WO2010048911A1 - Apparatus having an emitter contact, a collector contact and a gap, and method for the production thereof - Google Patents

Apparatus having an emitter contact, a collector contact and a gap, and method for the production thereof Download PDF

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WO2010048911A1
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gap
light
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optical
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PCT/DE2009/001144
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Rainer Fink
Johannes Landgraf
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Rainer Fink
Johannes Landgraf
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    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
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    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24Coupling light guides
    • G02B6/26Optical coupling means
    • G02B6/35Optical coupling means having switching means
    • G02B6/3594Characterised by additional functional means, e.g. means for variably attenuating or branching or means for switching differently polarized beams

Definitions

  • the invention relates to a device with an emitter contact, a collector contact and a gap, a network with a plurality of devices, a system with a device and a method for producing the device.
  • Such a device can be used for the quantitative high-resolution detection of very small movements, deformations, changes in distance and position changes in the range of a few nanometers and below. Such devices are well known in the art.
  • the object of the present invention is to provide an improved device.
  • this object is achieved by a device having an emitter contact, a collector contact and a gap, the gap being such that frustrated total internal reflection occurs at the gap, the device being an integrated optical circuit is designed.
  • a gap is referred to below as a nano-optical gap, the device as a nano-optical element.
  • light is to be understood in the broader sense as electromagnetic radiation with optical properties and, in particular, also includes infrared and ultraviolet optics.
  • the optical gap in surface structure and gap width is such that basically total optical reflection occurs, but due to the very small distance, a partial transmission of the photon current nevertheless takes place.
  • the intensity of the transmission depends on nanoscopically small changes in the interface structure and in the width or effective optical width of the gap.
  • Such a device can be used for the quantitative high-resolution detection of very small movements, deformations, changes in distance and position changes in the range of a few nanometers and below and for the detection of physical and chemical quantities that are related to such detectable changes.
  • the physical and chemical states or quantities related to the distance changes are, for example, forces, stresses, distortions, deformations, pressures or pressure differences, temperatures or temperature differences, radiation densities, physical fields, chemical concentrations, volume loadings in microporous structures, steric conformation of molecules or stereochemical differences, effects of chemical reactions in molecular layers, etc.
  • the size of the device is in the range of a few micrometers.
  • the device according to the invention is significantly smaller than the previously composed of several components FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) systems.
  • a device has in the system circuit diagram a number of interfaces, the contacts: the emitter contact for coupling in a photon current which is influenced in the device and then used further, and the collector contact for coupling out a transmitted photon current, the one Return to the size to be recorded allows.
  • the device has a gap contact. This serves to couple in the signal to be detected, which influences the collector-photon current.
  • the gap contact is used for the input of the signal to be sensed or further processed or the corresponding physical or chemical quantity, of the state or the field.
  • the gap contact controls the optical gap width, be it by mechanical change of the geometric gap width or by refractive optical variation of the optical gap width by varying the refractive index at the gap.
  • the gap contact thus controls the optical transmission at the nano-optical gap. This changes the transmission for a specific wavelength. Upon irradiation of a broad spectrum by the emitter, a wavelength-dependent transmission thus takes place. In this sense, the nano-optical gap in the nano-optical element also acts as an optical filter.
  • the transmitted light is either coupled out of the opto-mechanical system or detected within the integrated system and, if necessary, transformed into a signal, or it operates another, for example, nano-optical system unit in the sense of an integrated at least partially optoelectronic system. mechanical circuit.
  • the nano-optically active gap is embedded in an overall system. This includes the following steps: the supply of the photon current at the emitter contact, the removal of the transmitted photon current at the collector contact and the arrangement of signal conversion at the gap contact, which originally causes the changes to the optical gap width to be detected in the nano-optically active gap ,
  • the gap can be filled with air or vacuum.
  • the gap may also be made of a material of lower refractive index, such as a transparent solid.
  • the gap may also be filled with a liquid medium.
  • the effective optical gap width can be varied.
  • the light-conducting regions on the sides of the gap can be doped by suitable doping.
  • the light guides can be integrated on both sides of the gap. It is advantageous if the device has sensory inputs at the gap contact. This embedding, preferably on a single chip, is for system integration.
  • the device may further include a projection. This can be used as a light input coupler and / or light output coupler.
  • the device has mechanical recesses which are arranged so that they facilitate a change in the gap width.
  • mechanical recesses which are arranged so that they facilitate a change in the gap width.
  • cavities or fins can be provided which facilitate the deformation.
  • an anisotropic material is used as the light-conducting material.
  • anisotropic materials are offered here so that the best possible light bundling is obtained by an anisotropic light guide parallel to the orientation.
  • Such materials also have the advantage that in the production in the layer structure on a later adjustment, as they would be necessary if using integrated optical fibers, can be dispensed with.
  • the device has a grid matrix at the gap.
  • the device may have a measuring tip.
  • the gap and the measuring tip are arranged so that a deflection of the measuring tip affects the gap width. This makes it possible to measure the deflection of the measuring tip.
  • the device may have a pressure chamber. This is also arranged so that a change in pressure causes a change in the gap width. Thus, a pressure measurement is possible over the gap width.
  • the geometric gap width itself is deformed by means of mechanical force-dependent deformation, thereby changing the optical gap width for given wavelengths.
  • the geometric structure of the device is chosen so that mechanical forces are converted into suitable reversible changes to the nano-optical gap.
  • Another aspect of the invention includes a network with multiple devices, the network being integrated into a device.
  • the devices may comprise linear elements e.g. in the form of fibers that can be connected to networks.
  • a preferred application of these fibrous devices includes sensory areas at defined locations that enable detection of mechanical deformations and / or stresses on these areas.
  • the spatial and temporal distribution of the load and deformation can be detected via the nano-optical network. This allows a precise analysis of the material load up to the early detection of incipient material damage in the nanoscopic range such as the finest cracks or dislocations in the nanometer range and below.
  • the optical gap can be formed as a fluid channel.
  • gases and / or liquids can be introduced.
  • the changes in the refractive index of the fluid filling in the gap regions produces a change in the effective optical gap width. This allows an analysis of the optical properties of the liquid or an adaptation of the properties of the device to specific tasks.
  • Three or preferably six devices can be used to determine the six coordinates of the spatial orientation of a probe tip of a scanning nanoscope.
  • the nanoscopic image is created by scanning the object using this sensory tip.
  • the devices allow the detection of the three translational and three rotational components of the position vector, which describes the sensory tip.
  • a highly accurate and very reliable detection of the position of the sensory tip with minimal noise can be displayed.
  • the superiority of this nano-optical 3D nanoscope is reflected in the resolution and reproducibility as well as the freedom to choose the interaction that ultimately produces the image.
  • An embodiment similar in design to the 3D nanoscope uses the ability to perform the sensory detection of the space vector to the manipulator tip with a certain separate wavelength range, while another independent waveband creates an optical radiation field that enables the positioning of the nanomanipulator. This is therefore the combination of an opto-mechanical positioning with a nano-optical position measurement.
  • the manipulator tip alone can be mounted opto-mechanically, ie floating freely in the inhomogeneous optical radiation field.
  • a feedback from the signal of the nano-optical position sensors to the intensity of the opto-mechanical radiation field is integrated, so that the position of the manipulator tip can be controlled and stabilized with simple control commands.
  • a device for material influencing and / or material processing can be attached. The machining can be carried out with the highest accuracy in the nanometer range.
  • a further aspect of the invention relates to a system with a device, wherein it has at least one opto-mechanical and / or electronic and / or photonic and / or electromechanical element.
  • Opto-mechanical actuators for example, allow the integration of additional actuator functions.
  • Opto-mechanical actuators convert optical fields into mechanically effective quantities, in particular into forces or into mechanically effective potential fields.
  • the opto-mechanical potential generation itself is known from optical tweezers (e.g., Ashkin 1990). Invention according to the integration of such opto-mechanical actuators in a nano-optomechanical system.
  • the system may have an emitter-side light source.
  • the system may also have a collector-side light sensor.
  • the system may further include a transducer.
  • These may be upstream converters which may be subject to a change in distance, e.g. in the nanometer range as well as around downstream transducers that use the transmitted photon current to perform another conversion, e.g. in electronic signals (e.g., by photoelectric effect) or in chemical signals (e.g., by photochemical effect, such as color change).
  • a further aspect of the invention relates to a method for producing a device, wherein initially an intermediate carrier is applied based on a light-conducting material, then a further layer of light-conducting material is applied and finally a part of the intermediate carrier is removed again.
  • methods of semiconductor technology are used, in particular a suitable layering in the context of a multilayer structure.
  • the high-precision application defined Layers with defined refractive indices are known from semiconductor technology, eg epitaxy, targeted doping technologies, and physical and / or chemical etching and physical or chemical bonding technologies. According to the invention, totally reflecting gap layers can be produced in this way. By a high-precision manufacturing the required accuracies can be achieved.
  • the material can be removed in a subsequent step.
  • the gap can be etched by selective etching. Both physical and chemical etching processes can be used.
  • the gap region is formed from suitably modified material, which presents a lower resistance to etching than the edge region remaining after the etching, on which the gap rests.
  • the boundary layers consist of very fine and very smooth layers with suitable optical properties.
  • the shape of the light guides is adapted to the beam geometry and the choice of refractive indices in the light path.
  • a final aspect of the invention relates to a method of measuring with a device, wherein a reference photon current is branched off and measured. This can be diverted for example in an integrated light source as an emitter of this.
  • the reference photon current is proportional to the photon current of the emitter.
  • the non-branched light drives the photon current at the emitter contact of the device.
  • MEMS micro-electro-mechanical systems
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a nano-optical element
  • FIG. 2 shows the functional diagram of a nano-optical element
  • FIG. 3 starting from FIG. 2, a circuit diagram extended by a converter
  • FIG. 4 shows, starting from FIG. 3, a circuit diagram extended by photon input and output
  • FIG. 5 shows, starting from FIG. 4, an expanded circuit diagram in which a reference photon current is branched off
  • FIG. 6 shows, starting from FIG. 5, an expanded circuit diagram, wherein a radiation field serves as the source of the sensory input
  • FIG. 7 shows the principal multilayer structure of a nano-optical element
  • FIG. 8 shows a modification of the construction from FIG. 7,
  • FIG. 10 shows a network of nano-optical elements, here in the form of fibers, as shown in FIG. 9,
  • FIG. 12 shows the cross section through an arrangement as in FIG. 11,
  • FIG. 14 shows the stepwise method for producing a nano-optical component in multilayer structure
  • FIG. 15 the production process of a layered structure
  • FIG. 16 is a 3-D view of a plurality of devices produced as one piece
  • FIGS. 18 a to e show further embodiments of the nano-optical element
  • FIG. 19 shows a nano-optical element with a measuring tip
  • FIG. 20 shows a nano-optical element with a pressure chamber.
  • the nano-optical element 1 also has a light-conducting region 8, which leads a transmitted photon current from the gap 5 to the collector contact 9.
  • a variable element 10 causes a variation of the effective optical gap width in the gap.
  • the effective distance that the gap 5 has in the area of the effective passage of light is a function of the geometric distance, the beam angle and the refractive indices.
  • FIG. 2 shows a nano-optical element as a functional diagram. This shows the nano-optical device 11 as a compact chip. At the emitter contact 13, the photon current 15 is fed. The optical waveguide 12 guides it from the emitter contact 13 to the nano-optically active gap 14. At the gap, the influence 16 on the gap contact 17 influences the effective gap width and thus the transmitted photon current. The optical waveguide 18 in turn conducts the transmitted photon current from the gap 14 to the collector contact 19. Finally, the photon current 20 leaves the collector contact 19.
  • FIG. 3 shows the circuit diagram in FIG.
  • a transducer 21 for generating the change of the effective gap width in the gap 14 at sensory input 22 to the transducer 21, for example force, pressure and the source 23 of the sensory input , for detecting the field, object, condition, etc.
  • Figure 4 shows the circuit diagram of Figure 3, extended by the following elements: the photon input 24, e.g. the light source or the connection to a preceding one, in particular as a transducer of energy in photons with suitable beam properties for the operation of the nano-optical element, the energy flow 25 for driving the photon generator or the photon converter, the energy source 26, the photon output 27, e.g. as a photoelectric element or as an input to the subsequent emitter contact, in particular as a transducer of the photon current in a sensory output, the information stream 28 and optionally also energy flow from the output transducer to the receiver 29 of the sensory output.
  • the photon input 24 e.g. the light source or the connection to a preceding one, in particular as a transducer of energy in photons with suitable beam properties for the operation of the nano-optical element
  • the energy flow 25 for driving the photon generator or the photon converter
  • the energy source 26 the photon output 27, e.g. as a photoelectric element or as an input
  • Figure 5 shows the circuit diagram of Figure 4, extended by the following elements: the reference photon current 30 for calibration and measurement of the transmitted photon current 18 at the collector contact 19. This involves a partial tap of a proportional photon current density from the photon current 15 at the emitter contact 13 and the coupling of this photonic signal in the transducer 27 for determining the relative transmission at the gap 14 on the basis of the measurable photon current at the collector 19.
  • the device and the system regardless of the quality of the stabilization of the photon current in the emitter.
  • FIG. 6 shows the circuit diagram as in FIG. 5, expanded by the following elements: the source of the sensory input is a radiation field 31.
  • the converter 32 generates the variable gap width therefrom and modulates the transmitted photon current 18 at the collector 19 accordingly.
  • This circuit diagram is similar to that of a transistor, wherein in the transistor instead of the gap contact 17 of the base contact is designed as a control contact, without integration of the nano-optical converter.
  • the gap contact 17 can be fed via a photon-sensitive element, the transducer 32, which effects a change in the optical gap width in the nano-optical converter as a function of the photon current or of a radiation density.
  • 17 different photon fields can be used for the control of the gap contact, regardless of the type of photon field that feeds the emitter contact 13.
  • a nano-optical phototransistor constructed in this way differs fundamentally from a conventional transistor.
  • the field types at the emitter contact and at the base contact are identical, e.g. both are electronic in nature.
  • the field type at the nano-optical gap contact 17 may independently be a high-energy radiation field, e.g. cosmic radiation, X-radiation, etc. or a low energy radiation field, e.g. Radio waves, microwaves, etc.
  • converter types at the gap contact 17 which can detect a hitherto unknown form of a physico-chemical field and convert it into the smallest changes in the optical gap width at the nano-optical gap.
  • FIG. 7 shows the principal multilayer structure of a nano-optical element 41.
  • This consists predominantly of a solid block 42 of small size, for example, semiconductor material or other suitable material, preferably from several different levels (so-called multi-layer).
  • a doped region 43 which receives the suitable shape and the light-conducting properties of the emitter in particular by doping.
  • the gap 44 is either designed without solid material, evacuated or filled with a fluid. The gap forms, for example, a channel and is generated in particular in the course of the stepwise layer structure.
  • the nano-optical element 41 has a further doped region 45 which, in particular, receives the suitable shape and the light-conducting properties of the collector by doping.
  • the spacer layer 46 consisting of at least one solid region, is influenced in its thickness by the influence of the quantities, states or fields to be determined.
  • the stepwise layer structure may also include physical etching, chemical etching, and bonding.
  • FIG. 8 shows a modification of the structure of FIG. 7.
  • the gap 54 does not consist of an empty or gas-filled space (which would have a refractive index of approximately 1.0) but of a solid layer suitable, preferably very low refractive index.
  • the thickness of this layer can be z. B. by influencing change by changing the geometric thickness and / or the optical thickness changes above the refractive index.
  • no channels are required to create the gap.
  • the spacer layer itself acts as a nano-optical gap in this case. Otherwise, the nano-optical element 51 remains the same or similar in construction. It is also a solid block 52 with 2 doped regions, an emitter 53 and a collector 55.
  • Figure 9 shows the basic structure of a nano-optical element 61 in a fibrous, preferably linear configuration. This also consists of a predominantly compact material 62, which is designed here as an enclosing jacket, but this is elastically and / or plastically deformable in particular in the region of the nano-optical gap.
  • the light-conducting region 63 is embodied here as a core fiber which, starting from the emitter contact 64, leads a photon current to the totally reflecting gap 65.
  • the gap 65 which is at least partially totally reflective for light, is delimited by two predominantly plane-parallel interfaces, which are generally two-dimensional hypersurfaces of three-dimensional space.
  • the gap 65 does not have to be flat.
  • the light-conducting region 63 here embodied as core fiber, carries a transmitted photon current farther from the gap 65 to the collector contact 66.
  • the width of the gap 65 in the core fiber 63 changes as soon as a deformation of the shell 62 occurs.
  • the deformation can be elastic and / or plastic.
  • FIG. 10 shows a network 71 of nano-optical elements, which are embodied in a fibrous manner as shown and described in FIG.
  • This network has a plurality of nano-optical elements 72, 73, 74, 75, 76 and 77. These are connected via light guide 78 with the photon input 79, which supplies the components.
  • the nano-optically active columns 80, 81, 82, 83, 84 and 85 are assigned a spatial position.
  • Another light guide 86 leads from the nano-optical components to a collector center 87 or to a plurality of collectors, which are evaluated with assignment to their spatial position.

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Abstract

The invention relates to an apparatus having an emitter contact, a collector contact, and a gap, wherein the gap is designed such that frustrated total internal reflection takes place at the gap, to a network having a plurality of apparatuses, to a system comprising an apparatus, and to a method for producing the apparatus.

Description

Vorrichtung mit einem Emitter-Kontakt, einem Kollektor-Kontakt und einem Spalt und Device with an emitter contact, a collector contact and a gap and
Verfahren zu ihrer HerstellungProcess for their preparation
[01] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Emitter-Kontakt, einem Kollektor-Kontakt und einem Spalt, ein Netzwerk mit mehreren Vorrichtungen, ein System mit einer Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.[01] The invention relates to a device with an emitter contact, a collector contact and a gap, a network with a plurality of devices, a system with a device and a method for producing the device.
[02] Eine solche Vorrichtung kann zur quantitativen hochauflösenden Erfassung von sehr kleinen Bewegungen, Deformationen, Abstandsänderungen und Lageänderungen im Bereich weniger Nanometer und darunter verwendet werden. Solche Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik zahlreich bekannt.[02] Such a device can be used for the quantitative high-resolution detection of very small movements, deformations, changes in distance and position changes in the range of a few nanometers and below. Such devices are well known in the art.
[03] Beispielsweise sind einfache Vorrichtungen zur Messung kleinster Abstände mithilfe nano-optischer Wandler aus den Veröffentlichungen DE 41065548, US 4286468, US 4421384, US 5891747 und DE 10039094 bekannt. Sie nutzen vorwiegend das Prinzip der abstandsabhängigen Transmission von Photonen durch optisch totalreflektierende Grenzschichten. Der physikalische Hintergrund für diesen bekannten Effekt wird als evaneszentes elektromagnetisches Feld bezeichnet und ist dem Tunneleffekt an einer Potentialbarriere vergleichbar.[03] For example, simple devices for measuring minute distances using nano-optical converter from the publications DE 41065548, US 4286468, US 4421384, US 5891747 and DE 10039094 are known. They mainly use the principle of the distance-dependent transmission of photons through optically totally reflecting boundary layers. The physical background for this known effect is called an evanescent electromagnetic field and is comparable to the tunnel effect at a potential barrier.
[04] Diese bisher bekannten Vorrichtungen haben vielfältige Nachteile in der Fertigung und der Dauerhaftigkeit, weshalb für eine Serienfertigung in großer Stückzahl erhebliche Weiterentwicklungen und Verbesserungen notwendig sind. Beispielsweise müssen dafür lichtleitende Fasern in geeignetem Winkel plangeschliffen, poliert und dann gegenüber montiert werden, wobei der gewünschte Spaltabstand geschaffen werden soll. Dies gelingt nicht mit der gewünschten Präzision und Reproduzierbarkeit. [05] Auf der anderen Seite gibt es komplexe, auch in der räumlichen Ausdehnung recht große Systeme (ähnlich dem Atomic Force Microscope - AFM) zur Erfassung von kleinsten Strukturen mithilfe der Wechselwirkungen mit dem evaneszenten elekro- magnetischen Feld. Diese erfassen z.B. kleinste räumliche oder flächige Strukturen über die Kraftwirkung im evaneszenten Feld auf kleinste Spitzen.These previously known devices have a variety of disadvantages in manufacturing and durability, which is why significant further developments and improvements are necessary for mass production in large quantities. For example, light-conducting fibers must be ground flat, polished and then mounted opposite at a suitable angle, with the desired gap spacing to be created. This does not succeed with the desired precision and reproducibility. [05] On the other hand, there are complex, even spatially-sized systems (similar to the Atomic Force Microscope - AFM) for detecting the smallest structures by means of the interactions with the evanescent electro-magnetic field. These record, for example, the smallest spatial or planar structures via the force in the evanescent field on the smallest peaks.
[06] Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.[06] The object of the present invention is to provide an improved device.
[07] Nach einem ersten Aspekt der Erfindung löst diese Aufgabe eine Vorrichtung mit einem Emitter-Kontakt, einem Kollektor-Kontakt und einem Spalt, wobei der Spalt so beschaffen ist, dass am Spalt frustrierte innere Totalreflexion auftritt, wobei die Vorrichtung als integrierte optische Schaltung ausgestaltet ist. Ein solcher Spalt wird im folgenden als nano-optischer Spalt, die Vorrichtung als nano-optisches Element bezeichnet.[07] According to a first aspect of the invention, this object is achieved by a device having an emitter contact, a collector contact and a gap, the gap being such that frustrated total internal reflection occurs at the gap, the device being an integrated optical circuit is designed. Such a gap is referred to below as a nano-optical gap, the device as a nano-optical element.
[08] Licht ist im Folgenden im erweiterten Sinne als elektromagnetische Strahlung mit optischen Eigenschaften zu verstehen und umfasst insbesondere auch die Infrarot- und Ultraviolettoptik.[08] In the following, light is to be understood in the broader sense as electromagnetic radiation with optical properties and, in particular, also includes infrared and ultraviolet optics.
[09] Der optische Spalt ist in Oberflächenstruktur und Spaltweite so beschaffen, dass im Grunde optische Totalreflexion auftritt, infolge des sehr geringen Abstandes aber dennoch eine teilweise Transmission des Photonenstroms stattfindet. Die Intensität der Transmission ist von nanoskopisch kleinen Änderungen in der Grenzflächenstruktur und in der Weite bzw. effektiven optischen Breite des Spaltes abhängig.[09] The optical gap in surface structure and gap width is such that basically total optical reflection occurs, but due to the very small distance, a partial transmission of the photon current nevertheless takes place. The intensity of the transmission depends on nanoscopically small changes in the interface structure and in the width or effective optical width of the gap.
[10] Die einschlägigen Gleichungen für die Intensität des lokal transmittierten Photonenstroms in Abhängigkeit von Spaltgeometrie, Wellenlänge und Einstrahlungswinkel der Photonen bzw. der Photonenwelle sind als physikalisches Phänomen theoretisch grundsätzlich bekannt. Die Gleichungen für die Photonenstromdichte in Abhängigkeit von der Weite des wirksamen nano-optischen Spaltes sind zum Beispiel der Patentschrift DE 10039094 Cl zu entnehmen.The relevant equations for the intensity of the locally transmitted photon current as a function of gap geometry, wavelength and angle of incidence of the photons and the photon wave are theoretically known in principle as a physical phenomenon. The equations for the photon current density in dependence from the width of the effective nano-optical gap can be found, for example, the patent DE 10039094 Cl.
[11] Eine solche Vorrichtung kann zur quantitativen hochauflösenden Erfassung von sehr kleinen Bewegungen, Deformationen, Abstandsänderungen und Lageänderungen im Bereich weniger Nanometer und darunter sowie zur Erfassung von physikalischen und chemischen Größen, die mit solchen erfassbaren Änderungen in Beziehung stehen dienen.[11] Such a device can be used for the quantitative high-resolution detection of very small movements, deformations, changes in distance and position changes in the range of a few nanometers and below and for the detection of physical and chemical quantities that are related to such detectable changes.
[12] Die mit den Abstandsänderungen in Beziehung stehenden physikalischen und chemischen Zustände bzw. Größen sind beispielsweise Kräfte, Spannungen, Verzerrun- gen, Deformationen, Drücke oder Druckunterschiede, Temperaturen oder Temperaturunterschiede, Strahlungsdichten, physikalische Felder, chemische Konzentrationen, Volumenbeladungen in mikroporösen Strukturen, sterische Konformation von Molekülen bzw. stereochemische Unterschiede, Wirkungen chemischer Reaktionen in Molekülschichten, etc.[12] The physical and chemical states or quantities related to the distance changes are, for example, forces, stresses, distortions, deformations, pressures or pressure differences, temperatures or temperature differences, radiation densities, physical fields, chemical concentrations, volume loadings in microporous structures, steric conformation of molecules or stereochemical differences, effects of chemical reactions in molecular layers, etc.
[13] Während der gesamte erfindungsgemäße Aufbau und insbesondere das Herstellungsverfahren im Vergleich zu früheren Veröffentlichungen fundamental abweichen, bleiben die physikalischen Verhältnisse der getunnelten Photonen-Transmission am nano-optischen Spalt unverändert bestehen. Die Erfindung ermöglicht indes infolge der erstmals geleisteten Integration der Bauteile eine industrielle Anwendung in großem Umfang und die globale Vermarktung der Technologie als nano-mechano-optischen Wandler bzw. Sensor.[13] While the overall structure according to the invention and in particular the manufacturing process differ fundamentally compared to previous publications, the physical conditions of the tunnelled photon transmission at the nano-optical gap remain unchanged. However, as a result of the first-time integration of the components, the invention makes it possible to carry out industrial applications on a large scale and to market the technology globally as a nano-mechano-optical converter or sensor.
[14] Durch die integrierte Bauweise wird eine Serienfertigung mit höchster Präzision und großer Stückzahl zu geringen Kosten möglich. Die Herstellung der prinzipiell ähnlichen, aber aus mehreren Teilen aufgebauten Vorläufer nano-optomechanischer Senso- ren erfordert eine individuelle filigrane Anpassung und Kalibrierung. Erst die erfindungsgemäße Integration der Vorrichtung erlaubt eine Serienfertigung mit höchster Prä- zision zu günstigen Kosten, weil hierbei auf gut beherrschbare, aus der Mikro-elektronik und Mikro-elektromechanik bekannte Halbleitertechnologien zur Herstellung der Bauelemente zurückgegriffen werden kann.[14] Thanks to the integrated design, mass production with the highest precision and a large number of pieces is possible at low cost. The production of the basically similar but multi-part precursors of nano-optomechanical sensors requires an individual filigree adaptation and calibration. Only the integration of the device according to the invention allows mass production with the highest At low cost, because it can be used on well-manageable, known from microelectronics and micro-electromechanics semiconductor technologies for the production of the components.
[15] Neben der Anpassung der Konstruktion an die Erfordernisse einer hochpräzisen und hocheffizienten Fertigung, die Anpassung des Systems an die Anforderungen der hochpräzisen Messungen und Auswertungen ist die Integration der Systemelemente in kompakte mikroskopische Baugruppen, angepasst an die Forderungen der Smart System Integration, möglich.In addition to adapting the design to the requirements of high-precision and highly efficient manufacturing, adapting the system to the requirements of high-precision measurements and evaluations, integration of the system elements into compact microscopic assemblies adapted to the requirements of smart system integration is possible.
[16] Vorzugsweise liegt die Größe der Vorrichtung im Bereich weniger Mikrometer. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung deutlich kleiner als die bisher aus mehreren Bauteilen zusammengesetzten FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) Systeme.[16] Preferably, the size of the device is in the range of a few micrometers. Thus, the device according to the invention is significantly smaller than the previously composed of several components FTIR (Frustrated Total Internal Reflection) systems.
[17] Sie weist bevorzugt einen Messbereich von Bruchteilen eines Nanometers bis zu wenigen Nanometern auf. So können kleinste Abstände und Abstandsänderungen erfasst werden. Auf Basis des nano-optischen Wandlerprinzips sind jedoch auch andere Grö- ßenverhältnisse darstellbar.[17] It preferably has a measuring range from fractions of a nanometer up to a few nanometers. In this way, the smallest distances and changes in distance can be detected. On the basis of the nano-optical converter principle, however, other size ratios can also be represented.
[18] Eine erfindungs gemäße Vorrichtung verfügt im Systemschaltbild über mehrere Interfaces, die Kontakte: Den Emitter-Kontakt zur Einkopplung eines Photonenstroms, der in der Vorrichtung beeinflusst und anschließend weiter benutzt wird, und den Kollektor-Kontakt zur Auskopplung eines transmittierten Photonenstroms, der einen Rück- Schluss auf die zu erfassende Größe ermöglicht.A device according to the invention has in the system circuit diagram a number of interfaces, the contacts: the emitter contact for coupling in a photon current which is influenced in the device and then used further, and the collector contact for coupling out a transmitted photon current, the one Return to the size to be recorded allows.
[19] Weiter von Vorteil ist, wenn die Vorrichtung einen Spalt-Kontakt aufweist. Dieser dient zur Einkopplung des zu erfassenden Signals, das den Kollektor-Photonenstrom beeinflusst.[19] It is also advantageous if the device has a gap contact. This serves to couple in the signal to be detected, which influences the collector-photon current.
[20] Der Spalt-Kontakt dient dem Input des sensorisch zu erfassenden bzw. weiterzu- verarbeitenden Signals bzw. der entsprechenden physikalischen oder chemischen Größe, des Zustandes oder des Feldes. Dadurch steuert der Spalt-Kontakt die optische Spaltweite, sei es durch mechanische Änderung der geometrischen Spaltweite oder durch brechungsoptische Variation der optischen Spaltweite durch Variation des Brechungsindexes am Spalt. Der Spalt-Kontakt steuert so die optische Transmission am nano- optischen Spalt. Dadurch ändert sich die Transmission für eine bestimmte Wellenlänge. Bei Einstrahlung eines breiten Spektrums seitens des Emitters erfolgt somit eine wellenlängenabhängige Transmission. So gesehen wirkt der nano-optische Spalt im nano- optischen Element auch als optischer Filter.[20] The gap contact is used for the input of the signal to be sensed or further processed or the corresponding physical or chemical quantity, of the state or the field. As a result, the gap contact controls the optical gap width, be it by mechanical change of the geometric gap width or by refractive optical variation of the optical gap width by varying the refractive index at the gap. The gap contact thus controls the optical transmission at the nano-optical gap. This changes the transmission for a specific wavelength. Upon irradiation of a broad spectrum by the emitter, a wavelength-dependent transmission thus takes place. In this sense, the nano-optical gap in the nano-optical element also acts as an optical filter.
[21] Das transmittierte Licht wird entweder aus dem opto-mechanischen System aus- gekoppelt oder innerhalb des integrierten Systems erfasst und, wenn erforderlich, in ein Signal gewandelt oder es betreibt eine weitere beispielsweise nano-optische Systemeinheit im Sinne eines integrierten zumindest teilweise opto-mechanischen Schaltkreises.[21] The transmitted light is either coupled out of the opto-mechanical system or detected within the integrated system and, if necessary, transformed into a signal, or it operates another, for example, nano-optical system unit in the sense of an integrated at least partially optoelectronic system. mechanical circuit.
[22] So wird der nano-optisch aktive Spalt in ein Gesamtsystem eingebettet. Dieses schließt folgende Schritte ein: die Zuführung des Photonenstroms am Emitter-Kontakt, die Abführung des transmittierten Photonenstroms am Kollektor-Kontakt sowie die Anordnung der Signalwandlung am Spalt-Kontakt, die ursprünglich die zu detektierenden Veränderungen der optischen Spaltbreite im nano-optisch aktiven Spalt verursacht.[22] Thus, the nano-optically active gap is embedded in an overall system. This includes the following steps: the supply of the photon current at the emitter contact, the removal of the transmitted photon current at the collector contact and the arrangement of signal conversion at the gap contact, which originally causes the changes to the optical gap width to be detected in the nano-optically active gap ,
[23] Der Spalt kann mit Luft oder Vakuum gefüllt sein. Der Spalt kann auch aus einem Material mit geringerem Brechungsindex bestehen wie transparentem Feststoff. Alternativ kann der Spalt auch mit einem flüssigen Medium befüllt sein. Dadurch kann die effektive optische Spaltbreite variiert werden.[23] The gap can be filled with air or vacuum. The gap may also be made of a material of lower refractive index, such as a transparent solid. Alternatively, the gap may also be filled with a liquid medium. As a result, the effective optical gap width can be varied.
[24] Weiter können durch geeignete Dotierung die Licht leitenden Bereiche an den Seiten des Spalts dotiert sein. Dadurch können die Lichtleiter beiderseits des Spalts integriert werden. Von Vorteil ist, wenn die Vorrichtung sensorische Eingänge am Spalt- Kontakt aufweist. Diese Einbettung, vorzugsweise auf einem einzigen Chip, dient der Systemintegration. [25] Die Vorrichtung kann weiter einen Vorsprung aufweisen. Dieser kann als Licht- einkoppler und/oder Lichtauskoppler verwendet werden.[24] Furthermore, the light-conducting regions on the sides of the gap can be doped by suitable doping. As a result, the light guides can be integrated on both sides of the gap. It is advantageous if the device has sensory inputs at the gap contact. This embedding, preferably on a single chip, is for system integration. [25] The device may further include a projection. This can be used as a light input coupler and / or light output coupler.
[26] Vorteilhaft ist, wenn die Vorrichtung mechanische Aussparungen aufweist, die so angeordnet sind, dass sie eine Änderung der Spaltweite erleichtern. So können bei- spielsweise Kavitäten oder Lamellen vorgesehen sein, die die Deformation erleichtern.[26] It is advantageous if the device has mechanical recesses which are arranged so that they facilitate a change in the gap width. For example, cavities or fins can be provided which facilitate the deformation.
[27] Vorteilhafterweise wird als Licht leitendes Material ein anisotropes Material verwendet. Um in der Licht leitenden Schicht einen möglichst fokussierten Lichtstrahl zu erhalten, kann einerseits eingangsseitig mit gebündeltem Licht gearbeitet werden, andererseits bieten sich hier anisotrope Materialien an, sodass durch eine anisotrope Lichtleitung parallel zur Orientierung eine bestmögliche Lichtbündelung erhalten wird. Solche Materialien haben zudem den Vorteil, dass bei der Herstellung im Schichtaufbau auf eine spätere Justierung, wie sie beim Einsatz von integrierten Lichtwellenleitern gegebenenfalls nötig wäre, verzichtet werden kann.[27] Advantageously, an anisotropic material is used as the light-conducting material. In order to obtain the most focussed light beam in the light-conducting layer, it is possible on the one hand to work with collimated light on the input side; on the other hand, anisotropic materials are offered here so that the best possible light bundling is obtained by an anisotropic light guide parallel to the orientation. Such materials also have the advantage that in the production in the layer structure on a later adjustment, as they would be necessary if using integrated optical fibers, can be dispensed with.
[28] Aus der Struktur des Bauelements kann weiteres Material abgetragen werden, um durch Kavitäten oder eine Lamellenstruktur eine höhere Empfindlichkeit einzustellen.[28] Further material can be removed from the structure of the component in order to set a higher sensitivity through cavities or a lamellar structure.
[29] Von Vorteil ist, wenn die Vorrichtung am Spalt eine Gitter-Matrix aufweist.[29] It is advantageous if the device has a grid matrix at the gap.
[30] Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung eine Messspitze aufweisen. Hierbei werden der Spalt und die Messspitze so angeordnet, dass sich eine Auslenkung der Messspitze auf die Spaltbreite auswirkt. Dadurch wird eine Messung der Auslenkung der Messspitze möglich.[30] Advantageously, the device may have a measuring tip. Here, the gap and the measuring tip are arranged so that a deflection of the measuring tip affects the gap width. This makes it possible to measure the deflection of the measuring tip.
[31] Die Vorrichtung kann eine Druckkammer aufweisen. Diese wird ebenfalls so angeordnet, dass eine Änderung des Druckes eine Änderung der Spaltweite verursacht. So wird über die Spaltweite eine Druckmessung möglich. [32] In beiden Formen der Kraftmessung wird mittels mechanischer kraftabhängiger Deformation die geometrische Spaltweite selbst deformiert und dadurch die optische Spaltweite für gegebene Wellenlängen geändert. Dabei ist die geometrische Struktur der Vorrichtung so gewählt, dass mechanische Kräfte in geeignete reversible Änderungen am nano-optischen Spalt umgesetzt werden.[31] The device may have a pressure chamber. This is also arranged so that a change in pressure causes a change in the gap width. Thus, a pressure measurement is possible over the gap width. In both forms of force measurement, the geometric gap width itself is deformed by means of mechanical force-dependent deformation, thereby changing the optical gap width for given wavelengths. The geometric structure of the device is chosen so that mechanical forces are converted into suitable reversible changes to the nano-optical gap.
[33] Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfasst ein Netzwerk mit mehreren Vorrichtungen, wobei das Netzwerk in ein Bauteil integriert ist. Die Vorrichtungen können lineare Elemente z.B. in Form von Fasern sein, die zu Netzwerken verbunden werden können. Eine bevorzugte Anwendung dieser faserförmigen Vorrichtungen beinhaltet sensorische Bereiche an definierten Stellen, die eine Erfassung mechanischer Deformationen und/oder Belastungen an diesen Bereichen ermöglichen. Nach Integration dieser nano-optischen Fasern in Bauteile, z.B. in lasttragende Teile von Flugzeugen, kann über das nano-optische Netzwerk die räumliche und zeitliche Verteilung der Belastung und Deformation erfasst werden. Dies erlaubt eine genaue Analyse der Materialbelastung bis hin zur frühzeitigen Erfassung beginnender Materialschäden im nanoskopischen Bereich wie feinste Risse oder Versetzungen im Nanometerbereich und darunter.[33] Another aspect of the invention includes a network with multiple devices, the network being integrated into a device. The devices may comprise linear elements e.g. in the form of fibers that can be connected to networks. A preferred application of these fibrous devices includes sensory areas at defined locations that enable detection of mechanical deformations and / or stresses on these areas. After integration of these nano-optical fibers into components, e.g. in load-bearing parts of aircraft, the spatial and temporal distribution of the load and deformation can be detected via the nano-optical network. This allows a precise analysis of the material load up to the early detection of incipient material damage in the nanoscopic range such as the finest cracks or dislocations in the nanometer range and below.
[34] Hierbei kann der optische Spalt als Fluidkanal ausgebildet sein. In dem spaltför- migen Kanal können Gase und/oder Flüssigkeiten eingebracht werden. Die Änderungen des Brechungsindexes der Fluidfüllung in den Spaltbereichen erzeugt eine Änderung der effektiven optischen Spaltbreite. Dies ermöglicht eine Analyse der optischen Eigenschaften der Flüssigkeit oder eine Anpassung der Eigenschaften der Vorrichtung an bestimmte Aufgaben.[34] In this case, the optical gap can be formed as a fluid channel. In the gap-shaped channel gases and / or liquids can be introduced. The changes in the refractive index of the fluid filling in the gap regions produces a change in the effective optical gap width. This allows an analysis of the optical properties of the liquid or an adaptation of the properties of the device to specific tasks.
[35] In einer solchen Anordnung kann grundsätzlich auch die Wirkung des hydrostatischen Drucks auf die Deformation der spaltförmigen Kanäle erfasst werden, weil sich dadurch die geometrische Spaltbreite, abhängig von der mechanischen Steifigkeit der Kanalkonstruktion, ändert. Im Grenzfall ist auch eine Membranbauweise möglich. [36] Allgemein betrachtet werden sich bei solchen Anordnungen Änderungen in den optischen Eigenschaften des Fluidums und Änderungen in der räumlichen Ausdehnung des optisch wirksamen Spalts überlagern.In such an arrangement, in principle, the effect of the hydrostatic pressure on the deformation of the gap-shaped channels can be detected, because this changes the geometric gap width, depending on the mechanical rigidity of the channel construction. In the limiting case, a membrane construction is possible. [36] Generally speaking, in such arrangements, changes in the optical properties of the fluid and changes in the spatial extent of the optically active gap will overlap.
[37] Es können drei oder vorzugsweise sechs Vorrichtungen zur Bestimmung der sechs Koordinaten der räumlichen Orientierung einer Messspitze eines Scanning- Nanoskops verwendet werden.[37] Three or preferably six devices can be used to determine the six coordinates of the spatial orientation of a probe tip of a scanning nanoscope.
[38] Das nanoskopische Bild entsteht durch Abtasten des Objekts mittels dieser sensorischen Spitze. Die Vorrichtungen erlauben die Erfassung der drei translatorischen und der drei rotatorischen Komponenten des Positionsvektors, der die sensorische Spit- ze beschreibt. Damit ist eine hochgenaue und sehr zuverlässige Erfassung der Position der sensorischen Spitze mit geringstem Rauschen darstellbar. Die Überlegenheit dieses nano-optischen 3D-Nanoskops zeigt sich in der Auflösung und in der Reproduzierbarkeit sowie in der Freiheit, die Wechselwirkung zu wählen, die letztlich das Bild erzeugt.[38] The nanoscopic image is created by scanning the object using this sensory tip. The devices allow the detection of the three translational and three rotational components of the position vector, which describes the sensory tip. Thus, a highly accurate and very reliable detection of the position of the sensory tip with minimal noise can be displayed. The superiority of this nano-optical 3D nanoscope is reflected in the resolution and reproducibility as well as the freedom to choose the interaction that ultimately produces the image.
[39] Eine im räumlichen Aufbau dem 3D-Nanonskop ähnliche Ausführung nutzt die Möglichkeit, die sensorische Erfassung des Raumvektors zur Manipulatorspitze mit einem bestimmten separaten Wellenlängenbereich durchzuführen, während ein anderer davon unabhängiger Wellenbereich ein optisches Strahlungsfeld erzeugt, das die Positionierung des Nanomanipulators ermöglicht. Hierbei handelt es sich also um die Kombination einer opto-mechanischen Positionierung mit einer nano-optischen Positionsmes- sung.[39] An embodiment similar in design to the 3D nanoscope uses the ability to perform the sensory detection of the space vector to the manipulator tip with a certain separate wavelength range, while another independent waveband creates an optical radiation field that enables the positioning of the nanomanipulator. This is therefore the combination of an opto-mechanical positioning with a nano-optical position measurement.
[40] Unter der Voraussetzung einer im Detail geeigneten Konstruktion des Systems kann die Manipulatorspitze allein opto-mechanisch gelagert werden, also frei im inhomogenen optischen Strahlungsfeld schweben. In einer besonders bevorzugten Ausführung ist eine Rückkopplung vom Signal der nano-optischen Positionssensoren auf die Intensität des opto-mechanischen Strahlungsfeldes integriert, sodass die Position der Manipulatorspitze mit einfachen Steuerbefehlen gesteuert und stabilisiert werden kann. Auf Grundlage des 3D-Nanomanipulators kann eine Vorrichtung zur Materialbeeinflussung und/oder Materialbearbeitung angebracht werden. Dabei kann die Bearbeitung mit höchster Genauigkeit im Nanometerbereich durchgeführt werden.[40] Assuming a design of the system that is suitable in detail, the manipulator tip alone can be mounted opto-mechanically, ie floating freely in the inhomogeneous optical radiation field. In a particularly preferred embodiment, a feedback from the signal of the nano-optical position sensors to the intensity of the opto-mechanical radiation field is integrated, so that the position of the manipulator tip can be controlled and stabilized with simple control commands. Based on the 3D nanomanipulator, a device for material influencing and / or material processing can be attached. The machining can be carried out with the highest accuracy in the nanometer range.
[41] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein System mit einer Vorrichtung, wobei es mindestens ein opto-mechanisches und/oder elektronisches und/oder photonisches und/oder elektromechanisches Element aufweist. Opto-mechanische Aktuatoren beispielsweise ermöglichen die Integration zusätzlicher aktuatorischer Funktionen. Opto-mechanische Aktuatoren wandeln optische Felder in mechanisch wirksame Größen, insbesondere in Kräfte bzw. in mechanisch wirksame Potentialfelder um. Die opto- mechanische Potentialerzeugung selbst ist von der optischen Pinzette (z.B. Ashkin 1990) bekannt. Erfindungs gemäß ist die Integration solcher opto-mechanischer Aktuatoren in ein nano-optomechanisches System.[41] A further aspect of the invention relates to a system with a device, wherein it has at least one opto-mechanical and / or electronic and / or photonic and / or electromechanical element. Opto-mechanical actuators, for example, allow the integration of additional actuator functions. Opto-mechanical actuators convert optical fields into mechanically effective quantities, in particular into forces or into mechanically effective potential fields. The opto-mechanical potential generation itself is known from optical tweezers (e.g., Ashkin 1990). Invention according to the integration of such opto-mechanical actuators in a nano-optomechanical system.
[42] Das System kann eine emitterseitige Lichtquelle aufweisen. Auch kann das System einen kollektorseitigen Lichtsensor aufweisen.[42] The system may have an emitter-side light source. The system may also have a collector-side light sensor.
[43] Das System kann weiter einen Wandler aufweisen. Dabei kann es sich um vorgeschaltete Wandler, die eine Abstandsänderung z.B. im Nanometerbereich verursachen als auch um nachgeschaltete Wandler, die den transmittierten Photonenstrom nutzen, um eine weitere Wandlung durchzuführen, z.B. in elektronische Signale (z.B. mittels photoelektrischem Effekt) oder in chemische Signale (z.B. mittels photochemischem Effekt, wie Farbumschlag).[43] The system may further include a transducer. These may be upstream converters which may be subject to a change in distance, e.g. in the nanometer range as well as around downstream transducers that use the transmitted photon current to perform another conversion, e.g. in electronic signals (e.g., by photoelectric effect) or in chemical signals (e.g., by photochemical effect, such as color change).
[44] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, wobei zunächst auf Grundlage eines Licht leitenden Materials ein Zwischenträger aufgebracht wird, dann eine weitere Schicht Licht leitenden Materials aufgebracht wird und schließlich ein Teil des Zwischenträgers wieder entfernt wird. Dabei werden Verfahren der Halbleitertechnologie verwendet, insbesondere eine geeignete Schichtung im Rahmen einer Multilayer-Struktur. Das hochgenaue Auftragen definierter Schichten mit definierten Brechungsindizes ist aus der Halbleitertechnologie bekannt, z.B. Epitaxie, Technologien der gezielten Dotierung und Technologien des physikalischen und oder chemischen Ätzens und des physikalischen oder chemischen Bondens. Erfindungsgemäß können auf diese Weise totalreflektierende Spaltschichten hergestellt werden. Durch eine hochpräzise Fertigung können die geforderten Genauigkeiten erreicht werden.[44] A further aspect of the invention relates to a method for producing a device, wherein initially an intermediate carrier is applied based on a light-conducting material, then a further layer of light-conducting material is applied and finally a part of the intermediate carrier is removed again. In this case, methods of semiconductor technology are used, in particular a suitable layering in the context of a multilayer structure. The high-precision application defined Layers with defined refractive indices are known from semiconductor technology, eg epitaxy, targeted doping technologies, and physical and / or chemical etching and physical or chemical bonding technologies. According to the invention, totally reflecting gap layers can be produced in this way. By a high-precision manufacturing the required accuracies can be achieved.
[45] Vorteilhaft ist ein Verfahren, bei dem zwischen die leitenden Materialien eine lichtundurchlässige Schicht aufgebracht wird und teilweise wieder entfernt wird.[45] Advantageous is a method in which an opaque layer is applied between the conductive materials and partially removed again.
[46] Dabei kann das Material in einem nachgelagerten Schritt abgetragen werden.[46] The material can be removed in a subsequent step.
[47] Schließlich kann ein Vorsprung angebracht werden. Dieser kann als Lichtein- koppler und/oder Lichtauskoppler dienen.[47] Finally, a projection can be attached. This can serve as Lichteinkoppler and / or Lichtauskoppler.
[48] Der Spalt kann durch selektives Ätzen geätzt werden. Dabei können sowohl physikalische als auch chemische Ätzverfahren Anwendung finden.[48] The gap can be etched by selective etching. Both physical and chemical etching processes can be used.
[49] Von Vorteil ist, wenn der Spaltbereich aus geeignet modifiziertem Material ge- bildet wird, das einem Ätzen einen geringeren Widerstand entgegensetzt als der nach dem Ätzen stehenbleibende Randbereich, auf dem sich der Spalt aufstützt.[49] It is advantageous if the gap region is formed from suitably modified material, which presents a lower resistance to etching than the edge region remaining after the etching, on which the gap rests.
[50] Alternativ oder kumulativ kann der Spalt durch Aussparen einer mittleren Schicht im Bereich des Spalts und in einem nachgelagerten Schritt durch Bonden der Deckschicht gebildet werden.[50] Alternatively or cumulatively, the gap can be formed by recessing a middle layer in the region of the gap and in a subsequent step by bonding the cover layer.
[51] Insgesamt bestehen die Grenzschichten aus feinsten und sehr glatten Schichten mit geeigneten optischen Eigenschaften. Die Form der Lichtleiter ist an die Strahlgeometrie und an die Wahl der Brechungsindizes im Lichtweg angepasst. [52] Von Vorteil ist ein Verfahren, bei dem mehrere Vorrichtungen als ein Stück produziert werden und dieses Stück dann in kleinere Stücke mit jeweils mindestens einer einzelnen Schaltung zerschnitten wird. So wird eine Serienfertigung möglich.[51] Overall, the boundary layers consist of very fine and very smooth layers with suitable optical properties. The shape of the light guides is adapted to the beam geometry and the choice of refractive indices in the light path. An advantage is a method in which several devices are produced as one piece and this piece is then cut into smaller pieces, each with at least a single circuit. So a series production becomes possible.
[53] Ein letzter Aspekt der Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zur Messung mit einer Vorrichtung, wobei ein Referenzphotonenstrom abgezweigt und gemessen wird. Dieser kann beispielsweise bei einer integrierten Lichtquelle als Emitter von diesem abgezweigt werden. Der Referenzphotonenstrom ist zum Photonenstrom des Emitters proportional. Das nicht abgezweigte Licht treibt den Photonenstrom am Emitter- Kontakt der Vorrichtung an.[53] Finally, a final aspect of the invention relates to a method of measuring with a device, wherein a reference photon current is branched off and measured. This can be diverted for example in an integrated light source as an emitter of this. The reference photon current is proportional to the photon current of the emitter. The non-branched light drives the photon current at the emitter contact of the device.
[54] Das Herstellungsverfahren ist auf herkömmlichen Fabrikationsanlagen für Halbleiterbausteine und/oder mikro-elektro-mechanische Systeme (MEMS) durchführbar. Die Herstellung solcher MEMS -Bausteine ist prinzipiell vielfältig bekannt und beschrieben. So beschreibt die DE 10029012 C2 den Aufbau und die Herstellung solcher Strukturen für elektrisch leitfähige Substrate, ohne dabei auf die Anwendbarkeit für op- tisch leitende Materialien einzugehen.The manufacturing process is feasible on conventional semiconductor devices and / or micro-electro-mechanical systems (MEMS). The production of such MEMS building blocks is known and described in many ways in principle. Thus, DE 10029012 C2 describes the structure and the production of such structures for electrically conductive substrates, without going into the applicability for optically conductive materials.
[55] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawings.
[56] Hierin zeigen:[56] show here:
Figur 1 den schematischen Aufbau eines nano-optischen Elements,FIG. 1 shows the schematic structure of a nano-optical element,
Figur 2 das Funktionsschaltbild eines nano-optischen Elements,FIG. 2 shows the functional diagram of a nano-optical element,
Figur 3 ausgehend von Figur 2 ein um einen Wandler erweitertes Schaltbild,FIG. 3, starting from FIG. 2, a circuit diagram extended by a converter,
Figur 4 ausgehend von Figur 3 ein um Photoneninput und -output erweitertes Schaltbild, Figur 5 ausgehend von Figur 4 ein erweitertes Schaltbild in dem ein Referenzphotonenstrom abgezweigt wird,FIG. 4 shows, starting from FIG. 3, a circuit diagram extended by photon input and output, FIG. 5 shows, starting from FIG. 4, an expanded circuit diagram in which a reference photon current is branched off,
Figur 6 ausgehend von Figur 5 ein erweitertes Schaltbild, wobei ein Strahlungsfeld als Quelle des sensorischen Inputs dient,FIG. 6 shows, starting from FIG. 5, an expanded circuit diagram, wherein a radiation field serves as the source of the sensory input,
Figur 7 den prinzipiellen mehrschichtigen Aufbau eines nano-optischen Elements,FIG. 7 shows the principal multilayer structure of a nano-optical element,
Figur 8 eine Abwandlung des Aufbaus aus Figur 7,FIG. 8 shows a modification of the construction from FIG. 7,
Figur 9 den grundsätzlichen Aufbau des nano-optischen Elements in einer linearen, faserartigen Ausgestaltung,9 shows the basic structure of the nano-optical element in a linear, fibrous embodiment,
Figur 10 ein Netzwerk aus nano-optischen Elementen, hier faserartig ausgeführt wie in Figur 9 dargestellt,FIG. 10 shows a network of nano-optical elements, here in the form of fibers, as shown in FIG. 9,
Figur 11 eine räumliche Struktur mit mehr als einem nano-optischen Element,FIG. 11 shows a spatial structure with more than one nano-optical element,
Figur 12 den Querschnitt durch eine Anordnung wie Figur 11,FIG. 12 shows the cross section through an arrangement as in FIG. 11,
Figur 13 die Anordnung aus Figur 11, ergänzt durch ein integriertes System zur opto- mechanischen Lagerung und Manipulation der Spitze,FIG. 13 shows the arrangement from FIG. 11, supplemented by an integrated system for the opto-mechanical storage and manipulation of the tip,
Figur 14 das schrittweise Verfahren zur Herstellung eines nano-optischen Bauelements in Multilayer-Struktur,FIG. 14 shows the stepwise method for producing a nano-optical component in multilayer structure,
Figur 15 den Herstellungsprozess eines schichtweisen Aufbaus,FIG. 15 the production process of a layered structure,
Figur 16 eine 3-D Ansicht mehrerer als ein Stück produzierter Vorrichtungen,FIG. 16 is a 3-D view of a plurality of devices produced as one piece;
Figur 17 a bis d verschiedene Ausführungen des nano-optischen Elements,FIGS. 17 a to d show various embodiments of the nano-optical element,
Figur 18 a bis e weitere Ausführungen des nano-optischen Elements, Figur 19 ein nano-optisches Element mit einer Messspitze,FIGS. 18 a to e show further embodiments of the nano-optical element, FIG. 19 shows a nano-optical element with a measuring tip,
Figur 20 ein nano-optisches Element mit einer Druckkammer.FIG. 20 shows a nano-optical element with a pressure chamber.
[57] Das nano-optische Element 1 in Figur 1 besteht aus einem vorwiegend kompakten Material 2, z.B. einem Lichtleiter oder Halbleiter, der unter Umständen aus mehre- ren teilweise unterschiedlichen Bereichen oder mehreren Schichten besteht. Weiter weist es einen lichtleitenden Bereich 3 auf, der ausgehend vom Emitter-Kontakt 4 einen Photonenstrom zum totalreflektierenden Spalt 5 führt. Der für Licht zumindest teilweise totalreflektierende Spalt 5 wird durch zwei vorwiegend parallele Grenzflächen 6 und 7, die im Allgemeinen zweidimensionale Hyperflächen des dreidimensionalen Raumes sind, gebildet. Der Spalt muss nicht eben sein.[57] The nano-optical element 1 in Figure 1 consists of a predominantly compact material 2, e.g. a light guide or semiconductor, which may consist of several partially different areas or multiple layers. Furthermore, it has a light-conducting region 3 which, starting from the emitter contact 4, leads a photon current to the totally reflecting gap 5. The gap 5, which is at least partly totally reflective for light, is formed by two predominantly parallel interfaces 6 and 7, which are generally two-dimensional hypersurfaces of the three-dimensional space. The gap does not have to be flat.
[58] Das nano-optische Element 1 weist zudem einen lichtleitenden Bereich 8 auf, der einen transmittierten Photonenstrom vom Spalt 5 zum Kollektor-Kontakt 9 führt. Ein veränderliches Element 10 bewirkt eine Variation der effektiv wirksamen optischen Spaltbreite im Spalt. Die effektive Distanz, die der Spalt 5 im Bereich des effektiven Lichtdurchtritts aufweist, ist eine Funktion der geometrischen Distanz, der Strahlwinkel und der Brechungsindizes.The nano-optical element 1 also has a light-conducting region 8, which leads a transmitted photon current from the gap 5 to the collector contact 9. A variable element 10 causes a variation of the effective optical gap width in the gap. The effective distance that the gap 5 has in the area of the effective passage of light is a function of the geometric distance, the beam angle and the refractive indices.
[59] Figur 2 zeigt als Funktionsschaltbild ein nano-optisches Element. Dieses zeigt das nano-optische Bauelement 11 als kompakten Chip. Am Emitter-Kontakt 13 wird der Photonenstrom 15 eingespeist. Der Lichtleiter 12 leitet diesen vom Emitter-Kontakt 13 zum nano-optisch aktiven Spalt 14. Am Spalt beeinflusst die Einwirkung 16 auf den Spalt-Kontakt 17 die effektive Spaltbreite und damit den transmittierten Photonenstrom. Der Lichtleiter 18 wiederum leitet den transmittierten Photonenstrom vom Spalt 14 zum Kollektor-Kontakt 19. Schließlich verlas st der Photonenstrom 20 den Kollektor-Kontakt 19. [60] Figur 3 zeigt das Schaltbild in Figur 2 um folgende Elemente erweitert: ein Wandler 21 zur Erzeugung der Veränderung der effektiven Spaltbreite im Spalt 14 bei sensorischem Input 22 auf den Wandler 21, zum Beispiel Kraft, Druck und die Quelle 23 des sensorischen Inputs, zum Erfassen des Feldes, Objekts, Zustands, etc.[59] Figure 2 shows a nano-optical element as a functional diagram. This shows the nano-optical device 11 as a compact chip. At the emitter contact 13, the photon current 15 is fed. The optical waveguide 12 guides it from the emitter contact 13 to the nano-optically active gap 14. At the gap, the influence 16 on the gap contact 17 influences the effective gap width and thus the transmitted photon current. The optical waveguide 18 in turn conducts the transmitted photon current from the gap 14 to the collector contact 19. Finally, the photon current 20 leaves the collector contact 19. FIG. 3 shows the circuit diagram in FIG. 2 extended by the following elements: a transducer 21 for generating the change of the effective gap width in the gap 14 at sensory input 22 to the transducer 21, for example force, pressure and the source 23 of the sensory input , for detecting the field, object, condition, etc.
[61] Figur 4 zeigt das Schaltbild wie Figur 3, erweitert um folgende Elemente: den Photoneninput 24, z.B. die Lichtquelle oder den Anschluss an einen vorhergehenden, insbesondere als Wandler von Energie in Photonen mit geeigneten Strahleigenschaften für den Betrieb des nano-optischen Elements, den Energiestrom 25 zum Antrieb des Photonenerzeugers bzw. Photonenwandlers, die Energiequelle 26, den Photonenoutput 27, z.B. als photoelektrisches Element oder als Input in den nachfolgenden Emitter- Kontakt, insbesondere als Wandler des Photonenstroms in einen sensorischen Output, den Informationsstrom 28 und gegebenenfalls auch Energiestrom vom Output-Wandler zum Empfänger 29 des sensorischen Outputs.[61] Figure 4 shows the circuit diagram of Figure 3, extended by the following elements: the photon input 24, e.g. the light source or the connection to a preceding one, in particular as a transducer of energy in photons with suitable beam properties for the operation of the nano-optical element, the energy flow 25 for driving the photon generator or the photon converter, the energy source 26, the photon output 27, e.g. as a photoelectric element or as an input to the subsequent emitter contact, in particular as a transducer of the photon current in a sensory output, the information stream 28 and optionally also energy flow from the output transducer to the receiver 29 of the sensory output.
[62] Figur 5 zeigt das Schaltbild wie Figur 4, erweitert um folgende Elemente: den Referenzphotonenstrom 30 zur Kalibrierung und Messung des transmittierten Photonenstroms 18 am Kollektor-Kontakt 19. Dies beinhaltet einen teilweisen Abgriff einer proportionalen Photonenstromdichte aus dem Photonenstrom 15 am Emitter-Kontakt 13 und die Einkopplung dieses photonischen Signals in den Wandler 27 zur Bestimmung der relativen Transmission am Spalt 14 anhand des messbaren Photonenstromes am Kollektor 19. Dadurch werden die Vorrichtung und das System unabhängig von der Qualität der Stabilisierung des Photonenstroms in den Emitter.[62] Figure 5 shows the circuit diagram of Figure 4, extended by the following elements: the reference photon current 30 for calibration and measurement of the transmitted photon current 18 at the collector contact 19. This involves a partial tap of a proportional photon current density from the photon current 15 at the emitter contact 13 and the coupling of this photonic signal in the transducer 27 for determining the relative transmission at the gap 14 on the basis of the measurable photon current at the collector 19. Thus, the device and the system, regardless of the quality of the stabilization of the photon current in the emitter.
[63] Figur 6 zeigt das Schaltbild wie Figur 5, erweitert um folgende Elemente: als Quelle des sensorischen Inputs dient ein Strahlungsfeld 31. Der Wandler 32 erzeugt daraus die variable Spaltbreite und diese moduliert entsprechend den transmittierten Photonenstrom 18 am Kollektor 19. Dieses Schaltbild ähnelt dem eines Transistors, wobei beim Transistor an Stelle des Spalt-Kontaktes 17 der Basiskontakt als Steuerkontakt ausgelegt ist, ohne Integration des nano-optischen Wandlers.FIG. 6 shows the circuit diagram as in FIG. 5, expanded by the following elements: the source of the sensory input is a radiation field 31. The converter 32 generates the variable gap width therefrom and modulates the transmitted photon current 18 at the collector 19 accordingly. This circuit diagram is similar to that of a transistor, wherein in the transistor instead of the gap contact 17 of the base contact is designed as a control contact, without integration of the nano-optical converter.
[64] Der Spaltkonakt 17 kann über ein photonensensitives Element, den Wandler 32, gespeist werden, das in Abhängigkeit vom Photonenstrom oder von einer Strahlungsdichte eine Veränderung der optischen Spaltbreite im nano-optischen Wandler bewirkt. In diesem Fall können für die Steuerung des Spalt-Kontaktes 17 Photonenfelder unterschiedlicher Art verwendet werden, unabhängig von der Art des Photonenfeldes, das den Emitter-Kontakt 13 speist.The gap contact 17 can be fed via a photon-sensitive element, the transducer 32, which effects a change in the optical gap width in the nano-optical converter as a function of the photon current or of a radiation density. In this case, 17 different photon fields can be used for the control of the gap contact, regardless of the type of photon field that feeds the emitter contact 13.
[65] Damit unterscheidet sich ein auf diese Weise aufgebauter nano-optischer Phototransistor grundsätzlich von einem herkömmlichen Transistor. Beim herkömmlichen Transistor sind die Feldtypen am Emitter-Kontakt und am Basiskontakt identisch, z.B. beide sind elektronischer Natur. Beim nano-optischen Transistor kann z.B. der Feldtyp am Emitter-Kontakt 13 im Bereich des Infrarotlichts oder des sichtbaren Lichts liegen, der Feldtyp am nano-optischen Spalt-Kontakt 17 kann unabhängig davon ein hochenergetisches Strahlungsfeld sein, z.B. kosmische Strahlung, Röntgenstrahlung, etc. oder ein niederenergetisches Strahlungsfeld, z.B. Radiowellen, Mikrowellen, etc.[65] In this way, a nano-optical phototransistor constructed in this way differs fundamentally from a conventional transistor. In the conventional transistor, the field types at the emitter contact and at the base contact are identical, e.g. both are electronic in nature. In the nano-optical transistor, e.g. the field type at the emitter contact 13 is in the range of infrared light or visible light, the field type at the nano-optical gap contact 17 may independently be a high-energy radiation field, e.g. cosmic radiation, X-radiation, etc. or a low energy radiation field, e.g. Radio waves, microwaves, etc.
[66] Grundsätzlich ist es nach diesem allgemeinen Aufbau auch möglich, Wandlertypen am Spalt-Kontakt 17 vorzuschalten, die eine bisher nicht bekannte Form eines phy- sikalisch-chemischen Feldes erfassen und in kleinste Änderungen der optischen Spaltbreite am nano-optischen Spalt umwandeln können. Dies beinhaltet insbesondere die Möglichkeit, mit Hilfe des integrierten nano-optischen Wandlers physikalische und chemische Zustände, Felder und Größen zu erfassen (z.B. quantitativ oder qualitativ), die bisher mit anderen Methoden und Vorrichtungen nicht erfassbar waren.Basically, according to this general structure, it is also possible to connect converter types at the gap contact 17, which can detect a hitherto unknown form of a physico-chemical field and convert it into the smallest changes in the optical gap width at the nano-optical gap. This includes, in particular, the ability to detect physical and chemical states, fields and quantities (for example, quantitatively or qualitatively) with the aid of the integrated nano-optical converter, which hitherto could not be detected with other methods and devices.
[67] Figur 7 zeigt den prinzipiellen mehrschichtigen Aufbau eines nano-optischen Elements 41. Dieses besteht vorwiegend aus einem massiven Block 42 geringer Größe, zum Beispiel aus Halbleitermaterial oder einem anderen geeigneten Material, vorzugsweise aus mehreren unterschiedlichen Ebenen (sogenanntes Multi-Layer). Weiter weist es einen dotierten Bereich 43 auf, der insbesondere durch Dotierungen die geeignete Form und die lichtleitenden Eigenschaften des Emitters erhält. Der Spalt 44 ist entweder ohne festes Material ausgestaltet, evakuiert oder mit einem Fluidum gefüllt. Der Spalt bildet zum Beispiel einen Kanal und wird insbesondere im Zuge des schrittweisen Schichtaufbaus erzeugt.[67] FIG. 7 shows the principal multilayer structure of a nano-optical element 41. This consists predominantly of a solid block 42 of small size, for example, semiconductor material or other suitable material, preferably from several different levels (so-called multi-layer). Furthermore, it has a doped region 43, which receives the suitable shape and the light-conducting properties of the emitter in particular by doping. The gap 44 is either designed without solid material, evacuated or filled with a fluid. The gap forms, for example, a channel and is generated in particular in the course of the stepwise layer structure.
[68] Das nano-optische Element 41 weist einen weiteren dotierten Bereich 45 auf, der insbesondere durch Dotierung die geeignete Form und die Licht leitenden Eigenschaften des Kollektors erhält.The nano-optical element 41 has a further doped region 45 which, in particular, receives the suitable shape and the light-conducting properties of the collector by doping.
[69] Die Abstandsschicht 46, bestehend aus zumindest einem massiven Bereich, wird in ihrer Dicke durch Einfluss der zu ermittelnden Größen, Zustände oder Felder beein- flusst.[69] The spacer layer 46, consisting of at least one solid region, is influenced in its thickness by the influence of the quantities, states or fields to be determined.
[70] Der schrittweise Schichtaufbau kann auch physikalisches Ätzen, chemisches Ätzen und Bonden enthalten.[70] The stepwise layer structure may also include physical etching, chemical etching, and bonding.
[71] Figur 8 zeigt eine Abwandlung des Aufbaus aus Figur 7. Bei diesem nano- optischen Element 51 besteht der Spalt 54 nicht aus einem leeren oder gasgefüllten Raum (der einen Brechungsindex von ungefähr 1,0 hätte), sondern aus einer festen Schicht mit geeignetem, vorzugsweise sehr niedrigem Brechungsindex. Die Dicke die- ser Schicht kann sich z. B. durch Beeinflussung ändern, indem sich die geometrische Dicke ändert und/oder auch die optische Dicke sich über dem Brechungsindex ändert. In dieser Ausführung sind keine Kanäle zur Erzeugung des Spaltes erforderlich. Die Distanzschicht selbst wirkt in diesem Fall als nano-optischer Spalt. Ansonsten bleibt das nano-optische Element 51 im Aufbau gleich oder ähnlich. Es handelt sich ebenfalls um einen massiven Block 52 mit 2 dotierten Bereichen, einem Emitter 53 und einem Kollektor 55. [72] Figur 9 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines nano-optischen Elements 61 in einer faserartigen vorzugsweise linearen Ausgestaltung. Auch dieses besteht aus einem vorwiegend kompakten Material 62, das hier als umschließender Mantel ausgeführt ist, dieses ist jedoch insbesondere im Bereich des nano-optischen Spalts elastisch und/oder plastisch deformierbar. Der Licht leitende Bereich 63 ist hier als Kernfaser ausgeführt, die ausgehend vom Emitter-Kontakt 64 einen Photonenstrom zum total reflektierenden Spalt 65 führt.FIG. 8 shows a modification of the structure of FIG. 7. In this nano-optical element 51, the gap 54 does not consist of an empty or gas-filled space (which would have a refractive index of approximately 1.0) but of a solid layer suitable, preferably very low refractive index. The thickness of this layer can be z. B. by influencing change by changing the geometric thickness and / or the optical thickness changes above the refractive index. In this embodiment, no channels are required to create the gap. The spacer layer itself acts as a nano-optical gap in this case. Otherwise, the nano-optical element 51 remains the same or similar in construction. It is also a solid block 52 with 2 doped regions, an emitter 53 and a collector 55. [72] Figure 9 shows the basic structure of a nano-optical element 61 in a fibrous, preferably linear configuration. This also consists of a predominantly compact material 62, which is designed here as an enclosing jacket, but this is elastically and / or plastically deformable in particular in the region of the nano-optical gap. The light-conducting region 63 is embodied here as a core fiber which, starting from the emitter contact 64, leads a photon current to the totally reflecting gap 65.
[73] Die Elastizität und Plastizität von Kernfaser 63 und Faserhülle 62 wird so abgestimmt, dass Deformationen der gesamten Faserstruktur zu einer Änderung der opto- mechanischen Spaltbreite führen. Die Erfassung des dadurch veränderlichen Photonensignals dient dann der Analyse der mechanischen Deformationen, die zur Deformation des nano-optischen Spaltes geführt haben.[73] The elasticity and plasticity of core fiber 63 and fiber sheath 62 are tuned so that deformations of the entire fiber structure lead to a change in the opto-mechanical gap width. The detection of the thereby variable photon signal then serves to analyze the mechanical deformations that have led to the deformation of the nano-optical gap.
[74] Der für Licht zumindest teilweise total reflektierende Spalt 65 wird durch zwei vorwiegend plan parallele Grenzflächen, die im Allgemeinen zweidimensionale Hyper- flächen des dreidimensionalen Raumes sind, begrenzt. Der Spalt 65 muss dabei nicht eben sein. Der Licht leitende Bereich 63, hier ausgeführt als Kernfaser, führt einen transmittierten Photonenstrom weiter vom Spalt 65 zum Kollektor-Kontakt 66. Die Weite des Spaltes 65 in der Kernfaser 63 ändert sich, sobald eine Deformation des Mantels 62 auftritt. Die Deformation kann elastisch und/oder plastisch sein.[74] The gap 65, which is at least partially totally reflective for light, is delimited by two predominantly plane-parallel interfaces, which are generally two-dimensional hypersurfaces of three-dimensional space. The gap 65 does not have to be flat. The light-conducting region 63, here embodied as core fiber, carries a transmitted photon current farther from the gap 65 to the collector contact 66. The width of the gap 65 in the core fiber 63 changes as soon as a deformation of the shell 62 occurs. The deformation can be elastic and / or plastic.
[75] Figur 10 zeigt ein Netzwerk 71 aus nano-optischen Elementen, die hier faserartig ausgeführt sind wie in Figur 9 gezeigt und beschrieben. Dieses Netzwerk weist mehrere nano-optische Elemente 72, 73, 74, 75, 76 und 77 auf. Diese sind über Lichtleiter 78 mit dem Photoneninput 79 verbunden, der die Bauelemente versorgt. Den nano-optisch aktiven Spalten 80, 81, 82, 83, 84 und 85 wird eine Raumposition zugeordnet. [76] Ein weiterer Lichtleiter 86 führt von den nano-optischen Bauelementen zu einer Kollektorzentrale 87 oder zu mehreren Kollektoren, die mit Zuordnung zu deren Raumposition ausgewertet werden.FIG. 10 shows a network 71 of nano-optical elements, which are embodied in a fibrous manner as shown and described in FIG. This network has a plurality of nano-optical elements 72, 73, 74, 75, 76 and 77. These are connected via light guide 78 with the photon input 79, which supplies the components. The nano-optically active columns 80, 81, 82, 83, 84 and 85 are assigned a spatial position. [76] Another light guide 86 leads from the nano-optical components to a collector center 87 or to a plurality of collectors, which are evaluated with assignment to their spatial position.
[77] Eine solche oder gleichwertige Anordnung erlaubt z. B. die räumliche Analyse von Spannungen, Deformationen und Materialschäden.[77] Such or equivalent arrangement allows z. B. the spatial analysis of stresses, deformations and material damage.
[78] Figur 11 zeigt eine räumliche Struktur 91 mit mehr als einem nano-optischen Spalt in der Ausführung mit mehr als einem nano-optischen Element. Nur zwei der vier Spalte zeigen nach vorne und sind sichtbar.[78] Figure 11 shows a spatial structure 91 with more than one nano-optical gap in the embodiment with more than one nano-optical element. Only two of the four columns point to the front and are visible.
[79] Dafür weist es einen gemeinsamen Träger 92 für die emitterseitigen Grenzflä- chen mehrerer nano-optischer Elemente auf. Dabei werden die Emitter 93 und 93' über den Lichtweg 94 und 94' versorgt. Die nano-optischen Elemente 95 und 95' werden an definierten Stellen gebildet, indem die emitterseitigen und kollektorseitigen Grenzflächen angenähert werden.[79] For this purpose, it has a common carrier 92 for the emitter-side boundary surfaces of several nano-optical elements. In this case, the emitters 93 and 93 'are supplied via the light path 94 and 94'. The nano-optic elements 95 and 95 'are formed at defined locations by approximating the emitter-side and collector-side interfaces.
[80] Lichtleiter 96 und 96' führen von den nano-optischen Elementen zu den Kollek- toren 97 und 97', die z. B. mit Zuordnung zu der Raumposition ausgewertet werden können. Diese Ausführungsform kann beispielsweise einen ringförmigen Träger 98 aufweisen, der die kollektorseitigen Grenzflächen aufweist.[80] Optical fibers 96 and 96 'lead from the nano-optical elements to the collectors 97 and 97', the z. B. can be evaluated with assignment to the spatial position. For example, this embodiment may include an annular support 98 having the collector-side interfaces.
[81] Beispielhaft kann eine Pyramidenspitze 99 im emitterseitigen Träger gestaltet sein, deren Position relativ zum kollektorseitigen Gegenstück erfasst werden kann.[81] By way of example, a pyramid tip 99 may be designed in the emitter-side carrier, the position of which can be detected relative to the collector-side counterpart.
[82] Die Grenzflächen der nano-optischen Spalte 95 und 95', stehen in bekannter fester räumlicher Anordnung zueinander, zum Beispiel durch Anbringung in einem gemeinsamen Träger 92 mit z. B. pyramidenförmiger Spitze 99. Die Spitze 99 ist umgeben von einem umfassenden Kollektorring 98. Aus der vernetzenden Auswertung der trans- mittierten Photonenströme 96 und 96' an den mehreren Kollektoren 97 und 97' kann auf die Relativposition des Trägers 92 und der Spitze 99 geschlossen werden. Die Zuord- nung von Emittern 93 und 93' in das Mittelstück des Trägers 92 mit Spitze 99 und den Kollektoren 97 und 97' in das Ringstück 98 kann auch umgekehrt erfolgen, d. h. das Ringstück 98 kann auch mit Emittern 93 Mittelstück 92 und entsprechend mit Kollektoren 97 ausgestattet sein oder alternierend.[82] The interfaces of the nano-optic gaps 95 and 95 'are in known fixed spatial relationship to each other, for example by mounting in a common carrier 92 with z. The tip 99 is surrounded by a comprehensive collector ring 98. From the cross-linking evaluation of the transmittierten photon streams 96 and 96 'at the plurality of collectors 97 and 97' can be closed on the relative position of the carrier 92 and the tip 99 become. The assignment tion of emitters 93 and 93 'into the center piece of the carrier 92 with tip 99 and the collectors 97 and 97' in the ring piece 98 can also be reversed, ie the ring piece 98 can also be equipped with emitters 93 center piece 92 and accordingly with collectors 97 or alternating.
[83] Figur 12 zeigt den Querschnitt durch eine Anordnung 91 wie in der Figur 11 dargestellt mit vier nano-optischen Spalten, von denen erneut zwei 95 und 95" sichtbar sind. Hierbei trägt das Mittelstück als gemeinsamer Träger 92 die Emitter 93 und 93", das Ringstück 98 trägt die Kollektoren 97 und 97". Die Figur zeigt in der Schnittebene zwei der vier nano-optischen Elemente jeweils mit Emitter, Spalt und Kollektor 93, 95, 97 bzw. 93", 95", 97" sowie den beiden Kollektorstrahlen 96' und 96'" in der zur Schnittebene senkrechten Ebene.11 shows a cross-section through an arrangement 91 as shown in FIG. 11 with four nano-optical columns, of which two 95 and 95 "are again visible, the center piece carrying the emitters 93 and 93 as a common carrier 92. the ring piece 98 carries the collectors 97 and 97. The figure shows in the sectional plane two of the four nano-optical elements each with emitter, gap and collector 93, 95, 97 and 93 ", 95", 97 "and the two Collector beams 96 'and 96' "in the plane perpendicular to the cutting plane.
[84] Weiter ist eine totalreflektierende Facette 100 in den kollektorseitigen Ring 98 integriert, um eine Ablenkung des Photonenstroms an die Kollektoren 97 und 97" zu bewerkstelligen.[84] Further, a total reflecting facet 100 is integrated into the collector side ring 98 to provide a deflection of the photon current to the collectors 97 and 97 ".
[85] Figur 13 zeigt die beispielhafte Anordnung aus Figur 11, ergänzt durch ein integriertes System zur optomechanischen Lagerung und Manipulation der Spitze. Dabei sind Photonenstrahler 101, 101', 101" und 101'" zum Aufbau eines inhomogenen Photonenfeldes und damit eines Potentialfeldes vorgesehen, das die Lagerung des Trägers 92 und die Manipulation der Spitze 99 ermöglicht. Dargestellt sind Photonenströme in der Schnittebene und in der dazu senkrechten Raumebene. Die Erfassung der Position der Spitze 99 erfolgt durch Auswertung der transmittierten Photonenströme 96, 96', 96" und 96'".[85] Figure 13 shows the exemplary arrangement of Figure 11, supplemented by an integrated system for optomechanical storage and manipulation of the tip. In this case, photon radiators 101, 101 ', 101 "and 101'" are provided for establishing an inhomogeneous photon field and thus a potential field, which makes possible the mounting of the carrier 92 and the manipulation of the tip 99. Shown are photon currents in the section plane and in the plane perpendicular thereto. The position of the tip 99 is detected by evaluating the transmitted photon streams 96, 96 ', 96 "and 96'".
[86] Die Rückkopplung der Position auf die Intensität und/oder die Richtung der Photonenströme 101, 101 ', 101" und 101'" ermöglicht die gezielte Manipulation der Spit- ze 99 relativ zur Position des Ringteils 98 im dreidimensionalen Raum. [87] Figur 14 zeigt das schrittweise Verfahren zur Herstellung eines nano-optischen Bauelements mit nano-optischem Spalt in multi-layer Struktur. Dabei zeigt Figur 14 a) eine erste Schicht 111 als Basis für den Aufbau, in Figur 14 b) ist auf diese die Kollektorschicht 112 aufgebaut. In Figur 14 c) wird der kollektorseitige Licht leitende Bereich 113 hergestellt. In Figur 14 d) erfolgt der Aufbau der Spaltschicht 114. Falls mit einem Spaltkanal gearbeitet wird, kann dieser Schritt aus mehreren Teilschritten bestehen, einschließlich dotieren, ätzen etc. In Figur 14 e) wird die Emitterschicht 115 aufgebaut. In Figur 14 f) wird der emitterseitige Licht leitende Bereich 116 hergestellt. In Figur 14 g) wird der Schichtaufbau durch eine weitere Basisschicht 117 abgeschlossen.The feedback of the position to the intensity and / or the direction of the photon streams 101, 101 ', 101 "and 101'" enables the targeted manipulation of the tip 99 relative to the position of the ring part 98 in three-dimensional space. [87] Figure 14 shows the stepwise process for producing a nano-optical device with nano-optical gap in multi-layer structure. FIG. 14 a) shows a first layer 111 as the basis for the structure, in FIG. 14 b) the collector layer 112 is constructed thereon. In FIG. 14c), the collector-side light-conducting region 113 is produced. In FIG. 14d), the construction of the gap layer 114 takes place. If a gap channel is used, this step can consist of several substeps, including doping, etching, etc. In FIG. 14 e), the emitter layer 115 is built up. In FIG. 14 f), the emitter-side light-conducting region 116 is produced. In FIG. 14 g), the layer structure is completed by a further base layer 117.
[88] Dabei können im Rahmen der Erfindung vielfältige Variationen des Verfahrens zum Aufbau der Multi-Layer-Struktur vorgenommen werden. Insbesondere können Bereiche mit Gradientenindex integriert werden, z. B. mittels aufeinanderfolgender dünner Schichten. Weiter kann die Reihenfolge des Schichtaufbaus umgedreht werden und mit dem Emitter begonnen werden. Schließlich können auch Emitterseite und Kollektorseite zunächst getrennt aufgebaut werden und dann unter Bildung des Spalts gebonded bzw. anderweitig zusammengefügt werden.[88] Various variations of the method for constructing the multi-layer structure can be carried out within the scope of the invention. In particular, regions with gradient index can be integrated, for. B. by means of successive thin layers. Furthermore, the sequence of the layer structure can be reversed and started with the emitter. Finally, the emitter side and collector side can first be constructed separately and then bonded or otherwise joined together to form the gap.
[89] Auch Figur 15 zeigt ein mögliches, vorteilhaft schichtweises Herstell verfahren eines nano-optischen Elements. Auf Grundlage eines nichtleitenden Materials 121 ( Figur 15 a) kann optional eine lichtundurchlässige Schicht 122 aufgebracht werden, beispielsweise durch Bedampfen (Figur 15 b). Diese Schicht 122 wird wie in Figur 15 c) dargestellt wieder teilweise freigesetzt, idealerweise als Raster oder Matrix-Gitter 123, beispielsweise durch Fräsen oder Ätzen.[89] Also, Figure 15 shows a possible, advantageously layer-wise manufacturing method of a nano-optical element. On the basis of a non-conductive material 121 (FIG. 15 a), an opaque layer 122 can optionally be applied, for example by vapor deposition (FIG. 15 b). This layer 122 is again partially released, as shown in FIG. 15 c), ideally as a grid or matrix grating 123, for example by milling or etching.
[90] Um die Spaltgeometrie herzustellen, wird ein Zwischenträger 124 darüber beschichtet (Figur 15 d) und eine weitere Schicht eines Licht leitenden Materials 125 wird aufgetragen (Figur 15 e). [91] Durch geeignete Methoden wie Ätzen wird dann ein Teil des Zwischenträgers 125 entfernt, sodass ein Spalt 126 entsteht (Figur 15 f).[90] In order to produce the gap geometry, an intermediate support 124 is coated over it (FIG. 15 d) and a further layer of a light-conducting material 125 is applied (FIG. 15 e). [91] A part of the intermediate support 125 is then removed by suitable methods such as etching, so that a gap 126 is formed (FIG. 15 f).
[92] Wie in Figur 15 g) dargestellt können durch optionales Abtragen von Material eine Lamellenstruktur erstellt werden oder Kavitäten wie 127 und 128 hergestellt wer- den. Abschließend können ein Lichteinkoppler 129 und ein Lichtauskoppler 130 für den senkrechten Lichtaustritt angebracht werden.[92] As shown in Figure 15 g) a lamellar structure can be created by optional removal of material or cavities such as 127 and 128 can be produced. Finally, a light coupler 129 and a light output coupler 130 for the vertical light exit can be attached.
[93] In Figur 16 ist ein im Querschnitt in Figur 15 h) dargestellter nano-optischer Waver 120 dreidimensional dargestellt. Hierbei ist ersichtlich, dass er in Längsachse fortlaufend produzierbar ist und entsprechend in einzelne Bauelemente geschnitten wer- den kann. Auch dieser weist alle Bestandteile auf: Auf Grundlage des Licht leitenden Materials 121 ist eine lichtundurchlässige Schicht 122 teilweise in Form eines Gitters 123 aufgebracht. Darüber sind teilweise der Zwischenträger 124 sowie der Spalt 126 angeordnet. Nach oben wird der Schichtaufbau erneut durch eine weitere Schicht Licht leitenden Materials 125 abgeschlossen. Das Licht leitende Material weist auf beiden Seiten sowohl Kavitäten 127 und 128 als auch Vorsprünge als Lichteinkoppler 129 und Lichtauskoppler 130 auf.[93] FIG. 16 shows a three-dimensional nano-optical wafer 120 shown in cross-section in FIG. 15 h). It can be seen here that it can be produced continuously in the longitudinal axis and can be cut into individual components accordingly. This also has all the constituents: Based on the light-conducting material 121, an opaque layer 122 is partially applied in the form of a grid 123. In addition, the intermediate carrier 124 and the gap 126 are partially arranged. At the top, the layer structure is closed again by another layer of light-conducting material 125. The light-conducting material has both cavities 127 and 128 on both sides as well as projections as Lichteinkoppler 129 and Lichtauskoppler 130.
[94] Die Figur 17 zeigt verschiedene Ausführungen des nano-optischen Elements. Dabei zeigen die Figuren 17 a) und b) nano-optische Elemente in Blockbauweise, wohingegen die Figuren 17 c) und d) nano-optische Elemente in Faserbauweise zeigen.[94] FIG. 17 shows various embodiments of the nano-optical element. The figures 17 a) and b) show nano-optical elements in block construction, whereas FIGS. 17 c) and d) show fiber-optic nano-optical elements.
[95] Beim nano-optischen Element 131 in Figur 17 a) wird der Lichtweg im Licht leitenden Material 132 durch die Pfeile 133 und 134 veranschaulicht. Dabei tritt das Material an Stelle 131 in das lichtleitende Material 132 ein und wird zunächst an einer totalreflektierenden Facette 135 erstmalig reflektiert und dadurch in Richtung zum Spalt 136 abgelenkt. [96] Das am Spalt 136 transmittierte Licht wird dann an einer zweiten totalreflektierenden Facette 137 erneut umgelenkt und verlässt den Lichtleiter 132 in Richtung des Pfeils 134 .[95] In the nano-optical element 131 in FIG. 17 a), the light path in the light-conducting material 132 is illustrated by the arrows 133 and 134. In this case, the material enters the light-conducting material 132 instead of 131 and is first reflected on a totally reflecting facet 135 for the first time and thereby deflected in the direction of the gap 136. [96] The light transmitted at the gap 136 is then deflected again at a second total reflecting facet 137 and leaves the light guide 132 in the direction of the arrow 134.
[97] Bei dem nano-optischen Element 141 in Figur 17 b) hingegen erfolgt die Ein- kopplung des Lichtes in den Lichtleiter 142 mit Hilfe eines Lichteinkopplers 143. Das Licht tritt über den Lichteinkoppler 143 in den Lichtleiter 142 ein, wird am Spalt 147 totalreflektiert und allein der transmittierte Photonenstrom setzt sich im Lichtleiter fort und wird durch den Licht-auskoppler 144 aus dem Lichtleiter ausgekoppelt. Dabei geben die Pfeile 145 und 146 und die sich dazwischen ersteckende Linie den Lichtweg an.In the case of the nano-optical element 141 in FIG. 17 b), the light is coupled into the light guide 142 with the aid of a light inserter 143. The light enters the light guide 142 via the light inserter 143, becomes at the gap 147 totally reflected and only the transmitted photon current continues in the optical waveguide and is coupled out of the optical waveguide by the light output coupler 144. The arrows 145 and 146 and the line extending between them indicate the light path.
[98] Bei dem nano-optischen Element 151 aus einem Lichtleiter 152 ist der optische Spalt 153 in Form eines Würfels 154 eingesetzt. Wieder geben die Pfeile 155 und 156 das eintretende und das transmittierte Licht an.In the case of the nano-optical element 151 made of a light guide 152, the optical gap 153 is inserted in the form of a cube 154. Again, arrows 155 and 156 indicate the incoming and the transmitted light.
[99] In dem lichtleitenden Element 161 in Figur 17 d) ist der Spalt 162 in den Lichtleiter 163 integriert. Auch hier geben die Pfeile 164 und 165 das eintretende und das transmittierte Licht an.[99] In the light-conducting element 161 in FIG. 17 d), the gap 162 is integrated into the light guide 163. Again, the arrows 164 and 165 indicate the incoming and the transmitted light.
[100] Die Figur 18 zeigt beispielhafte Ausführungen für den Schichtaufbau nano- optischer Elemente im Blockaufbau bis hin zur Ausdünnung der Lagerung an der Biegezunge.FIG. 18 shows exemplary embodiments for the layer structure of nanooptical elements in the block structure up to the thinning of the bearing at the bending tongue.
[101] Dabei zeigt Figur 18 a) ein nano-optisches Element 171 bestehend aus einem einteiligen Lichtleiter 172, der einen Spalt 173 aufweist.[101] FIG. 18 a) shows a nano-optical element 171 consisting of a one-piece light guide 172, which has a gap 173.
[102] Das nano-optische Element 181 in Figur 18 b) besteht im Gegensatz dazu aus zwei Lichtleitern 182 und 183, wobei der obere Lichtleiter 183 eine Aussparung aufweist, durch die der Spalt 184 gebildet wird. [103] In Figur 18 c) wird ein Licht leitendes Element 191 dargestellt. Dieses weist zwischen zwei unterschiedlichen Lichtleitern, dem unteren Lichtleiter 192 und dem oberen Lichtleiter 193, eine Zwischenschicht 194 auf, die als Platzhalter für den Spalt 195 dient. Diese Zwischenschicht kann entweder nur teilweise aufgebracht werden oder durch Ätzen des Spaltes wieder entfernt werden.In contrast, the nano-optical element 181 in FIG. 18 b) consists of two light guides 182 and 183, wherein the upper light guide 183 has a recess through which the gap 184 is formed. [103] A light-conducting element 191 is shown in FIG. 18 c). This has between two different light guides, the lower light guide 192 and the upper light guide 193, an intermediate layer 194, which serves as a placeholder for the gap 195. This intermediate layer can either be only partially applied or removed again by etching the gap.
[104] Figur 18 d) zeigt eine Ausführungsform des nano-optischen Elements 201, in dem sowohl der untere Lichtleiter 202 als auch der obere Lichtleiter 203 durch eine Aussparung 204 teilweise ausgedünnt sind. Dies führt zu einer leichteren Verformbarkeit der beiden Lichtleiter 202 und 203. Eine Änderung der Spaltweite des Spaltes 205 wird erleichtert. Dies erhöht die Sensibilität des nano-optischen Elements 201. Auch das nano-optische Element 201 weist eine Zwischenschicht 206 auf.FIG. 18 d) shows an embodiment of the nano-optical element 201 in which both the lower light guide 202 and the upper light guide 203 are partially thinned out by a recess 204. This leads to an easier deformability of the two light guides 202 and 203. A change in the gap width of the gap 205 is facilitated. This increases the sensitivity of the nano-optical element 201. The nano-optical element 201 also has an intermediate layer 206.
[105] Beim nano-optischen Element 211 in Figur 18 e) ist der obere Lichtleiter 213 zwar einstückig ausgestaltet, der untere Lichtleiter 202 ist jedoch zweistückig in ein linkes Stück 203 und ein rechtes Stück 204 unterteilt. Diese Stücke sind nur durch eine Verbindungsschicht 205 verbunden. Dadurch wird die Stabilität des unteren Lichtleiters 202 gegen Verbiegungen deutlich herabgesetzt und die optische Spaltweite ist dadurch leichter veränderbar, was die Messgenauigkeit erhöht. Der optische Spalt 206 wird wieder mithilfe einer Zwischenschicht 207 gebildet.[105] In the nano-optical element 211 in FIG. 18 e), although the upper optical fiber 213 is integrally formed, the lower optical fiber 202 is divided into two pieces into a left piece 203 and a right piece 204. These pieces are connected only by a connection layer 205. As a result, the stability of the lower light guide 202 against bending is significantly reduced and the optical gap width is thereby easier to change, which increases the measurement accuracy. The optical gap 206 is again formed by means of an intermediate layer 207.
[106] Figur 19 zeigt einen nano-optischen Mikroskopsensor in Fühlerform 221.FIG. 19 shows a nano-optical microscope sensor in probe form 221.
[107] Auch dieser besteht aus zwei Lichtleitern, dem unteren Lichtleiter 222 und dem oberen Lichtleiter 223. Dazwischen befindet sich der mit einer Zwischenschicht 224 gebildete nano-optische Spalt 225. Zudem weist der untere Lichtleiter 222 eine Messspitze 226 auf. Die Pfeile 227 und 228 mit der dazwischen befindlichen gestrichelten Linie geben den Lichtweg an. Das Licht wird bei Pfeil 227 in das nano-optische EIe- ment eingekoppelt und an der totalreflektierenden Grenzfläche an der Stelle 229 das erste Mal umgelenkt. An der Kavität 230 erfolgt keine Umlenkung, sondern der Licht- weg setzt sich einfach bis zum Spalt 125 fort. Das an diesen transmittierte Licht wird nun erneut an der totalreflektierenden Außenseite 230 des oberen Lichtleiters 223 umgelenkt und verlässt das nano-optische Element an der Stelle des Pfeiles 228.This also consists of two light guides, the lower light guide 222 and the upper light guide 223. In between is formed with an intermediate layer 224 nano-optical gap 225. In addition, the lower light guide 222 has a measuring tip 226 on. The arrows 227 and 228 with the dashed line between them indicate the light path. The light is coupled into the nano-optical element at arrow 227 and deflected for the first time at the totally reflecting interface at point 229. At the cavity 230 there is no deflection, but the light away simply continues to gap 125. The transmitted to this light is now redirected at the totally reflecting outside 230 of the upper light guide 223 and leaves the nano-optical element in the position of the arrow 228th
[108] Dabei dient die Kavität 231 der leichteren Verbiegbarkeit der Messspitze 226 und erhöht somit die Sensibilität der Messanordnung. Wird eine Kraft auf die Spitze 226 ausgeübt, ändert sich die Weite des nano-optischen Spalts 225, was zu einer Änderung der Intensität des transmittierten Photonenstroms führt.In this case, the cavity 231 serves for the easier bendability of the measuring tip 226 and thus increases the sensitivity of the measuring arrangement. When a force is applied to the tip 226, the width of the nano-optic gap 225 changes, resulting in a change in the intensity of the transmitted photon current.
[109] Figur 20 zeigt schließlich einen Drucksensor mit einem nano-optischen Spalt. Der Drucksensor 241 besteht ebenfalls aus einem unteren Lichtleiter 242 und einem oberen Lichtleiter 243. Während der optische Spalt 244 im unteren Lichtleiter 242 gebildet wird, weist der obere Lichtleiter 243 eine Druckkammer 245 auf. Diese ist durch eine Zwischenschicht 246 vom nano-optischen Spalt im unteren Lichtleiter 242 getrennt. Erneut geben die Pfeile 247 und 248 das in das nano-optische Element eintretende Licht und das aus diesem austretende transmittierte Licht wieder . Die gestrichelte Linie dazwischen zeigt den Lichtweg. Dieser verläuft bis zum optischen Spalt 244 gerade. Das von diesem transmittierte Licht wird dann an einer Facette 249 durch Totalreflexion umgelenkt und verlässt das nano-optische Element 241 an der Stelle des Pfeils 248. Finally, FIG. 20 shows a pressure sensor with a nano-optical gap. The pressure sensor 241 also consists of a lower optical fiber 242 and an upper optical fiber 243. While the optical gap 244 is formed in the lower optical fiber 242, the upper optical fiber 243 has a pressure chamber 245. This is separated by an intermediate layer 246 from the nano-optical gap in the lower light guide 242. Again, arrows 247 and 248 represent the light entering the nano-optic element and the transmitted light exiting therefrom. The dashed line between them shows the light path. This runs straight up to the optical gap 244. The transmitted light from this is then deflected at a facet 249 by total reflection and leaves the nano-optical element 241 at the location of the arrow 248th

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Vorrichtung mit einem Emitter-Kontakt, einem Kollektor-Kontakt und einem Spalt, wobei der Spalt so beschaffen ist, dass am Spalt frustrierte innere Totalreflexion auftritt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als integrierte optische Schaltung ausgestaltet ist.1. Device having an emitter contact, a collector contact and a gap, wherein the gap is such that at the gap frustrated total internal reflection occurs, characterized in that the device is designed as an integrated optical circuit.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Größe im Bereich weniger Nanometer aufweist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that it has a size in the range of a few nanometers.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Messbereich von Bruchteilen eines Nanometer bis zu wenigen Nanometern auf- weist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that it has a measuring range of fractions of a nanometer up to a few nanometers.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Spalt-Kontakt aufweist.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that it comprises a gap contact.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie sensorische Eingänge am Spalt-Kontakt aufweist.5. Apparatus according to claim 4, characterized in that it has sensory inputs on the gap contact.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt mit Luft oder Vakuum gefüllt ist.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the gap is filled with air or vacuum.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt mit transparentem Feststoff gefüllt ist.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the gap is filled with transparent solid.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass der Spalt mit flüssigem Medium gefüllt ist.8. Device according to one of the preceding claims, characterized marked, that the gap is filled with liquid medium.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Vorsprung aufweist. 9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a projection.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Licht leitende Bereiche an Seiten des Spalts dotiert sind.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that light-conducting regions are doped on sides of the gap.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mechanische Aussparungen aufweist, die so angeordnet sind, dass sie eine Änderung der Spaltweite erleichtern.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises mechanical recesses which are arranged so that they facilitate a change in the gap width.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Licht leitendes Material ein anisotropes Material ist.12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a light-conducting material is an anisotropic material.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie am Spalt eine Gitter-Matrix aufweist.13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it has a grid matrix at the gap.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Messspitze aufweist.14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a measuring tip.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Druckkammer aufweist.15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a pressure chamber.
16. Netzwerk mit mehreren Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da- durch gekennzeichnet, dass das Netzwerk in ein Bauteil integriert ist.16. Network with a plurality of devices according to one of claims 1 to 15, characterized in that the network is integrated into a component.
17. System mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens ein optomechanisches und/oder elektronisches und/oder photonisches und/oder elektromechanisches Element aufweist.17. System with a device according to one of claims 1 to 15, characterized in that it comprises at least one optomechanical and / or electronic and / or photonic and / or electromechanical element.
18. System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es eine emitterseitige Lichtquelle aufweist.18. System according to claim 17, characterized in that it comprises an emitter-side light source.
19. System nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass es einen kol- lektorseitigen Lichtsensor aufweist. 19. System according to claim 17 or 18, characterized in that it has a collector-side light sensor.
20. System nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Wandler aufweist.20. System according to any one of claims 17 to 19, characterized in that it comprises a transducer.
21. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung, nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst auf Grundlage eines Licht leitenden Materials ein Zwischenträger aufgebracht wird, dann eine weitere Schicht Licht leitenden Materials aufgebracht wird und schließlich ein Teil des Zwischenträgers wieder entfernt wird.21. A method for producing a device according to one of claims 1 to 15, characterized in that initially an intermediate carrier is applied based on a light-conducting material, then a further layer of light-conducting material is applied and finally a part of the intermediate carrier is removed again ,
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Licht leitendem Material eine lichtundurchlässige Schicht aufgebracht und teilweise wieder entfernt wird.22. The method according to claim 21, characterized in that applied between light-conducting material, an opaque layer and partially removed again.
23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass Material in einem nachgelagerten Schritt abgetragen wird.23. The method according to claim 21 or 22, characterized in that material is removed in a subsequent step.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Vorsprung angebracht wird.24. The method according to any one of claims 21 to 23, characterized in that at least one projection is attached.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt durch selektives Ätzen geätzt wird.25. The method according to any one of claims 21 to 24, characterized in that the gap is etched by selective etching.
26. Verfahren insbesondere nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt durch Aussparen einer mittleren Schicht im Bereich des Spalts und in einem nachgelagerten Schritt durch Bonden der Deckschicht gebil- det wird.26. Method in particular according to one of claims 21 to 25, characterized in that the gap is formed by cutting out a middle layer in the region of the gap and in a subsequent step by bonding the cover layer.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vorrichtungen als ein Stück produziert werden und dieses Stück dann in kleinere Stücke mit jeweils mindestens einer einzelnen Schaltung zerschnitten wird. 27. The method according to any one of claims 21 to 26, characterized in that a plurality of devices are produced as one piece and this piece is then cut into smaller pieces, each with at least a single circuit.
28. Verfahren zur Messung mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzphotonenstrom abgezweigt und gemessen wird. 28. A method of measuring with a device according to one of claims 1 to 15, characterized in that a reference photon current is branched off and measured.
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