiter mit einem ersten Oberflächenabschnitt;
4 einen ersten Wellenleiter mit einem ersten Oberflächenabschnitt;
5 einen ersten Wellenleiter in einer ersten Querschnittsansicht;
6 den ersten Wellenleiter von 5 in einer zweiten Querschnittsansicht;
7 einen ersten Wellenleiter in einer ersten Querschnittsansicht;
8 den ersten Wellenleiter von 7 in einer zweiten Querschnittansicht;
9 einen ersten Wellenleiter in einer ersten Querschnittsansicht;
10 den ersten Wellenleiter von 9 in einer zweiten Querschnittsansicht;
11 einen ersten Wellenleiter in einer ersten Querschnittsansicht;
12 den ersten Wellenleiter von 11 in einer zweiten Querschnittsansicht;
13 einen Partikelsensor mit einem integrierten photonischen Schaltkreis;
14 einen photonischen Schaltkreis;
15 einen photonischen Schaltkreis;
16 einen photonischen Schaltkreis;
17 einen photonischen Schaltkreis;
18 einen photonischen Schaltkreis; und
19 einen Membransensor.

1 zeigt einen Partikelsensor 100. Der Partikelsensor 100 umfasst einen photonischen Schaltkreis 110 mit einem ersten Wellenleiter 111. Der erste Wellenleiter 111 weist einen ersten Oberflächenabschnitt 112 auf, welcher eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten Wellenleiter 111 eine räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für erste Partikel aufweist.
Licht einer integrierten oder externen Lichtquelle 131, insbesondere eines Lasers (z.B. einer Laserdiode), propagiert in dem integrierten photonischen Schaltkreis 110 und wird über einen Koppler 113 in den ersten Wellenleiter 111 geführt. Durch die spezifische Adsorption der nachzuweisenden ersten Partikel am Oberflächenabschnitt 112 des ersten Wellenleiters bildet sich ein Streugitter aus. Die Gitterperiode des Streugitters entspricht dabei der Periode der sich ändernden Adsorptionsfähigkeit. Bei geeigneter Wahl der Periode der sich ändernden Adsorptionsfähigkeit, welche beispielsweise mit der Bragg-Gleichung bestimmt werden kann, kann wenigstens ein Teil des Lichts einer vom Koppler 113 in Richtung des ersten Wellenleiter propagierenden optischen Mode an dem sich ausbildenden Streugitter gestreut werden, so dass eine im ersten Wellenleiter 111 rückwärts propagierende Mode entsteht. Die Intensität des rückgestreuten Lichts kann über den Koppler 113 vom eingekoppelten Licht getrennt und über einen integrierten oder externen Lichtdetektor 121 (z.B. eine Photodiode) gemessen werden. Die Intensität des mittels der Lichtquelle 131 eingekoppelten Lichts kann an einem weiteren Ausgang des Kopplers 113 mit einem weiteren integrierten oder externen Lichtsensor 122 bestimmt werden. Aus den gemessenen Intensitäten kann die Beugungseffizienz des sich bei Adsorption, insbesondere Anlagerung, der ersten Partikel ausbildenden Streugitters bestimmt werden. Die Beugungseffizienz kann dabei als Maß für die Menge der sich anlagernden ersten Partikel angesehen werden. Zusätzlich kann auch die Intensität des nicht gestreuten Licht am Ende des Wellenleiters 111 mit Hilfe eines weiteren integrierten oder externen Lichtsensors gemessen werden.
In den 2 bis 4 sind beispielhaft erste Wellenleiter 211, 311, 411 mit jeweiligen Oberflächenabschnitten 212, 312, 412 dargestellt, welche als Wellenleiter 111 in dem in der 1 gezeigten Partikelsensor verwendet werden können. In den von links unten nach rechts oben schraffierten Teilbereichen der Oberflächenabschnitte 212, 312, 412 können sich dabei die nachzuweisenden ersten Partikel stärker anlagern als in den von links oben nach rechts unten schraffierten Teilbereichen. Beispielsweise können sich die ersten Partikel nur in dem von links unten nach rechts oben schraffierten Teilbereich anlagern, nicht aber in den von links oben nach rechts unten schraffierten Teilbereich. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass in Teilbereichen der Oberflächenabschnitte eine Anlagerung der nachzuweisenden ersten Partikel gezielt unterdrückt wird, während in anderen Teilbereichen die Adsorptionsfähigkeit für die ersten Partikel weder erhöht noch erniedrigt ist.
In den 2 bis 4 ist beispielhaft eine rechteckförmige, periodische Variation der Adsorptionsfähigkeit gezeigt. Grundsätzliche sind allerdings auch andere räumlich modulierte, insbesondere periodische, Variationen denkbar, z.B. eine sinusförmige Variation und/oder Variationen, die sich aus der Überlagerung von mehreren Raumfrequenzen ergeben. Je größer der Unterschied der sich anlagernden ersten Partikel zwischen den beiden Teilbereichen ist, desto stärker ist der Kontrast und desto größer ist die Beugungseffizienz des sich ausbildenden Streugitters.
Die aufgrund der sich periodischen Variation der Adsorptionsfähigkeit bei Präsenz der nachzuweisenden, ersten Partikel bildenden optischen Gitter können in Stärke, Periode und/oder Füllfaktor entlang des Wellenleiters variieren. Es ist denkbar mehrere Gitterperioden zu überlagern. Beispielsweise kann die Adsorptionsfähigkeit für erste Partikel mit einer ersten Periode mit der Adsorptionsfähigkeit für zweite Partikel überlagert werden. Eine mittelwertfreie sinusförmige Gitterintensität kann für eine Rückkopplung einer einzelnen optischen Mode vorteilhaft sein. Es können Variationen der Adsorptionsfähigkeit verwendet werden, welche zu Gauss-förmige Gitterstärken und/oder Sinc-förmige Gitterstärken und/oder apodisierte Gitter führen. Dadurch können gezielt Streuintensitätsverteilungen im k- bzw. Frequenzraum erhalten werden, welche eine spätere Filterung der erhaltenen Signale vereinfachen.
Die Beugungseffizienz kann daher als Nachweis für die spezifische Bindung der nachzuweisenden ersten Partikel (z.B. des Analyten) dienen und durch eine verhältnismäßig einfache Messung der Leistung des gestreuten oder nicht gestreuten Lichts bestimmt werden. Bei hoher Ortsfrequenz der Variation der Adsorptionsfähigkeit können Störeinflüsse mit niedrigen Ortsfrequenzen (z.B. Temperaturschwankungen, nichtspezifische Bindungen) effizient gefiltert werden. Der vorgeschlagene Partikelsensor kann folglich eine inhärente Selbstreferenzierung und eine Filterung von Störeinflüssen ermöglichen.
Im Unterschied zu herkömmlichen wellenleiterbasierten Sensoren ist es nicht erforderlich eine spektrale Antwort des Sensors zu messen. Dadurch kann der vorgeschlagene Partikelsensor weniger sensitiv auf Änderungen der Frequenz und/oder Phase der für die Messung eingesetzten Lichtquelle sein. Somit kann der vorgeschlagene Partikelsensor mit kostengünstigen Lichtquellen, z.B. Diodenlasern, realisiert werden.
Wie aus den 2 und 3 hervorgeht, kann sich die Periode 214, 314 von unterschiedlichen ersten Wellenleitern unterscheiden. Die Verwendung von zwei oder mehr Wellenleitern mit unterschiedlicher Periode 214, 215 kann es erlauben, die Abhängigkeit des Partikelsensors von Temperaturänderungen zu verringern.
Der bei gleichbleibender Periode 214, 424 unterschiedliche Anteil der Teilbereich mit unterschiedlicher Adsorptionsfähigkeit des Oberflächenabschnitte 212 und 214 kann eine weitere Optimierung des Partikelsensors ermöglichen.
In den 5 bis 12 sind unterschiedliche Wellenleiter, die für den vorgeschlagenen Partikelsensor verwendet werden können, an jeweils zwei unterschiedlichen Stellen in Längserstreckung des Wellenleiters im Querschnitt dargestellt.
Beispielsweise ist in der 5 ein Wellenleiter im Querschnitt dargestellt, der einen Wellenleiterkern 514 aufweist, welcher auf einem Substrat 515 angeordnet ist. Der Brechungsindex des Wellenleiterkerns 514 ist größer als der Brechungsindex des Substrats 515. Der Wellenleiterkern 514 ist mit einer Funktionalisierung 512 versehen, die eine bevorzugte Anlagerung der nachzuweisenden ersten Partikel bewirkt. 6 zeigt den in der 5 gezeigten Wellenleiter im Querschnitt an einer anderen Stelle. An dieser Position ist der Wellenleiterkern 514 mit einer anderen Funktionalisierung 612 versehen, die keine bevorzugte Anlagerung der nachzuweisenden ersten Partikel bewirkt.
In den 7 und 8 ist ein weiterer Wellenleiter im Querschnitt dargestellt, der einen Wellenleiterkern 714 auf einem Substrat 715 aufweist. An der in der 7 dargestellten Stelle ist der Wellenleiterkern 712 mit einer ersten Funktionalisierung 712 versehen und an der in der 8 dargestellten Stelle ist der Wellenleiterkern 712 mit einer zweiten Funktionalisierung 812 versehen. Der Brechungsindex des Wellenleiterkerns 712 ist höher als der Brechungsindex des Substrats 715. Die erste Funktionalisierung 712 und die zweite Funktionalisierung 812 bewirken dabei jeweils eine unterschiedliche Adsorption der nachzuweisenden ersten Partikel. Weiter unterscheidet sich die Höhe des Wellenleiterkerns 714 in der 7 und 8. Bereits ohne Anlagerung von ersten Partikeln am Wellenleiter besteht folglich ein optisches Streugitter, welches auch als Ursprungsgitter bezeichnet werden kann. Die Anlagerung der ersten Partikel kann dann eine Änderung der Beugungseffizienz bedingen. Die Beugungseffizienz kann mit zunehmender Anlagerung der ersten Partikel je nach gewählter Funktionalisierung und dem Ursprungsgitter sowohl zu als auch abnehmen. Die Gitterperiode des Ursprungsgitters kann sich ggf. auch von der Periode der sich ändernden Adsorptionsfähigkeit unterscheiden. Allgemein ist es ebenfalls denkbar, im Oberflächenabschnitt zunächst eine homogene Funktionalisierung vorzusehen, welche vorab periodisch mit den ersten Partikeln besetzt wird, so dass bereits im Ursprungszustand ein Streugitter bereitgestellt wird. Wird der Partikelsensor dann mit der zu untersuchenden Fluidprobe in Kontakt gebracht, können sich die ersten Partikel in der Fluidprobe an den noch unbesetzten Zwischenräumen des Oberflächenabschnitts anlagern, so dass der Gitterkontrast und die Streustärke des Gitters sinken.
In den 9 und 10 ist ein Schlitzwellenleiter dargestellt, d.h. das Licht propagiert im Wesentlichen in einem Schlitz, der zwischen zwei auf einem Substrat 915 ausgebildeten Wellenleiterkernen 914 vorhanden ist. Die Wellenleiterkerne 914 haben einen höheren Brechungsindex als das Substrat 915. Hinsichtlich der Funktionalisierungen 912 und 1012 wird auf die Beschreibung zu den 5 bis 8 verwiesen. Aufgrund der Feldüberhöhung der propagierenden optischen Mode im Schlitz kann der in den 9 und 10 besonders empfindlich auf eine Adsorption der ersten Partikel im Schlitz reagieren.
Die 11 und 12 zeigen einen Wellenleiter, dessen Wellenleiterkern 1114 im Substrat 1115 eingebettet ist, wobei wiederum der Brechungsindex des Wellenleiterkerns 1114 höher ist als derjenige des Substrats 1115. Die Funktionalisierungen 1112 und 1212 sind dabei nur auf einer Seite des Wellenleiterkerns 1114 vorgesehen. Weitere Wellenleiterquerschnitt und Geometrien sind möglich, beispielsweise rippenbelastete Wellenleiter, Rippenwellenleiter, invertierte Rippenwellenleiter, vergrabene Wellenleiter, subwellenlängen Gitter sowie Kombinationen der genannten Varianten.
Der Wellenleiterquerschnitt kann so gewählt sein, dass nur eine oder mehrere Moden geführt werden können. Weiter ist es denkbar den Wellenleiterquerschnitt so zu gestalten, dass Licht nur einer oder mehrerer Polarisationen in dem Wellenleiter propagieren kann. Es ist denkbar einen Wellenleiter zu verwenden, welcher die Polarisation der propagierenden optischen Mode erhält. Der Wellenleiterquerschnitt kann in Propagationsrichtung des Lichts invariant oder veränderlich sein.
Es ist denkbar, gezielt Gitterdefekte in den Wellenleiter einzubringen, z.B. um ein sogenanntes phase-shifted Bragg grating zu erzeugen. Ebenso ist es denkbar, komplexere Gitterstrukturen, welche zur Ausbildung von photonischen Kristallen führen können, durch eine Vorstrukturierung der Wellenleiter und/oder Funktionalisierung im Hinblick auf die nachzuweisenden ersten Partikel, zu ermöglichen.
In der 13 ist ein weiterer Partikelsensor 1300 dargestellt. Wie der Partikelsensor 100 weist auch der Partikelsensor 1300 einen photonischen Schaltkreis 1310 mit einem ersten Wellenleiter 1311. Der erste Wellenleiter 1311 weist einen ersten Oberflächenabschnitt 1312 auf, welcher eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten Wellenleiter 1311 räumlich modulierte, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für erste Partikel aufweist. Im Unterschied zum Partikelsensor 100 weist der Partikelsensor 1300 keinen Lichtsensor am Ende des ersten Wellenleiters 1311 auf. Stattdessen ist das Ende des ersten Wellenleiters 1311 mit einer reflektierenden Fläche 1316 versehen. Bei der reflektierenden Fläche 1316 kann es sich um eine verspiegelte oder nicht separat verspiegelte Endfacette handeln.
Der ersten Oberflächenabschnitt 1312 kann bei Adsorption der ersten Partikel dazu führen, dass ausgehende von dem Koppler 1313 in dem ersten Wellenleiter 1311 propagierendes Licht teilweise aus dem ersten Wellenleiter 1311 ausgekoppelt wird. Nach Reflektion an der reflektierenden Fläche 1316 kann der nochmal ein Teil des propagierenden Lichts aus dem ersten Wellenleiter 1311 ausgekoppelt werden, bevor es wieder in den Koppler 1313 gelangt und im Anschluss von einem Lichtsensor 1321 die Intensität bestimmt wird. Das Messsignal kann durch das zweimalige Durchlaufen des ersten Wellenleiters 1311 deutlich erhöht werden. Wie bereits bzgl. des Partikelsensors 100 erläutert, kann ein Lichtsensor 1322 genutzt werden, um die Intensität des von der Lichtquelle 1331 in den photonischen Schaltkreis 1310 eingekoppelten Lichts zu bestimmen.
Das sich bei Anlagerung von ersten Partikeln an einem Oberflächenabschnitt, welcher eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für die ersten Partikel aufweist, bildende optische Gitter kann mit aktiven Materialien, die im Wellenleiter zu optischem Gewinne führen, kombiniert werden.
In der 14 ist ein Wellenleiter 1411 dargestellt, welcher ein unveränderliches optisches Gitter 1422 und einen Oberflächenabschnitt 1412 aufweist, welcher eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten Wellenleiter 1411 räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für erst Partikel aufweist. Zwischen dem optischen Gitter 1422 und dem Oberflächenabschnitt 1412 ist ein Verstärkungsmedium 1430 vorgesehen. Durch das sich bei Adsorption der ersten Partikel bildenden Gitters kann in Verbindung mit dem optischen Gitter 1422 und dem Verstärkungsmedium 1430 ein Laser gebildet werden. Unter anderem durch den veränderlichen Gitterkontrast kann sich die optische Rückkopplung und damit die Ausgangsleistung des Lasers verändern, so dass letztere gut als Signal für die Detektierten ersten Partikel ausgewertet werden kann. Es ist denkbar, dass die Parameter des optischen Gitters 1422 und des ersten Oberflächenabschnitts 1412 so gewählt werden, dass sich der Laser ohne Anlagerung von ersten Partikeln gerade unterhalb der Laserschwelle befindet. Die spezifische Anlagerung der ersten Partikel kann dann zu einer sehr starken Änderung der Ausgangsleistung führen. Dies kann insbesondere den Vorteil haben, dass die Periode der sich ändernden Adsorptionsfähigkeit nicht exakt auf die Wellenlänge des Lasers abgestimmt werden muss.
In der 15 ist ein Beispiel dafür gezeigt, dass der erste Wellenleiter 1511 Teil eines aktiven Mediums eines Lasers ist. Der erster Oberflächenabschnitt 1512 mit der sich räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernden Adsorptionsfähigkeit für die ersten Partikel kann bei Anlagerung der ersten Partikel ein Interferenzgitter und/oder einen Interferenzfilter eines Laser mit verteilter Rückkopplung (engl. distributed feedback laser; DFB-Laser) bilden. Die aktiven Materialien der in 14 und 15 gezeigten Laser können optisch oder elektrisch gepumpt werden.
In den 16 und 17 sind photonische Schaltkreise 1610, 1710 dargestellt, bei welchen der erste Wellenleiter Teil eines Multi-Mode-Interferometers ist. Insbesondere kann in dem ersten Wellenleiter das Licht nur in einer Dimension geführt sein. Der erste Wellenleiter kann folglich auch als Slab-Wellenleiter bezeichnet werden. Bei Anlagerung der nachzuweisenden Partikel an dem jeweiligen ersten Oberflächenabschnitt 1612, 1712, welcher eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten Wellenleiter räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für diese Partikel aufweist, können sich die Intensitäten des an den jeweiligen Ausgängen propagierenden Lichts verändern. Dies kann als Maß für die detektierten ersten Partikel dienen.
Grundsätzlich kann das im ersten Wellenleiter propagierende oder von diesem abgestrahlte Licht auf verschiedene Arte und Weise detektiert werden. Dazu können über, unter oder seitlich des integrierten photonischen Schaltkreises angebrachte Lichtsensoren, insbesondere Photodetektoren wie Photodioden, verwendet werden. Die Lichtsensoren können Pixeldetektoren, z.B. kostengünstig verfügbare Kamerachips, umfassen. Die Lichtsensoren können mit optischen Elementen wie Linsen, Filtern und Blenden kombiniert werden, um eine geeignete Detektion und Filterung zu erreichen.
Es ist ebenfalls denkbar, dass vom ersten Wellenleiter abgestrahlte Licht von einem oder mehreren weiteren integrierten photonischen Schaltkreisen aufzufangen, welche sich z.B. über oder unter dem integrierten photonischen Schaltkreis befinden, der den ersten Wellenleiter umfasst.
Ein weiterer integrierter photonischer Schaltkreis 1810 eines Partikelsensors ist in der 18 dargestellt. Der photonische Schaltkreis 1810 umfasst einen ersten Wellenleiter 1811 sowie zwei Empfangswellenleiter 1821, 1831. Der erste Wellenleiter 1811 umfasst einen ersten Oberflächenabschnitt 1812 mit sich räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernder Adsorptionsfähigkeit und die beiden Empfangswellenleiter 1821, 1831 weisen jeweils optische Einkoppelgitter 1822, 1832 auf. Bei passender Wahl der Perioden 1813, 1823, 1833 und der Wellenlänge des im ersten Wellenleiter 1811 propagierenden Lichts, kann das in die Empfangswellenleiter 1821, 1831 quergekoppelte Licht als Ausgangssignal des Partikelsensors verwendet werden. Die Empfangswellenleiter können in diesem Fall Teil der Mittel zur Bestimmung einer Änderung der Intensität und/oder Phase von in dem ersten Wellenleiter propagierendem Licht angesehen werden. Die geometrische Anordnung der Wellenleiter und/oder die Wahl der Gitterperioden ermöglicht es, vielfältige Filterfunktionen zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses zu erreichen (z.B. Filterung im k-Raum). Insbesondere ist es möglich, wie in 18 gezeigt, zwei Empfangswellenleiter auf beiden Seiten des ersten Wellenleiters zu platzieren, die mit einer leicht unterschiedlichen Gitterperiode strukturiert sind und so Temperatur- von Konzentrationsänderungen des Analyten im Probefluid zu unterscheiden. Die Einkoppelgitter 1822, 1832 können als optischer Filter wirken.
Der Partikelsensor kann neben dem ersten Wellenleiter mit dem ersten Oberflächenabschnitt auch noch wenigstens einen zweiten Wellenleiter mit einem vergleichbaren zweiten Oberflächenabschnitt aufweisen. Die Oberflächenabschnitte können mit unterschiedlichen Funktionalisierungen versehen sein. Die verschiedenen Wellenleiter können ein Sensorarray des Partikelsensors bilden. Die Einzelsensoren des Sensorarrays des Partikelsensors können dabei unabhängig voneinander ausgelesen werden. Es ist ebenfalls denkbar die Einzelsensoren in Reihe und/oder parallel miteinander zu verschalten. Die Einzelsensoren können sich dabei untereinander in allen voran beschriebenen Freiheitsgraden (z.B. Periode der Adsoprtionsfähigkeitsänderung) unterscheiden. Die Einzelsensoren können gemeinsam oder getrennt, z.B. durch Wellenlängenmultiplexing ausgelesen werden. Die spektrale Filterung der Signale kann beispielsweise innerhalb des integrierten photonischen Schaltkreises des Partikelsensors, z.B. mit einem Array Waveguide Grating (AWG) oder außerhalb des integrierten photonischen Schaltkreises erfolgen. Denkbar ist ebenfalls die Verwendung eines durchstimmbaren Lasers als Mittel zur Bestimmung der Änderung der Intensität und/oder Phase des jeweils in den einzelnen Wellenleitern propagierenden Lichts. Der durchstimmbare Laser kann Teil des integrierten photonischen Schaltkreises sein.
Zusammenfassend lassen sich mit der hier vorgeschlagenen Kombination von in zwei Dimensionen geführten optischen Moden in einem auf Basis einer PIC-Plattform realisierten dielektrischen oder plasmonischen Wellenleiters mit diffraktiver Messtechnik sehr kompakte und günstige Systeme erzielen, die dennoch eine große Sensitivität und niedrige Nachweisgrenze und robust gegenüber Störeinflüssen sein können. Zudem ermöglicht der hier vorgeschlagene Ansatz die Nutzung weiterer, erprobter Komponenten der weit entwickelten PIC-Plattform wie integrierten Lasern, Photodetektoren, Modulatoren, Filtern, so dass komplexe Analyseaufgaben in einem kleinen Bauraum durchgeführt werden können. Der vorgeschlagene Partikelsensor kann insbesondere gegenüber herkömmlichen Partikelsensoren weniger anfällig gegenüber Temperaturschwankungen, Konzentrationsschwankungen, nicht spezifischen Bindungen sowie lokalen Störungen sein. Beispielsweise können die vorgeschlagenen Partikelsensoren optische (z.B. im PIC integrierte) Temperatursensoren aufweisen, die eine weitere Erhöhung der Messgenauigkeit erlauben.
Aufgrund der sehr geringen radialen Ausdehnung des vorgeschlagenen Partikelsensors kann dieser sehr gut für die Messung an schwer zugänglichen Stellen, z.B. in Kavitäten des menschlichen Körpers geeignet oder an von außen nicht zugänglichen Stellen eines Lab-on-Chip-Systems geeignet sein. Der erste Wellenleiter des Partikelsensors kann hierzu beispielsweise durch eine starre oder flexible Kanüle an den gewünschten Messort geführt werden. Hierbei kann der erste Wellenleiter des Partikelsensors dazu eingerichtet sein, in einer Kanüle mit einem Innendurchmesser von weniger als 1 mm, insbesondere weniger als 0,6 mm geführt zu werden. Der PIC-basierte Partikelsensor kann dabei insbesondere so gestaltet sein, dass der erste Wellenleiter (z. B. eine optische Faser) in der Kanüle geführt wird und sich die Mittel zur Bestimmung der Änderung der Intensität und/oder Phase außerhalb der Kanüle befinden. Alternativ können Lichtquelle und Lichtsensor auch nahe am ersten Wellenleiter, insbesondere nahe am ersten Oberflächenabschnitt, vorgesehen sein und elektrisch mit einer weiteren Auswerteeinheit außerhalb der Kanüle verbunden werden.
Neben dem voranstehenden beschriebenen Varianten eines Partikelsensors können ebenfalls ein Temperatursensor und/oder ein Membransensor zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere kann ein Sensorsystem zur Verfügung gestellt werden, welches wenigstens einen Partikelsensor und/oder Temperatursensor und/oder Membransensor umfasst.
Vorgeschlagen wird ein Temperatursensor, welcher einen Wellenleiter umfasst. Der Wellenleiter weist einen Oberflächenabschnitt auf, welcher einen sich in einer Propagationsrichtung von Licht im Wellenleiter räumlich modulierten, insbesondere periodisch, ändernden thermooptischen Koeffizienten aufweist. Bei einer Temperaturänderung kann sich im Oberflächenabschnitt ein optisches Gitter ausbilden oder abschwächen. Dies kann vergleichbar der vorstehend beschriebenen Anlagerung von Partikeln an dem Oberflächenabschnitt mit sich ändernder Adsorptionsfähigkeit zu einer Änderung der Intensität und/oder Phase von dem in dem Wellenleiter propagierendem Licht führen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bzgl. unterschiedlicher Varianten zur Ermittlung der Intensität und/oder Phase des propagierenden Licht auf die Beschreibung der verschiedenen Partikelsensoren verwiesen.
Weiter wird ein Membransensor vorgeschlagen. Ein Beispiel eines Membransensors 1900 ist in der 19 dargestellt. Der Membransensor 1900 weist einen Wellenleiter 1911 und eine Membran 1940 auf. Der Wellenleiter kann auf oder in einem Substrat 1910 vorgesehen sein. Die Membran 1940 weist eine in Propagationsrichtung von Licht im Wellenleiter 1911 räumlich modulierte, insbesondere periodische, Gitterstruktur 1941 auf. Die Membran ist so angeordnet, dass eine Annäherung der Membran 1940 an den Wellenleiter 1911 zu einer Änderung der Intensität und/oder Phase von in dem Wellenleiter 1911 propagierendem Licht führt. Beispiele für die Bestimmung dieser Änderungen wurden bereits in Bezug auf den Partikelsensor erläutert und können analog angewendet werden.
Der Membransensor 1900 kann insbesondere verwendet werden, um eine Druckänderung und/oder eine Beschleunigung zu messen, die zu einer Auslenkung der Membran führen.
Die Wellenleiter des Partikelssensors und/oder Temperatursensors und/oder Membransensors können Teil eines einzigen integrierten photonischen Schaltkreises sein. Dies kann die Bereitstellung eines besonders kompakten Sensorsystems erlauben.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Anmeldung wenigstens die vorliegenden Beispiele:

BEISPIEL 1. Partikelsensor (100), wobei der Partikelsensor (100) einen integrierten photonischen Schaltkreis (110) umfasst, wobei der integrierte photonische Schaltkreis (110) einen ersten Wellenleiter (111) umfasst, wobei der erste Wellenleiter (111) einen ersten Oberflächenabschnitt (112) aufweist, welcher eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten Wellenleiter (111) räumlich moduliert, insbesondere periodisch ändernde Adsorptionsfähigkeit für erste Partikel aufweist, und wobei der Partikelsensor (100) Mittel (121, 122, 123) zur Bestimmung einer Änderung der Intensität und/oder Phase von in dem ersten Wellenleiter (111) propagierendem Licht umfasst.
BEISPIEL 2. Partikelsensor (100) nach BEISPIEL 1, wobei der erste Oberflächenabschnitt (112) so ausgestaltet ist, dass sich bei Adsorption der ersten Partikel die Intensität von in dem Wellenleiter (111) propagierendem Licht erhöht.
BEISPIEL 3. Partikelsensor (100) nach BEISPIEL 1, wobei der erste Oberflächenabschnitt (112) so ausgestaltet ist, dass sich bei Adsorption der ersten Partikel die Intensität von in dem Wellenleiter (111) propagierendem Licht erniedrigt.
BEISPIEL 4. Partikelsensor (100) nach einem der BEISPIELE 1 bis 3, wobei der erste Wellenleiter Teil eines Interferometers, insbesondere eines Multi-Mode-Interferometers, MMI, oder Mach-Zehnder-Interferometers, ist.
BEISPIEL 5. Partikelsensor (100) nach einem der BEISPIELE 1 bis 4, wobei der erste Wellenleiter (1411) Teil eines Resonators, insbesondere eines Resonators eines Lasers, ist.
BEISPIEL 6. Partikelsensor (100) nach einem der BEISPIELE 1 bis 5, wobei der erste Wellenleiter (1511) Teil eines aktiven Mediums eines Lasers ist.
BEISPIEL 7. Partikelsensor (100) nach einem der BEISPIELE 1 bis 6, wobei der erste Wellenleiter einen Schlitzwellenleiter umfasst.
BEISPIEL 8. Partikelsensor (100) nach einem der BEISPIELE 1 bis 7, wobei der erste Wellenleiter eine Mono- oder Multimodefaser umfasst.
BEISPIEL 9. Partikelsensor (1300) nach einem der BEISPIELE 1 bis 8, wobei der ersten Wellenleiter (1311) einen reflektierenden Endabschnitt (1316) aufweist.
BEISPIEL 10. Partikelsensor nach einem der voranstehenden BEISPIELE, wobei der Partikelsensor einen zweiten Wellenleiter aufweist.
BEISPIEL 11. Partikelsensor nach einem der voranstehenden BEISPIELE, wobei ein zweiter Oberflächenabschnitt des ersten und/oder zweiten Wellenleiters eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten bzw. zweiten Wellenleiter räumliche moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für zweite Partikel aufweist.
BEISPIEL 12. Partikelsensor nach BEISPIEL 11, wobei sich eine Periodizität des ersten Oberflächenabschnitts von einer Periodizität des zweiten Oberflächenabschnitts unterscheidet.
BEISPIEL 13. Partikelsensor nach BEISPIEL 11 oder 12, wobei die ersten und zweiten Partikel gleich sind.
BEISPIEL 14. Partikelsensor nach BEISPIEL 11 oder 12, wobei die ersten und zweiten Partikel unterschiedlich sind.
BEISPIEL 15. Partikelsensor nach einem der vorstehenden BEISPIELE, wobei der photonische Schaltkreis einen optischen Filter zur Filterung von in dem ersten Wellenleiter propagierendem Licht aufweist.
BEISPIEL 16. Partikelsensor nach einem der vorstehenden BEISPIELE, wobei der photonische Schaltkreis eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser, und Mittel zur Einkopplung von mittels der Lichtquelle erzeugten Lichts in den ersten Wellenleiter aufweist.
BEISPIEL 17. Partikelsensor nach einem der vorstehenden BEISPIELE, wobei der photonische Schaltkries Mittel zur Auskopplung des in dem ersten Wellenleiter propagierendem Licht und einen Lichtdetektor, insbesondere eine Photodiode, zur Detektion des ausgekoppelten Lichts aufweist.
BEISPIEL 18. Partikelsensor nach einem der voranstehenden BEISPIELE, wobei der Partikelsensor dazu eingerichtet ist, Partikel in einem Fluid in einer Kavität eines Lebewesens zu detektieren, insbesondere dazu eingerichtet ist, in die Kavität eingebracht zu werden.
BEISPIEL 19. Partikelsensor nach einem der voranstehenden BEISPIELE, wobei der Partikelsensor ein mikrofluidisches System umfasst, wobei der Partikelsensor dazu eingerichtet ist, Partikel in einem in einer Kavität des mikrofluidischen System befindlichen Fluid zu detektieren.
BEISPIEL 20. Sensorsystem mit einem Partikelsensor (100) nach einem der voranstehenden BEISPIELE, mit einem Temperatursensor, wobei der Temperatursensor einen dritten Wellenleiter umfasst, wobei der dritte Wellenleiter einen dritten Oberflächenabschnitt aufweist, welcher einen sich in einer Propagationsrichtung von Licht im dritten Wellenleiter räumlich modulierten, insbesondere periodisch, ändernden thermooptischen Koeffizienten aufweist.
BEISPIEL 21. Sensorsystem mit einem Partikelsensor (100) nach einem der BEISPIELE 1 bis 19, insbesondere Sensorsystem gemäß BEISPIEL 20, wobei der Sensor einen Membransensor aufweist, wobei der Membransensor einen vierten Wellenleiter aufweist, wobei der Membransensor eine Membran aufweist, wobei die Membran eine in Propagationsrichtung von Licht im vierten Wellenleiter räumlich modulierte, insbesondere periodische, Gitterstruktur aufweist, wobei die Membran so angeordnet ist, dass eine Annäherung der Membran an den vierten Wellenleiter zu einer Änderung der Intensität und/oder Phase von in dem vierten Wellenleiter propagierendem Licht führt.
BEISPIEL 22. Sensor nach einem der BEISPIELE 20 oder 21, wobei der integrierte photonische Schaltkreis den dritten und/oder vierten Wellenleiter umfasst.
BEISPIEL 23. Verwendung eines Partikelsensors zur Detektion von Partikeln, wobei der Partikelsensor einen integrierten photonischen Schaltkreis umfasst, wobei der integrierte photonische Schaltkreis einen ersten Wellenleiter umfasst, wobei der erste Wellenleiter einen ersten Oberflächenabschnitt aufweist, welcher eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten Wellenleiter räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für die Partikel aufweist, wobei eine Änderung der Intensität des im Wellenleiter propagierendem Licht zur Detektion der Partikel verwendet wird.
BEISPIEL 24. Temperatursensor, wobei der Temperatursensor einen Wellenleiter umfasst, wobei der dritte Wellenleiter einen Oberflächenabschnitt aufweist, welcher einen sich in einer Propagationsrichtung von Licht im dritten Wellenleiter räumlich modulierten, insbesondere periodisch, ändernden thermooptischen Koeffizienten aufweist.
BEISPIEL 25. Membransensor, wobei der Membransensor einen Wellenleiter aufweist, wobei der Membransensor eine Membran aufweist, wobei die Membran eine in Propagationsrichtung von Licht im vierten Wellenleiter räumlich modulierte, insbesondere periodische, Gitterstruktur aufweist, wobei die Membran so angeordnet ist, dass eine Annäherung der Membran an den vierten Wellenleiter zu einer Änderung der Intensität und/oder Phase von in dem vierten Wellenleiter propagierendem Licht führt.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2020/127620 A1 [0002]

Claims

Partikelsensor (100), wobei der Partikelsensor (100) einen integrierten photonischen Schaltkreis (110) umfasst, wobei der integrierte photonische Schaltkreis (110) einen ersten Wellenleiter (111) umfasst, wobei der erste Wellenleiter (111) einen ersten Oberflächenabschnitt (112) aufweist, welcher eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten Wellenleiter (111) räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für erste Partikel aufweist, und wobei der Partikelsensor (100) Mittel (121, 122, 123) zur Bestimmung einer Änderung der Intensität und/oder Phase von in dem ersten Wellenleiter (111) propagierendem Licht umfasst.
Partikelsensor (100) nach Patentanspruch 1, wobei der erste Oberflächenabschnitt (112) so ausgestaltet ist, dass sich bei Adsorption der ersten Partikel die Intensität von in dem Wellenleiter (111) propagierendem Licht erhöht.
Partikelsensor (100) nach Patentanspruch 1, wobei der erste Oberflächenabschnitt (112) so ausgestaltet ist, dass sich bei Adsorption der ersten Partikel die Intensität von in dem Wellenleiter (111) propagierendem Licht erniedrigt.
Partikelsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei der erste Wellenleiter Teil eines Interferometers, insbesondere eines Multi-Mode-Interferometers, MMI, oder Mach-Zehnder-Interferometers, ist.
Partikelsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, wobei der erste Wellenleiter (1411) Teil eines Resonators, insbesondere eines Resonators eines Lasers, ist.
Partikelsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei der erste Wellenleiter (1511) Teil eines aktiven Mediums eines Lasers ist.
Partikelsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei der erste Wellenleiter einen Schlitzwellenleiter (911) umfasst.
Partikelsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei der erste Wellenleiter eine Mono- oder Multimodefaser umfasst.
Partikelsensor (1300) nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, wobei der ersten Wellenleiter (1311) einen reflektierenden Endabschnitt (1316) aufweist.
Partikelsensor nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei der Partikelsensor einen zweiten Wellenleiter aufweist.
Partikelsensor nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei ein zweiter Oberflächenabschnitt des ersten und/oder zweiten Wellenleiters eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten bzw. zweiten Wellenleiter räumliche moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für zweite Partikel aufweist.
Partikelsensor nach Patentanspruch 11, wobei sich eine Periodizität des ersten Oberflächenabschnitts von einer Periodizität des zweiten Oberflächenabschnitts unterscheidet.
Partikelsensor nach Patentanspruch 11 oder 12, wobei die ersten und zweiten Partikel gleich sind.
Partikelsensor nach Patentanspruch 11 oder 12, wobei die ersten und zweiten Partikel unterschiedlich sind.
Partikelsensor nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei der photonische Schaltkreis (1810) einen optischen Filter (1822, 1832) zur Filterung von in dem ersten Wellenleiter propagierendem Licht aufweist.
Partikelsensor nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei der photonische Schaltkreis eine Lichtquelle, insbesondere einen Laser, und Mittel zur Einkopplung von mittels der Lichtquelle erzeugten Lichts in den ersten Wellenleiter aufweist.
Partikelsensor nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei der photonische Schaltkries Mittel zur Auskopplung des in dem ersten Wellenleiter propagierendem Licht und einen Lichtdetektor, insbesondere eine Photodiode, zur Detektion des ausgekoppelten Lichts aufweist.
Partikelsensor nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei der Partikelsensor dazu eingerichtet ist, Partikel in einem Fluid in einer Kavität eines Lebewesens zu detektieren, insbesondere dazu eingerichtet ist, in die Kavität eingebracht zu werden.
Partikelsensor nach einem der voranstehenden Patentansprüche, wobei der Partikelsensor ein mikrofluidisches System umfasst, wobei der Partikelsensor dazu eingerichtet ist, Partikel in einem in einer Kavität des mikrofluidischen Systems befindlichen Fluid zu detektieren.
Sensorsystem mit einem Partikelsensor (100) nach einem der voranstehenden Patentansprüche, mit einem Temperatursensor, wobei der Temperatursensor einen dritten Wellenleiter umfasst, wobei der dritte Wellenleiter einen dritten Oberflächenabschnitt aufweist, welcher einen sich in einer Propagationsrichtung von Licht im dritten Wellenleiter räumlich modulierten, insbesondere periodisch, ändernden thermooptischen Koeffizienten aufweist.
Sensorsystem mit einem Partikelsensor (100) nach einem der Patentansprüche 1 bis 19, insbesondere Sensorsystem gemäß Patentanspruch 20, wobei der Sensor einen Membransensor (1900) aufweist, wobei der Membransensor (1900) einen vierten Wellenleiter (1911) aufweist, wobei der Membransensor (1900) eine Membran (1940) aufweist, wobei die Membran (1940) eine in Propagationsrichtung von Licht im vierten Wellenleiter (1911) räumlich modulierte, insbesondere periodische, Gitterstruktur (1941) aufweist, wobei die Membran (1940) so angeordnet ist, dass eine Annäherung der Membran (1940) an den vierten Wellenleiter (1911) zu einer Änderung der Intensität und/oder Phase von in dem vierten Wellenleiter (1911) propagierendem Licht führt.
Sensor nach einem der Patentansprüche 20 oder 21, wobei der integrierte photonische Schaltkreis den dritten und/oder vierten Wellenleiter umfasst.
Verwendung eines Partikelsensors zur Detektion von Partikeln, wobei der Partikelsensor einen integrierten photonischen Schaltkreis umfasst, wobei der integrierte photonische Schaltkreis einen ersten Wellenleiter umfasst, wobei der erste Wellenleiter einen ersten Oberflächenabschnitt aufweist, welcher eine sich in einer Propagationsrichtung von Licht im ersten Wellenleiter räumlich moduliert, insbesondere periodisch, ändernde Adsorptionsfähigkeit für die Partikel aufweist, wobei eine Änderung der Intensität des im Wellenleiter propagierendem Licht zur Detektion der Partikel verwendet wird.