EP2726854A1

EP2726854A1 - Mikrooptisches element, mikrooptisches array und optisches sensorsystem

Info

Publication number: EP2726854A1
Application number: EP12731304.7A
Authority: EP
Inventors: Timo Mappes; Heinz Kalt; Tobias Grossmann; Thorsten Beck; Tobias WIENHOLD; Marko Brammer
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2011-06-29
Filing date: 2012-06-23
Publication date: 2014-05-07
Also published as: US20140226160A1; DE102011107360A1; US9176051B2; WO2013000553A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikrooptisches Element (10) mit einem Resonatorsubstrat (11), auf das mindestens ein Mikroresonator (12) aufgebracht ist, der in Form eines rotationssymmetrischen Körpers (14) ausgestaltet ist, wobei der mindestens eine Mikroresonator (12) mit einem lichtreflektierenden Spiegel (20) umgeben ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mikrooptisches Array (40) mit mindestens einem Resonatorsubstrat (11), auf das mindestens zwei Arrayelemente aufgebracht sind, wobei jedes Arrayelement jeweils mindestens einen Mikroresonator (12, 12...') aufweist, der von einem lichtreflektierenden Spiegel (20, 20'..) umgeben ist. Die Erfindung betrifft schließlich ein optisches Sensorsystem (80), das mindestens ein mikrooptisches Element (10) oder mindestens ein mikrooptisches Array (40) aufweist. Mit dem optischen Sensorsystem (80) wird eine integrierte, portable Vorrichtung für einen robusten und hochempfindlichen Nachweis kleinster Molekülmengen bereitgestellt.

Description

Mikrooptisches Element, mikrooptisches Array und optisches

SensorSystem

Die Erfindung betrifft ein mikrooptisches Element mit einem

Resonatorsubstrat, auf das mindestens ein ikroresonator aufgebracht ist, der in Form eines rotationssymmetrischen Körpers ausgestaltet ist, ein mikrooptisches Array und ein optisches Sensorsystem, das mindestens ein mikrooptisches Element oder mindestens ein mikrooptisches Array aufweist.

Im Bereich der Biologie und der Medizin besteht ein hohes Interesse an Sensoren zur selektiven, markerfreien und hochempfindlichen

Analyse kleinster Fluidmengen. Eine Möglichkeit, derartige Sensoren aufzubauen, basiert auf dem Einsatz von optischen Kavitäten als

Mikroresonatoren, insbesondere in Form von Toroiden, Kelchen,

Scheiben, Ellipsoiden oder Kugeln. Für bestimmte Wellenlängen λ bilden sich in der Kavität Resonanzen aus. Lagern sich Moleküle aus einem Analyten an der Resonatoroberfläche an, vergrößert sich durch Änderung des Brechungsindex n in der Umgebung des Mikroresonators der effektive Radius R der Kavität. Eine Änderung des Radius R und des Brechungsindex n bewirkt eine Veränderung der Resonanzwellenlängen A_r gemäß

Δ _Γ _ R An

Ä_r ^~ R n

Durch Analyse des Spektrums lässt sich nach F. Vollmer und S. Arnold, Whispering-gallery-mode biosensing: label-free detection down to Single molecules, Nature Methods 5 (2008) 591-596 aus einer

Verschiebung der Wellenlänge der Resonanz auf eine Anlagerung von Molekülen zurückschließen.

Um sehr geringe Molekülmengen detektieren zu können, sind

Mikroresonatoren mit hohen Gütefaktoren erforderlich. A. M. Armani, R. P. Kulkarni, S. E. Fräser, R. C. Flagan und K. J. Vahala beschreiben in Label-Free, Single-Molecule Detection with Optical Microcavit- ies, Science 317, S. 783-86, 2007, den markerfreien Nachweis von einzelnen Molekülen, die auf der Oberfläche eines Mikroresonators aufgebracht sind. Als Mikroresonator dient ein Toroid, der aus

Siliziumdioxid besteht und auf einen Fuß aus Silizium, der sich auf einem Siliziumsubstrat befindet, aufgebracht ist.

Aus T. Grossmann, M. Hauser, T. Beck, C. Gohn-Kreuz, M. Karl, H.

Kalt, C. Vannahme, und T. Mappes, High-Q conical polymeric

microcavities, Appl . Phys . Lett . 96 (2010) 013303, ist ein Verfahren zur Herstellung von Mikrokelch-Resonatoren aus Polymethylmethacrylat (PMMA) , das sich durch eine hohe Transparenz im sichtbaren

Spektralbereich auszeichnet, mit einer Güte von über 10⁶ bekannt.

Um Licht in die Kavität einzukoppeln, wird evaneszente Kopplung eingesetzt. J. Knight, G. Cheung, F. Jacques und T. Birks beschreiben in Phase-matched excitation of whispering-gallery-mode resonances by a fiber taper, Opt . Lett. 22 (1997) 1129-1131, das Einkoppeln in einen Mikroresonator mittels adiabatisch ausgedünnten Glasfasern. Um eine möglichst effektive Kopplung zu erhalten, muss der Durchmesser der Glasfaser auf Werte zwischen 0,1 μιη und 3 μιη ausgedünnt werden. Wegen des geringen Durchmessers wird die Glasfaser sehr fragil und ihre Handhabung erschwert. Für die Kopplung zwischen der Faser und der Kavität muss der Abstand auf Werte eingestellt werden, die geringer als die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts sind. Diese Justierung erfordert eine hohe Positioniergenauigkeit und gelingt nur mit Mikrometertischen und unter kontrollierten Laborbedingungen. Wird der Mikroresonator in einem Sensor zur Analyse einer Flüssigkeit eingesetzt, wird die Justierung zusätzlich durch Strömungen im

Analyten erschwert.

Die EP 2287592 AI offenbart ein mikrooptisches Bauelement zur

Ankopplung von Laserlicht an Mikroresonatoren, die mindestens einen Wellenleiter für Laserlicht und mindestens zwei Mikroresonatoren aufweisen, die jeweils in Form eines sich auf einem Fuß befindlichen rotationssymmetrischen Körpers, bevorzugt als Sphäroid oder Toroid, ausgestaltet sind, wobei die mindestens zwei Mikroresonatoren auf einem ersten Substrat, das mit ersten Seitenwänden versehen ist, und der mindestens eine Wellenleiter auf einem zweiten Substrat, das mit zweiten Seitenwänden versehen ist, derart aufgebracht sind, dass die ersten Seitenwände und die zweiten Seitenwände fest miteinander verbunden sind.

Resonanzfrequenzen der Kavität erzeugen im transmittierten Spektrum im Wellenleiter charakteristische Einbrüche, die als Lorentzkurven bezeichnet werden. Um feine Verschiebungen dieser Resonanzen bei der Anlagerung von Molekülen an die Struktur des Resonators aufzulösen, muss die Anregung mit einem kontinuierlich durchstimmbaren Laser erfolgen. Die Anregungsfrequenz muss dabei der Verschiebung der Resonanzfrequenz nachgeführt werden. Häufig wird hierfür der gesamte untersuchte Spektralbereich kontinuierlich mit dem Anregungslaser durchgescannt. Die Spektralanalyse des transmittierten Lichts muss zur Detektion feinster Verschiebungen mit hoher Auflösung erfolgen, wozu ein Spektrometer oder eine synchron zum Anregungslaser

ausgelesene Fotodiode erforderlich ist.

Um eine aufwändige Justierung der Glasfaser bzw. des Wellenleiters zu vermeiden, werden Mikroresonatoren mit einem optischen

Verstärkermaterial, insbesondere mit einem Farbstoff, beschichtet oder dotiert. Wird eine dotierte Kavität mit einem externen Laser, der eine farbstoffspezifische Wellenlänge aufweist, gepumpt, lässt sich eine kohärente Emission anregen. Das vom Mikroresonator abgestrahlte Spektrum ist charakteristisch für die Geometrie der Kavität und das eingesetzte aktive Material. Durch eine Anlagerung von Molekülen aus dem Analyten an der Resonatoroberfläche verschiebt sich neben der Resonanzfrequenz auch das emittierte Spektrum des aktiven Mikroresonators . Diese Verschiebung dient als Sensorsignal. Mit einem aktiven Material dotierte Mikroresonatoren emittieren Licht in der so genannten Resonatorebene isotrop entlang des gesamten

Umfangs . Üblicherweise wird das emittierte Licht mit einem

Glasfaserende oder mit einem Objektiv aufgefangen. Aufgrund der geringen Apertur der Glasfaser lässt sich somit jedoch nur ein kleiner Teil des emittierten Lichts sammeln und detektieren. Da nur ein geringer Teil des emittierten Lichts an Oberflächendefekten des Mikroresonators aus der Ebene herausgestreut wird, lässt sich mit einem über dem Substrat positionierten Objektiv ebenfalls nur eine geringe Intensität auffangen. Mit den genannten Detektionsarten ist jeweils nur ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis erzielbar.

Um eine gerichtete Emission zu erhalten, zeigen M. Kneissl,

M. Teepe, N. Miyashita, N. M. Johnson, G. D. Chern und R. K. Chang in Current-injection spiral-shaped microcavity disk laser diodes with unidirectional emission, Appl. Phys . Lett . 84 (2004) 2485 eine spiralförmige Resonatorgeometrie, die statt der isotropen Abstrahlung eine gerichtete Abstrahlung ermöglicht. Durch die modifizierte Form des Mikroresonators steigt zwar das Signal-Rausch-Verhältnis, die Güte des Mikroresonators sinkt dagegen deutlich, so dass geringe Molekülkonzentrationen mit dieser Einrichtung nicht nachzuweisen sind.

Die US 7,387,892 B2 offenbart einen Biosensor, der auf aktiven rotationssymmetrischen Mikroresonatoren aus GaN/AlGaN basiert. Das emittierte Licht wird hierzu mit integrierten Photodiodenzeilen ausgelesen. Auf die Photodiodenzeile ist, gemäß der US 7,310,153 B2 ein keilförmiger Dünnschichtfilter aufgebracht, der dafür sorgt, dass nur bestimmte Wellenlängen auf einzelne Diodenfelder treffen. Durch eine Resonanzverschiebung bei Anlagerung aus dem Analyten ändert sich die Intensitätsverteilung auf den Photodioden. Allerdings trifft vom Mikroresonator emittiertes Licht nur aus einem kleinen Winkelsegment auf den Detektor, so dass nur ein niedriges Signal-Rausch-Verhältnis erhalten wird. Durch den großen Abstand zwischen dem Mikroresonator und dem Detektor von bis zu 1 cm sind auf einem Substrat nur wenige ikroresonatoren platzierbar. Weiterhin ist für jeden Mikroresonator ein eigener Detektor vorgesehen, wodurch der Aufwand für Aufbau- und Verbindungstechnik steigt, da die Detektoren auf einem separaten Substrat gefertigt und erst nachträglich auf dem Resonatorsubstrat montiert werden. Da die Genauigkeit der Detektion von der Anzahl der Photodioden einer Zeile abhängt, steigt mit der Genauigkeit auch die Anzahl der Verbindungen zum Auslesen der Photodiodenzeile.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikrooptisches Element, ein mikrooptisches Array und ein optisches Sensorsystem, in dem mindestens ein mikrooptisches Element oder mindestens ein mikrooptisches Array eingebracht ist, vorzuschlagen, die die genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen.

Insbesondere soll ein integriertes, portables und kostengünstiges - optisches Sensorsystem für eine robuste und hochempfindliche

Detektion kleinster Molekülmengen bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das mikrooptische Element durch den Gegenstand des Anspruchs 1, im Hinblick auf das mikrooptische Array durch den Gegenstand des Anspruchs 7 und im Hinblick auf das optische Sensorsystem durch den Gegenstand des Anspruchs 9 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Ein erfindungsgemäßes mikrooptisches Element weist ein Resonatorsubstrat auf, auf das mindestens ein, bevorzugt ein oder zwei Mikroresonatoren aufgebracht sind, die jeweils in Form eines

rotationssymmetrischen Körpers vorliegen. Liegen zwei

Mikroresonatoren vor, so weisen diese den Vorteil auf, dass sie bei geeigneter Auslegung nur eine einzige Wellenlänge von kohärenter Strahlung emittieren. Zur Moleküldetektion werden bevorzugt aktive rotationssymmetrische Mikroresonatoren eingesetzt. Als Resonatorgeo- metrien dienen insbesondere Ringe, Scheiben, Toroide, Kugeln oder Kelche .

Als aktives Material in den Mikroresonatoren dient

- in einer ersten Ausführung das Material des mindestens einen

Mikroresonators selbst, bevorzugt ein Halbleiter;

- in einer zweiten Ausführung wird das aktive Material in das nichtaktive Material des mindestens einen Mikroresonators als Dotierung eingebracht, bevorzugt Farbstoffmoleküle, die in ein

fotostrukturierbares Material, vorzugsweise ein Polymer

eingebracht sind;

- in einer dritten Ausführung als Schicht auf den mindestens einen, aus nicht-aktivem Material hergestellten Mikroresonator aufgebracht, bevorzugt Alq3:DCM oder mittels Hilfsschichten aufgebrachte Farbstoffe.

Als aktive Materialien für eine Dotierung eignen sich seltene Erden, bevorzugt Erbium oder Ytterbium, nanokristalline Quantenpunkte, vorzugsweise aus CdSe/ZnS, oder Farbstoffmoleküle, insbesondere

Pyrromethen oder Xanthen (Rhodamine) .

Für einen selektiven Nachweis dürfen nur bestimmte Moleküle an den mindestens einen Mikroresonator ankoppeln können. Hierzu wird die Oberfläche des mindestens einen Mikroresonators mit einer

Funktionalisierung versehen, die nur den gesuchten Molekülen die Anlagerung an den Mikroresonator erlaubt. Eine Verschiebung der Resonanzfrequenz durch Anlagerung an den Mikroresonator kann daher bei Vorliegen einer funktionalisierten Oberfläche nur von den gesuchten Molekülen ausgelöst werden.

Zum Aufbringen der Funktionalisierung wird bevorzugt Dip-Pen- Nanolithografie, Elektropipettieren oder Chemische Gasphasen- abscheidung eingesetzt. In einer besonderen Ausgestaltung werden die Funktionalisierungselemente direkt in die Polymerma-trix eingebracht, so dass im Anschluss eine biologische Funktionalisierung bevorzugt durch Click-Chemie ermöglicht wird.

Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses des Detektions- signals wird eine Erhöhung der Intensität am Detektor angestrebt. Der mindestens eine Mikroresonator ist daher mit einem lichtreflektierenden Spiegel umgeben, bevorzugt einem Ringspiegel, der den rotationssymmetrischen Körper des Mikroresonators umgibt. Hierbei ist die jeweilige Form des lichtreflektierenden Spiegels vorzugsweise so ausgestaltet, dass das von dem mindestens einen Mikroresonator abgestrahlte Licht möglichst effektiv weggeführt werden kann.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Winkelprofil des Spiegels so auf das Abstrahlungsprofil (Emissionsprofil) des

rotationssymmetrischen Körper des mindestens einen Mikroresonators abgestimmt, dass das vom mindestens einen Mikroresonator abgestrahlte Licht über den Spiegel senkrecht oder nahezu senkrecht zum Substrat reflektiert wird.

Die Innenfläche des Spiegels ist daher vorzugsweise so angeschrägt, dass horizontal abgestrahltes Licht möglichst vertikal reflektiert wird. Die Fläche besitzt bevorzugt einen Winkel von 30° bis 70°, vorzugsweise 40° bis 50°, insbesondere 45° ± 1°, zur Senkrechten.

In einer bevorzugten Form weist die Spiegelfläche eine Krümmung eines Paraboloids oder einer Freiform auf, so dass zusätzlich zum Ablenken des Emissionslichts auch eine Fokussierung erfolgt. In einer

besonders bevorzugten Ausführung ist die Form des Rings so ausgelegt, dass das emittierte Licht direkt auf den Detektor fokussiert wird, wodurch weitere Fokussieroptiken, z. B. Linsen oder in die Struktur des mikrooptischen Elements integrierte optische Elemente entfallen.

Der Innendurchmesser des Rings wird so gewählt, dass er mit

Radialspiel über den mindestens einen Mikroresonator geschoben werden kann. Der Durchmesser des Rings beträgt 10 μπι bis 5000 μπι,

insbesondere 100-1000 m. Die Höhe des Rings muss höher als die

Resonatorstruktur gewählt werden, bevorzugt sind Höhen von 1 μιτι bis 500 μπι, insbesondere 50 μιη bis 500 μπι.

Hergestellt wird der Spiegel bevorzugt durch Replikationstechniken oder Ätzverfahren aus Silizium, Polymeren oder metallischen

Werkstoffen. In einer bevorzugten Variante erfolgt die Herstellung aus Polymeren, insbesondere aus PMMA oder einem Cycloolefincopolymer (COC) , durch Replikationstechniken, bevorzugt durch Lithografie, Heißprägen, Spritzprägen oder mikromechanische Bearbeitung.

Die Innenfläche des Rings ist für eine hohe Reflektivität vorzugsweise verspiegelt . Hierfür eignet sich eine dünne Schicht aus Metall, bevorzugt Silber oder Aluminium, die durch thermisches

Aufdampfen oder Sputtern aufgebracht wird. Alternativ werden andere hoch reflektierende Beschichtungen, insbesondere dielektrische

Spiegelschichten, eingesetzt. Vorzugsweise wird diese Schicht nur auf der angeschrägten Fläche der Ringstruktur aufgebracht.

Die Spiegelbeschichtung ist vorzugsweise mit einer Schutzschicht versehen, insbesondere zum Schutz gegen natürliche Oxidation, die die Reflektivität herabsetzt. Hierfür eignet sich insbesondere

Magnesiumfluorid MgF₂. Alternativ wird eine Schicht aus

Polytetrafluorethylen (PTFE) oder aus einem ähnlichen Fluorpolymeren aufgetragen .

Der Ringspiegel ist nach oben vorzugsweise mit einem Deckel

verschlossen, durch den das Pumplicht und das vom mindestens einen Mikroresonator abgestrahlte Licht geführt wird.

In die Struktur des Deckels sind in einer vorteilhaften Ausführung optische Elemente, bevorzugt Linsen, insbesondere Fresnellinsen, diffraktive Elemente, insbesondere Gitterstrukturen, sowie fluidische Komponenten, insbesondere ikrofluidikkanäle und Fluidikeinlässe, integriert bzw. aufgebracht.

In einer bevorzugten Variante ist in den Deckel eine Linsenstruktur eingebracht, die den Pumpstrahl auf die mindestens eine

Resonatorstruktur fokussiert und das am Spiegel reflektierte

Emissionslicht sammelt. Eine besonders bevorzugte Ausführung

verwendet hierzu eine Fresnellinse .

In einer alternativen Ausgestaltung wird das Emissionslicht

horizontal ausgewertet. Der Deckel wird dafür als Wellenleiter eingesetzt. Das vom Spiegel reflektierte Emissionslicht wird hierzu über eine in den Deckel geprägte oder auf den Deckel aufgebrachte Struktur, bevorzugt eine Gitterstruktur oder ein Prisma in den Wellenleiter eingekoppelt. Der Detektor ist am Rand des Deckels

angeordnet, so dass im Deckel geführtes Licht nach dem Auskoppeln auf den Detektor trifft. In einer besonders bevorzugten Ausführung wird durch die Auslegung der Gitterstruktur bereits eine Filterung der Emission des aktiven mindestens einen Resonators vom Pumplichts erzielt .

Durch das Resonatorsubstrat, die Ringstruktur und den Deckel bildet sich vorzugsweise ein abgeschlossenes Volumen um den mindestens einen Mikroresonator, das in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung als Fluidkammer eingesetzt wird. Durch Fluidikeinlässe und Fluidikkanäle im Deckel kann der flüssige oder gasförmige Analyt in die Fluidkammer zugeführt und abgepumpt werden.

Die Befüllungskanäle sind vorzugsweise so konstruiert, dass der

Analyt allein durch Kapillarkräfte in die Kanäle geleitet wird. In einer alternativen Ausführung wird das Fluid durch eine Dosiereinheit oder von einer Pumpe in der Peripherie in die Fluidkammer

eingelassen . Die eingesetzten Materialien für Deckel und Linse sollten für das Pump- und das Emissionslicht transparent sein und eine niedrige Absorption aufweisen. Bevorzugte Materialien sind biokompatible

Materialien wie Glas oder Polymere. Besonders bevorzugt sind

Materialien, die durch Replikationsverfahren, bevorzugt durch

Heißprägen, Lithografie, Spritzprägen oder Spritzgießen

strukturierbar sind.

Um Resonatorsubstrat, Ringstruktur und Deckel zu verbinden, wird zunächst die Ringstruktur zum mindestens einen Mikroresonator

justiert und anschließend mit dem Resonatorsubstrat verbunden. Das Fügen erfolgt bevorzugt durch Bonden, insbesondere durch thermisches oder anodisches Bonden. Alternativ wird ein Klebstoff oder eine zusätzlich aufgebrachte haftvermittelnde Schicht verwendet. Außerdem ist auch Laserstrahlschweißen zum Verbindung der Teile möglich.

Anschließend wird der Deckel sowie die in den Deckel integrierten optischen und fluidischen Strukturen zur Ringstruktur justiert und über die beschriebenen Verfahren verbunden. In einer besonders bevorzugten Variante werden Resonatorsubstrat, Ringstruktur und Deckel zunächst zueinander justiert und dann in einem gemeinsamen Fügeschritt verbunden.

In einer besonders bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung sind auf einem gemeinsamen Resonatorsubstrat oder auf getrennten Resonatorsubstraten mindestens zwei, bevorzugt mehrere optische

Mikroresonatoren als Array aus mindestens einem Mikroresonator pro Arrayelement strukturiert und von einem lichtreflektierenden Spiegel pro Arrayelement umgeben.

Die Herstellung von mehreren Mikroresonatoren als Array hat den

Vorteil, dass, nachdem ein Element des Arrays aus mindestens einem Mikroresonator bereits zur Detektion eingesetzt wurde, anschließend zu einem noch unbenutzten Element des Arrays aus mindestens einem Mikroresonator gewechselt werden kann. Wird für aufeinander folgende Messungen jeweils ein unbenutztes Element des Arrays aus mindestens einem Mikroresonator eingesetzt, sind fehlerhafte Messungen durch Anlagerungen am mindestens einen Mikroresonator von vorausgehenden Messungen ausgeschlossen. Wurden alle Mikroresonatoren eines Substrats eingesetzt, ist es vorteilhaft, das gesamte Array aus^¬ zuwechseln und gegen ein neues Array einzutauschen. Durch den Einsatz von auswechselbaren Arrays lassen sich auch biologi-sche oder

medizinische Proben ohne aufwändige Reinigung und Desinfektion des Arrays untersuchen.

Jedes der Arrayelemente aus mindestens einem Mikroresonator ist jeweils von einem lichtreflektierenden Spiegel umgeben. Die Spiegel sind vorzugsweise ebenfalls als Array mit der gleichen Anzahl an Elementen, wie das Mikroresonatoren-Array hergestellt. Besonders bevorzugt erfolgt die gleichzeitige Herstellung der Spiegel des

Arrays parallel mit den beschriebenen Herstellungsverfahren aus einem gemeinsamen Werkstück. Als Spiegelschichten und Schutzschichten lassen sich ebenfalls die für das einzelne mikrooptische Element beschriebenen Herstellungsverfahren und Materialien einsetzen.

In einer bevorzugten Ausführung wird das Array der Ringstrukturen durch einen gemeinsamen Deckel abgeschlossen. Jeder Bereich des

Deckels, der eine einzelne Ringstruktur des Arrays abschließt, enthält vorzugsweise eines oder mehrere der für das einzelne

mikrooptische Element beschriebenen optischen Elemente oder

Fluidikstrukturen .

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein optisches Sensorsystem, das mindestens die folgenden Komponenten aufweist:

- eine Einrichtung zur effizienten Anregung von Laseremission von aktiven Mikroresonatoren, bevorzugt eine Laserdiode oder einen kompakten Festkörperlaser, alternativ Mittel zur Anregung von elektrisch pumpbaren Mikroresonatoren; - ein vorzugsweise auswechselbares mikrooptisches Element oder mikrooptisches Array;

- ein Fluidiksystem zur Analytzuführung und Spülung sowie ein

fluidisches System zum Befüllen und Spülen der Fluidkammer; und

- eine Detektorschaltung zum Nachweis einer Frequenzverschiebung des vom mindestens einen ikroresonator abgestrahlten Lichts,

insbesondere eine Vorrichtung zur Spektralanalyse, bevorzugt basierend auf einem optischen Filtersystem, das in einer besonders bevorzugten Ausführung auf einem steilflankigen, durchstimmbaren optischen Filter zum Wandeln der Frequenzverschiebung des

Emissionssignals in eine Intensitätsänderung basiert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das optische Sensorsystem darüber hinaus noch eine oder mehrere der folgenden Komponenten auf:

- eine Linse zum effektiven Pumpen des mindestens einen Mikroresonators;

- einen Langpassfilter zum Trennen von Pumplicht und Emission des mindestens einen aktiven Mikroresonators

- eine Verstärkerschaltung und Elektronik zur Signalauswertung;

- eine Einrichtung zur Temperaturstabilisierung des mindestens einen Mikroresonators, bevorzugt ein Peltierelement mit Ansteuerung, insbesondere mit einem Temperaturregler und einem Tempraturmesser;

- Fluidische Elemente, insbesondere Pumpen, Ventile zum Zuführen und Abpumpen des Analyten und einer Referenz- bzw. Spüllösung

In einem kompakten optischen Sensorsystem werden die aktiven

Mikroresonatoren bevorzugt mit einer Laserdiode gepumpt, die deutlich kleiner und kostengünstiger ist als üblicherweise im Labor eingesetzte Festkörperlaser, die sich für diesen Zweck aber ansonsten genauso eignen. In einer alternativen Ausgestaltung sind Mittel vorhanden, die sich zur Anregung von elektrisch pumpbaren

Mikroresonatoren einsetzen lassen. Wird im optischen Sensorsystem ein mikrooptisches Element oder ein mikrooptisches Array verwendet, dessen Deckel keine Linse zum

Fokussieren des Pumplichts auf den aktiven Mikroresonator aufweist, wird zum Erhöhen der Pumpeffizienz bevorzugt eine zusätzliche

Sammellinse zwischen Pumplaser und Mikroresonator eingefügt.

Um einzelne Mikroresonatoren zu adressieren, wird das mikrooptische Element oder das mikrooptische Array relativ zu Detektor, Filter und Pumpquelle verschoben. Dafür ist in einer vorteilhaften Ausführung eine ein- oder zweidimensionale Aktorik vorgesehen.

Schwankungen der Umgebungstemperatur bewirken, dass während der

Messung die Temperatur des mikrooptischen Elements oder Arrays und damit die Temperatur des mindestens einen Mikroresonators variieren. Durch eine bestehende Abhängigkeit des Brechungsindex von der

Temperatur und durch eine thermisch induzierte Ausdehnung entsteht daher eine temperaturabhängige Drift des vom mindestens einen

Mikroresonator emittierten Spektrums. Diese Verschiebung überlagert sich mit der Frequenzverschiebung, die durch Anlagerung von Molekülen an der Resonatoroberfläche entsteht. Für einen eindeutigen Nachweis der Moleküle ist daher eine Temperaturstabilisierung des mindestens einen Mikroresonators von Vorteil. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird daher das mikrooptische Element oder Array während der Messung von der Rückseite mit einem Peltierelement temperaturstabilisiert.

Die vorliegende Erfindung weist insbesondere die folgenden Vorteile auf .

Die eingesetzten Mikroresonatoren sind mit einem aktiven Material dotiert. Sie fungieren daher selbst als Lichtquelle, wodurch kein aufwändiges Einkoppeln von extern erzeugtem Laserlicht in den

Mikroresonator notwendig ist; eine Justierung einer ausgedünnten Glasfaser bzw. eines Wellenleiters mit Nanometergenauigkeit zum

Mikroresonator entfällt. Das Pumpen des aktiven Materials der Mikroresonatoren durch einen externen Laser erfordert keine hochgenaue Positionierung. Wird der Durchmesser des Pumpstrahls so gewählt, dass er größer ist als der Durchmesser des mindestens einen Mikroresonators, genügt bereits eine grobe Positionierung.

Auf dem mikrooptischen Element bzw. mikrooptischen Array ist durch den Spiegel und den Deckel eine Fluidikstruktur vorgegeben, die den Analyten gezielt an den mindestens einen Mikroresonator leitet. Eine zusätzliche Begrenzung des Fluidikkanals ist nicht erforderlich.

Mit dem optischen Sensorsystem wird eine integrierte, portable

Vorrichtung für einen robusten und hochempfindlichen Nachweis

kleinster Molekülmengen bereitgestellt.

Das vorliegende mikrooptische Element bzw. Array lässt sich darüber hinaus zur effizienten LichtaufSammlung für Anwendungen auf dem

Gebiet der Quantenoptik verwenden. Ein bevorzugtes Beispiel ist die Herstellung von Einzelphotonenquellen.

Die Herstellung dieser Lichtquellen erfolgt analog zur Herstellung der aktiven Mikroresonatoren. Hierzu werden niedrige Konzentrationen an Quantenpunkten oder anderen stabilen Emittern in die

Mikroresonatoren eingebracht oder auf diese aufgebracht. Das

Abstrahlverhalten der Emitter unter optischer Anregung wird durch die Anwesenheit eines umgebenden Mikroresonators so verändert, dass die Emitter die Photonen nicht iso-trop, sondern in die Richtung der optischen Moden abstrahlen. Das abgestrahlte Licht wird durch den Spiegel des mikrooptischen Elements bzw. Arrays sehr effizient aufgesammelt, so dass die Photonen für weitere quantenoptische

Anwendungen, insbesondere für abhörsichere Quantenverschlüsselungen, zur Verfügung stehen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 Schnitt durch ein mikrooptisches Element;

Fig. 2 Querschnitt durch ein mikrooptisches Element mit Deckel;

Fig. 3 Querschnitt durch ein mikrooptisches Element mit zwei

Mikroresonatoren und Deckel;

Fig. 4 Querschnitt durch ein mikrooptisches Element mit Deckel, der mit einer Linse zum punktförmigen Fokussieren eines

eingezeichneten einfallenden Pumpstrahls versehen ist;

Fig. 5 Querschnitt durch ein mikrooptisches Element mit Deckel, der mit einer Linse zum ringförmigen Fokussieren des nicht eingezeichneten Pumpstrahls versehen ist;

Fig. 6 Querschnitt durch ein mikrooptisches Element mit Deckel, der mit einem Gitterkoppler zum Einkoppeln des Emissionslichts des Mikroresonators in die Struktur des Deckels sowie mit einer Linse zum punktförmigen Fokussieren des nicht

eingezeichneten Pumpstrahls versehen ist;

Fig. 7 Querschnitt durch ein mikrooptisches Array mit zwei

Mikroresonatoren und Deckel;

Fig. 8 Aufsicht auf ein mikrooptisches Array mit vier Mikroresonatoren und in den Deckel eingebrachte Fluidikstruktur;

Fig. 9 Funktionsschema eines optischen Sensorsystems.

Fig. 1 zeigt einen dreidimensionalen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes mikrooptisches Element (10) . Auf einem Resonatorsubstrat (11) ist ein aktiver Mikroresonator (12) aufgebracht, der aus einem sich auf einem Fuß (13) befindlichen Mikrokelch aus

Polymethylmethacrylat (PMMA) als rotationssymmetrischem Körper (14) besteht, dem der Farbstoff Pyrromethen als aktives Material beigefügt ist. Um den Mikroresonator (12) ist ein Spiegel (20) angeordnet, der eine ringförmige Spiegelstruktur mit einem kegelförmigen Profil aufweist, wobei der Mikroresonator (12) in der Mitte der kegelförmigen Ringstruktur angeordnet ist. Auf die kegelförmige Fläche der Ringstruktur (20) ist eine spiegelnde Beschichtung (21) aufge bracht, die aus Silber besteht und zum Schutz vor Oxidation mit einer Schutzschicht aus Magnesiumfluorid (MgF₂) gekapselt ist.

Zur Herstellung der Mikroresonatoren (12) wurde eine ca. 1 μπι dicke Schicht aus PMMA durch Rotationsbeschichtung auf einen Siliziumwafer aufgebracht. Die Strukturierung der Mikroresonatoren erfolgte durch Elektronenstrahl- oder DUV-Lithografie (Deep Ultra-Violett

Lithografie) . Für Sensoranwendungen wurden Resonatordurchmesser von 10 bis 300 μπι, insbesondere von 10-150 μηη, eingesetzt. Anschließend wurden die Strukturen durch isotropes Ätzen des Siliziums mit Xenon- difluorid XeF₂ unterätzt. Durch einen nachfolgenden thermischen Auf- schmelzprozess formten die Mikroresonatoren eine Kelchstruktur mit niedriger Oberflächenrauheit.

Als aktives Material wurde der Farbstoff Pyrromethen direkt in der Polymermatrix des rotationssymmetrischen Körpers (14) gelöst. Alternativ lassen sich organische Halbleiter auf den

rotationssymmetrischen Körper (14) aufdampfen oder Farbstoffe mit Dip-Pen-Nanolithografie oder über Click

-Chemie auf den rotationssymmetrischen Körpers (14) aufbringen. Zum Schutz der aktiven Materialien vor Oxidation oder Ablösung wurde eine dünne Schutzschicht aus Parylen aufgebracht.

Pig. 2 zeigt den Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes mikrooptisches Element (10) . Zusätzlich zu den in Pig. 1 dargestellten Komponenten ist hier auf den Ringspiegel (20) ein optisch

transparenter Deckel (30) mit Fluidikeinlässen (35, 35^s) und

Fluidikkanälen (36, 36") aufgebracht. Das Resonatorsubstrat (11), der Ringspiegel (20) und der Deckel (30) bilden zusammen eine

abgeschlossene Fluidkammer (37), in die über die Fluidikeinlässe (35, 35') und Fluidikkanäle (36, 36') ein Analyt einführbar ist.

Auf die Ringstruktur ist in dieser bevorzugten Ausführung ein optisch transparenter Deckel (30) aus Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Cycloolefincopolymer (COC) aufgebracht. Die Strukturen der

Fluidikeinlässe (35, 35 ^Λ) und der Fluidikkanäle (36, 36 ) wurden in den Deckel (30) durch Heißprägen, Spritzgießen oder Spritzprägen eingebracht. Das Resonatorsubstrat (11), der Ringspiegel (20) und der Deckel (30) wurden, nachdem sie zueinander justiert wurden, durch einen gemeinsamen thermischen Bondschritt miteinander verbunden, wodurch sich die abgeschlossene Fluidkammer (37) ausbildete.

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausgestaltung des mikrooptischen Elements (10) . Anders als in Fig. 2 befinden sich in der Mitte des Ringspiegels (20) hier zwei Mikroresonatoren (12, 12^N), deren horizontal emittiertes Licht von der lichtreflektierenden

Spiegelschicht (21) auf der Ringstruktur (20) senkrecht zum

Resonatorsubstrat (11) reflektiert wird.

Gemäß Fig. 4 ist in den Deckel (30) einer weiteren Ausgestaltung des mikrooptischen Elements (10) eine Fresnellinse (31) zum punktförmigen Fokussieren eines Pumpstrahls (61) auf die Struktur des

rotationssymmetrischen Körpers (14) des Mikroresonators (12)

eingebracht. Durch die Fokussierung wird im Vergleich zu einer

Anregung ohne Linse eine effizientere Anregung der Emission des rotationssymmetrischen Körpers (14) des Mikroresonators (12) erzielt, wodurch die Schwelle für die Emission von kohärenter Strahlung sinkt. Die Struktur der Fresnellinse (31) zum punktförmigen Fokussieren des Pumpstrahls (61) wurde in den Deckel (30) durch Heißprägen, Spritzgießen oder Spritzprägen eingebracht. Alternativ kann sie durch thermisches Bonden oder Kleben auf die Struktur des Deckels (30) aufgebracht werden.

Gemäß Fig. 5 ist in den Deckel (30) einer weiteren Ausgestaltung des mikrooptischen Elements (10) eine ringförmige Linse (32), bevorzugt eine ringförmige Fresnellinse zum ringförmigen Fokussieren des Pumpstrahls auf den rotationssymmetrischen Körper (14) des

Mikroresonators (12) integriert. Der in Fig. 5 nicht eingezeichnete Pumpstrahl wird durch die ringförmige Linse (32) ausschließlich auf einen schmalen Ring entlang des Umfangs des rotationssymmetrischen Körpers (14) fokussiert. Gegenüber Fig.2 wird das optische Pumpen des rotationssymmetrischen Körpers (14) effizienter und die Schwelle für die Emission von kohärenter Strahlung lässt sich dadurch weiter senken .

In Fig.6 ist eine weitere Ausgestaltung des mikrooptischen Elements (10) dargestellt, in der zusätzlich zu einer Fresnellinse (31) zum punktförmigen Fokussieren des Pumpstrahls auf die Struktur des rotationssymmetrischen Körpers (14) des Mikroresonators (12) ein Gitterkoppler (34) als diffraktive Struktur zum Einkoppeln des vom Ringspiegel (20) reflektierten Emissionslichts in den Deckel (30) eingebracht ist. Der Deckel (30) fungiert als Wellenleiter und führt das eingekoppelte Emissionslicht zu einem seitlich angebrachten

Detektor. Durch geeignete Auslegung der Gitterperiode kann bereits durch die Struktur des Gitterkopplers (34) eine selektive Filterung des Pumplichts erzielt werden. Das Pumplicht wird durch den Gitterkoppler gestreut und nicht vollständig in die Struktur des Deckels eingekoppelt. Die Struktur des Gitterkopplers (34) wurde ebenfalls durch Heißprägen, Spritzgießen oder Spritzprägen auf den Deckel (30) eingebracht. Alternativ kann sie durch thermisches Bonden oder Kleben auf die Struktur des Deckels (30) aufgebracht werden.

In einer alternativen, nicht dargestellten Ausgestaltung ist der Gitterkoppler zum Auskoppeln des Pumplichts (61) aus der Struktur des Deckels (30) auf den rotationssymmetrischen Körper (14) des

Mikroresonators (12) ausgelegt. Der Gitterkoppler befindet sich in dieser Variante über der Struktur des Mikroresonators (12) in der Mitte des Ringspiegels (20) . Der Deckel (30) fungiert hier ebenfalls als optischer Wellenleiter und führt das seitlich in den Deckel (30) eingekoppelte Pumplicht (61) zum Gitterkoppler.

Die in den Fig. 2 bis 6 dargestellten Komponenten wurden darüber hinaus auch auf andere Weise miteinander kombiniert, insbesondere um gleichzeitig den Mikroresonator (12) effizient mittels des

Pumpstrahls zu pumpen, das erhaltene Emissionslicht des

Mikroresonators (12) auszulesen und einen Analyten gezielt über den Fluidikeinlass (35) und den Fluidikkanal (36) in die Fluidkammer (37) zu leiten.

Fig.7 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes mikrooptisches Array (40) . Auf ein Resonatorsubstrat (11) sind zwei Mikroresonatoren (12,12^Λ) aufgebracht. Die Funktionalisierung der beiden Mikroresonatoren (12, 12^Λ) erfolgte durch Dip-Pen- Nanolithografie . Im selben Array (40) wurden hierbei die zwei

Mikroresonatoren (12, 12^λ) auf unterschiedliche Weise funktionali- siert, so dass sich damit unterschiedliche Stoffe aus dem Analyten nachweisen ließen. Die zwei Mikroresonatoren (12, 12") sind jeweils von einem lichtreflektierenden Ringspiegel (20, 20^λ) umgeben, wobei die jeweilige Form der zwei lichtreflektierenden Ringspiegel (20, 20 ) so ausgestaltet sind, dass das von jedem der beiden

Mikroresonatoren (12, 12') abgestrahlte Licht möglichst effektiv von jedem der beiden Mikroresonatoren (12, 12 weggeführt werden kann.

Im Abstand der Mikroresonatoren (12, 12^λ) wurde hierzu durch

Heißprägen ein passendes Array aus Ringspiegeln (20, 20")

strukturiert. Als reflektierende Schicht wurde auf die kegelförmige Fläche der Ringspiegel (20, 20^") eine dünne spiegelnde Schicht (21, 21") aus Silber aufgedampft. Zum Schutz vor Oxidation war die

Silberschicht durch eine MgF₂ Schicht gekapselt. Das

Resonatorsubstrat (11) und die Ringspiegel (20, 20") sind so

zueinander justiert, dass die Mikroresonatoren (12, 12^") sich jeweils in der Mitte der Ringspiegel (20, 20^") befinden.

In die Struktur des Deckels (30) sind zwei Fresnellinsen (31, 31") zum punktförmigen Fokussieren des Pumpstrahls (61) auf die

rotationssymmetrischen Körper (14, 14") der Mikroresonato-ren (12, 12") integriert. Der Abstand der beiden Fresnellinsen (31, 31^") entspricht dabei dem Abstand der Mikroresonatoren (12, 12^").

Fig. 8 zeigt die Aufsicht auf eine weitere Ausgestaltung des

mikrooptischen Arrays (40) . Auf ein Resonatorsubstrat (11) sind vier Mikroresonatoren (12, 12', 12'', 12^{' '}') aufgebracht, die sich jeweils in der Mitte der Ringspiegel (20, 20^', 20^{' '}, 20''') befinden. Der Analyt wurde über in den Deckel (30) des Arrays (40) integrierte Fluidikeinlässe (35, 35',...) und Fluidikkanäle (36, 36^",...) in die Fluidkammern (37, 37",...) zu den Mikroresonatoren (12, 12 \..) geleitet. Die Fluidikstrukturen wurden durch Heißprägen hergestellt. Über die Fluidikeinlässe (35, 35',...) und Fluidikkanäle (36, 36^",...) lassen sich die vier verschiedenen Mikroresonatoren (12, 12 12^{, λ}, 12^{, , λ}) des Arrays (40) einzeln fluidisch adressieren. Die unterschiedlichen Funktionalisierungen der vier Mikroresonatoren (12, 12* , 12^{, λ}, 12^{, , ,}) ermöglichte den selektiven Nachweis von vier verschiedenen Inhaltstoffen im Analyten.

In Fig. 9 ist ein bevorzugtes optisches Sensorsystem (80) dargestellt, das mindestens ein erfindungsgemäßes mikrooptisches Element (10) oder mindestens ein erfindungsgemäßes mikrooptisches Array (40) enthält. Zum Anregen der Laseremission wurden hierzu die einzelnen Mikroresonatoren (12, 12"...) des mikrooptischen Elements (10) oder des mikrooptischen Arrays (40) mit einem gepulsten, diodengepumpten

Nd:YLF Festkörperlaser (60) der Wellenlänge 523 nm gepumpt. Um die Effizienz der Laseranregung zu erhöhen, wurde in den Deckel (30) über jedem Mikroresonator (12, 12 ^Λ ...) eine Linsenstruktur integriert, die den Pumpstrahl (61) auf den rotationssymmetrischen Körper der Mikroresonatoren (12, 12 ^Λ ...) fokussiert. Die Strukturierung der Linsen erfolgte durch Heißprägen in ein Cycloolefincopolymer (COC) .

Um einen thermisch induzierten Drift der Laseremission (62) der

Mikroresonatoren (12, 12") zu kompensieren, wurde unter dem

Resonatorsubstrat (11) ein temperaturgeregeltes Peltierelement als Einrichtung zur Temperaturstabilisierung (50) angebracht.

Mit einem Filter, hier ein Langpassfilter, wurde das Emissionsspektrum (62) des Mikroresonators (12) vom Pumplicht (61) getrennt. Das gefilterte Licht wurde in einen Referenzstrahl (63) und in einen Sensorstrahl (64) aufgespalten. Die Intensität des Referenzstrahls (63) wurde mit einer ersten Photodiode als Referenzdiode (73) gemessen, um Schwankungen oder eine Drift der vom Mikroresonator (12, 12^") emittierten Intensität (62) auszuregeln.

Der Sensorstrahl (64) wurde durch einen steilflankigen und

durchstimmbaren Filter (74) geführt. Als durchstimmbarer Filter (74) wurde ein drehbar gelagerter, durchstimmbarer Dünnschichtfilter eingesetzt. Durch Veränderung des Einfallswinkels des Sensorstrahls (64) auf den durchstimmbaren Filter (74) ließ sich die Filtercharakteristik variieren. Das Signal einer nachgeschalteten zweiten Photodiode als Messdiode (75) wurde mit dem der Referenzdiode (74) verglichen. Die Auswertung der Messsignale erfolgt über eine

Auswerteelektronik (76) oder durch Software.

Claims

Patentansprüche

1. Mikrooptisches Element (10) mit einem Resonatorsubstrat (11), auf das mindestens ein Mikroresonator (12) aufgebracht ist, der in Form eines rotationssymmetrischen Körpers (14) ausgestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Mikroresonator (12) mit einem lichtreflektierenden Spiegel (20) umgeben ist, der als Ringspiegel ausgestaltet ist, der den rotationssymmetrischen Körper (14) des mindestens einen Mikroresonators (12) derart umgibt, dass der rotationssymmetrische Körper (14) den

lichtreflektierenden Spiegel (20) nicht berührt.

2. Mikrooptisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Winkelprofil des Ringspiegels derart auf das

Abstrahlungsprofil des rotationssymmetrischen Körpers (14) des mindestens einen Mikroresonators (12) abgestimmt ist, dass das vom mindestens einen Mikroresonator (12) abgestrahlte Licht (62) über den Ringspiegel senkrecht oder nahezu senkrecht zum

Resonatorsubstrat (11) reflektierbar ist.

3. Mikrooptisches Element (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch

gekennzeichnet, dass der Spiegel (20) mit einem zumindest

teilweise optisch transparenten Deckel (30) versehen ist, durch den das vom mindestens einen Mikroresonator (12) abgestrahlte Licht (62) führbar ist.

4. Mikrooptisches Element (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Deckel (30) eine Linse (31) zum punktförmigen Fokussieren eines Lichtstrahls und/oder eine Linse (32) zum ringförmigen Fokussieren eines Lichtstrahls und/oder ein Gitterkoppler (34) eingebracht sind.

5. Mikrooptisches Element (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonatorsubstrat (11), der Spiegel (20) und der Deckel (30) derart angeordnet sind, dass sie eine Fluidkämmer (37) um den mindestens einen Mikroresonator (12) ausbilden, wobei in den Deckel (30) Fluidikeinlässe (35, 35^') und Fluidikkanäle (36, 36 ) eingebracht sind.

6. Mikrooptisches Array (40), umfassend mindestens ein Resonatorsubstrat (11), auf das mindestens zwei Arrayelemente aufgebracht sind, wobei jedes der mindestens zwei Arrayelemente jeweils mindestens einen Mikroresonator (12, 12'...) aufweist, der gemäß Anspruch 1 oder 2 von einem lichtreflektierenden Spiegel (20,

20 \..) umgeben ist.

7. Mikrooptisches Array (40) nach Anspruch 6, das mit mindestens

einem Deckel (30) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5 versehen ist.

8. Optisches Sensorsystem (80), umfassend

- eine Einrichtung (60) zur Anregung der Abstrahlung von Licht (62) aus mindestens einem Mikroresonator (12);

- mindestens ein mikrooptisches Element (10) nach einem der

Ansprüche 1 bis 5 oder mindestens ein mikrooptisches Array (40) nach Anspruch 6 oder 7 ;

- Mittel zur Zuführung und Ableitung eines Analyten zum

mindestens einen Mikroresonator (12) ; und

- eine Detektorschaltung zum Nachweis einer Frequenzverschiebung des vom mindestens einen Mikroresonator (12) abgestrahlten Lichts (62) .

9. Optisches Sensorsystem (80) nach Anspruch 8 mit einem steil- flankigen, durchstimmbaren Filter zum Wandeln der Frequenzverschiebung in eine Intensitätsänderung.