Direkte Einkopplung von Licht in einen planaren Dünnfilm-Wellenleiter

Wellenleiterbasierte Biochips bieten als Einwegprodukte eine Vielzahl von Möglichkeiten, doch verhältnismäßig hohe Herstellungskosten machen ihren Einsatz oft unökonomisch. Den größten Kostenfaktor macht dabei die Strukturierung des Chips aus, mit der ein effektives Einkoppeln des Laserlichts erreicht wird. Ein neuartiger Koppler macht es möglich, Licht auch in Chips ohne Strukturierung einzukoppeln.

Problemstellung

Planare Dünnschichtwellenleiter sind mittlerweile zu unverzichtbaren Hilfsmitteln in verschiedensten Gebieten wie z.B. der Telekommunikationstechnik, der Biosensorik und der Materialcharakterisierung geworden. In der Biosensorik lassen sich mit ihnen beispielsweise Farbstoffmoleküle effizient anregen und Änderungen in der Oberflächenbelegung äußerst genau verfolgen. Ein entscheidender Punkt bei der Verwendung von wellenleiterbasierten Biochips ist die Einkopplung des Laserstrahls in den Wellenleiter. Bedingt durch die geringe Schichtdicke und aufgrund des hohen Brechungsindex ist eine Einkopplung über die Endfläche des Wellenleiters oder eine Prismenkopplung nicht realisierbar.
Die bisher einzige praktikable Methode ist die Lichteinkopplung über sogenannte Gitterkoppler, d.h. Gitter mit Perioden im sub-Mikrometer Bereich, die mit einem Ätzprozess in den Wellenleiter strukturiert werden. Dieses Gitter ist für einen Großteil aller zur Herstellung des Chips verwendeten Kosten verantwortlich. Da Biochips im Allgemeinen Einwegartikel sind, ist eine Kostenreduktion hier sehr interessant.

Funktionsprinzip der Evaneszenzfeldmikroskopie: Das Licht eines Lasers wird über eine Gitterstruktur in einen Objektträger eingekoppelt. Das Evaneszenzfeld regt optische Übergänge in Molekülen an, die auf der Oberfläche dieses Trägers sitzen. (Quelle: Fricke-Begemann)

Unsere Lösung

Bei dem hier präsentierten Koppler wird das Gitter zum Einkoppeln des Lichtes nicht erst auf dem Chip einstrukturiert, sondern schon auf der Lichtzuleitung. Dazu wird das Licht einer lichtführenden Faser mit Hilfe einer GRIN-Linse aufgeweitet und kollimiert. Die zweite Endfläche dieser Linse ist in Form eines Gitters strukturiert, welches bei entsprechender Nähe zur eigentlichen Wellenleiteroberfläche die zur Kopplung notwendige Modulation des Brechungsindex in diesem Wellenleiter induziert.

Zur Einstellung des Koppelwinkels kann die strukturierte Endfläche unter einem definierten Winkel angeschliffen werden. Zur Kollimierung kann eine GRIN-Linse, eine Stablinse oder - bei vorheriger Kollimierung - ein einfacher Glas- oder Quarzzylinder verwendet werden.

Vorteile

  • deutlich verringerte Kosten bei der Produktion eines Biochips
  • größere Flexibilität bei der Herstellung der Chipoberfläche, da das Gitter kein begrenzender Faktor mehr ist
  • kostengünstige Herstellung von Probenträgern für TIRF-Mikroskope (Interne Totalreflexionsfluoreszenz)

Mit der Verwendung von Wellenleitern als Probenträger kann zudem auf beliebigen (auch einfachen, entsprechend nachgerüsteten) Mikroskopen eine Evaneszenzfeld-Anregung durchgeführt werden. Hochspezialisierte TIRF-Mikroskope und spezielle Objektive sind nicht mehr erforderlich.

Anwendungsbereiche

  • Biochips
  • Evaneszenzfeld-Untersuchungen
  • Materialuntersuchungen
  • Probenträger für die interne Totalreflexionfluoreszenz-Mikroskopie (TIRFM)

Entwicklungsstand

Um  die erreichbare Koppeleffizienz abschätzen zu können, wurden Simulationen durchgeführt, mit denen gezeigt werden konnte, dass bei gegebener Kopplungslänge prinzipiell Effizienzen von bis zu 40% erzielt werden können.
Zu einer ersten experimentellen Realisierung wurde die Endfläche einer GRIN-Linse mit einem Gitter der Periode 500 nm strukturiert. In Kontakt mit dem Wellenleiter konnte so bereits eine Einkoppeleffizienz von 13.4% nachgewiesen werden.

Patentsituation

Deutsches Patent: DE102010029612 (B4)
Patentanmelder: Laser-Laboratorium Göttingen e.V.

Kontakt

Dr. Ireneusz Iwanowski
Patentmanager (Physik, Technik und Software)
E-Mail: iiwanowski(at)sciencebridge.de
Tel.: +49 (0) 551 30 724 153
Referenz: CPA-1293-LLG
www.sciencebridge.de

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