DE4228535C2 - Dünnschicht-Interferometer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Dünnschicht- Interferometer, insbesondere für die chemische oder bioche­ mische Meßtechnik, mit einem integriert-optischen Sensorele­ ment, in dem Lichtmoden eingekoppelt sind und das eine Meß­ strecke, in der Lichtmoden umgebungsbedingt geänderten opti­ schen Bedingungen ausgesetzt sind, und eine Referenzstrecke, in der Lichtmoden zumindest teilweise unveränderten opti­ schen Bedingungen ausgesetzt sind, aufweist, und in dem die Lichtmoden nach Durchlaufen der Meß- und der Referenzstrecke zur Interferenz bringbar sind, die photoelektrisch erfaßbar ist.

Mit der Entwicklung integriert-optischer, planarer Wellenleiter sind in jüngerer Zeit Verfahren und Anordnungen bekannt geworden, derartige Sensorelemente zur chemischen oder biochemischen Meßtechnik zu verwenden. Die Funktion derartiger optisch-integrierter Lichtwellenleiter beruht darauf, daß die Phasengeschwindigkeit von in einem Lichtleiter geführten Lichtmoden durch Reaktion mit der Oberfläche des Lichtleiters, insbesondere lichtleitenden Filmes auf einem planaren Substrat, beeinflußt wird. Eine Änderung der Phasengeschwindigkeit wird mit interferometrischen Anordnungen ausgewertet. Anwenderseitig werden allerdings an derartige Meß- und Analysensysteme, die derartige integriert-optische Wellenleiter als Sensorelemente verwenden, extreme und teilweise widersprüchliche Anforderungen gestellt.

Bei einigen Anwendungen, insbesondere bei der Auswertung von Immunoreaktionen ohne Fluoreszenzmarkierung bestehen extreme Anforderungen an die Empfindlichkeit. So wird z. B. gefordert, daß eine teilweise Belegung der Oberfläche des Sensorelementes mit einer Moleküllage eines organischen Moleküls zuverlässig und hinsichtlich der Dichte der Belegung auch quantitativ erfaßt werden muß. Da die Detektion der Oberflächenveränderungen derartiger planarer Wellenleiter, in denen Lichtmoden des darin geführten Lichtes geleitet werden, mit Hilfe des evaneszenten Feldanteiles des geführten Lichtes erfolgt, muß für eine derartige Detektion der evaneszente Feldanteil, d. h. derjenige Anteil des Lichtes, der außerhalb des Lichtleiters geführt wird, sehr groß sein. Daher bestimmt dieses Erfordernis vor allem das Herstellungsverfahren des Lichtleiters. Man ist daher auf planare Lichtleiterfilme beschränkt, die extrem dünn sind und deren Brechzahl deutlich über der des Trägersubstrates des planaren Wellenleiters liegt. Es ist in diesem Fall besonders schwierig, zusätzlich eine laterale Strukturierung des lichtleitenden Filmes zu monomodigen Streifenleitern zu erreichen, da sehr geringe Strukturbreiten erforderlich sind.

Die vorerläuterte interferometrische Detektion von chemischen oder biochemischen Stoffen wird wegen ihrer hohen Empfindlichkeit auf Phasenunterschiede des Lichtes gewählt. Allerdings sind Interferometer auch gegenüber anderen Einflüssen empfindlich, die sich auf die Brechzahl des optischen Mediums bzw. lichtleitenden Filmes oder auch auf die Wellenlänge des verwendeten Lichtes auswirken, wie z. B. Temperatur, Wellenlängendriften der Lichtquelle und mechanische Einwirkungen bzw. Dislokationen. Diese nachteiligen Einflüsse werden am einfachsten dadurch beseitigt, daß die Wege, die die zu interferierenden Lichtleitermoden zurücklegen, möglichst gleich gewählt werden. Die Wege des geführten Lichtes entlang der Meßstrecke und der Referenzstrecke sollten in etwa gleich lang und möglichst eng benachbart sein. Dennoch darf nur ein Teil des im Lichtleiter geführten Lichtes von der Meßgröße, d. h. von dem zu detektierenden Stoff beeinflußt sein (entlang der Meßstrecke), während der andere Teil des geführten Lichtes (Referenzstrecke) hiervon im wesentlichen unbeeinflußt bleiben muß.

Es ist überdies zu berücksichtigen, daß die Transmissionskurve eines Interferometers periodisch mit der Phasendifferenz der interferierenden Lichtmoden und der Teilstrahlen variiert. Interferometersignale sind daher in der Regel nicht eindeutig, wobei dies im praktischen Einsatz eines solchen Interferometers für die stofforientierte Analysen- und Meßtechnik nicht akzeptabel ist.

Überdies unterliegen die integriert-optischen Sensorelemente derartiger Interferometer, die für die chemische oder biochemische Analytik eingesetzt werden sollen, auch beträchtlichen Anforderungen an die Kostenstruktur, da insbesondere in der biochemischen Analytik die Reaktionsschichten auf der Oberfläche des lichtleitenden Filmes teilweise nur für wenige Messungen oder im Einmalgebrauch verwendet werden können. Die Wellenleiterprobe (Sensorelement) muß daher häufiger ausgewechselt werden. Dies führt zu extremen Anforderungen an die Herstellungskosten der optischen Strukturen. Ein verbessertes Dünnfilm-Interferometer sollte daher möglichst einfach aufgebaut sein und eine Herstellung in Massenfabrikation zulassen.

Schließlich muß auch bei einem derartigen Interferometer eines der Grundprobleme lichtleitender dünner Filme oder lichtleitender Strukturen, wie monomodiger Streifenleiter, berücksichtigt werden, nämlich das Problem der Einkopplung des Lichtes in den lichtleitenden Film. Diese soll durch eine ebenso effiziente wie einfach ausführbare Koppelmethode erfolgen.

Aus dem Stand der Technik sind einige Verfahren und Interferometer für die vorzugsweise vorgesehenen Anwendungsbereiche der chemischen und biochemischen Analytik und Meßtechnik bekannt. Aus Heideman, Kooyman, Greve "Development of an optical wavequide interferometric immunosensor", Sensors and Actuators B, 4 (1991), 297-299 ist ein interferometrischer Immunosensor bekannt, der - abgesehen von den Koppelgittern - ein sehr einfaches Sensorelement aufweist. Die Strahlaufteilung und die Überlagerung der Strahlen zur Herstellung der Interferenz werden außerhalb des integriert-optischen Sensorelementes durchgeführt. Das Interferometer wird deshalb von vier separaten optischen Bauelementen gebildet. Eine solche Anordnung ist jedoch für die eingangs skizzierten Anwendungszwecke nicht verwendbar, da geringste Bewegungen dieser optischen Elemente gegeneinander wegen der hohen Empfindlichkeit des Interferometers gegenüber Wegänderungen zu Fehlsignalen führen. Ein derartiges Interferometer ist daher hinsichtlich der Justierung der Einzelelemente extrem empfindlich und für den praktischen Gebrauch außerhalb eines Labors kaum geeignet. Fehlsignale können bei diesem Interferometer darüber hinaus auch daraus resultieren, daß die Lichtabsorption oder die Koppeleffizienz auf einem oder beiden Lichtwegen schwankt. Auch Änderungen der Intensität der Lichtquelle führen zu Identitätsschwankungen, die als Phasenänderungen fehlinterpretiert werden. Die Auswertung der Signatur ist nicht eindeutig, da eine Veränderung des optischen Weges um eine Wellenlänge wiederum das Ausgangssignal erzeugt, so daß eine solche Wegänderung nicht erfaßbar ist. Ein derartiges Interferometer ist daher auf einen Meßbereich von optischen Weglängendifferenzen bis maximal einer halben Wellenlänge des eingesetzten Lichtes beschränkt.

Aus Lukosz, Stamm "Integrated optical interferometer as relative humidity sonsor and differential refractometer", Sensors and Actuators A, 25-27 (1991), 185-188, ist ein Differential-Refraktometer bekannt, bei dem das integriert-optische Sensorelement ebenfalls einen sehr einfachen Aufbau aufweist. Allerdings sind auch hierbei (wie dort in Fig. 1 gezeigt) eine Reihe weiterer optischer Bauelemente zur Erzeugung der Interferenz erforderlich. Hierbei ist der Eindeutigkeitsbereich zwar durch Erzeugung von vier verschiedenen, phasenverschobenen Signalen erweitert, Eindeutigkeit ist jedoch nur solange gegeben, wie die Signale ohne Unterbrechung verfolgt werden können. Nach einer Unterbrechung der Messung liegt der Meßwert (die Phasendifferenz der Teilstrahlen) nicht mehr eindeutig vor. Ein Nachteil dieser Anordnung liegt auch darin, daß nicht die volle Empfindlichkeit des evaneszenten Feldes für die Messung genutzt wird, da als Referenzstrahl Licht verwendet wird, das, wenn auch nicht in gleichstarkem Maße wie der Meßstrahl, von der Meßgröße in derselben Richtung beeinflußt wird wie der Meßstrahl. Die erfaßte Phasendifferenz ist daher geringer als bei der Verwendung einer Referenzgröße, die auf einem nicht durch die Meßgröße beeinflußten Lichtweg ermittelt wird.

Aus Brandenburg, Edelhäuser, Hutter "Gas sensor based on an integrated optical interferometer", SPIE Vol. 1510, Chemical and Medical Sensors (1991), S. 1-12, sind Interferometer (Gassensoren) mit planaren Wellenleitern und lateraler Strukturierung bekannt, deren Genauigkeitsanforderungen wegen dieser lateralen Strukturierung im µm-Bereich liegen, so daß wegen der damit verbundenen technologischen Anforderungen eine solche Anordnung nur für Anwendungsfälle geeignet ist, bei denen das Sensorelement über lange Zeiträume verwendet werden kann. Ähnlich wie bei der eingangs erläuterten Anordnung ist der Meßbereich im Fall des symmetrischen Mach-Zehnder Interferometers auf eine halbe Wellenlänge beschränkt. Das Fabry-Prot- Interferometer mit der Serrodyne-Auswertung ermöglicht eine Erweiterung, jedoch ebenfalls nur bei ununterbrochener Verfolgung des Ausgangssignales.

Ein Dünnschicht-Interferometer der eingangs genannten Art ist aus der US 49 40 328 bekannt. Nach den Ausführungs­ beispielen gemäß Fig. 7 und 8 ist jeweils ein Streifenleiter bzw. Streifenleiterabschnitt mit einer Abschirmung gegen Umgebungseinflüsse versehen, während ein anderer Streifen­ leiter bzw. Streifenleiterabschnitt den meßtechnisch zu erfassenden Umgebungseinflüssen ausgesetzt ist, wobei aus der Interferenz der durch Meß- und Referenzzweig gesandten Lichtmoden das den zu erfassenden Stoff repräsentierende optische Meßergebnis gewonnen wird. In vergleichbarer Weise wird bei der Auftrennung eines Streifenleiters in unter­ schiedliche Zweige bei einem Mach-Zehnder-Interferometer gemäß DE 40 37 431 A1 vorgegangen.

Eine solche Lösung ist insofern nachteilig, als hierbei erhebliche Anforderungen an die photoelektrische Erfassung des Meßergehnisses gestellt werden, da die auszuwertende Intensitätsverteilung angesichts der Abmessungen derartiger Streifenleiter im Bereich weniger Mikrometer auftritt, so daß insbesondere dann, wenn mit mehr als zwei Lichtmoden gearbeitet wird, die Signalauswertung äußerst schwierig ist. Gemäß US 49 40 328 können die entsprechenden Photodetek­ toren nur über Faserleiter an das Sensorelement angeschlos­ sen werden. Überdies werden gemäß US 49 40 328 (zugehörige Beschreibung Spalte 4, Zeilen 12 ff) verschiedene Moden verwendet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Dünnschicht-Interferometer der eingangs genannten Art zu verbessern derart, daß bei unkompliziertem und für den robusten, praktischen Einsatz geeigneten Aufbau des Sensor­ elementes eine hohe Empfindlichkeit desselben erreicht wird, wobei eindeutige Meßergeb­ nisse erhalten werden und die Intensitätsverteilung in unkomplizierter Weise erfaßbar sein soll.

Diese Aufgabe wird bei einem Dünnschicht-Interferometer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Sensorelement einen planaren, aus einem dünnen, lichtleitenden Film beste­ henden Wellenleiter aufweist, der partiell mit einer Deck­ schicht beschichtet ist und eine lichtreflektierende Grenz­ schicht aufweist, die derart ausgebildet und relativ zu den eingekoppelten Lichtmoden derart angeordnet ist, daß einge­ koppelte Lichtmoden in der Filmebene reflektiert und die eingekoppelten Lichtmoden entlang einer Außenkante des Sen­ sorelementes unter Ausbildung einer Licht-Intensitäts­ verteilung in der Filmebene des lichtleitenden Filmes zur Interferenz gebracht werden.

Ein derartiges, den Anschluß einer Auswertungseinheit für die Erfassung der Intensitätsverteilung an dem Sensorelement unmittelbar erlaubendes Interferometer zeichnet sich durch einen verhältnismäßig einfachen und daher kostengünstigen Aufbau aus und weist eine hohe Stabilität und Zuverlässigkeit auf, da die Lichtleitermoden des in dem lichtleitenden Film des Sensorelementes geführten Lichtes sowohl entlang der gesamten Meßstrecke als auch der gesamten Referenzstrecke innerhalb des integriert-optischen Sensorelementes geführt werden. Auch die Interferenz der Lichtmoden erfolgt innerhalb des lichtleitenden Filmes des Sensorelementes derart, daß entlang einer Außenkante desselben eine Detektoreinrichtung aus einer Mehrzahl von Detektorelementen die Signatur eindeutig erfassen kann.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird das in dem lichtleitenden Film geführte Licht zumindest teilweise auf einen von der Deckschicht abgedeckten Bereich der Grenzschicht geführt und die von dem abgedeckten Bereich der Grenzschicht reflektierten Lichtmoden werden mit weiteren Lichtmoden entlang einer Seitenkante des Sensorelementes überlagert. Entlang dieser Außenkante sind mehrere Detektorelemente, wie z. B. eine CCD-Zeile als photoelektrische Detektoreinheit zur Erfassung der Signatur (Intensitätsverteilung) angeordnet.

Vorzugsweise kann das geführte Licht in den lichtleitenden Film divergierend oder parallel eingekoppelt sein. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Grenzschicht und/oder eine Begrenzung der Deckschicht parallel zueinander und/oder parallel zur einer Seitenkante des Sensorelementes ausgebildet, so daß das Sensorelement insgesamt einen sehr einfachen Aufbau aufweist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Grenzschicht auch geneigt zu der Begrenzung der Deckschicht und/oder einer Seitenkante des Sensorelementes verlaufen, insbesondere eine Mehrzahl von Abschnitten unterschiedlicher Neigung bezüglich der Begrenzung der Deckschicht und/oder einer Seitenkante des Sensorelementes aufweisen. Die letztgenannte Ausführungsform eröffnet insbesondere weitgespannte Möglichkeiten hinsichtlich der Freiheiten in der baulichen Gestaltung des Interferometers, z. B. bezüglich der Zuordnung der Detektoren für die Intensitätsverteilung entlang einer längeren oder kürzeren Seitenkante des Sensorelementes. In entsprechender Weise kann hierdurch auch die Lage bzw. der Abstand der Interferenz maximal voneinander beeinflußt werden.

Nach noch einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Lichteinkopplung in den dünnen, lichtleitenden Film des Sensorelementes mittels eines Hilfswellenleiters und des diesen begleitenden evaneszenten Feldes, wobei dieser Hilfswellenleiter in Druckkontakt mit dem lichtleitenden Film des Substrates, das in diesem Kopplungsbereich keine Deckschicht aufweist, gebracht ist.

Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt. Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 ein integriert-optisches Sensorelement als Dünnschicht-Interferometer nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in der Draufsicht,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Dünnschicht-Interfero­ meters in Richtung eines Pfeiles A nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich derjenigen in Fig. 1 für ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Dünnschicht- Interferometers nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich derjenigen in Fig. 3 unter Verwendung parallel geführten Lichtes,

Fig. 5 eine Intensitätsverteilung am Ausgang eines Dünnschicht-Interferometers für kohärentes Licht (Fig. 5a) und inkohärentes Licht (Fig. 5b),

Fig. 6 ein Dünnschicht-Interferometer mit Lichteinkopplungsvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines Faser-Schliffkopplers in schematischer Seitenansicht,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung des Interferometers mit Lichteinkopplungsvorrichtung nach Fig. 6,

Fig. 8 ein Dünnschicht-Interferometer mit Lichteinkopplungsvorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines planaren Hilfswellenleiters,

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung des Interferometers nach Fig. 8.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Dünnschicht-Interferometers wird nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 erläutert, die dieses, verkörpert durch ein integriert-optisches Sensorelement 1, schematisch in einer Draufsicht (Fig. 1) und in einer Seitenansicht (in Richtung des Pfeiles A in Fig. 1) zeigen. Weitere Einrichtungen, wie die Lichtquelle oder eine Detektoranordnung zur Erfassung der Intensitätsverteilung sind hier nicht dargestellt, da es sich insoweit um herkömmliche Einrichtungen handelt.

Wie aus der Draufsicht des Sensorelementes 1 in Verbindung mit der Seitenansicht gemäß Fig. 2 ersichtlich ist, realisiert dieses ein Dünnschicht-Interferometer als integrales optisches Bauelement, in dem auch vollständig die Aufteilung des eingestrahlten Lichtes und die Zusammenführung der Lichtleitermoden nach Durchlaufen der Meßstrecke sowie der Referenzstrecke erfolgt, wobei die Intensitätsverteilung sich entlang einer Seitenkante des Sensorelementes 1 (in y-Richtung) interferiert ergibt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, weist das Sensorelement 1 ein Substrat 2 auf, auf dem sich ein dünner, lichtleitender Film 3 befindet, der eine Grenzschicht 4 aufweist, an der in den lichtleitenden Film 3 eingekoppelte Lichtmoden reflektiert werden, wobei ein Bereich des lichtleitenden Filmes 3 einschließlich der Grenzschicht 4 durch eine Deckschicht 5 abgedeckt werden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 2 wird das Licht divergent in einer Stelle des lichtleitenden Filmes 3 eingestrahlt, an dem die Deckschicht 5 auf dem lichtleitenden Film 3 endet. Die nach außen freiliegende Oberfläche des lichtleitenden Filmes 3 ist im praktischen Betrieb des Interferometers der chemischen oder biochemischen Substanz ausgesetzt, die mit dem Interferometer analysiert werden soll. Infolge der divergenten Aufteilung des eingekoppelten Lichtes in Lichtmoden 6a, die auf die Grenzschicht 4 des lichtempfindlichen Filmes 3 treffen und in Lichtmoden 6b, die innerhalb des nicht mit der Deckschicht 5 beschichteten Bereiches des lichtempfindlichen Filmes 3 verlaufen und die dem zu analysierenden Stoff ausgesetzt sind, wird innerhalb des Sensorelementes 1 eine Meß- und eine Referenzstrecke vollständig in diesem integriert-optischen Element geschaffen, wobei an der der Lichteintrittsseite gegenüberliegenden Seite des Sensorelementes 1 die Interferenz der Lichtmoden 6a und 6b erfolgt und die Intensitätsverteilung in y-Richtung in hier nicht dargestellter Weise photoelektrisch erfaßt werden kann.

Die Grenzschicht 4 wirkt wie ein Spiegel und kann z. B. durch teilweises Abätzen des lichtleitenden Filmes 3 (wie in Fig. 1) oder durch Polieren einer Kante des lichtleitenden Films (z. B. in Fig. 3 an der Seitenkante des interferometrischen Sensorelementes) realisiert werden.

Die anschließende Überlagerung der divergenten Lichtmoden 6a, 6b liefert nicht nur einen oder wenige Intensitätswerte am Ausgang des Wellenleiters, sondern eine breite Signatur, die wesentlich mehr Information über den Zustand des Interferometers enthält.

Insbesondere ist bei Verwendung von Lichtquellen mit geringer Kohärenzlänge auch das Problem der Mehrdeutigkeit lösbar. Unter dem Einfluß einer Phasenverschiebung im Bereich der Meßstrecke (in Fig. 1 der obere, nach rechts schraffierte Teil des lichtleitenden Filmes 3) bewegt sich die Intensitätsverteilung seitlich in y-Richtung.

Obwohl dies hier nicht dargestellt ist, werden am Ausgang des Wellenleiters bzw. Sensorelementes 1 lediglich mehrere Detektoren oder eine photoelektrische CCD-Zeile erforderlich, ohne daß die Meß- oder Referenzstrecke selbst äußeren Fehlereinflüssen, wie Wegänderungen od. dgl., ausgesetzt ist. Mit der Deckschicht 5, die den Referenzzweig im Bereich ihrer Überdeckung des lichtempfindlichen Filmes 3 (in Fig. 1 Mittelstreifen, kreuzschraffiert) bildet, wird die Einwirkung der Meßgröße, d. h. des zu analysierenden Materiales auf den freiliegenden Teil des lichtleitenden Filmes 3, d. h. auf die Meßstrecke beschränkt.

Wie Fig. 1 verdeutlicht, kann in Verbindung mit einer divergenten Einkopplung des Lichtes eine geradlinige Grenzschicht 4 des lichtleitenden Filmes 3 als Reflexionsschicht gebildet werden. Die reflektierten Lichtmoden 6a überlagern sich direkt mit den nicht reflektierten Lichtmoden 6b.

In Fig. 5a und 5b sind die Intensitätsprofile am Ausgang des Interferometers nach Fig. 1 für kohärentes und inkohärentes Licht gezeigt. Die überlagerte räumliche Modulation des Interferenzmusters bei Verwendung inkohärenten Lichtes erlaubt eine eindeutige Zuordnung über eine Mehrzahl von Interferenzordnungen hinaus. Dies ist auch nach einer Unterbrechung, wie z. B. einem zeitweisen Abschalten des Interferometers möglich.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der schematischen Draufsicht nach Fig. 3 in einer Darstellung für das Sensorelement 1 ähnlich derjenigen in Fig. 1 gezeigt. In diesem Fall wird wiederum divergentes Licht in den lichtempfindlichen Film 3 an einer Stelle eingekoppelt, an der die Deckschicht 5 begrenzt ist, während der übrige, in Fig. 3 oberer Teile des lichtleitenden Filmes 3 zum Kontakt mit der Meßgröße bzw. dem zu analysierenden Material nach außen freiliegt. In diesem Fall weist die Grenzschicht 4 des lichtempfindlichen Filmes zwei Spiegelabschnitte 4a, 4b unterschiedlicher Neigung bezüglich der Seitenkanten des Sensorelementes 1 bzw. der Begrenzung der Deckschicht 5 auf, so daß ein Teil der Grenzfläche 4 sich im Bereich der Referenzstrecke (in Fig. 3 unten) und ein anderer Teil der Grenzschicht im Bereich der Meßstrecke (in Fig. 3 oben) befindet. In diesem Fall werden beide Lichtmoden 6a, 6b von der spiegelreflektierenden Grenzschicht zum einen im Abschnitt 4a (Referenzstrecke, abgedeckt durch die Deckschicht 5) und zum anderen im Abschnitt 4b, (Meßstrecke, freiliegender Teil des lichtempfindlichen Filmes 3) reflektiert. Die Intensitätsverteilung ergibt sich in diesem Fall unter größerer Aufspreizung in y-Richtung entlang einer Längsseite des Sensorelementes 1. Entsprechend ist in diesem Bereich eine hier nicht dargestellte Detektoranordnung für die Erfassung der Intensitätsverteilung angeordnet. Grundsätzlich zeigen auch in diesem Fall die Intensitätsverteilungen für kohärentes und nicht kohärentes Licht die in den Fig. 5a und 5b dargestellte Charakteristik.

Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Dünnschicht-Interferometers, wobei der Aufbau des Sensorelementes 1 praktisch demjenigen in Fig. 3 entspricht, in diesem Fall aber paralleles Licht in den lichtleitenden Film 3 des Sensorelementes 1 eingestrahlt wird. Im übrigen gelten in diesem Fall die Erläuterungen zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 entsprechend.

Fig. 6 zeigt das interferometrische Sensorelement 1 in Verbindung mit einer Lichteinkopplungsvorrichtung in Gestalt eines Hilfswellenleiters 8, der in diesem Ausführungsbeispiel als Faser-Schliffkoppler 7 ausgebildet ist. Die Lichteinkopplungsvorrichtung in Verbindung mit dem Sensorelement 1 ist aus der perspektivischen Darstellung gemäß Fig. 7 noch genauer ersichtlich. Da die Lichteinkopplung in einen dünnen, lichtleitenden Film 3 ein besonderes Problem darstellt, das normalerweise eine hochpräzise Lagezuordnung zwischen der Lichtquelle bzw. einem Hilfswellenleiter und dem planaren Wellenleiter (hier dem Interferometer) erfordert, sind herkömmliche Verfahren und Einrichtungen kaum für den praktischen und Masseneinsatz von integriert-optischen Sensorelementen (planare Wellenleiter) für die Analysentechnik geeignet.

Im vorliegenden Fall weist daher das Sensorelement 1 einen von der Deckschicht 5 freien Bereiche für den Einsatz des Hilfswellenleiters 8 als Lichteinkopplungsvorrichtung auf.

Grundlage der Lichteinkopplung in das Interferometer bzw. integriert-optische Sensorelement 1, das dieses Interferometer realisiert, bildet die Überkopplung des Lichtes aus einem Hilfswellenleiter 8 mit Hilfe des zugehörigen evaneszenten Feldes dieses Hilfswellenleiters 8, so daß zwischen diesem und dem lichtleitenden Film 3 des Sensorelementes 1 nur noch ein Druckkontakt für eine entsprechend hohe Koppeleffizienz erforderlich ist. Ausführungsbeispiele für die Lichteinkopplung werden in den Fig. 6 bis 9 erläutert.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 und 7 bildet der in einem hier nicht mit dargestellten Analysengerät stationär aufgenommene Hilfswellenleiter, mit dem das als Interferometer ausgestaltete Sensorelement 1 in Andruckkontakt gebracht wird, eine lichtleitende Faser 8 eines Faser-Schliffkopplers 7, die, wie genauer aus Fig. 7 ersichtlich, in eine gebogene Nut des Faser-Schliffkopplers 7 eingelegt wird, wobei diese Nut partiell in einer unteren Oberfläche des Faser-Schliffkopplers 7 mündet. Der gebogene Teil der Lichtleitfaser 8 wird durch seitliches Polieren lokal und partiell von seiner Ummantelung befreit, so daß der lichtleitende Faserkern freigelegt ist und sich praktisch in der Ebene der unteren Kopplungsfläche des Faser-Schliffkopplers 7 befindet.

Der Faser-Schliffkoppler 7 mit der lichtführenden Faser 8 wird mit einer bestimmten Andruckkraft gegen das interferometrische Sensorelement 1 angedrückt. Je nach konstruktiver Gestaltung kann dieser Vorgang selbstverständlich bei stationärer Halterung des Faser-Schliffkopplers 7 auch umgekehrt erfolgen, so daß das die zu analysierende Probe tragende Interferometer gegen den ortsfest gehaltenen Faser-Schliffkoppler 7 angedrückt wird. Durch das evaneszente Feld des in der Faser 8 als Hilfswellenleiter geführten Lichtes wird dieses in den lichtleitenden Film 3 des Interferometers 1 übergekoppelt, wobei beide Lichtleiter 8 bzw. 3 an der Kopplungsstelle nicht beschichtet oder ummantelt sind, so daß durch ein verhältnismäßig leichtes Andrücken der Lichtleiter 8, 3 gegeneinander eine Überkopplung des Lichtes in den lichtleitenden Film 3 des Sensorelementes 1 herbeigeführt wird. Als einzige variable Größe, die die Koppeleffizienz und den Wirkungsgrad der Lichteinkopplung in das Interferometer beeinflußt, verbleibt bei dieser Art der Kopplung der Andruck der beiden Lichtleiter 8, 3 gegeneinander. Diese Andruckkraft ist erheblich leichter zu optimieren als die extrem kritischen Lagepositionierungen, die bei den herkömmlichen Verfahren zur Lichteinkopplung in dünne, lichtleitende Filme erforderlich sind. Diese Optimierung der Andruckkraft kann bei gleichzeitiger Detektion des eingekoppelten Lichtes in der Faser 8 auch leicht automatisiert werden. Das Sensorelement 1 kann jeweils leicht ausgewechselt werden. Da der lichtleitende Film 3 des Interferometers 1 gegenüber der Faser 8 des Hilfswellenleiters sehr breit sein kann (Größenordnung 1 cm), ist die Positionierung der Faser 8 unkritisch.

Auf diese Weise kann Licht ohne aufwendige Präzisionspositionierung in einen lichtleitenden, dünnen Film 3 eines Dünnschicht-Interferometers eingekoppelt werden, wobei auch an das planare Sensorelement 1 selbst keinerlei erhöhte Anforderungen bestehen.

Zwar verbleibt auch bei dieser Lösung das Problem der Lichteinkopplung in den Hilfswellenleiter (lichtleitende Faser 8). Die entsprechende Problemlösung ist jedoch in das Analysengerät selbst verlagert, wobei dort durch die stationäre Halterung des Hilfswellenleiters, hier des Faser-Schliffkopplers 7, eine stabile und auch entsprechend genaue Positionierung zwischen Lichtquelle und Faser keine besonderen Schwierigkeiten bereitet und überdies nur einmal durch den Gerätehersteller justiert werden muß.

Eine weitere Form der Lichteinkopplung in das Dünnschicht-Interferometer wird nachstehend anhand der Fig. 8 und 9 erläutert. Hierbei dient als Hilfswellenleiter ein planarer Wellenleiter, der ebenfalls aus einem dünnen, lichtleitenden Film 9 besteht, der auf einem Substrat 10 aufgebracht ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Seitenkante 4a (Längskante des Sensorelementes 1) des lichtleitenden Filmes 3 poliert und bildet - überdeckt von der Deckschicht 5 - einen Spiegel zur Reflexion eines Teils des geführten Lichtes (Referenzstrecke) innerhalb des Interferometers. Auch in diesem Fall kann der Hilfswellenleiter 9 auf dem Substrat 10 mit seiner zugehörigen Lichteinkopplung in den lichtleitenden Film 9 stationär in einem Analysengerät unter entsprechend hochgenauer Einmalpositionierung für die Lichteinkopplung aufgenommen sein, während das die zu analysierende Probe tragende Sensorelement 1, das hier - wie auch in den übrigen Fig. 6, 7 und 9 lediglich schematisch gezeigt ist - austauschbar in das hier nicht dargestellte Analysengerät eingesetzt wird und lediglich durch Steuerung des Andruckes bzw. der Andruckkraft zwischen dem Sensorelement 1 und dem Hilfswellenleiter 9 eine unkomplizierte Einkopplung des Lichtes aus dem Hilfswellenleiter 9 in das Interferometer 1 ermöglicht ist. Zumindest im Kopplungsbereich A (s. Fig. 8) sind sowohl der planare Hilfswellenleiter 9 als auch das Interferometer (Sensorelement 1) unbeschichtet, so daß eine entsprechende Überkopplung durch das evaneszente Feld des in dem Hilfswellenleiter 9 geführten Lichtes in das Sensorelement 1 erfolgen kann.

Neben der grundlegenden Ausführung des Interferometers in Gestalt eines planaren Wellenleiters unter Lichteinkopplung in das Interferometer nicht nach Lichtmodenaufteilung und mit Lichtaustritt nicht vor Lichtmodenvereinigung (Interferenz), führt die Lichteinkopplungsvorrichtung, die allein einen Druckkontakt des Sensorelementes 1 mit dem Hilfswellenleiter 9 erfordert, zu einer beträchtlichen zusätzlichen Vereinfachung hinsichtlich der Aufnahme des Interferometers in einem Analysengerät.

Ein derartiges Interferometer ermöglicht die Auswertung einer Intensitätsverteilung durch eine Detektoranordnung, die lediglich entlang einer Seite des integriert- optischen, planaren Wellenleiters angeordnet ist, wobei Fremdeinflüsse auf die Meß- und Referenzstrecke ausge­ schaltet sind. Überdies ist in vorteilhafter Weise die Lichteinkopplung durch Druckkontakt über das evaneszente Feld des Hilfswellenleiters ermöglicht, so daß die inter­ ferometrische Auswertung und Analyse einer den freilie­ genden, lichtleitenden Film 3 des Interferometers beein­ flussenden Substanz vereinfacht und der praktische Ein­ satz eines solchen Interferometers erleichtert und die Zuverlässigkeit der erhaltenen Meßergebnisse wesentlich verbessert wird.

Claims (13)

1. Dünnschicht-Interferometer, insbesondere für die chemische oder biochemische Meßtechnik, mit einem integriert-optischen Sensorelement, in dem Lichtmoden eingekoppelt sind und das eine Meßstrecke, in der Lichtmoden umgebungsbedingt geänderten optischen Bedingungen ausgesetzt sind, und eine Referenzstrecke, in der Lichtmoden zumindest teilweise unveränderten optischen Bedingungen ausgesetzt sind, aufweist, und in dem die Lichtmoden nach Durchlaufen der Meß- und der Referenzstrecke zur Interferenz bringbar sind, die photoelektrisch erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (1) einen planaren, aus einem dünnen, lichtleitenden Film (3) bestehenden Wellenleiter aufweist, der partiell mit einer Deckschicht (5) beschichtet ist und eine lichtreflektierende Grenzschicht (4, 4a, 4b) aufweist, die derart ausgebildet und relativ zu den eingekoppelten Lichtmoden (6a, 6b) derart angeordnet ist, daß eingekoppelte Lichtmoden (6a) in der Filmebene reflektiert und die eingekoppelten Lichtmoden (6a, 6b) entlang einer Außenkante des Sensorelementes (1) unter Ausbildung einer Licht-Intensitätsverteilung in der Filmebene des lichtleitenden Filmes (3) zur Interferenz gebracht werden.

2. Dünnschicht-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierende Grenzschicht (4, 4a, 4b) von der Deckschicht (5) wenigstens teilweise überdeckt und in dem lichtleitenden Film (3) geführtes Licht zumindest teilweise auf einen von der Deckschicht (5) abgedeckten Bereich der Grenzschicht (4, 4a, 4b) geführt ist und von dem durch die Deckschicht (5) abgedeckten Bereich der Grenzschicht (4a) reflektierte Lichtmoden (6a) mit weiteren Lichtmoden (6b) interferiert werden.

3. Dünnschicht-Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtmoden (6a, 6b) in den lichtleitenden Film (3) divergierend oder parallel eingekoppelt sind.

4. Dünnschicht-Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht (4) und/oder eine Begrenzung der Deckschicht (5) parallel zueinander und/oder parallel zu einer Seitenkante des Sensorelementes (1) verlaufend ausgebildet sind.

5. Dünnschicht-Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht (4, 4a, 4b) geneigt zu der Begrenzung der Deckschicht (5) und/oder einer Seitenkante des Sensorelementes (1) ausgebildet ist.

6. Dünnschicht-Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht (4) eine Mehrzahl von Abschnitten (4a, 4b) unterschiedlicher Neigung in bezug auf die Begrenzung der Deckschicht (5) und/oder eine Seitenkante des Sensorelementes (1) aufweist.

7. Dünnschicht-Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß entlang einer Seitenkante des Sensorelementes (1) eine Mehrzahl von photoelektrischen Detektoren zur Erfassung einer interferometrischen Intensitätsverteilung angeordnet ist.

8. Dünnschicht-Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem lichtleitenden Film (3) eine Lichteinkopplungsvorrichtung (7, 9, 10) lösbar in Druckkontakt ist.

9. Dünnschicht-Interferometer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteinkopplungsvorrichtung einen Hilfswellenleiter (8, 9) aufweist und die Lichteinkopplung in das Sensorelement (1) mittels des evaneszenten Feldes des mit einem von der Deckschicht (5) freien Bereichs des lichtleitenden Film (3) des Sensorelementes (1) in Druckkontakt bringbaren Hilfswellenleiters (8, 9) vorgenommen ist.

10. Dünnschicht-Interferometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswellenleiter (8, 9) in einem Kontakt-Kopplungsbereich frei von einer Ummantelung oder Beschichtung ist.

11. Dünnschicht-Interferometer nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswellenleiter ein zumindest partiell aus einem lichtleitenden Film (9) gebildeter, planarer Wellenleiter ist, der mit dem lichtleitenden Film (3) des Sensorelementes (1) in Druckkontakt bringbar ist.

12. Dünnschicht-Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswellenleiter ein Faser-Schliffkoppler (7) ist, mit einer gekrümmten Aufnahmenut, die zumindest partiell in einer planaren Kontaktfläche des Faser-Schliffkopplers (7) ausgebildet und in dieser eine Lichtleitfaser (8), deren in der Kontaktfläche liegender Abschnitt zum Freilegen des lichtleitenden Faserkernes einseitig poliert ist, aufgenommen ist.

13. Dünnschicht-Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüchen 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteinkopplung durch Druckkontakt mittels des evaneszenten Feldes des Hilfswellenleiters (8, 9) in einem Grenzbereich zwischen dem durch die Deckschicht (5) abgedeckten Bereich des lichtleitenden Filmes (3) des Sensorelementes (1) und einem von der Deckschicht (5) freien Bereich desselben vorgenommen ist.