Title:
Sensorelement
Kind Code:
B4


Abstract:

Sensorelement in Form einer Resonatoranordnung umfassend eine optische Faser (1) mit einem Kern (2), einem Mantel (3) und einer im Kern (2) geführten Mode sowie einen Resonator (4), wobei ein Durchgangsloch (5) oder Sackloch (7) neben dem lichtleitenden Faserkern im Bereich des evaneszenten Feldes der im Kern (2) der Faser (1) geführten Mode in die optische Faser (1) eingebracht ist, wobei die Oberfläche der Innenwandung des Durchgangslochs (5) oder des Sacklochs (7) mit einer dielektrischen Wellenleiterschicht (6) versehen ist, welche den Resonator (4) ausbildet, und das Durchgangsloch (5) oder das Sackloch (7) kreissymmetrisch sind. embedded image




Inventors:
Bartelt, Hartmut, Prof. Dr. rer. nat. (07751, Jena, DE)
Wieduwilt, Torsten (07749, Jena, DE)
Latka, Ines (07743, Jena, DE)
Hartung, Alexander, Dr. rer. nat. (07747, Jena, DE)
Dellith, Jan, Dr. Ing. (07749, Jena, DE)
Sivakov, Vladimir, Dr. rer. nat. (07751, Jena, DE)
Application Number:
DE102013011963A
Publication Date:
06/07/2018
Filing Date:
07/15/2013
Assignee:
Leibniz-Institut für Photonische Technologien e. V., 07745 (DE)
International Classes:



Foreign References:
200100546812001-12-27
200401206382004-06-24
201002840202010-11-11
WO1998044367A11998-10-08
Other References:
Florian Warken: Ultradünne Glasfasern als Werkzeug zur Kopplung von Licht und Materie. 2007, http://hss.ulb.uni-bonn.de/2007/1163/1163.htm [online].
Attorney, Agent or Firm:
Patent- und Rechtsanwaltskanzlei Bock Bieber Donath Partnerschaftsgesellschaft, 07745, Jena, DE
Claims:
Sensorelement in Form einer Resonatoranordnung umfassend eine optische Faser (1) mit einem Kern (2), einem Mantel (3) und einer im Kern (2) geführten Mode sowie einen Resonator (4), wobei ein Durchgangsloch (5) oder Sackloch (7) neben dem lichtleitenden Faserkern im Bereich des evaneszenten Feldes der im Kern (2) der Faser (1) geführten Mode in die optische Faser (1) eingebracht ist, wobei die Oberfläche der Innenwandung des Durchgangslochs (5) oder des Sacklochs (7) mit einer dielektrischen Wellenleiterschicht (6) versehen ist, welche den Resonator (4) ausbildet, und das Durchgangsloch (5) oder das Sackloch (7) kreissymmetrisch sind.

Sensorelement in Form einer Resonatoranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Faser (1) eine kreissymmetrische Faser oder eine D- Faser ist.

Sensorelement in Form einer Resonatoranordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiterschicht (6) homogen und mit konstanter Schichtdicke ausgeführt ist.

Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements gemäß einem oder mehrerer der voran stehenden Ansprüche 1 bis 4 bei dem mittels eines Mikrostrukturierungsverfahrens eine kreissymmetrische Bohrung in definiertem Abstand zum Faserkern einer optischen Faser im Bereich des evaneszenten Feldes der im Faserkern geführten Mode eingebracht wird und anschließend auf der Innenwandung des Durchgangslochs eine dielektrische Schicht, welche als Wellenleiterschicht fungiert, aufgebracht wird.

Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der homogen Wellenleiterschicht mit konstanter Schichtdicke auf der Innenwandung der Bohrung mittels der Atomlagenabscheidung oder über Diffusionsverfahren erfolgt.

Verfahren zur Herstellung eines Sensorelements gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikrostrukturierungsverfahren eine Femtosekundenlaser- Strukturierung oder Focused Ion Beam Milling ist.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement (Resonator) gemäß der Gattung der Patentansprüche für den Einsatz zur hochempfindlichen, Markerfreien Detektion biochemischer Wechselwirkungen für Anwendungen auf dem Gebiet der Biotechnologie, Pharmakologie und Biomedizin.

Seit geraumer Zeit sind bereits die verschiedensten miniaturisierten Sensoren für die unterschiedlichsten Anwendungen bekannt.

Bei ihrem Einsatz unterscheidet man dabei Sensoren, die auf Marker angewiesen sind und Sensoren, die Marker- frei arbeiten.

Miniaturisierte Sensoren für das Gebiet der Biotechnologie, Pharmakologie und Biomedizin, welche Marker- frei und hochempfindlich bis hin zur Detektion einzelner Moleküle arbeiten, sind bei der Anwendung zu bevorzugen, da das Anbringung von Markern an Moleküle (bspw. das Anbringen von Fluoreszenzmarkern an DNA-Molekülen) einen zeitlichen Aufwand erfordert und sich darüber hinaus bei der Markierung nicht ausschließen lässt, dass durch diese strukturelle sowie funktionelle Veränderungen an den markierten Molekülen hervorgerufen werden.

Zudem ermöglichen die markierten Molekülen in den meisten Fällen ihrer Anwendung keine unmittelbare Beobachtung biologischer Vorgänge in Echtzeit.

Die bekannteste markierungsfreie Detektionsmethode basiert auf dem Oberflächenplasmonresonanzprinzip.

Daneben sind auch markierungsfreie Detektionsmethoden bekannt, die auf hochempfindlichen Interferometerprinzipien (bspw. auf Basis von optischen Wellenleiterresonatoren) basieren.

Eine Methode des Einsatzes von Marker- freien, hochempfindlichen miniaturisierten Sensoren basiert auf dem Funktionsprinzip optischer „Whispering-Gallery“- Moden (sogenannte WGM-Resonatoren).

Unter „Whispering-Gallery“ (flüsternden Galeriewellen oder flüsternden Galeriemodi) versteht man eine Art von Wellen, die sich um eine konkave Oberfläche bewegen können. Ursprünglich wurde dieser Effekt für Schallwellen in der St. Pauls Kathedrale entdeckt. Er existiert aber auch für Licht und für andere Wellenarten und kann bspw. in der Lasertechnik eingesetzt werden.

Das aktuelle große Interesse an der WGM-Technik basiert neben der Möglichkeit einer labelfreien Detektion auch auf der Tatsache, dass sich die WGM's in verschiedenen Resonatorstrukturen und Materialien (wie bspw. SiO2 oder Si) anregen lassen und dabei eine hohe Auflösung gewährleisten.

Es gibt derzeit folgende aus der Literatur bekannte Formen von Resonatoren:

  • • Ringresonantor (Jeremy Witzens, Thomas Baehr-Johns and Michael Hochberg; Silicon photonics: On-chip OPOs; Nature Photonics 4; 10-12; 2013),
  • • Kugelresonator (Optische Mikroresonatoren, Fraunhofer IOF Jahresbericht 2007),
  • • Toroidresonator (D. J. Alton, N. P. Stern, Takao Aoki, H. Lee, E. Ostby, K. J. Vahala and H. J. Kimble; Strong interactions of single atoms and photons near a dielectric boundary; Nature Physics 7; 159; 2011),
  • • Kapillarresonator (Vanessa Zamora, Antonio Diez, Miguel V. Andres, Benito Gimeno; Refractive Index Sensor Based on Whispering Gallery Modes; Resonances of Thin Capillaries; Optical Communication (ECOC); 2007) und
  • • Ringresonator auf Basis einer zu einem Kreis oder Schleife gelegten Nanofaser (Xudong Fan, Ian M. White, Siyka I. Shopova, Hongying Zhu, Jonathan D. Suter and Yuze Sun; Sensitive optical biosensors for unlabeled targets; A review; Analytical chimica acta 620; 8 - 26; 2008).

Das Funktionsprinzip optischer „Whispering-Gallery‟- Moden wurde bspw. bereits erfolgreich zur Detektion von Viren eingesetzt [F. Vollmer, S. Arnold, D. Keng, „Single virus detection from the reactive shift of a whispering-gallery-mode“, PNAS 105, (2008) 20701-20704]:

Darüber hinaus ist auch bekannt, dass das Funktionsprinzip optischer „Whispering-Gallery‟- Moden auch zur Einzelmoleküldetektion angewendet werden kann [F. Vollmer, S. Arnold, Whispering-gallery-mode biosensing: labelfree detection down to single molecules, Nature methods 5, (2008) 591-596].

Zur Anregung von WGM's wird üblicherweise eine getaperte Lichtleitfaser verwendet, deren Durchmesser so stark verringert wurde, dass einerseits Phasenanpassung zwischen Resonator- und Fasermode vorliegt und andererseits der evaneszente Anteil der Fasermode außerhalb des Mantels signifikant ist. Der Durchmesser liegt dabei allgemein in der Größenordnung von 1 µm.

Bringt man den Fasertaper nah genug an die Resonatoroberfläche (Bereich unterhalb weniger 100 nm), können beide Moden über ihre evaneszenten Felder miteinander koppeln und Energie austauschen. Die Resonanzen des Resonators sind als Einbrüche im Transmissionsspektrum sichtbar. Kommt es zur Anlagerung einer polarisierbaren Substanz in Form eines Partikels oder einer Schicht, so führt dies zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz, welche gemessen werden kann.

Die Abmessung des Resonators, ob Kugel-, Toroid-, Ring- oder Kapillarresonator, liegt meist in der Größenordnung kleiner 100 µm.

Anhand der Abmessung (kleiner 100 µm) wird klar, dass es sich um sehr filigrane und mechanisch-empfindliche Messanordnungen handelt, welche aus praktischer Sicht wegen der mechanischen Empfindlichkeit (extrem zerbrechlich und wenig stabil) nur eingeschränkt anwendbar sind.

Die verschiedenen Resonatoranordnungen weisen dabei im Einzelnen folgende Nachteile auf:

  • Planare Resonatoranordnungen auf Basis einer Mikrokugel oder eines mittels Mikrostrukturierung hergestellten Toroids sind mechanisch sehr empfindlich, da für die Anregung/Detektion ein Lichtleitfasertaper benötigt wird, dessen Taillenbereich in einem Abstand unterhalb weniger 100 nm zum Resonator (Kugel bzw. Toroid) angeordnet werden muss. Wichtig für die Funktion ist, dass sich der Abstand zwischen den Wellenleitern nicht verändert. Für den Praxiseinsatz ist diese Forderung nur schwer erfüllbar, da kleinste mechanische Erschütterungen zu einer Änderung der Position der Komponenten zueinander führen. Darüber hinaus gestaltet sich die Integration dieser Anordnungen in ein Fluidiksystem schwierig.

Ringresonantoren besitzen den obengenannten Nachteil nicht, da alle Wellenleiterstrukturen (Ringwellenleiter und Wellenleiter zur Anregung und Detektion) auf einem Substrat angeordnet sind, wodurch sich ein definierter und lagestabiler Abstand zwischen den Wellenleitern erzielen lässt. Nachteil dieser Variante ist die optische Ankopplung zu Lichtquellen und Detektoren.

Bei den zuvor stehend genannten Varianten ist diese Kopplung dagegen unproblematisch, da viele kommerziell angebotenen Lichtquellen und Detektoren über einen Lichtleitfaseranschluss verfügen.

Die Ankopplung zur Lichtquelle und zum Detektor schränkt darüber hinaus den Grad der Miniaturisierbarkeit in Hinblick auf die Realisierung einer miniaturisierten Sensorsonde ein, was als weiterer Nachteil anzusehen ist. So sind Abmessung, wie sie sich mit einer einzelnen Singlemode-Lichtleitfaser erzielen lassen, mit dieser Art Ringresonator nicht erreichbar.

Wie bei den Kugel- und Toroidresonantoren ist auch bei den Kapillarresonatoren ein definierter und lagestabiler Abstand (im Bereich von Bruchteilen der Arbeitswellenlänge) zwischen dem Fasertaper und dem Resonator (hier in Form einer Mikrokapillare) zwingend notwendig.

Wenn auch nicht trivial, lässt sich diese Forderung, im Gegensatz zu den obengenannten Varianten, durch eine Einbettung der Komponenten (Fasertaper, Mikrokapillare) in ein Medium mit einer Brechzahl kleiner der effektiven Brechzahl des Fasertapers (< 1,4) erfüllen.

Als Nachteil dieser Variante ist die Verwendung der Mikrokapillare zu sehen. Aufgrund ihrer geometrischen Abmessungen (Durchmessern < 50 µm, Wandstärke < 1 µm) ist eine einfache Kopplung zu Standardfluidikkomponenten nicht möglich.

Ringresonatoren auf Basis einer zu einem Kreis oder Schleife gelegten Nanofaser sind ebenso wie die obengenannten Mikrokugel und Mikrotoroidanordnungen mechanisch sehr empfindlich. So ist für eine präzise Messung Voraussetzung, dass sich der Resonatorring in seiner Form und geometrischen Abmessung nicht verändert.

Um dies gewährleisten zu können, muss wie im Fall der Kapillarresonatoranordnungen der Resonator eingebettet werden (niedrigbrechendes Medium mit einer Brechzahl kleiner der effektiven Brechzahl der Nanofaser), was bei dieser Resonatorkonfiguration aber zum Verlust an Sensorempfindlichkeit führt. Die Integration in ein Fluidiksystem ist auch als schwierig anzusehen.

Die Publikation von Florian Warken: Ultradünne Glasfasern als Werkzeug zur Kopplung von Licht und Materie. 2007, im Internet unter http://hss.ulb.uni-bonn.de/2017/1163/1163.htm offenbart umfassende Angaben zur unterschiedlichen faseroptischen Mikroresonatoren, wie bspw. Resonatoranordnungen mit Lochstruktur [dabei handelt es sich um (periodische) Lochanordnungen (symmetrisch) im Kern einer optischen Faser zur Erreichung einer speziellen Reflexionseigenschaft] oder andere bekannte faseroptische Mikroresonatorkonzepte, insbesondere als Fabry-Perot-Resonatoren, die durch Bohrungen oder Schlitze (symmetrisch) im Kern einer optischen Faser realisiert werden, wobei allerdings keine Ringresonatoranordnungen oder Ringinterferometer beschrieben werden. Lediglich ein Ringinterferometer in Form eines massiven Glaskugel- oder Glaszylinder-Resonators wird offenbart.

Der Nachteil dieses Ringinterferometers besteht darin, dass er nicht in Fasersysteme integriert werden kann.

Die WO 98/ 44 367 A1 offenbart ein oder mehrere Photonenkristalle, welche direkt im Lichtweg im Innern einer optischen Faser gebildet werden. Das von dem Photonenkristall verarbeitete Licht kann mittels einer Linse aus der Faser übertragen werden oder es kann mit einer Photowiderstandsvorrichtung gemessen werden. Der Photonenkristall kann in einem grabenförmigen Einschnitt als eine Anordnung von dielektrischen Stäbchen gebildet werden und einen oder mehrere Defekte haben, oder der Kristall kann gebildet werden, indem Löcher direkt in der optischen Faser vorgesehen werden. Indem man die Zwischenräume zwischen den Stäbchen mit nichtlinearem optischem Werkstoff füllt und den Kristall einem sich verändernden, über Elektroden angelegten elektrischen Feld oder einer sich ändernden optischen Strahlung aussetzt, kann man einen abstimmbaren Photonenkristall im Innern einer optischen Faser herstellen. Aufgrund der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten von Photonenkristallen und nichtlinearen optischen Elementen sowie photoempfindlichen Vorrichtungen ist es möglich, mit dieser Technologie optische Messsysteme in dem grabenförmigen Einschnitt in der Faser zu verwirklichen.

Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht aber darin, dass kein Ringinterferometer im Innern einer optischen Faser gebildet werden kann.

Die US 2001 / 0 054 681 A1 offenbart eine optische Vorrichtung, die in einem vorbestimmten Abschnitt einer optischen Faser einen ersten funktionellen Teil mit einer Vielzahl von Faraday-Kristallsäulen, die parallel zueinander sind und fast senkrecht zu einer optischen Achse der optischen Faser durch einen Kern davon eindringen, und einen zweiten funktionellen Teil mit einer Vielzahl von Löchern, die parallel zueinander sind und fast senkrecht zu der optischen Achse der optischen Faser 1 durch den Kern davon eindringen, umfasst. Eine Längsrichtung der Faraday-Kristallsäulen und eine Längsrichtung der Löcher bilden einen Winkel von 45 Grad entlang einer Ebene senkrecht zur optischen Achse. So kann die optische Vorrichtung nur durch die Verarbeitung der Glasfaser realisiert werden.

Diese optische Vorrichtung bezieht sich auf ein optisches Gerät, wie einen Dispersionskompensator für polarisierte Wellen und die Wellenlänge einer optischen Faser, einen optischen Isolator, einen optischen Modulator und einen photonischen Sensor, der zur Detektion von Spannung oder elektrischem Strom verwendet wird.

Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht aber darin, dass kein Ringinterferometer im Innern einer optischen Faser gebildet werden kann.

Die US 2004/0 120 638 A1 offenbart einen abstimmbaren Filter mit einem Resonator mit einer Resonanzfrequenz, die von einem variablen Spalt abhängig ist. Der variable Spalt kann mit Hilfe eines Stellantriebes steuerbar verändert werden. Der Resonator ist ein Hoch-Q-Resonator, der von einem Ringresonator, einer Mikrokugel, einer Mikroscheibe oder anderen optischen Strukturen mit hoher Güte gebildet werden kann. Die Ansteuerung erfolgt vorzugsweise durch einen elektrostatischen Aktuator, der eine dielektrische Platte relativ zum Resonator in Abhängigkeit von den gemessenen Spalt- und Temperaturwerten bewegt.

Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht aber darin, dass kein Ringinterferometer im Innern einer optischen Faser gebildet werden kann.

Die US 2010 / 0 284 020 A1 offenbart einen Photonischen Kristallfasersensor zur Detektion von Kampfstoffen. Dieser Resonator bestehend aus einer zu einer Spule aufgewickelten Photonischen-Kristallfaser und einer Faser im definierten Abstand zur Photonischen-Kristallfaser.

Der Nachteil dieser technischen Lösung besteht aber darin, dass kein Ringinterferometer im Innern einer optischen Faser gebildet werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine technische Alternative für die bisherigen, extrem zerbrechlichen und wenig stabilen Resonatoren für die hochempfindliche, Marker- freie Detektion biochemischer Wechselwirkungen anzugeben, welche mechanisch wesentlich unempfindlicher ist als die derzeit bekannten Resonatoren (wie bspw. Kugel-, Toroid-, Ring- oder Kapillarresonator), einen hohen Grad an Miniaturisierung und eine einfache optische Kopplung zu Lichtquellen und Detektoren ermöglicht.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen in eine Lichtleitfaser integrierten Mikro-Ringsonator gemäß dem Patentanspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Ringsonators sind in den nachfolgenden Ansprüchen 2 und 3 aufgeführt.

Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikro-Ringsonators gemäß Anspruch 4 bereitgestellt, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens in den Ansprüchen 5 und 6 aufgeführt sind.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass ein Mikro-Ringsonator in Form eines mechanisch stabilen Mikro-Wellenleiterresonators in einer optischen Faser (Lichtleitfaser) ausgeführt ist.

Das bedeutet, der Resonator ist direkt in eine Lichtleitfaser integriert, wodurch bei gleicher Empfindlichkeit gegenüber vergleichbaren bekannten Resonatoren eine gute mechanische Stabilität garantiert wird.

Die Integration des Wellenleiterringresonators erfolgt dabei innerhalb einer konventionellen Lichtleitfaser mit Hilfe von hochauslösenden Strukturierungstechnologien (vorzugsweise Focused Ion Beam, FIB).

Die Integration des Wellenleiterresonators in einer Lichtleitfaser ermöglicht eine lagestabile Anordnung des Resonators in einem definierten Abstand zum Faserkern (somit definierte Koppelbedingungen), wobei die Faser als stabile Gesamtstruktur erhalten bleibt.

Dieses neue Sensorelement in Form einer Resonatoranordnung umfasst somit eine optische Faser mit Kern und einer im Kern geführten Mode sowie einen Resonator wobei ein Durchgangsloch oder ein Sackloch mit hoher Kreissysmmetrie und geringer Oberflächenrauigkeit im Bereich des evaneszenten Feldes der im Kern der Faser geführten Mode in die optische Faser eingebracht ist. Dabei ist die Oberfläche des Durchgangslochs oder des Sacklochs mit einer im Vergleich zum Fasermantel höherbrechenden dielektrischen Wellenleiterschicht versehen, welche den eigentlichen Resonator (Ringwellenleiter) innerhalb der Bohrung ausbildet. Die Wellenleiterschicht ist dabei homogen und vorzugsweise mit konstanter Schichtdicke ausgeführt.

Die wesentlichen Vorteile dieser technischen Lösung sind:

  • • Realisierung einer mechanisch stabilen Resonatoranordnung integriert innerhalb einer optischen Faser
  • • aufgrund der Verwendung einer Lichtleitfaser ist eine einfache optische Kopplung zu Lichtquellen und Detektoren gegeben
  • • die Anordnung zeigt einen hohen integrierten Miniaturisierungsgrad, dadurch Eignung als Sensorsonde für kleine Probenvolumina gegeben
  • • einfache Integrierbarkeit in ein Mikrofluidiksystem möglich

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

  • 1a: eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements / der erfindungsgemäßen Resonatoranordnung unter Verwendung einer kreissymetrischen Faser im Querschnitt,
  • 1b: eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements / der erfindungsgemäßen Resonatoranordnung unter Verwendung einer kreissymetrischen Faser im Querschnitt,
  • 2: eine 3-D-Darstellung der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements / der erfindungsgemäßen Resonatoranordnung gemäß 1b,
  • 3: die erste oder zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements / der erfindungsgemäßen Resonatoranordnung gemäß 1a oder 1b in der Draufsicht mit schematisch dargestellter Lichtführung,
  • 4a: eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements / der erfindungsgemäßen Resonatoranordnung unter Verwendung einer D- Faser im Querschnitt,
  • 4b: eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensorelements / der erfindungsgemäßen Resonatoranordnung unter Verwendung einer D- Faser im Querschnitt und

Die in den 1a, 1b und 2 (Verwendung einer kreissymetrischen Faser) sowie 4a und 4b dargestellten Sensorelemente in Form einer Resonatoranordnung umfassenen eine optische Faser (1) mit Kern (2) und Mantel (3) sowie einen Resonator (4), wobei ein Durchgangsloch (5) (siehe 1a) oder Sackloch (7) (siehe 1b) mit hoher Kreissysmmetrie und geringer Oberflächenrauigkeit im Bereich des evaneszenten Feldes der im Kern (2) der Faser (1) geführten Mode in die optische Faser (1) eingebracht ist.

Die Oberfläche des Durchgangslochs (5) oder des Sacklochs (7) ist dabei mit einer hochbrechenden dielektrischen Wellenleiterschicht (6) versehen, welche den Resonator (4) ausbildet.

Die 3 verdeutlicht beispielhaft und schematisch die Lichtführung in der zuvor stehend beschriebenen Resonatoranordnung (gemäß der 1a, 1b oder 2).

Besonders vorteilhaft ist die optische Faser (1), wie in den 4a und 4b dargestellt, in Form einer D- Faser ausgeführt.

Der Durchmesser des Durchgangsloches (5) oder Sacklochs (7) liegt vorteilhaft in einem Bereich von kleiner 60 µm. Die Oberflächenrauigkeit der Bohrlochwandung ist vorteilhaft klein.

Die Wellenleiterschicht (6) ist vorteilhaft homogen und mit konstanter Schichtdicke ausgeführt.

Die Herstellung dieser Resonatoranordnung erfolgt wie folgt:

  • Mittels eines Mikrostrukturierungsverfahrens (z.B. Femtosekundenlaser-Strukturierung oder Focused Ion Beam Milling) wird eine Durchgangsloch- oder Sacklochbohrung mit hoher Kreissysmmetrie und möglichst kleiner Oberflächenrauigkeit in definiertem Abstand zum Faserkern einer optischen Faser (im Bereich des evaneszenten Feldes der im Faserkern geführten Mode) eingebracht.
  • Der Durchmesser der Durchgangsloch- oder Sacklochbohrung wird dabei in einem Bereich von kleiner 60 µm hergestellt.

Auf der Innenwandung dieses Durchgangslochs wird anschließend eine hochbrechende dielektrische Schicht, welche als Wellenleiter fungiert, aufgebracht. Diese in das Durchgangsloch aufgebrachte Wellenleiterschicht stellt damit den eigentlichen Ringresonator dar.

Die Herstellung der Wellenleiterschicht erfolgt beispielsweise mittels des Verfahrens der Atomlagenabscheidung (ALD), kann aber auch beispielsweise über Diffusionsverfahren erzeugt werden. Damit kann sichergestellt werden, dass die Wellenleiterschicht homogen und mit konstanter Schichtdicke auf der Innenwandung der Bohrung erzeugt wird. Bei der ALD handelt es sich um ein richtungsunabhängiges Beschichtungsverfahren.

Hinsichtlich der Analytzugänglichkeit, der Funktionalisierung der Resonatorinnenwandung und Herstellung der Resonantorstruktur kann eine vorteilhafte Ausführungsform dadurch erreicht werden, dass statt der konventionellen kreissymmetrischen Standardfasern sogenannte D-Fasern verwendet werden (siehe 4a und 4b).

Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 -
optische Faser
2 -
Kern
3 -
Mantel
4 -
Resonator
5 -
Durchgangsloch
6 -
Wellenleiterschicht
7 -
Sackloch