Beschreibung

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zum Erzeugen eines Bereiches mit erhöhtem Brechungsindex und ein Substrat mit örtlich variablem Brechungsindex.

Bei der optischen Kopplung verschiedener Bauelemente spielen Lichtwellenleiter eine bedeutende Rolle. Lichtwellenleiter sind dadurch gekennzeichnet, dass sie einen im Ver- gleich zur Umgebung höheren optischen Brechungsindex auf ^¬ weisen, so dass Licht, wenn es sich entlang des Lichtwellenleiters ausbreitet, infolge der Totalreflexion innerhalb des Wellenleiters verbleibt. Da die Totalreflexion erst unterhalb eines Grenzwinkels auftritt, spielt neben den ver- wendeten Materialien auch die geometrische Ausgestaltung des Lichtwellenleiters eine große Rolle.

Insbesondere in der Optoelektronik werden häufig verschiedene Bauelemente, die sich auf einem Substrat befinden, mittels eines Lichtwellenleiters miteinander gekoppelt. Dazu wird beispielsweise zunächst durch ein Einfräsen oder durch ein Ausbilden von Ausnehmungen in dem Substrat die Lage des Lichtwellenleiters definiert. Anschließend werden in einem zweiten Arbeitsschritt die so gebildeten Kanäle mit Lichtwellenleitermaterial aufgefüllt (z.B. mit Harz) bzw. es werden Lichtwellenleiter in die Kanäle hineingelegt. Diese Herangehensweise ist beispielsweise in EP 0402797 oder in WO 01/98759 beschrieben. Ein Nachteil dieser Herangehensweise besteht darin, dass zur Ausbildung der Lichtwellenleiter in dem Substrat zwei Arbeitsschritte erforderlich sind:

1. Das Ausbilden von Kanälen innerhalb des Substrats und 2. das Einbringen von Lichtwellenleitern in die vorher gefertigten Kanäle.

Bei dieser Herangehensweise unterscheidet sich das Lichtwellenleitermaterial von Substratmaterial.

Um die geschilderte Herangehensweise zu vereinfachen, wurde in Z. Liu, N. Srisanit, X. Ke. P. Wu S. Song, J. J. Yang und M. R. Wang: "An azobenzene functionalized polymer for laser direct writing waveguide fabrication" Optical Communication 273 (2007) 94-98 als Substratmaterial ein spezielles Polymer vorgeschlagen, wobei der Lichtwellenleiter durch ein Laserschreiben in das Polymer erzeugt wird. Bekannt ist e- benfalls, PMMA (Polymethylmetacrylat, Plexiglas) als mögliches Polymer zu nutzen. Beim Laserschreiben werden jedoch die Polymere (z.B. PMMA) aufgeschäumt, so dass sich eine nicht-planare Oberflächentopographie bildet. Ein weiterer Nachteil ist, dass PMMA nur unzureichend biokompatibel und dass es für medizinische Wegewerfprodukte nur begrenzt einsetzbar ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, in einem biokompatiblen Substrat den Brechungsindex lokal mit einer vereinfachten Prozessierung zu ändern.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 oder ein Substrat nach Anspruch 7 gelöst.

Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass bei Verwendung von Polycarbonat als Substratmaterial Lichtwellenleiter innerhalb des Substrats mittels einer Bestrahlung des Substratmaterials erzeugt werden können. Dabei wird das Substrat entlang jener Region bestrahlt, in der ein Lichtwellenleiter ausgebildet werden soll. Das umgebende Substratmaterial wird dabei nicht oder nicht in dem Maße bestrahlt, wie es zur Erhöhung des Brechungsindexes erfor- derlich wäre. Daher weisen nur die (ausreichend) bestrahlten Regionen des Polycarbonats einen höheren Brechungsindex auf. Das hat zur Folge, dass die bestrahlte Region einen Lichtwellenleiter bildet, dessen Lage und Ausrichtung ein- fach durch die Bestrahlung beeinflusst werden kann. Ein Verfahren zum Erzeugen eines Lichtwellenleiters umfasst somit das Bereitstellen eines Substrats aus Polycarbonat und das Erzeugen des Lichtwellenleiters im Substrat durch eine Bestrahlung.

Zur Bestrahlung kann beispielsweise ein Laser genutzt werden, so dass Lichtwellenleiter auf einem eng fokussierten Bereich ausgebildet werden können. Laserstrahlung ist überdies vorteilhaft, da sie monochromatisches Licht aus- strahlt, die derart gewählt werden kann, dass die Ausbildung des Lichtwellenleiters innerhalb des Polycarbonats erleichtert wird. Ferner kann das Laserlicht beispielsweise hinsichtlich der Pulsfrequenz angepasst werden, so dass die eingestrahlte Energiemenge so gewählt ist, dass sich inner- halb des Polycarbonats ein Lichtwellenleiter herausbildet, der beispielsweise auch eine vorbestimmte Tiefe (gemessen von der bestrahlten Oberfläche) aufweist. Alternativ ist es möglich, beispielsweise unter Nutzung einer Maske das gesamte Substrat mit einer Licht- oder Strahlungsquelle zu bestrahlen, so dass die Maske die Lage des Lichtwellenleiters definiert.

Die Verwendung von Polycarbonat als Substratmaterial ist vorteilhaft, da es beispielsweise glasklar herstellbar ist und außerdem sehr dimensionsstabil und eine hohe Schlagzähigkeit aufweist. Daher werden Polycarbonate häufig dafür eingesetzt, um einerseits als Schutzschicht zu wirken und gleichzeitig lichtdurchlässig zu sein (z.B. für die Herstellung von CDs oder DVDs oder für die Herstellung von Mo- torradhelmen) . Polycarbonate weisen ferner unterhalb von 400 nm Wellenlänge für die genutzte Bestrahlung eine hohe Absorption auf, sind im sichtbaren Bereich jedoch zu 80-90% transparent. Oberhalb einer Wellenlänge von 1,4 μm ist e- benfalls eine erhöhte Absorption feststellbar, so dass bei ca. 2,4 μm die Transparenz nur noch ca. 30% betragt. Die Absorptionseigenschaft des Polycarbonats kann dazu genutzt werden, um eine strukturelle Umwandlung m einen Lichtwel- lenleiter zu erreichen. Daher kann zur Ausbildung des Lichtwellenleiters beispielsweise UV-Licht mit einer Wellenlange von unterhalb 450 nm oder unterhalb von 400 nm Wellenlange eingesetzt werden. Alternativ kann Infrarotstrahlung mit einer Wellenlange von oberhalb von 1 μm oder oberhalb von 7 μm genutzt werden.

Die Bestrahlung kann daher beispielsweise mittels eines UV- Lasers oder auch eines CO2-Lasers erfolgen. Gleichzeitig kann der Laser auch benutzt werden, um einen Kanal in dem Substrat auszubilden (z. B. durch Ablation) , indem Parameter des beispielhaften Lasers geändert werden. Weitere Aus- fuhrungsbeispiele nutzen daher den Synergieeffekt, dass durch eine Änderung der Bestrahlung (z.B. Variation der Laserparameter) zum einen ein Kanal selbst ausgebildet werden kann (durch Ablation von Substratmaterial) und zum anderen ein Wellenleiter m einem Oberflachenbereich ausgebildet wird.

Unter Ausnutzung dieses Synergieeffektes befassen sich Aus- fuhrungsbeispiele daher ebenfalls mit der Integration von mikrofluidischen Kanälen und optischen Wellenleitern innerhalb eines optischen Sensors (z.B. zum Detektieren von Ana- lytmolekulen) . Um beispielsweise die Wechselwirkung des Lichts mit einer großen Anzahl von Analytmolekulen in dem mikrofluidischen Kanal zu ermöglichen, wird der Fluidkanal in einer Querschnittsebene senkrecht zur Flussrichtung des Fluids von drei Seiten von Material mit erhöhtem Brechungsindex umgeben. Die hochbrechende Schicht fungiert somit als optischer Wellenleiter, so dass mit deren Hilfe das evanes- zente Feld des Lichts m Wechselwirkung mit den an (zumindest) drei Seiten des Fluidkanals immobilisierten Analytmolekulen gebracht werden kann. Zur Immobilisierung der Ana- lytmolekule kann beispielsweise eine Oberflachenbehandlung des Fluidkanals geschehen bzw. eine Oberflächenschicht ausgebildet werden.

Im Vergleich zu PMMA zeigt Polycarbonat bei der Bearbeitung mit einem Laser ein anderes Verhalten. Beispielsweise ist es möglich, mit einem UV-Laser die Ablation (=schlagartiges Verdampfen) zum Ausbilden von Vertiefungen und Gräben zu nutzen, wobei die Wände bei der Verwendung von Polycarbonat eine glatte Struktur aufweisen. Andererseits neigt PMMA viel stärker als Polycarbonat dazu, bei Laserbestrahlung Blasen zu bilden, so dass die Prozessführung zur Vermeidung solcher Blasen bei PMMA deutlich aufwendiger ist. Außerdem absorbiert PMMA erst bei Wellenlängen unterhalb von 300 nm. Ein wesentlicher Vorteil von Polycarbonat im Vergleich zu PMMA besteht jedoch in der Biokompatibilität und der guten Eignung für medizinische Wegwerf- oder Einwegprodukte. Im Gegensatz zu PMMA ist Polycarbonat daher hervorragend in der Medizintechnik einsetzbar und wird wegen der guten Biokompatibilität in zahlreichen medizinischen Einmalprodukten eingesetzt. Die Unterschiede zwischen Polycarbonat und PMMA liegen außerdem in den verschiedenen Materialkonstanten wie beispielsweise Absorptionskoeffizienten und Eindringtiefe bei der verwendeten Laserwellenlänge, Wärmeleistung, Wärmekapazität, Schmelzwärme und Verdampfungswärme des Materi- als. Dabei verhält sich jede Material-Wellenlänge- Kombination anders. Polycarbonat zeichnet sich ferner durch ein günstiges chemisches Verhalten gegenüber flüssigen, biologischen Proben aus und ist daher bevorzugt. Auch bei der Alterungsbeständigkeit, Witterungsbeständigkeit, der Schlagzähigkeit und der mechanischen Stabilität ist Polycarbonat gegenüber PMMA im Vorteil.

Weitere Vorteile von Ausführungsbeispielen lassen sich wie folgt zusammenfassen. Zum einen führt das direkte Schreiben von Wellenleitern zu einer sehr einfachen Prozessführung, da keine zusätzlichen Materialien auf oder in das Substrat eingebracht werden, um den Wellenleiter herzustellen. Letzteres geschieht beispielsweise bei den oben genannten kon- ventionellen Anordnungen, bei denen Wellenleiter in zuvor ausgebildete Kanäle eingelegt werden. Zum anderen kann der Wellenleiter ebenfalls durch Einwirkung des Schreiblasers aufgrund von Veränderungen des Brechungsindex des Substrat- materials entstehen. Vorteilhaft sind die dadurch mögliche berührungslose Bearbeitung des Substrats, sowie die Unabhängigkeit von speziellen Geometrien oder Topographien. So können dadurch beispielsweise Wellenleiter unter topographischen Strukturen hindurchgeführt werden oder sogar an schrägen Flächen hergestellt werden. Derartige Wellenleiter besitzen ein breites potenzielles Anwendungsspektrum, wie beispielsweise das optische Verbinden in Foliensystemen o- der Smart-Cards.

Ausführungsbeispiele nutzen ebenfalls die Synergie, die sich aus der Kombination der beiden oben beschriebenen Möglichkeiten, nämlich der Laserablation zur Herstellung von Kanälen und dem direkten Laserschreiben von Wellenleitern ergeben. Opto-fluidische Systeme können somit in einer ein- heitlichen Prozessierung hergestellt werden, wobei eine Lichtführung um eine Kanalstruktur herum möglich ist.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch ein Substrat aus Polycarbonat mit einem ausgebildeten Wellenleiter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch einen Fluidkanal für einen Biosensor gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 eine weitere Querschnittsansicht für eine Kombination von Wellenleiter und Fluidkanal gemäß Ausführungsbeispielen; Fig. 4 eine schematische Darstellung für die Einwirkung des evaneszenten Feldes auf immobilisierte Moleküle entlang der Kanalwände; und

Fig. 5 eine Querschnittsansicht für zwei übereinander angeordnete Kanalstrukturen.

Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibung dieser Funktionselemente in den verschiedenen Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar ist.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wie in einem Bereich 120 der Brechungsindex an einer Oberfläche 161 eines Substrats 160 lokal geändert werden kann. Dazu wird das Substrat 160 beispielsweise einer Strahlung 180 einer bestimm- ten Wellenlänge ausgesetzt. Beispielsweise kann eine UV- Bestrahlung z.B. mittels eines UV-Lasers zur Wellenleitererzeugung genutzt werden. Wenn das Substratmaterial geeignet gewählt ist, führt das dazu, dass in der bestrahlten Region durch Absorption der elektromagnetischen Energie der Brechungsindex des Substratmaterials sich ändert (z.B. erhöht) . Der Bereich 120 mit erhöhtem Brechungsindex kann beispielsweise einen Wellenleiter bilden und da die Änderung lediglich lokal in der bestrahlten Region passiert, wird der beispielhafte Wellenleiter 120 in der bestrahlten Region ausgebildet. Es wird keine extra Wellenleiterschicht aufgebracht - der Wellenleiter entsteht vielmehr aus dem Substratmaterial. Der Wellenleiter 120 wird durch die Bestrahlung 180 im Vergleich zum Substrat 160 ein optisch dichteres Medium, so dass der Übergangsbereich 126 eine Re- flexionsebene für Licht 130, das sich entlang des Wellenleiters 120 ausbreitet, darstellt. Um die Totalreflexion zu erreichen, wird der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung des Lichts und der Reflexionsebene 126 kleiner als der Grenzwinkel αθ, αl gewählt, wobei per Definition der Grenzwinkel αO, αl jenen maximalen Winkel bezeichnet, für den noch keine Brechung des Lichts 130 an der Grenzfläche auftritt (bei einem größeren Winkel wird ein Teil des Licht- Strahls an der Grenzfläche gebrochen) . Der Grenzwinkel hängt von der Änderung der Brechungsindices an der Grenzfläche ab, so dass der Grenzwinkel αl zwischen dem bestrahlten und unbestrahlten Polycarbonat i.A. verschieden sein wird von dem Grenzwinkel αO zwischen dem bestrahlten Polycarbonat und der Umgebung.

Zur Bestrahlung kann beispielsweise ein Laser verwendet werden, der beispielsweise ein UV-Licht mit einer Wellenlänge von ungefähr 355 nm ausstrahlt. Dieser Laser kann so- wohl zur Ablation und damit zur Ausbildung eines Kanals als auch zur Umwandlung des Oberflächenbereichs in einen Wellenleiter genutzt werden. Alternativ zu dem UV-Laser mit ca. 355 nm ist es ebenfalls möglich, ein CO ₂ -Laser mit einer Wellenlänge von ca. 10,6 μm zu verwenden, der ebenfalls den gewünschten Effekt liefert. Daher ist bei der Verwendung von Polycarbonat eine Bestrahlung mit Licht (oder allgemeinen einer elektromagnetischen Strahlung) in einem breiten Wellenlängenbereich möglich (von 200 nm bis beispielsweise 20 μm) . Um die Stoffeigenschaften zu ändern, ist die absorbierte Energiemenge wesentlich. Wenn diese einen bestimmten Schwellenwert übersteigt, funktioniert die Umwandlung in einen Wellenleiter innerhalb eines sehr breiten Frequenzspektrums. Daher kann in Abhängigkeit des Substratmaterials auch die genutzte Strahlung optimiert wer- den. Es ist ebenfalls möglich, den Wellenleiter in einem inneren Substratbereich (in der Tiefe des Substrats) zu erzeugen, beispielsweise durch sich kreuzende Strahlen oder durch eine Fokussierung im Inneren mit hoher numerischer Apertur .

Der Vorteil der beschriebenen Materialien, wie beispielsweise Polycarbonat oder PMMA besteht gerade darin, dass sie zum einen lichtdurchlässig sind und zum anderen ihren Bre- chungsindex bei einer geeignet gewählten Bestrahlung erhöhen. Wie in der Figur 1 gezeigt, kann dazu ein Oberflächenbereich 161 eines Substrats 160 entsprechend als Wellenleiter 120 umgewandelt werden.

Durch Wahl von optimalen Parametern wird die Bestrahlung optimiert, so dass bei der Laserbearbeitung entweder der Abtrag durch Ablation oder die Umwandlung im Brechungsindex ohne Abtrag bevorzugt werden kann. Als wählbarer Parameter des beispielhaften Lasers stehen dabei beispielsweise die Wellenlänge, die Pulsdauer, die Pulswiederholraten, die Pulsenergie oder mittels Fokussierung die Pulsenergiedichte, die mittlere Leistung und Leistungsdichte zur Verfügung. Auf Seiten der Materialparameter können die Absorpti- on, die Wärmeleitung, die Wärmekapazität, die Verdampfungswärme und die Effektivität für die Umwandlung des Brechungsindexes optimiert werden. Neben Polycarbonat können bei weiteren Ausführungsbeispielen weitere Kunststoffe verwendet werden. Prinzipiell ist jeder Kunststoff, der eine Veränderung des Brechungsindex bei Bestrahlung zeigt und für einen Wellenleiter ausreichend transparent ist, geeignet. Dieser Effekt ist ebenfalls für PMMA (Polymethylmetac- rylat, Plexiglas) bekannt, so dass alternativ auch PMMA als Substratmaterial verwendet werden kann.

Dieses Verfahren kann ebenfalls dazu benutzt werden, um beispielsweise optische Verbindungen für Foliensysteme oder für SmartCards oder für andere opto-elektronische Bauelemente herauszubilden. Das Verfahren kann aber ebenso für die Herstellung einer Lichtwellenleiteranordnung für die optische Kommunikation in Geräten der Informationsverarbeitung wie Computer, Telefone, Kameras und Multimediageräten benutzt werden. Die Lichtwellenleiter können parallel zu den elektrischen Leiterbahnen verlaufen. Ein bevorzugtes Material für SmartCards ist Polycarbonat.

Damit lassen sich folgende Ausführungsbeispiele realisieren. Zum Beispiel kann ein Lichtwellenleiter 120 zur opti- sehen Signalübertragung in einer Lage Polycarbonat, die beispielsweise in mehrlagigen Leiterplatten von elektronischen Geräten ausgebildet ist, erzeugt werden. Ebenso ist es möglich, den Lichtwellenleiter 120 für Informationsan- zeigen (z.B. Head-up-display) in Visieren von Schutzhelmen oder Brillengläsern zu nutzen, z.B. um den Träger zu informieren. Ausführungsbeispiele umfassen ebenfalls die Nutzung des Wellenleiters 120 auf 3-dimensional gestalteten Freiformflächen aus Polycarbonat.

Weitere Ausführungsbeispiele nutzen nicht die Wellenleitereigenschaft, sondern basieren auf der lokalen Änderung des Brechungsindexes. Zum Beispiel kann der Bereich 120 für phasenschiebende optische Elemente aus Polycarbonat genutzt werden (da sich die Phasengeschwindigkeit mit der Änderung des Brechungsindexes ebenfalls ändert) . Beispiele für solche Elemente sind Fresnellinsen und Phasenmasken. Optional kann der Bereich 120 (mit erhöhtem Brechungsindex) auch für 2-dimensionale Strichcodes (2D Barcode, Datamatrix) in oder auf einem transparenten Körper aus Polycarbonat verwendet werden. Diese Strichcodes lassen sich beispielsweise durch einfaches Laserschreiben auf dem Körper aus Polycarbonat erzeugen. Die Strichcodes können beispielsweise als Sicherheitsmerkmal und Schutz gegen Fälschungen dienen, wobei es hierbei von Nutzen ist, dass die Strichcodes nicht offensichtlich sind, sondern verborgen sind und nur durch eine spezielle Beleuchtung ausgelesen werden können. Schließlich können die Ausführungsbeispiele als Dekor an hochwertigen Flaschen und Designobjekten genutzt werden.

Die Erzeugung einer Lichtwellenleiteranordnung kann auch für einen optischen Sensor genutzt werden, was im folgenden anhand einer Reihe von Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden soll.

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen solchen optischen Sensor, der einen Kanal 110 mit gegenüber liegenden Seitenwänden 112a, 112b, die durch einen Boden 114 verbun- den sind, aufweist. Ferner ist ein Wellenleiter 120 entlang der gegenüberliegenden Seitenwände 112 und entlang des Bodens 114 ausgebildet, so dass Licht 130 beim Passieren des Wellenleiters 120 ein evaneszentes Feld 132 im Kanal 110 erzeugt. Moleküle 140 sind im Kanal 110 durch eine Wechselwirkung mit dem evaneszenten Feld 132 detektierbar . Die Moleküle 140 können beispielsweise in einem Medium 150 gelöst sein, wobei das Medium 150 beispielsweise ein Serum wie Blut oder eine andere organische Substanz umfassen kann. Alternativ kann das Medium 150 auch ein gasförmiger Stoff sein, so dass der optische Sensor beispielsweise Umweltanalysen durchführen kann. Im ersten Fall sind die zu detek- tierenden Moleküle 140 beispielsweise Analytmoleküle (oder spezielle Proteine) und im letzteren Fall umfassen die Mo- leküle beispielsweise Umweltverschmutzungen in der Luft, Gewässerproben oder in Abgasen/Abwässer von Industrieanlagen.

Da der Wellenleiter 120 den Kanal 110 großflächig um- schließt, können mit der gezeigten Geometrie eine größere Anzahl von Biomolekülen 140 mit dem Licht 130 wechselwirken. Im Vergleich zu konventionellen Sensoren, bei denen der Wellenleiter mit dem Kanal nur von einer Seite her Kontakt hat, ist damit die Detektionssensitivität erhöht.

Wie bereits beschrieben, kann eine derartige Struktur mit dem Kanal 110 und dem Wellenleiter 120 auch durch ein direktes Laserschreiben (beispielsweise in Polycarbonat ) realisiert werden. Dabei kommt es, ausgehend von einem plana- ren Substrat aus Polycarbonat, unter Bestrahlung (z.B. Einwirkung von ultraviolettem Laserlicht) sowohl zu einem Abtrag von Material und somit zum Ausbilden des Fluidkanals, als auch zu einer Erhöhung des Berechnungsindexes des PoIy- carbonats an der bearbeiteten Grenzschicht. Die Region mit erhöhtem Brechungsindex führt somit zur Ausbildung eines optischen Wellenleiters an der Grenzfläche zwischen Kanal und Substrat. Figur 3 zeigt ein Ausfuhrungsbeispiel für eine Kombination von Wellenleiter 120 und Fluidkanale 110 zu einem mikro- opto-fluidischen System, wobei die gezeigte Schnittansicht entlang eines Fluidkanals 110 dargestellt ist. Das mikro- opto-fluidische System weist ein Substrat 160 auf, in dem der Fluidkanal 110 als eine Ausnehmung ausgebildet ist und der Wellenleiter 120 den Fluidkanal 110 sowohl entlang des Bodens 114 als auch entlang der gegenüberliegenden Seiten- wande 112a, 112b begrenzt. Außerdem zeigt die Figur 3, dass der Fluidkanal 110 durch einen Deckel 170 geschlossen ist, so dass der Fluidkanal 110 einen Hohlraum bildet, in dem sich das Medium 150 mit den Molekülen 140 ausbreiten kann. Die Deckelung des Fluidkanals 110 kann beispielsweise durch eine plane Platte (z.B. Glasplatte) oder bei weiteren Aus- fuhrungsbeispielen auch mit Hilfe eines strukturierten Deckels, der einen weiteren Kanal- und/oder Wellenleiter enthalt, erfolgen.

Das Licht 130 wird beispielsweise über einen optischen Em- gang 131 m das mikro-fluidische System eingekoppelt und über einen optischen Ausgang 133 ausgekoppelt, wobei die Lichtzufuhrung/-abfuhrung mittels eines weiteren Wellenleiters (nicht gezeigt) geschehen kann. Das zugefuhrte Licht 130a gelangt dann entlang des Wellenleiters 120 zu dem Ka- nal 110, wobei sich in dem Kanal 110 das evaneszente Feld 132 entlang der Kanalwande 112 und des Bodens 114 herausbildet. Das evaneszente Feld 132 kann dann beispielsweise mit den Molekülen 140, die beispielsweise an der Kanalwand immobilisiert sind, wechselwirken, so dass das abgeführte Licht 130b eine andere Charakteristik aufweist als das zugefuhrte Licht 130a. Aus der Änderung zwischen dem zuge- fuhrten Licht 130a und dem abgeführten Licht 130b ist es möglich, eine Wechselwirkung mit den immobilisierten Molekülen 140 zu detektieren. Um die Lichtfuhrung entlang des Wellenleiters 120 zu erleichtern, können die gegenüberliegenden Seitenwande 112a, 112b schräg verlaufen, so dass sie keinen rechten Winkel mit dem Boden 114 bilden, sondern in einem spitzen Winkel (z.B. weniger als 45° oder weniger als 60°) zu diesem verlaufen. Damit wird es möglich, dass das Licht infolge der Totalreflexion von dem Boden 114 in die Seitenwand 112 geleitet wird. Dafür ist es vorteilhaft, wenn der Unterschied der Brechungsindices zwischen dem Sub- strat 160 und dem Wellenleiter 120 möglichst groß ist. Das Substrat 160 kann beispielsweise Polycarbonat oder PMMA aufweisen.

Die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes in das mikroflui- dische Medium ist abhängig von der Wellenlänge und dem Unterschied der Brechungsindices von Wellenleiter und Fluid. Typischerweise beträgt die Eindringtiefe einige 100 nm. Die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes ist damit etwas höher als die typische Dicke immobilisierter (biomolekularer) Sensorschichten, die beispielsweise einige 10 nm betragen.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird der Wellenleiter 120 dazu verwendet, im Fluidkanal 110 (vornehmlich nahe der Kanalwände) entstandenes Lumineszenzlicht 130c (Fluores- zenz- oder Phosphoreszenzlicht) in den Wellenleiter 120 einzukoppeln und zu einem Photodetektor (nicht gezeigt) zu transportieren. Die Einkopplung kann wiederum mit Hilfe des evaneszenten Feldes 132 geschehen. Auf diese Weise kann die Emission von Lumineszenzlicht von einem zu detektierenden Stoff gemessen werden. Um die Lumineszenz anzuregen, kann beispielsweise das Medium 150 durch eine externe Strahlungsquelle (nicht gezeigt) angeregt werden, wobei die Anregungsstrahlung beispielsweise eine andere Wellenlänge aufweist als die Lumineszenzstrahlung und somit herausge- filtert werden kann.

Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Fluidkanal 110 entlang der Schnittlinie 2-2', der von dem optischen Wellenleiter 120 umgeben ist. In dem Fluidkanal 110 sind zu detektierende Moleküle 142 (z. B. Analytmoleküle) in dem Fluid 150 gelöst. Entlang der Seitenwände 112 befinden sich die immobilisierten Analytmoleküle 140, die mit dem evaneszenten Feld 132 der Wellenleitermodi (die Normal- komponente bzgl. der Wellenleiteroberfläche) wechselwirken. Diese Wechselwirkung kann beispielsweise eine Absorption der evaneszenten Wellenleitermodi 132 umfassen und die dadurch verursachte „Leckrate" kann anhand des durchgeleite- ten Lichtes detektiert werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Lichtausbreitung beispielsweise senkrecht zur Zeichenebene (siehe Schnittlinie 2-2' in Fig. 3) .

Die besagte Änderung zwischen dem zugeführten Licht 130a und dem abgeführten Licht 130b infolge der Wechselwirkung des evaneszenten Feldes 132 mit den immobilisierten Molekülen 140 kann beispielsweise eine Farbänderung umfassen, wenn die immobilisierten Analytmoleküle 140 einen bestimm- ten Frequenzanteil des durchgeleiteten Lichtes 130 absorbieren. Im einfachsten Fall wird jedoch lediglich die Intensität des durchgeleiteten Lichtes 130 infolge der Absorption des evaneszenten Feldes sich ändern. Das durchgeleitete Licht 130 kann beispielsweise monochromatisches Licht, das durch einen Laser erzeugt wird, sein. Die Wellenlänge des genutzten Lichts kann dazu an die zu detektie- renden Moleküle 140 angepasst werden, so dass während des Betriebs auch Licht 130 unterschiedlicher Wellenlänge (nacheinander) zur Detektion unterschiedlicher Moleküle 140 genutzt werden kann.

Um die Analytmoleküle 140 an der Kanalwand 112 zu immobilisieren, kann optional eine Immobilisierungsschicht 240 (Sensorschicht) an der Kanalwand 112 und/oder Boden 114 ausgebildet sein. Die Immobilisierungsschicht 240 kann beispielsweise Reagenzien aufweisen, die sensitiv für bestimmte Analytmoleküle 140 sind, so dass diese bestimmten Analytmoleküle 140 bevorzugt an der Kanalwand 112 und/oder Boden 114 immobilisieren werden bzw. leicht andocken können. Durch diese Reaktion mit den Reagenzien können sich optische Eigenschaften der Immobilisierungsschicht 240 ändern, die dann gezielt mittels des evaneszenten Feldes 132 detektiert werden können. Damit ist es beispielsweise möglich, ganz gezielt die Sensitivität für bestimmte Analytmoleküle, die beispielsweise nur in einer sehr geringen Konzentration vorkommen, zu erhöhen. Die Immobilisierungsschicht 240 kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass die immobili- sierten Analytmoleküle 140 eine Schichtdicke aufweisen, die der Eindringtiefe des evaneszenten Feldes 132 in den Kanal 110 entspricht. Die Eindringtiefe des evaneszenten Feldes beträgt beispielsweise einige 100 nm. Um eine möglichst effiziente Durchdringung der immobilisierten Analytmoleküle 140 zu erreichen, kann die beschriebene Sensorschicht 240 beispielsweise eine Dicke d aufweisen von 10 nm oder in einem Bereich zwischen 1 nm und 100 nm oder zwischen 5 nm und 100 nm oder in einem Bereich zwischen 10 nm und 50 nm liegen. Die Ausdehnung des Kanals 110 senkrecht zur Flussrich- tung (= transversale Ausdehnung) des Fluids 150 kann beispielsweise so gewählt sein, dass das Fluid 150 infolge von Kapillarkräften in den Kanal 110 hineinströmt, z.B. kann die maximale transversale Ausdehnung weniger als 3 mm oder weniger als 1 mm betragen (oder < 50 μm, < 100 μm, < 500 μm sein) .

Entlang der Linie 3-3' kann beispielsweise der Deckel 170 aus der Fig. 3 oder eine Platte angeordnet werden. Alternativ kann der Deckel 170 strukturiert sein kann, so dass der Deckel 170 ebenfalls einen Lichtleiter an seiner dem Kanal 110 zugewandten Seite aufweist. Optional ist es jedoch e- benfalls möglich, zwei Kanalstrukturen, wie sie in der Figur 4 gezeigt sind, entlang der Linie 3-3' miteinander spiegelsymmetrisch zu verbinden.

Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem wie gesagt zwei Kanalstrukturen, wie sie in der Figur 4 gezeigt sind, entlang der Linie 3-3' miteinander verbunden wurden. Dementsprechend ist bei dem Ausführungsbeispiel in der Figur 5 der Kanal 110 einerseits durch einen ersten Lichtleiter 120a und auf der gegenüber liegenden Seite durch einen zweiten Lichtleiter 120b seitlich begrenzt. Der erste Lichtleiter 120a ist dabei in einem ersten Substrat 160a und der zweite Lichtleiter 120b in einem zweiten Substrat 160b ausgebildet. Das erste Substrat 160a weist dazu eine Ausnehmung auf, die Teil des Kanals 110a bildet und an dessen Oberfläche der erste Lichtleiter 120a ausgebildet ist, so dass der erste Lichtleiter 120a den ersten Kanalteil 110a begrenzt. In gleicher Weise weist das zweite Substrat 160b eine Ausnehmung auf, die den zweiten Teil des Kanals 110b bildet, wobei wiederum zwischen dem zweiten Teil des Kanals 110b und dem zweiten Substrat 160b der zweite Licht- leiter 120b ausgebildet ist. Der erste und zweite Teil des Kanals 110a, b werden zum Kanal 110 kombiniert, der beispielsweise rundum durch den Wellenleiter 120 (d.h. dem ersten und dem zweiten Lichtwellenleiter 120a, b) umrandet ist.

Die Lichtführung bei dem Ausführungsbeispiel, wie es in Figur 5 gezeigt ist, kann beispielsweise parallel zu der Flussrichtung in dem Kanal 110 erfolgen (z.B. senkrecht zur Zeichenebene) , wobei wiederum das Fluid 150 in dem Kanal 110 die Analytmoleküle 140 aufweist, die sich jetzt an Kanalwänden 112 beider Lichtleiter 120a, b niederschlagen können. Alternativ ist es ebenfalls möglich, die Lichtführung derart zu wählen, dass das Licht 130 sich senkrecht zur Flussrichtung in dem Kanal 110 ausbreitet. Dies kann bei- spielsweise dadurch erreicht werden, dass Zu- und Ableitungen für das Licht entlang der Linie 3-3' ausgebildet werden (wie beispielsweise in der Figur 1 gezeigt) .

Indem der Kanal 110 vollständig durch den Wellenleiter 120 umschlossen wird, wie es in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 der Fall ist, werden alle an den Kanaloberflächen immobilisierten Biomoleküle mit dem evaneszenten Feld in Kontakt kommen. Somit werden gleichzeitig die Wechselwirkungsmöglichkeiten mit den immobilisierten Analytmolekülen 140 entlang der Kanalwände 112 und damit die Sensitivität maximiert. Der Durchmesser des Kanals 110 bzw. die maximale Ausdehnung des Kanals 110 kann beispielsweise so klein gewählt werden, dass das evaneszente Feld 132 den Kanalquer- schnitt (in der Schnittebene der Fig. 4) vollkommen durchsetzt, so dass alle Analytmoleküle in dem Medium 150 mit dem evaneszenten Feld 132 in Wechselwirkung treten können. Um jedoch die vorteilhafte Wirkung des optischen Sensors zu erreichen, ist es häufig ausreichend, wenn nur die an der Kanalwand gebundenen Moleküle erfasst werden. Der Querschnitt des Kanals 110 kann beispielsweise oval oder ellip- senförmig, kreisförmig oder auch quadratisch oder rechteckig sein. Um jedoch eine effiziente Lichtführung mit mög- liehst wenig Verlusten (z.B. durch Streuungen in das Substrat 160) entlang des Wellenleiters 120 zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn der Wellenleiter 120 entlang der Lichtführung oder der Lichtausbreitung möglichst keine oder nur schwache Neigungen oder Krümmungen aufweist. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn die Lichtführung parallel zur Flussrichtung des Mediums 150 gewählt wird. Wie zuvor beschrieben, kann aus einem Vergleich des zugeleiteten Lichtes 130a und des abgeleiteten Lichtes 130b auf die Absorption des evaneszenten Feldes 132 geschlossen werden, wobei wiederum entweder Farbänderungen oder auch Intensitätsänderungen detektierbar sind.

Das erste und zweite Substrat 160a,b und der erste und zweite Lichtleiter 120a, b können beispielsweise ursprüng- lieh aus einem gleichen Material geformt sein, wobei der erste und zweite Lichtleiter 120a, b beispielsweise durch eine Laserbehandlung an der Oberfläche des Substrats 160 gebildet werden kann. Alternativ kann der Wellenleiter 120 auch durch eine Einstrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge (z.B. UV-Licht) erzeugt werden, wobei die Intensität und die Wellenlänge des genutzten Lichts so gewählt sind, dass der Brechungsindex des Materials sich in dem Einstrahlbereich ändert. Beispielsweise kann dieses Material Polycarbonat oder PMMA umfassen. Durch die Änderung des Brechungsindexes mittels Bestrahlung innerhalb der Wellenleiterregion 120 ändert das Material somit im Vergleich zum Substrat 160 sein optisches Verhalten. Um Verwechselungen auszuschließen, ist darauf hinzuweisen, dass das Licht in dem Wellenleiter 120 von der Bestrahlung zur Erzeugung des Wellenleiters 120 verschieden ist. Wahrend das erste im Allgemeinen im sichtbaren Spektralbereich liegen wird, wird die Bestrahlung m der Regel außerhalbe des sichtbaren Spektralbereichs liegen. Auch in der genutzten Intensität werden sich beide elektromagnetische Wellen unterscheiden.

Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lassen sich somit wie folgt zusammenfassen. Sie umfassen die Herstel- lung eines Wellenleiters 120 in einem Substrat 160 durch Bestrahlung, wobei das Substrat 160 beispielsweise Polycar- bonat aufweist. Dieses Verfahren kann beispielsweise für die Herstellung eines optischen Sensors mit einem Kanal 110, der zumindest teilweise mit einem optischen Wellenlei- ter 120 umhüllt ist, genutzt werden. Der optische Sensor kann optional mit an der Oberflache 112 immobilisierten biologischen oder chemischen Molekülen eine Veränderung des Lichts im angrenzenden Wellenleiter 120 bewirken. Bei weiteren Ausfuhrungsbeispielen erfolgt die Veränderung des Lichts 130 im Wellenleiter 120 durch eine Absorption des evaneszenten Feldes 132 des Wellenleiters 120 oder durch eine Emkopplung von Fluoreszenzlicht in den Welleleiter. Der optische Sensor ist dabei ausgebildet, um entweder die Absorption des evaneszenten Feldes 132 oder aber das einge- koppelte Fluoreszenzlicht 130c m den Wellenleiter 120 zu detektieren. Bei weiteren Ausfuhrungsbeispielen wird der Sensor für die Detektion von chemischen oder biologischen Stoffen m einem flussigen oder gasformigen Fluid 150 verwendet. Weitere Ausfuhrungsbeispiele umfassen ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung des Sensors mittels eines Lasers oder mittels UV-Licht.

Da das Medium 150 entweder flussig oder gasformig ist, sind ebenfalls Verunreinigungen beispielsweise m der Luft oder m Abgasen oder m Abwassern feststellbar. Der Sensor ist daher für die Messung der Luftverschmutzung innerhalb von Stadtgebieten nutzbar. Andere Bestandteile wie beispielsweise Pollen können ebenfalls in der Luft detektiert wer- den. Ebenso ist es möglich, den Sensor für biologische Untersuchungen zu nutzen, um beispielsweise spezielle Analyt- moleküle oder Proteine, die einen Hinweis auf bestimmte Krankheiten liefern können (z.B. Marker) in hoher Präzision zu messen.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird die Strukturierung des Kanals nicht durch einen Laser durchgeführt, sondern beispielsweise durch eine Kombination von diesen Prozessen mit anderen Prozessen wie beispielsweise eine lokale Dotierung des Substratmaterials zur Erzeugung von Wellenleitern. Alternativ können die Kanäle auch mittels Heissprägen oder Fräsen ausgebildet werden. In diesen Kanälen kann beispielsweise eine höher brechende Schicht als Wellenleiter abgeschieden werden. Ein Vorteil der Ausführungsbeispiele, welche ein Laserschreiben nutzen, ist jedoch die Erzeugung von Kanälen für mikrofluidische Anwendungen, bei denen der mikrofluide vorteilhafte Kanalquerschnitt abgerundete Ecken aufweist .