DE102015224079A1

DE102015224079A1 - Light-conducting device, measuring system and method for producing a light-conducting device

Info

Publication number: DE102015224079A1
Application number: DE102015224079.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Schreivogel; Marc Schmid; Philipp Elmlinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lichtleitvorrichtung (100) zum Leiten eines Lichtstrahls (110) zwischen einer Lichtquelle und einer Messeinheit zum Messen einer Gas- oder Stoffkonzentration. Die Lichtleitvorrichtung (100) umfasst eine Trägerschicht (102) und einen auf der Trägerschicht (102) angeordneten oder anordenbaren Lichtleiter (104), der zumindest einen der Lichtquelle zugewandt angeordneten oder anordenbaren Einkoppelabschnitt (108) zum Einkoppeln des Lichtstrahls (110) und mindestens einen der Messeinheit zugewandt angeordneten oder anordenbaren Auskoppelabschnitt (112) zum Auskoppeln des Lichtstrahls (110) aufweist und ausgebildet ist, um den Lichtstrahl (110) durch Totalreflexion an einer Grenzfläche zu einem den Lichtleiter (104) umgebenden Medium, das eine kleinere Brechzahl als der Lichtleiter (104) aufweist, zwischen dem Einkoppelabschnitt (108) und dem Auskoppelabschnitt (112) zu leiten. Des Weiteren weist die Lichtleitvorrichtung (100) eine zumindest abschnittsweise zwischen dem Lichtleiter (104) und der Trägerschicht (102) angeordnete Reflexionsschicht (106) zum Reflektieren des Lichtstrahls (110) auf.The invention relates to a light guide device (100) for guiding a light beam (110) between a light source and a measuring unit for measuring a gas or substance concentration. The light-guiding device (100) comprises a carrier layer (102) and a light conductor (104) arranged or arrangeable on the carrier layer (102) and comprising at least one coupling section (108) for coupling the light beam (110) facing the light source and at least one the coupling unit (112) facing the measuring unit arranged and arranged for coupling the light beam (110) and is adapted to the light beam (110) by total reflection at an interface to a medium surrounding the light guide (104), which has a smaller refractive index than the light guide (104), to conduct between the coupling-in section (108) and the decoupling section (112). Furthermore, the light-guiding device (100) has a reflection layer (106) arranged at least in sections between the light guide (104) and the carrier layer (102) for reflecting the light beam (110).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.

Herkömmliche Wellenleitersysteme bestehen in der Regel aus einem festen dielektrischen Kern, der von allen Seiten von einem festen dielektrischen Mantelmaterial mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist.Conventional waveguide systems typically consist of a solid dielectric core surrounded on all sides by a lower refractive index solid dielectric cladding material.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Lichtleitvorrichtung, ein Messsystem, ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung, weiterhin eine Vorrichtung, die dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, with the approach presented here, a light-guiding device, a measuring system, a method for producing a light-conducting device, furthermore a device which uses this method, and finally a corresponding computer program according to the main claims are presented. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.

Es wird eine Lichtleitvorrichtung zum Leiten eines Lichtstrahls zwischen einer Lichtquelle und einer Messeinheit zum Messen einer Gas- oder Stoffkonzentration vorgestellt, wobei die Lichtleitvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine Trägerschicht;
einen auf der Trägerschicht angeordneten oder anordenbaren Lichtleiter, der zumindest einen gegenüber der Lichtquelle angeordneten oder anordenbaren Einkoppelabschnitt zum Einkoppeln des Lichtstrahls und einen gegenüber der Messeinheit angeordneten oder anordenbaren Auskoppelabschnitt zum Auskoppeln des Lichtstrahls aufweist und ausgebildet ist, um den Lichtstrahl durch Totalreflexion an einer Grenzfläche zu einem den Lichtleiter umgebenden Medium, das eine kleinere Brechzahl als der Lichtleiter aufweist, zwischen dem Einkoppelabschnitt und dem Auskoppelabschnitt zu leiten; und
eine zumindest abschnittsweise zwischen dem Lichtleiter und der Trägerschicht angeordnete Reflexionsschicht zum Reflektieren des Lichtstrahls.A light-guiding device for guiding a light beam between a light source and a measuring unit for measuring a gas or substance concentration is presented, wherein the light-guiding device has the following features:
a carrier layer;
a arranged on the support layer or can be arranged optical fiber having at least one arranged opposite the light source or can be arranged Einkoppeleln for coupling the light beam and a comparison with the measuring unit arranged or arranged Auskoppelabschnitt for coupling the light beam and is adapted to the light beam by total reflection at an interface to guide a medium surrounding the light guide, which has a smaller refractive index than the light guide, between the coupling-in section and the coupling-out section; and
an at least partially arranged between the light guide and the carrier layer reflection layer for reflecting the light beam.

Unter einer Messeinheit kann beispielsweise eine Messzelle, ein Messdetektor oder ein Referenzdetektor verstanden werden. Bei dem Medium kann es sich um Fluide oder ein Fluid wie ein Gas oder Gasgemisch wie etwa Luft, oder auch um eine Flüssigkeit wie etwa Öl handeln. Denkbar ist jedoch auch, dass es sich bei dem Medium um einen festen Stoff handeln kann. Unter einer Trägerschicht kann ein Substrat verstanden werden, auf dem der Lichtleiter mittels der Reflexionsschicht befestigt werden kann. Beispielsweise kann es sich bei der Trägerschicht um eine Halbleiterplatte wie etwa einen Siliziumwafer handeln. Auch kann die Trägerschicht einzelne Erhebungen, beispielsweise in der Form von „Bumps“ aufweisen. Unter einem Lichtleiter kann ein transparentes Bauteil, etwa in Form eines geraden, gekrümmten oder verzweigten Stabs oder Balkens, verstanden werden. Die Lichtleitung kann dabei durch Reflexion an einer Grenzfläche des Lichtleiters erreicht werden, insbesondere durch Totalreflexion des Lichtstrahls aufgrund eines kleineren Brechungsindex des den Lichtleiter umgebenden Mediums. Bei der Lichtquelle kann es sich beispielsweise um eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode handeln. Je nach Ausführungsform kann die Lichtquelle direkt auf den Einkoppelabschnitt aufgebracht sein. Insbesondere kann die Lichtquelle hierbei kleiner als der Einkoppelabschnitt ausgeführt sein. Unter einem Ein- oder Auskoppelabschnitt kann ein Abschnitt einer Oberfläche des Lichtleiters, insbesondere beispielsweise eine Querschnittsfläche des Lichtleiters, verstanden werden. Die Querschnittsfläche kann etwa rechteckig oder hexagonal sein. Um Verunreinigungen und daraus resultierende Messfehler zu vermeiden, kann der Lichtleiter beispielsweise in einem mit dem Medium befüllten oder befüllbaren und fluiddicht verschließbaren Gehäuse angeordnet oder anordenbar sein. Unter einer Reflexionsschicht kann eine Schicht zum Verspiegeln der Grenzfläche zwischen der Trägerschicht und dem Lichtleiter verstanden werden.By a measuring unit, for example, a measuring cell, a measuring detector or a reference detector can be understood. The medium can be fluids or a fluid such as a gas or gas mixture such as air, or even a liquid such as oil. However, it is also conceivable that the medium can be a solid substance. A carrier layer can be understood as meaning a substrate on which the light guide can be fastened by means of the reflection layer. For example, the carrier layer may be a semiconductor plate, such as a silicon wafer. Also, the carrier layer may have individual elevations, for example in the form of "bumps". An optical waveguide can be understood to mean a transparent component, for example in the form of a straight, curved or branched rod or beam. The light pipe can be achieved by reflection at an interface of the light guide, in particular by total reflection of the light beam due to a smaller refractive index of the medium surrounding the light guide. The light source may be, for example, a light emitting diode or a laser diode. Depending on the embodiment, the light source can be applied directly to the coupling-in section. In particular, the light source can be made smaller than the coupling-in section. A coupling-in or coupling-out section can be understood as meaning a section of a surface of the light guide, in particular, for example, a cross-sectional surface of the light guide. The cross-sectional area may be approximately rectangular or hexagonal. In order to avoid contamination and resulting measurement errors, the light guide can be arranged or arranged, for example, in a filled or filled with the medium and fluid-tight sealable housing. A reflection layer can be understood as meaning a layer for mirroring the interface between the carrier layer and the light guide.

Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein mantelloser Lichtleiter mittels einer Reflexionsschicht auf einer Trägerschicht fixiert werden kann, sodass ein Großteil einer Oberfläche des Lichtleiters Kontakt mit einem eine Grenzfläche mit dem Lichtleiter bildenden Medium hat. Dadurch kann mit verhältnismäßig geringem Fertigungsaufwand ein kompaktes, robustes und verlustarmes Lichtleitersystem realisiert werden.The approach described here is based on the finding that a sheathless optical waveguide can be fixed on a carrier layer by means of a reflection layer so that a majority of a surface of the optical waveguide makes contact with a medium forming an interface with the optical waveguide. As a result, a compact, robust and low-loss light guide system can be realized with relatively little manufacturing effort.

Eine derartige Lichtleitvorrichtung bietet den Vorteil einer einfachen Integration optischer Komponenten wie beispielsweise von Krümmungen, Modenmischern, Splittern und Y-Kopplern. Durch eine entsprechend dicke Kernschicht des Lichtleiters kann insbesondere im Zusammenhang mit sogenanntem Butt Coupling, aber auch beim Einkoppeln kollimierten Lichts aufgrund des hohen Brechzahlunterschieds zwischen Medium und Lichtleiter ein großer Akzeptanzwinkel und somit eine effiziente Lichteinkopplung erreicht werden.Such a light guiding device offers the advantage of easy integration of optical components such as bends, mode mixers, splitters and Y-couplers. By means of a correspondingly thick core layer of the optical waveguide, in particular in connection with so-called butt coupling, but also during the coupling of collimated light, a large acceptance angle and thus an efficient light coupling can be achieved due to the high refractive index difference between the medium and the light guide.

Vorteilhafterweise kann eine derartige Lichtleitvorrichtung eine hohe Transmission für Lichtstrahlen im UV-Bereich von 200 nm bis 300 nm aufweisen und zudem solarisationsbeständig sein. Somit eignet sich die Lichtleitvorrichtung gut zur Anwendung in der Absorptionsspektroskopie, insbesondere in der UV-Absorptionsspektroskopie zur optischen Detektion von (Ab-)Gasen wie etwa Stickoxiden (NO, NO₂) und Schwefeloxiden (SO₂) sowie von Ammoniak (NH₃) oder Ozon (O₃).Advantageously, such a light-guiding device can have a high transmission for light beams in the UV range from 200 nm to 300 nm and, in addition, can be resistant to solarization. Thus, the light guide is well suited for use in absorption spectroscopy, in particular in UV absorption spectroscopy for the optical detection of (off) gases such as nitrogen oxides (NO, NO ₂ ) and sulfur oxides (SO ₂ ) and of ammonia (NH ₃ ) or ozone (O ₃ ).

Der Lichtleiter kann beispielsweise als Glaskernlichtleiter mit Luft-Vakuum-Mantel realisiert sein. Der Vorteil eines derartigen lichtleitenden Systems besteht darin, dass möglichst viel Licht eingekoppelt und geführt werden kann, wobei gleichzeitig Elemente wie Koppler ermöglicht werden. Weiterhin ist vorteilhaft, dass die Lichtleitvorrichtung ohne Linsen auskommt und miniaturisierbar ist. The light guide may be realized, for example, as a glass core light guide with an air-vacuum jacket. The advantage of such a light-conducting system is that as much light as possible can be coupled in and guided, at the same time enabling elements such as couplers. Furthermore, it is advantageous that the light guide device requires no lenses and can be miniaturized.

Dadurch können zum einen die Herstellungskosten gesenkt werden; zum anderen kann dadurch die Herstellung vereinfacht und die Robustheit erhöht werden. Beispielsweise können bei einer miniaturisierten und somit entsprechend kompakten Lichtleitvorrichtung externe optische Elemente wie Spiegel oder Linsen entfallen, womit der Justageaufwand und somit die Herstellungskosten deutlich reduziert werden können.As a result, on the one hand, the production costs can be reduced; On the other hand, this can simplify the production and increase the robustness. For example, in a miniaturized and thus correspondingly compact optical fiber device, external optical elements such as mirrors or lenses can be omitted, whereby the adjustment effort and thus the production costs can be significantly reduced.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Reflexionsschicht eine kleinere Brechzahl als der Lichtleiter aufweisen. Dadurch kann der Lichtstrahl an einer Grenzfläche zwischen Lichtleiter und Reflexionsschicht totalreflektiert werden.According to one embodiment, the reflection layer may have a smaller refractive index than the light guide. As a result, the light beam can be totally reflected at an interface between the light guide and the reflection layer.

Es ist vorteilhaft, wenn der Lichtleiter einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Hierbei kann die Reflexionsschicht zumindest abschnittsweise zwischen der Trägerschicht und einer der Trägerschicht zugewandten Seite des Lichtleiters angeordnet sein. Zumindest eine weitere Seite des Lichtleiters kann freiliegend sein. Ein derartiger Lichtleiter lässt sich besonders einfach herstellen und bearbeiten.It is advantageous if the light guide has a rectangular cross-section. In this case, the reflection layer can be arranged at least in sections between the carrier layer and a side of the light guide facing the carrier layer. At least one other side of the light guide may be exposed. Such a light guide is particularly easy to manufacture and edit.

Die Trägerschicht kann zumindest im Bereich der Reflexionsschicht strukturiert sein. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Reflexionsschicht strukturiert sein. Beispielsweise kann die Reflexionsschicht eine Mehrzahl von Aussparungen aufweisen, die sich je nach Ausführungsform beispielsweise quer oder parallel zur Längsachse des Lichtleiters erstrecken können. Dadurch kann die Grenzfläche zwischen dem Lichtleiter und der Trägerschicht vergrößert werden.The carrier layer can be structured at least in the region of the reflection layer. Additionally or alternatively, the reflection layer can also be structured. By way of example, the reflection layer can have a plurality of recesses which, depending on the embodiment, can extend, for example, transversely or parallel to the longitudinal axis of the light guide. Thereby, the interface between the light guide and the support layer can be increased.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Reflexionsschicht als Teil der Trägerschicht realisiert sein. Dadurch kann die Fertigung der Lichtleitvorrichtung vereinfacht werden.According to a further embodiment, the reflection layer can be realized as part of the carrier layer. As a result, the production of the light-guiding device can be simplified.

Es ist vorteilhaft, wenn der Einkoppelabschnitt durch eine Querschnittsfläche eines ersten Endes des Lichtleiters und der Auskoppelabschnitt durch eine Querschnittsfläche eines zweiten Endes des Lichtleiters gebildet ist. Beispielsweise kann der Lichtleiter als Balken mit rechteckigem oder hexagonalem Querschnitt und entsprechenden Querschnittsflächen als Ein- bzw. Auskoppelabschnitt gefertigt sein. Auch durch diese Ausführungsform lässt sich der Lichtleiter sehr einfach herstellen. Durch Aufbringen der Lichtquelle auf den Einkoppelausschnitt kann zudem auf die Verwendung zusätzlicher optischer Elemente zum Einkoppeln des Lichtstrahls in den Lichtleiter verzichtet werden.It is advantageous if the coupling-in section is formed by a cross-sectional area of a first end of the optical waveguide and the decoupling section is formed by a cross-sectional area of a second end of the optical waveguide. For example, the optical waveguide can be made as a beam with a rectangular or hexagonal cross-section and corresponding cross-sectional areas as an input or outcoupling section. Also by this embodiment, the light guide can be produced very easily. By applying the light source to the coupling-in section, it is also possible to dispense with the use of additional optical elements for coupling the light beam into the light guide.

Des Weiteren kann der Lichtleiter an zumindest einer Verzweigungsstelle zumindest einen Lichtleiterast zum Umlenken und/oder Teilen eines über den Einkoppelabschnitt oder den Auskoppelabschnitt eingekoppelten Lichtstrahls in zumindest zwei Teilstrahlen aufweisen. Bei dem Lichtleiterast kann es sich beispielsweise um einen mit einem den Ein- und Auskoppelabschnitt aufweisenden Hauptast verbundenen Nebenast des Lichtleiters handeln. Hierbei kann der Lichtleiterast je nach Ausführungsform beispielsweise rechtwinklig oder spitzwinklig am Hauptast angeordnet sein. Analog zum Hauptast kann auch der Lichtleiterast einen entsprechenden Auskoppelabschnitt zum Auskoppeln eines der beiden Teilstrahlen aufweisen. Durch diese Ausführungsform kann der Lichtstrahl gleichzeitig in unterschiedliche Richtungen gelenkt werden. Insbesondere kann der Lichtleiter beispielsweise als Y-förmiger Koppler bzw. Splitter realisiert sein. Beispielsweise kann der Lichtleiterast ausgebildet sein, um einen der beiden Teilstrahlen zwischen dem Einkoppelabschnitt und einem dem Auskoppelabschnitt des Lichtleiterasts zugewandt angeordneten oder anordenbaren Referenzdetektor zu leiten.Furthermore, the optical waveguide can have at least one waveguide branch at at least one branching point for diverting and / or dividing a light beam coupled in via the coupling-in section or the coupling-out section into at least two partial beams. The optical fiber branch may be, for example, a secondary branch of the optical fiber connected to a main branch having the input and output coupling section. In this case, depending on the embodiment, the optical fiber branch can be arranged, for example, at right angles or at an acute angle to the main branch. Analogous to the main branch, the optical fiber branch can also have a corresponding outcoupling section for decoupling one of the two partial beams. By this embodiment, the light beam can be directed simultaneously in different directions. In particular, the light guide can be realized for example as a Y-shaped coupler or splitter. For example, the optical fiber branch can be designed to guide one of the two partial beams between the coupling-in section and a reference detector arranged facing or disposable facing the coupling-out section of the optical fiber.

Vorteilhafterweise kann der Lichtleiter aus Glas oder einem Polymer oder einer Kombination aus beiden Materialien gefertigt sein. Für Anwendungen im tiefen UV-Wellenlängenbereich kann der Lichtleiter vorteilshafterweise aus Quarz, Saphir oder transparenten Silikonen gefertigt sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Trägerschicht aus Silizium gefertigt sein. Optional kann die Reflexionsschicht aus einem Metall gefertigt sein. Durch diese Ausführungsform können Lichtverluste beim Leiten des Lichtstrahls durch den Lichtleiter minimiert werden. Advantageously, the light guide may be made of glass or a polymer or a combination of both materials. For applications in the deep UV wavelength range, the light guide may advantageously be made of quartz, sapphire or transparent silicones. Additionally or alternatively, the carrier layer may be made of silicon. Optionally, the reflective layer may be made of a metal. By this embodiment, light losses when passing the light beam through the light guide can be minimized.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann es von Vorteil sein, eine Temperaturregeleinheit zur aktiven und/oder passiven Kühlung und/oder Heizung der Lichtquelle und/oder des Lichtleiters und/oder der Messeinheit vorzusehen. Das heißt, mit anderen Worten, dass die Lichtquelle und/oder den Lichtleiter und/oder an den Lichtleiter angeschlossene Messeinheiten, wie z. B. Photodetektoren oder eine Absorptionsmesszelle, an aktive und/oder passive Temperaturregler bzw. Kühlelemente gekoppelt werden. Ein solcher Temperaturregler kann z. B. durch ein Peltier-Element realisiert werden. Eine solche Vorrichtung kann insbesondere in der Absorptionsspektroskopie von Abgasen von Vorteil sein, um die Funktion von temperaturempfindlichen Elementen, wie z. B. LEDs oder Photodetektoren, in Umgebungen mit hoher Wärmeentwicklung bzw. starker Temperaturschwankungen, wie z. B. im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren, zu gewährleisten. Ferner kann durch die Regelung der Temperatur von Elementen wie Fotodetektoren, welche beispielsweise an unterschiedlichen Lichtleiterästen angebracht und unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sein können, die gleiche bzw. eine konstante spektrale Empfindlichkeit sichergestellt werden und damit die Temperaturabhängigkeit eliminiert bzw. reduziert werden. According to a further embodiment, it may be advantageous to provide a temperature control unit for active and / or passive cooling and / or heating of the light source and / or the light guide and / or the measuring unit. That is, in other words, that the light source and / or the light guide and / or connected to the light guide measuring units, such as. As photodetectors or an absorption cell, are coupled to active and / or passive temperature controller or cooling elements. Such a temperature controller can, for. B. be realized by a Peltier element. Such a device can be used in particular in the Absorption spectroscopy of exhaust gases to be advantageous to the function of temperature-sensitive elements such. As LEDs or photodetectors, in environments with high heat generation or strong temperature fluctuations, such. B. in the exhaust system of internal combustion engines to ensure. Furthermore, by controlling the temperature of elements such as photodetectors, which may for example be attached to different light guide branches and exposed to different temperatures, the same or a constant spectral sensitivity can be ensured and thus the temperature dependence can be eliminated or reduced.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Lichtleitvorrichtung zumindest einen auf der Trägerschicht angeordneten oder anordenbaren weiteren Lichtleiter aufweisen. Der weitere Lichtleiter kann zumindest einen einer weiteren Lichtquelle zugewandt angeordneten oder anordenbaren weiteren Einkoppelabschnitt zum Einkoppeln eines weiteren Lichtstrahls und einen weiteren Auskoppelabschnitt zum Auskoppeln des weiteren Lichtstrahls und/oder eines Teils des Lichtstrahls aufweisen und ausgebildet sein, um den weiteren Lichtstrahl durch Totalreflexion an einer Grenzfläche zu einem den weiteren Lichtleiter umgebenden Medium, das eine kleinere Brechzahl als der weitere Lichtleiter aufweist, zwischen dem weiteren Einkoppelabschnitt und dem weiteren Auskoppelabschnitt zu leiten. Zwischen dem weiteren Lichtleiter und der Trägerschicht kann zumindest abschnittsweise eine weitere Reflexionsschicht zum Reflektieren des weiteren Lichtstrahls angeordnet sein. Durch diese Ausführungsform können mehrere Lichtleiter auf ein und derselben Trägerschicht miteinander kombiniert werden.According to a further embodiment, the light-guiding device may have at least one further light guide arranged or arrangeable on the carrier layer. The further optical waveguide can have at least one further launching section arranged or arrangeable for another light source for coupling in another light beam and a further coupling-out section for decoupling the further light beam and / or part of the light beam and designed to form the further light beam by total reflection at an interface to guide a medium surrounding the further light guide, which has a smaller refractive index than the further light guide, between the further coupling-in section and the further coupling-out section. Between the further optical waveguide and the carrier layer, a further reflection layer for reflecting the further light beam may be arranged at least in sections. By this embodiment, a plurality of optical fibers can be combined on one and the same carrier layer.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Messsystem mit folgenden Merkmalen:
einer Lichtleitvorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen;
einer Lichtquelle, die dem Einkoppelabschnitt des Lichtleiters zugewandt angeordnet ist; und
einer Messeinheit zum Messen einer Gas- oder Stoffkonzentration, wobei die Messeinheit dem Auskoppelabschnitt des Lichtleiters zugewandt angeordnet ist.The approach presented here also provides a measuring system with the following features:
a light guide device according to one of the preceding embodiments;
a light source which is arranged facing the coupling-in section of the light guide; and
a measuring unit for measuring a gas or substance concentration, wherein the measuring unit is arranged facing the coupling-out section of the light guide.

Die Lichtquelle bzw. ein Licht emittierendes Element braucht nicht zwingend gegenüber dem Einkoppelabschnitt (in der Form von parallelen Ebenen) angeordnet sein. Es können auch z. B. Umlenkspiegel oder optische Gitter verwendet werden, sodass die emittierende Fläche und der Lichtleiter horizontal verbaut werden können. Entsprechend muss auch die Messeinheit nicht gegenüber dem Auskoppelabschnitt angeordnet sein.The light source or a light-emitting element does not necessarily have to be arranged opposite the coupling-in section (in the form of parallel planes). It can also z. As deflecting mirrors or optical grating are used so that the emitting surface and the light guide can be installed horizontally. Accordingly, the measuring unit does not have to be arranged opposite the decoupling section.

Des Weiteren schafft der hier beschriebene Ansatz ein Verfahren zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung gemäß einer der vorstehenden Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Formen des Lichtleiters durch Bearbeiten eines Substrats aus einem lichtleitenden Material;
zumindest abschnittsweises Aufbringen der Reflexionsschicht auf den Lichtleiter und/oder die Trägerschicht; und
Zusammenfügen der Trägerschicht und des Lichtleiters, wobei die Reflexionsschicht zwischen der Trägerschicht und dem Lichtleiter angeordnet wird.Furthermore, the approach described here provides a method for producing a light guide device according to one of the preceding embodiments, wherein the method comprises the following steps:
Forming the optical fiber by processing a substrate of a photoconductive material;
at least partially applying the reflection layer to the light guide and / or the carrier layer; and
Assembling the carrier layer and the optical waveguide, wherein the reflective layer is arranged between the carrier layer and the optical waveguide.

Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. The approach presented here also creates a device that is designed to perform the steps of a variant of a method presented here in appropriate facilities to drive or implement. Also by this embodiment of the invention in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.

Hierzu kann die Vorrichtung zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann. For this purpose, the device may comprise at least one computing unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the sensor Actuator and / or at least one communication interface for reading or outputting data embedded in a communication protocol. The arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit may be a flash memory, an EPROM or a magnetic memory unit. The communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output to a corresponding data transmission line.

Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The device may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In a hardware-based training, for example, the interfaces can be part of a so-called System ASICs, which includes a variety of functions of the device. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch die Vorrichtung eine Steuerung eines Verfahrens zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung. Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise auf Sensorsignale wie Positionssignale oder Lagesignale von Komponenten zugreifen, aus denen die Lichtleitvorrichtung hergestellt werden soll. Die Ansteuerung von Einheiten der Vorrichtung erfolgt über Aktoren wie beispielsweise Elektromotoren, die Spritzdüsen zum Extrudieren des Lichtleiters oder die Roboterarme antreiben, um die Reflexionsschicht auf den Lichtleiter und/oder die Trägerschicht aufzubringen oder die Trägerschicht und den Lichtleiter zusammenzufügen. Hierbei können die Einheiten Teil einer Fertigungsstraße für optische Komponenten sein. Auch kann der Lichtleitvorrichtung ganz oder teilweise mit Technologien der Mikrosystemtechnik, insbesondere Lithografie, Abscheideprozesse wie z. B. PECVD, LPCVD oder Sputtern, nass- und/oder trockenchemisches Ätzen hergestellt werden.In an advantageous embodiment, the device is used to control a method for producing a light-guiding device. For this purpose, the device can access, for example, sensor signals such as position signals or position signals of components from which the light-guiding device is to be manufactured. The actuation of units of the device takes place via actuators, such as electric motors, which drive spray nozzles for extruding the light guide or the robot arms in order to apply the reflection layer to the light guide and / or the carrier layer or to join the carrier layer and the light guide together. In this case, the units can be part of a production line for optical components. Also, the light guide can wholly or partially with microsystem technology, in particular lithography, deposition processes such. As PECVD, LPCVD or sputtering, wet and / or dry chemical etching can be produced.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and for carrying out, implementing and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is used, especially when the program product or program is executed on a computer or a device.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:

1 eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 a schematic representation of a light guide device according to an embodiment;

2 eine schematische Darstellung eines Lichtleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel; 2 a schematic representation of a light guide according to an embodiment;

3 eine schematische Darstellung eines Dünnschichtlichtleiters; 3 a schematic representation of a thin film light guide;

4 eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; 4 a schematic representation of a light guide device according to an embodiment;

5 eine schematische Darstellung eines Messsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel; 5 a schematic representation of a measuring system according to an embodiment;

6 eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel im nicht zusammengefügten Zustand; 6 a schematic representation of a light guide device according to an embodiment in the unassembled state;

7 eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel im nicht zusammengefügten Zustand; 7 a schematic representation of a light guide device according to an embodiment in the unassembled state;

8 eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel im nicht zusammengefügten Zustand; 8th a schematic representation of a light guide device according to an embodiment in the unassembled state;

9 eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel im zusammengefügten Zustand; 9 a schematic representation of a light guide device according to an embodiment in the assembled state;

10 eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung mit strukturiertem Lichtleiter gemäß einem Ausführungsbeispiel; 10 a schematic representation of a light guide device with structured light guide according to an embodiment;

11 eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung mit strukturiertem Lichtleiter gemäß einem Ausführungsbeispiel; 11 a schematic representation of a light guide device with structured light guide according to an embodiment;

12 eine Draufsicht auf einen Lichtleiter aus 10; 12 a plan view of a light guide 10 ;

13 eine Draufsicht auf einen Lichtleiter aus 11; 13 a plan view of a light guide 11 ;

14 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und 14 a flowchart of a method for producing a light guide device according to an embodiment; and

15 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. 15 a block diagram of an apparatus for producing a light guide device according to an embodiment.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Lichtleitvorrichtung 100 umfasst eine Trägerschicht 102, auf der ein Lichtleiter 104 aufgebracht ist. Zwischen einer der Trägerschicht 102 zugewandten Seite des Lichtleiters 104 und der Trägerschicht 102 ist eine Reflexionsschicht 106 angeordnet, die den Lichtleiter 104 mit der Trägerschicht 102 verbindet. Der Lichtleiter 104, in 1 beispielhaft mit einem rechteckigen Querschnitt ausgeführt, weist einen Einkoppelausschnitt 108 zum Einkoppeln eines von einer hier nicht gezeigten Lichtquelle ausgesandten Lichtstrahls 110 sowie einen Auskoppelabschnitt 112 zum Auskoppeln des Lichtstrahls 110 auf. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Einkoppelausschnitt 108 durch eine Querschnittsfläche eines ersten Endes des Lichtleiters 104 und der Auskoppelabschnitt 112 durch eine Querschnittsfläche eines zweiten Endes des Lichtleiters 104 gebildet. Der Lichtleiter 104 ist ausgebildet, um den Lichtstrahl 110 durch Totalreflexion an einer Grenzfläche zwischen dem Lichtleiter 104 und einem den Lichtleiter 104 umgebenden Medium, das hier ein Fluid ist, insbesondere einem Gas oder Gasgemisch, vom Einkoppelausschnitt 108 zum Auskoppelabschnitt 112 zu lenken. Hierzu weist das Fluid eine kleinere Brechzahl als das Material des Lichtleiters 104 auf. Der Lichtstrahl 110 wird dabei an der Reflexionsschicht 106 reflektiert. Wie in 1 zu erkennen, ist die Reflexionsschicht 106 lediglich auf der der Trägerschicht 102 zugewandten Seite des Lichtleiters 104 angeordnet, während die drei übrigen Seiten des Lichtleiters 104 freiliegen und somit Kontakt mit dem Fluid haben. 1 shows a schematic representation of a light-guiding device 100 according to an embodiment. The light-guiding device 100 comprises a carrier layer 102 on which a light guide 104 is applied. Between one of the carrier layer 102 facing side of the light guide 104 and the carrier layer 102 is a reflection layer 106 arranged the the light guide 104 with the carrier layer 102 combines. The light guide 104 , in 1 executed by way of example with a rectangular cross-section, has a Einkoppelausschnitt 108 to the Coupling a light beam emitted by a light source, not shown here 110 and a decoupling section 112 for decoupling the light beam 110 on. According to this embodiment, the Einkoppelausschnitt 108 by a cross-sectional area of a first end of the optical fiber 104 and the decoupling section 112 by a cross-sectional area of a second end of the optical fiber 104 educated. The light guide 104 is trained to the light beam 110 by total reflection at an interface between the light guide 104 and one the light guide 104 surrounding medium, which is a fluid here, in particular a gas or gas mixture, from the coupling-in section 108 to Auskoppelabschnitt 112 to steer. For this purpose, the fluid has a smaller refractive index than the material of the light guide 104 on. The light beam 110 is doing at the reflection layer 106 reflected. As in 1 to recognize, is the reflection layer 106 only on the carrier layer 102 facing side of the light guide 104 arranged while the three remaining sides of the light guide 104 be exposed and thus have contact with the fluid.

Beispielsweise ist der Lichtleiter 104 mit einem Luft-Vakuum-Mantel und einer reflektierenden Unterschicht als Reflexionsschicht 106 realisiert, wodurch ein hoher Akzeptanzwinkel erreicht werden kann.For example, the light guide 104 with an air-vacuum jacket and a reflective underlayer as a reflective layer 106 realized, whereby a high acceptance angle can be achieved.

Herkömmliche Lichtleiter wie beispielsweise Glasfasern oder Wellenleiter bestehen in der Regel aus einem Kern (Core) und einem Mantel (Cladding), wobei die auf Totalreflexionen basierende lichtführende Wirkung dadurch entsteht, dass der Kern einen höheren Brechungsindex als der Mantel aufweist. Conventional optical fibers such as glass fibers or waveguides usually consist of a core and a cladding, wherein the light-reflecting effect based on total reflections arises because the core has a higher refractive index than the cladding.

In der Telekommunikation können die Brechungsindexunterschiede sehr gering ausfallen, etwa kleiner als 0,05. Je größer dieser Indexunterschied ist, desto größer ist die numerische Apertur und damit der maximale Einkoppelwinkel, auch Akzeptanzwinkel genannt. Bei hohem Indexunterschied kann demnach mehr Licht in den Lichtleiter gekoppelt und durch den Lichtleiter geleitet werden.In telecommunications, the refractive index differences can be very small, about less than 0.05. The larger this index difference, the larger the numerical aperture and thus the maximum coupling angle, also called the acceptance angle. With a high index difference, therefore, more light can be coupled into the light guide and passed through the light guide.

Für Sensoranwendungen, etwa für die Absorptionsspektroskopie, ist es zum Durchführen von Referenzmessungen erforderlich, den von einer Lichtquelle ausgehenden Lichtstrang zu teilen und gleichzeitig möglichst viel Licht zur sensitiven Einheit zu leiten. Die Teilung kann beispielsweise mithilfe planarer Lichtleiterstrukturen, etwa mithilfe von Y-Kopplern oder Y-Splittern, erreicht werden. Für serientaugliche Anwendungen eignen sich insbesondere miniaturisierte und kompakte Systeme ohne externe optische Elemente wie Spiegel oder Linsen, da somit ein hoher Justageaufwand und hohe Kosten vermieden werden können.For sensor applications, such as for absorption spectroscopy, it is necessary to make reference measurements to divide the light beam emanating from a light source and to simultaneously direct as much light as possible to the sensitive unit. The division can be achieved, for example, by means of planar optical waveguide structures, for example using Y couplers or Y splitters. Miniaturized and compact systems without external optical elements such as mirrors or lenses are particularly suitable for applications suitable for series production, since a high adjustment effort and high costs can thus be avoided.

Für die Verwendung in kompakten und kostenkritischen Produkten werden beispielsweise LEDs als Lichtquelle eingesetzt. Bei Verwendung von LEDs kann der in den Lichtleiter 104 eingekoppelte Lichtanteil aufgrund der räumlich breiten Abstrahlcharakteristik begrenzt sein. Ein typisches Einkoppelverfahren ist Butt Coupling, bei dem die Endfacette des Lichtleiters 104 direkt auf der flächigen Seite des LED-Chips platziert wird. Denkbar ist, dass der LED-Chip hier beispielsweise an dem Lichtleiter 104 aufgeklebt ist oder auch dass ein Luftspalt zwischen dem LED-Chip und dem Lichtleiter 104 besteht. Je größer die Lichtleiterquerschnittsfläche im Vergleich zur LED-Fläche ist, desto weniger Licht geht verloren, wie in den 2 und 3 zu erkennen.For use in compact and cost-critical products, for example, LEDs are used as the light source. When using LEDs, the in the light guide 104 coupled-in light fraction due to the spatially broad radiation characteristic to be limited. A typical coupling method is butt coupling, in which the end facet of the light guide 104 is placed directly on the flat side of the LED chip. It is conceivable that the LED chip here, for example, on the light guide 104 is glued or even that an air gap between the LED chip and the light guide 104 consists. The larger the optical fiber cross-sectional area compared to the LED surface, the less light is lost, as in the 2 and 3 to recognize.

Mit herkömmlichen planaren Lichtleitern kann aufgrund typischer Schichtdicken von wenigen Mikrometern und aufgrund der typischen Dimensionen von LED-Chips im Bereich mehrerer Hundert Mikrometer ohne zusätzliche fokussierende Elemente relativ wenig Licht eingekoppelt werden. Zur Einkopplung von Licht in Dünnschichtlichtleiter wird deshalb meist auf Linsensysteme oder geeignete Einkoppeltechniken wie etwa das Einkoppeln über Beugungsgitter zurückgegriffen. Solche Gitter weisen beispielsweise eine Einkoppeleffizienz von etwa 17 Prozent bei Verwendung einer roten LED bis etwa 33 Prozent bei Verwendung einer blauen LED auf. Dabei wird das Licht jedoch nicht gerichtet in eine Richtung des Lichtleiters, sondern radial in alle Richtungen in der Ebene des Lichtleiters gekoppelt, was die Effizienz bei der Einkopplung in einen typischen gerichteten Lichtleiter verringern kann.With conventional planar light guides, relatively little light can be coupled in because of typical layer thicknesses of a few micrometers and due to the typical dimensions of LED chips in the range of several hundred micrometers without additional focusing elements. For coupling light into thin-film light guides, it is therefore usually the case that lens systems or suitable coupling-in techniques, such as coupling via diffraction gratings, are used. For example, such grids have a coupling efficiency of about 17 percent when using a red LED to about 33 percent when using a blue LED. However, the light is not directed in a direction of the optical fiber, but is coupled radially in all directions in the plane of the optical fiber, which can reduce the efficiency of coupling into a typical directional optical fiber.

Im Vergleich zu Dünnschichtlichtleitern können Glasfasern aufgrund ihrer größeren Schichtdicke von etwa 50 µm bis 500 µm im Kern mehr Licht aufnehmen. Allerdings eignen sich herkömmliche Glasfasern aufgrund ihres Biegeradius im Zentimeterbereich weniger für kompakte Anwendungen. Aufgrund ihres verhältnismäßig geringen Brechzahlunterschieds zwischen Kern und Mantel weisen sie zudem einen verhältnismäßig geringen Akzeptanzwinkel auf.In comparison to thin-film light guides, glass fibers can absorb more light in the core due to their greater layer thickness of about 50 μm to 500 μm. However, conventional glass fibers are less suitable for compact applications due to their bending radius in the centimeter range. Due to their relatively low refractive index difference between core and cladding, they also have a relatively low acceptance angle.

Demgegenüber ermöglicht die Lichtleitvorrichtung 100 die Realisierung eines kompakten und robusten Lichtleitersystems mit minimalen Lichtverlusten, wodurch wiederum die Integration optischer Komponenten wie etwa von Krümmungen, Splittern oder Kopplern ermöglicht wird. Zudem kann mittels der Lichtleitvorrichtung 100 eine hohe Einkopplungseffizienz für die Übertragung des Lichts aus der Lichtquelle in den Lichtleiter 104 durch eine entsprechend dicke Kernschicht des Lichtleiters 104 gewährleistet werden, insbesondere beim Einkoppeln mittels Butt Coupling oder beim Einkoppeln kollimierten Lichts. Auch im tiefen UV-Bereich zwischen 200 nm und 300 nm kann durch geeignete Materialwahl eine hohe Transmission und Solarisationsbeständigkeit erzielt werden. In contrast, the light guide allows 100 the realization of a compact and robust optical fiber system with minimal light loss, which in turn allows the integration of optical components such as bends, splinters or couplers. In addition, by means of the light guide 100 a high coupling efficiency for the transmission of light from the light source into the light guide 104 through a correspondingly thick core layer of the light guide 104 be ensured, especially when coupling by butt coupling or when coupling collimated light. Even in the deep UV range between 200 nm and 300 nm, a suitable choice of material can be used high transmission and solarization resistance can be achieved.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Lichtleiter 104 von mehreren Seiten von Luft oder einem definierten Gas eingeschlossen. Durch den hohen Brechungsindexunterschied zum umgebenden Medium wird ein hoher Akzeptanzwinkel, d. h. eine große numerische Apertur, erreicht. Eine reflektierende Unterseite in Form der Reflexionsschicht 106 ermöglicht die verlustarme und robuste Fixierung des Lichtleiters 104 auf der Trägerschicht 102, ohne dass dadurch die numerische Apertur eingeschränkt wird. Optional können optische Komponenten wie beispielsweise Splitter, Koppler oder Modenmischer direkt in das lichtleitende System integriert werden.According to one embodiment, the light guide 104 enclosed on several sides by air or a defined gas. Due to the high refractive index difference to the surrounding medium, a high acceptance angle, ie a large numerical aperture, is achieved. A reflective underside in the form of the reflective layer 106 enables the low-loss and robust fixation of the light guide 104 on the carrier layer 102 without limiting the numerical aperture. Optionally, optical components such as splitters, couplers or mode mixers can be integrated directly into the light-conducting system.

Im Gegensatz zu gängigen MEMS-Technologien, die typischerweise zur Herstellung planarer Lichtleiter verwendet werden, etwa zur Dünnschichtabscheidung (PECVD), wird bei der Lichtleitvorrichtung 100 die vollständige Substratdicke des Lichtleiters 104, der beispielsweise als Glaswafer und insbesondere für Anwendungen im tiefen UV-Bereich als Quarzwaferrealisiert ist, zur Lichtleitung verwendet. Der Lichtleiter 104 ist hierzu mit seiner Unterseite auf einer reflektierenden Unterschicht als Reflexionsschicht 106 und der darunterliegenden Trägerschicht 102 befestigt. Zum einen wird hierbei durch die Dicke des Wafers, die beispielsweise 300 µm betragen kann, eine hohe Querschnittsfläche des Lichtleiters 104 erzielt, wodurch beim Einkoppeln über Butt Coupling mehr Licht in den Lichtleiter 104 gekoppelt werden kann. Zum anderen weist der Lichtleiter 104 durch die Befestigung über die Reflexionsschicht 106 eine hohe Robustheit auf. Gleichzeitig verhindert die Reflexionsschicht 106, dass Licht aus dem Lichtleiter 104 in die Trägerschicht 102 gelenkt wird.Unlike conventional MEMS technologies, which are typically used to fabricate planar light guides, such as thin film deposition (PECVD), in the light guide device 100 the complete substrate thickness of the light guide 104 which is realized, for example, as glass wafers and, in particular, for applications in the deep UV range as quartz wafer, used for light conduction. The light guide 104 is this with its bottom on a reflective lower layer as a reflection layer 106 and the underlying carrier layer 102 attached. On the one hand, this is due to the thickness of the wafer, which may be, for example, 300 μm, a high cross-sectional area of the light guide 104 achieved when coupling via butt coupling more light in the light guide 104 can be coupled. On the other hand, the light guide 104 through the attachment over the reflective layer 106 a high robustness. At the same time, the reflective layer prevents 106 that light from the light guide 104 in the carrier layer 102 is steered.

Je nach Ausführungsbeispiel können Strukturen wie Krümmungen, Verzweigungen und Y-Koppler durch Ätzprozesse oder Laserablation in den Lichtleiter 104 geschnitten werden. Die Schnitte können hierbei durch die gesamte Kerndicke des Lichtleiters 104 gehen.Depending on the exemplary embodiment, structures such as bends, branches and Y-couplers can be etched into the light guide by etching processes or laser ablation 104 get cut. The cuts can in this case through the entire core thickness of the light guide 104 walk.

Bei dem den Lichtleiter 104 umgebenden Medium handelt es sich beispielsweise um Luft mit einem Brechungsindex von nahezu 1. Ist der Lichtleiter 104 aus Glas gefertigt, ergibt sich ein hoher Brechungszahlunterschied von etwa 0,5. Dadurch kann ein hoher Akzeptanzwinkel erzielt werden, woraus wiederum eine hohe Lichteinkopplungseffizienz resultiert.In which the light guide 104 surrounding medium is, for example, air with a refractive index of almost 1. Is the light guide 104 made of glass, there is a high refractive index difference of about 0.5. Thereby, a high acceptance angle can be achieved, which in turn results in a high Lichteinkopplungseffizienz.

Ein weiterer Vorteil des hohen Brechzahlunterschieds zwischen Lichtleiter 104 und dem Fluid besteht darin, dass besonders geringe Krümmungsradien erzielt werden können, beispielsweise ein Krümmungsradius von 1 mm bei Quarz mit Luftmantel und einem quadratischen Querschnitt von 300 mal 300 mm². Je höher der Brechzahlunterschied ist, desto kleiner kann der Krümmungsradius des Lichtleiters 104 sein, ohne dass die Lichtverluste erhöht werden. Durch derart kleine Krümmungsradien kann Platz auf dem Wafer gespart werden.Another advantage of the high refractive index difference between optical fibers 104 and the fluid is that particularly small radii of curvature can be achieved, for example, a radius of curvature of 1 mm in quartz with air jacket and a square cross section of 300 times 300 mm ² . The higher the refractive index difference, the smaller the radius of curvature of the light guide 104 be without the light losses are increased. Such small radii of curvature can save space on the wafer.

In Wellenlängenbereichen wie z. B. im tiefen UV-Wellenlängenbereich (< 250 nm), in denen nur wenig hochtransmittierende Materialien bekannt sind oder sich Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes technologisch nur schwer verbinden lassen, kann auf ein zweites Material verzichtet werden und ein passendes Medium (Luft, Vakuum, Gas, etc.) als Cladding verwendet werden. Der Vorteil des hier vorgestellten Ansatzes ergibt sich unter anderem insbesondere daraus, dass im tiefen UV-Bereich sehr wenige Materialien transparent sind und es schwierig ist, zwei UV-transparente Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex zu finden und prozessieren..In wavelength ranges such. B. in the deep UV wavelength range (<250 nm), in which only slightly high-transmission materials are known or materials with different refractive indices are technologically difficult to connect, can be dispensed with a second material and a suitable medium (air, vacuum, gas , etc.) are used as cladding. Among other things, the advantage of the approach presented here results from the fact that in the deep UV range very few materials are transparent and it is difficult to find and process two UV-transparent materials with different refractive indices.

Herkömmliche Wellenleitersysteme bestehen häufig aus einem festen dielektrischen Kern, der von allen Seiten von einem festen dielektrischen Mantelmaterial mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist, was dem System eine hohe Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen und mechanischen Einwirkungen wie etwa Vibrationen verleiht. Allerdings ist der Brechungsindex durch das feste Mantelmaterial nach unten begrenzt und damit auch die numerische Apertur und der Akzeptanzwinkel. Mit der Lichtleitvorrichtung 100 kann der Vorteil einer hohen Robustheit, aufgrund der festen, flächigen Fixierung auf der Trägerschicht 102, mit dem Vorteil einer großen numerischen Apertur, aufgrund des umgebenden Luft- oder Gasmantels, kombiniert werden. Conventional waveguide systems often consist of a solid dielectric core surrounded on all sides by a solid dielectric sheath material of lower refractive index, which gives the system a high resistance to environmental influences and mechanical effects such as vibrations. However, the refractive index is limited by the solid shell material down and thus the numerical aperture and the acceptance angle. With the light guide 100 the advantage of a high robustness, due to the solid, surface fixation on the carrier layer 102 , are combined with the advantage of a large numerical aperture due to the surrounding air or gas mantle.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Lichtleiters 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei dem Lichtleiter 104 handelt es sich beispielsweise um einen vorangehend anhand von 1 beschriebenen Lichtleiter. Auf den Einkoppelabschnitt 108 ist eine Lichtquelle 200, hier beispielhaft eine LED, aufgebracht, wobei die Lichtquelle 200 eine geringere Fläche als der Einkoppelabschnitt 108 aufweist. 2 veranschaulicht beispielhaft die Größenverhältnisse beim Butt Coupling von Licht aus der Lichtquelle 200 mit einer Abstrahlfläche von 200 mal 200 mm² in den Lichtleiter 104 mit einer Dicke von 350 µm. 2 shows a schematic representation of a light guide 104 according to an embodiment. At the light guide 104 For example, it is a previous one based on 1 described light guide. On the coupling section 108 is a light source 200 , here by way of example an LED, applied, the light source 200 a smaller area than the coupling section 108 having. 2 exemplifies the size ratios in butt coupling of light from the light source 200 with a radiating surface of 200 by 200 mm ² in the light guide 104 with a thickness of 350 microns.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Dünnschichtleiters 300. Beispielhaft sind in 3 die Größenverhältnisse beim Butt Coupling von Licht aus einer LED 302 mit einer Abstrahlfläche von 200 mal 200 mm² in den Dünnschichtleiter 300 mit 5 µm dickem Kern und 10 µm dickem Mantel veranschaulicht. 3 shows a schematic representation of a thin film conductor 300 , Exemplary are in 3 the proportions in Butt Coupling of light from an LED 302 with a radiating surface of 200 by 200 mm ² into the thin-film conductor 300 illustrated with 5 micron thick core and 10 micron thick jacket.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu der in 1 gezeigten Lichtleitvorrichtung weist die Lichtleitvorrichtung 100 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich zum Lichtleiter 104 beispielhaft einen ersten weiteren Lichtleiter 400 und einen zweiten weiteren Lichtleiter 402 auf. Die beiden weiteren Lichtleiter 400, 402 sind analog zum Lichtleiter 104 jeweils mit einem rechteckigen Querschnitt mit entsprechenden Ein- bzw. Auskoppelabschnitten zum Ein- bzw. Auskoppeln weiterer Lichtstrahlen ausgeführt und parallel zum Lichtleiter 104 auf der Trägerschicht 102 angeordnet. Hierbei ist der erste weitere Lichtleiter 400 über eine erste weitere Reflexionsschicht 404 und der zweite weitere Lichtleiter 402 über eine zweite weitere Reflexionsschicht 406 mit der Trägerschicht 102 verbunden. 4 shows a schematic representation of a light-guiding device 100 according to an embodiment. Unlike the in 1 the light guide device shown, the light guide 100 according to this embodiment, in addition to the light guide 104 by way of example a first further optical fiber 400 and a second further optical fiber 402 on. The two other light guides 400 . 402 are analogous to the light guide 104 each with a rectangular cross-section with corresponding input or Auskoppelabschnitten for coupling or decoupling further light beams and parallel to the light guide 104 on the carrier layer 102 arranged. Here is the first additional light guide 400 over a first further reflection layer 404 and the second further optical fiber 402 via a second further reflection layer 406 with the carrier layer 102 connected.

Wie in 4 zu erkennen, weist die erste weitere Reflexionsschicht 404 beispielhaft zwei Längsaussparungen 408 auf, die sich parallel zur Längsachse des ersten weiteren Lichtleiters 400 vom ersten bis zum zweiten Ende des ersten weiteren Lichtleiters 400 erstrecken. Die zweite weitere Reflexionsschicht 406 weist hingegen eine Mehrzahl von Queraussparungen 410 auf, die sich im Wesentlichen quer zur Längsachse des zweiten weiteren Lichtleiters 402 erstrecken, sodass der zweite weitere Lichtleiter 402 auf einer Mehrzahl von durch die zweite weitere Reflexionsschicht 406 gebildeten Stegen aufliegt.As in 4 to recognize, has the first further reflection layer 404 exemplary two longitudinal recesses 408 on, which are parallel to the longitudinal axis of the first further light guide 400 from the first to the second end of the first further light guide 400 extend. The second further reflection layer 406 on the other hand has a plurality of transverse recesses 410 on, which is substantially transverse to the longitudinal axis of the second further light guide 402 extend so that the second further light guide 402 on a plurality of through the second further reflection layer 406 formed webs rests.

Bei den in 4 gezeigten Lichtleitern 104, 400, 402 handelt es sich gemäß einem Ausführungsbeispiel um freigestellte Lichtleiter, die nur aus einem Kernmaterial und einer darunterliegenden, hochreflektierenden Unterschicht als Reflexionsschicht bestehen. Die jeweilige Reflexionsschicht ist wiederum mit der Trägerschicht 102 verbunden, wodurch eine hohe Festigkeit und Robustheit der Lichtleitvorrichtung 100 gewährleistet werden kann.At the in 4 shown light guides 104 . 400 . 402 According to one exemplary embodiment, these are cut-out light guides, which consist only of a core material and an underlying, highly reflective underlayer as a reflection layer. The respective reflection layer is in turn connected to the carrier layer 102 connected, whereby a high strength and robustness of the light guide 100 can be guaranteed.

Je nach Ausführungsbeispiel sind die Reflexionsschichten strukturiert oder unstrukturiert. Durch eine Strukturierung kann die Schichtfläche der betreffenden Reflexionsschicht reduziert werden. Die Reflexionsschicht 104 kann alternativ die gesamte Oberfläche der Trägerschicht 102 bedecken und beispielsweise als Ätz- oder Abtragsstoppebene bei einer ätzbasierten Strukturierung der Lichtleiter dienen.Depending on the exemplary embodiment, the reflection layers are structured or unstructured. By structuring, the layer area of the relevant reflection layer can be reduced. The reflection layer 104 alternatively, the entire surface of the carrier layer 102 cover and serve as etch or Abtragsstoppebene in an etch-based structuring of the light guide, for example.

Je nach Wellenlänge der eingekoppelten Lichtstrahlen werden beispielsweise Metalle oder, unter Ausnutzung von Totalreflexion, dielektrische Materialien mit niedrigerem Brechungsindex als das Kernmaterial als Reflexionsschichten verwendet. Für den tiefen UV-Bereich eignet sich beispielsweise eine Aluminiumschicht. Die Reflexionsschichten werden durch herkömmliche Abscheidungsprozesse wie etwa thermisches Verdampfen, Sputterdeposition oder Laserdeposition abgeschieden.For example, depending on the wavelength of the coupled light beams, metals or, using total reflection, lower refractive index dielectric materials than the core material are used as reflective layers. For the deep UV range, for example, an aluminum layer is suitable. The reflective layers are deposited by conventional deposition processes such as thermal evaporation, sputter deposition or laser deposition.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines Messsystems 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Messsystem 500 umfasst die Lichtleitvorrichtung 100, etwa eine Lichtleitvorrichtung, wie sie vorangehend anhand der 1 bis 4 beschrieben ist, die Lichtquelle 200, die hier beispielhaft auf den Einkoppelabschnitt 108 des Lichtleiters 104 aufgebracht ist, sowie eine dem Auskoppelabschnitt 112 zugewandt angeordnete Messeinheit 502 zum Messen einer Gas- oder Stoffkonzentration. Durch den Lichtleiter 104 wird der Lichtstrahl 110 von der Lichtquelle 200 mittels Totalreflexion auf die Messeinheit 502 reflektiert. 5 shows a schematic representation of a measuring system 500 according to an embodiment. The measuring system 500 includes the light guide 100 , For example, a light guide, as described above with reference to 1 to 4 is described, the light source 200 , the example here on the coupling section 108 of the light guide 104 is applied, as well as a decoupling section 112 facing arranged measuring unit 502 for measuring a gas or substance concentration. Through the light guide 104 becomes the light beam 110 from the light source 200 by total reflection on the measuring unit 502 reflected.

6 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel im nicht zusammengefügten Zustand. Gezeigt sind die Trägerschicht 102, der Lichtleiter 104 sowie die Reflexionsschicht 106, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel im nicht zusammengefügten Zustand der Lichtleitvorrichtung 100 auf die der Trägerschicht 102 zugewandte Seite des Lichtleiters 104 aufgebracht ist. 6 shows a schematic representation of a light-guiding device 100 according to an embodiment in the unassembled state. Shown are the carrier layer 102 , the light guide 104 as well as the reflection layer 106 , According to this embodiment in the unassembled state of the light guide 100 on the support layer 102 facing side of the light guide 104 is applied.

7 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel im nicht zusammengefügten Zustand. Im Unterschied zu 6 ist die Reflexionsschicht 106 gemäß diesem Ausführungsbeispiel nicht auf den Lichtleiter 104, sondern auf die Trägerschicht 102 aufgebracht. 7 shows a schematic representation of a light-guiding device 100 according to an embodiment in the unassembled state. In contrast to 6 is the reflection layer 106 according to this embodiment, not on the optical fiber 104 but on the carrier layer 102 applied.

8 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel im nicht zusammengefügten Zustand. Im Unterschied zu den 7 und 8 ist die Reflexionssicht 106 gemäß diesem Ausführungsbeispiel sowohl auf den Lichtleiter 104 als auch auf die Trägerschicht 102 aufgebracht. 8th shows a schematic representation of a light-guiding device 100 according to an embodiment in the unassembled state. Unlike the 7 and 8th is the reflection view 106 according to this embodiment both on the light guide 104 as well as on the carrier layer 102 applied.

9 zeigt eine schematische Darstellung der Lichtleitvorrichtung 100 aus den 6 bis 8 im zusammengefügten Zustand. 9 shows a schematic representation of the light-guiding device 100 from the 6 to 8th in the assembled state.

10 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung 100 mit strukturiertem Lichtleiter 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Lichtleiter 104 ist durch seitliches Freistellen mittels Trockenätzen oder Laserablation zu einem Y-Koppler strukturiert. 10 shows a schematic representation of a light-guiding device 100 with structured light guide 104 according to an embodiment. The light guide 104 is structured by lateral clipping by means of dry etching or laser ablation to a Y-coupler.

11 zeigt eine schematische Darstellung einer Lichtleitvorrichtung 100 mit strukturiertem Lichtleiter 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zu 10 ist der Lichtleiter 104 gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch isotopes Nassätzen, etwa mit Flusssäure bei Verwendung von Glas, insbesondere Quarz, als Lichtleitermaterial, strukturiert. 11 shows a schematic representation of a light-guiding device 100 with structured light guide 104 according to an embodiment. In contrast to 10 is the light guide 104 according to this embodiment by isotopic wet etching, about with hydrofluoric acid when using glass, especially quartz, as a light guide material, structured.

12 zeigt eine Draufsicht auf einen Lichtleiter 104 aus 10. 12 shows a plan view of a light guide 104 out 10 ,

13 zeigt eine Draufsicht auf einen Lichtleiter 104 aus 11. 13 shows a plan view of a light guide 104 out 11 ,

In den 12 und 13 ist der Lichtleiter 104 mit einer Verzweigungsstelle 1200 realisiert, an der sich der Lichtleiter 104 in einen ersten Lichtleiterast 1202 und einen zweiten Lichtleiterast 1204 Y-förmig teilt. Mittels der beiden Lichtleiteräste 1202, 1204 kann der über den Einkoppelabschnitt 108 eingekoppelte Lichtstrahl 110 in einen ersten Teilstrahl 1206 und einen zweiten Teilstrahl 1208 geteilt werden.In the 12 and 13 is the light guide 104 with a branching point 1200 realized, at which the light guide 104 in a first fiber optic branch 1202 and a second optical fiber branch 1204 Y-shaped divides. By means of the two light guide branches 1202 . 1204 can the over the coupling section 108 coupled light beam 110 in a first partial beam 1206 and a second sub-beam 1208 to be shared.

14 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1400 zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1400 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einer vorangehend anhand der 1 bis 13 beschriebenen Lichtleitvorrichtung durchgeführt werden. Hierbei wird in einem Schritt 1410 der Lichtleiter durch Bearbeiten eines Substrats aus einem lichtleitenden Material geformt. In einem weiteren Schritt 1420 wird die Reflexionsschicht zumindest abschnittsweise auf den Lichtleiter oder die Trägerschicht oder sowohl auf den Lichtleiter als auch auf die Trägerschicht aufgebracht. Schließlich werden die Trägerschicht und der Lichtleiter in einem Schritt 1430 so zusammengefügt, dass sich die Reflexionsschicht zwischen der Trägerschicht und dem Lichtleiter befindet. 14 shows a flowchart of a method 1400 for producing a light guide device according to an embodiment. The procedure 1400 For example, in connection with a preceding on the basis of 1 13 described light guide are performed. This is done in one step 1410 the optical fiber is formed by machining a substrate of a photoconductive material. In a further step 1420 the reflective layer is applied at least in sections to the optical waveguide or the carrier layer or both to the optical waveguide and to the carrier layer. Finally, the carrier layer and the light guide become in one step 1430 assembled so that the reflective layer between the support layer and the light guide is located.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Unterseite der Kernschicht in Form des Lichtleiters oder auch die Trägerschicht im Schritt 1420 vor einer Strukturierung vollständig oder teilweise mit einem hochreflektierenden Material beschichtet. Über eine Strukturierung der Reflexionsschicht kann die bedeckte Fläche reduziert werden, um eine größere Grenzfläche zum Umgebungsmedium zu schaffen.According to one embodiment, the underside of the core layer in the form of the light guide or the support layer in the step 1420 before structuring fully or partially coated with a highly reflective material. By structuring the reflection layer, the covered area can be reduced in order to create a larger interface with the surrounding medium.

Entsprechend wird im Schritt 1430 unter der Reflexionsschicht die Trägerschicht befestigt. Alternativ ist die Trägerschicht ausgebildet, um als Reflexionsschicht zu fungieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Reflexionsschicht als Lot verwendet, beispielsweise aus Silber oder Gold für Lichtstrahlen im sichtbaren Wellenlängenbereich oder aus Aluminium in Reinform oder in eutektischen Legierungen für Lichtstrahlen im tiefen UV-Bereich. Beispielsweise wird der Lichtleiter, etwa ein Quarz- oder Glaswafer, mit Aluminium beschichtet und mit einem Siliziumwafer als Trägerschicht in einem Wafer-Wafer-Bond verbunden, d. h., das Kernmaterial in Form des Glaswafers wird auf die Trägerschicht aus Silizium gebondet.Accordingly, in step 1430 attached under the reflective layer, the carrier layer. Alternatively, the carrier layer is formed to function as a reflection layer. According to one embodiment, the reflective layer is used as a solder, for example of silver or gold for light rays in the visible wavelength range or pure aluminum or in eutectic alloys for light rays in the deep UV range. For example, the optical waveguide, such as a quartz or glass wafer, is coated with aluminum and bonded to a silicon wafer as a carrier layer in a wafer-wafer bond, ie, the core material in the form of the glass wafer is bonded to the carrier layer of silicon.

Anschließend wird aus dem Lichtleiter ein lichtleitendes System strukturiert. Damit ist der Lichtleiter von mehreren Seiten vorn Umgebungsmedium eingeschlossen und lediglich mit seiner reflektierenden Unterseite mit der Trägerschicht verbunden.Subsequently, a light-conducting system is structured from the light guide. Thus, the light guide is enclosed by several sides of the surrounding medium and connected only with its reflective bottom with the carrier layer.

Alternativ kann die Trägerschicht vorstrukturiert sein. Wenn eine vollständige Bedeckung der Lichtleiterunterseite vermieden werden soll, kann alternativ zur Strukturierung der Reflexionsschicht die Oberfläche der Trägerschicht in definierten Bereichen oberflächig, etwa 1 µm bis 10 µm tief, abgetragen werden. Alternatively, the carrier layer may be prestructured. If complete coverage of the optical fiber underside is to be avoided, the surface of the carrier layer in defined areas can be removed superficially, approximately 1 μm to 10 μm deep, as an alternative to structuring the reflection layer.

Dies erfolgt beispielsweise durch Laserablation, Trocken- oder Nassätzprozesse oder spanende Bearbeitung. Hierauf wird der gesamte Wafer der Trägerschicht der Reflexionsschicht beschichtet, wobei die über den abgetragenen Bereichen befindlichen Abschnitte der Reflexionsschicht niedriger liegen als die über nicht vorstrukturierten Bereichen liegenden Abschnitte der Reflexionsschicht. Beim anschließenden Zusammenfügen hat der Lichtleiter über die Reflexionsschicht somit nur dort Kontakt mit der Trägerschicht, wo keine Vorstrukturierung stattgefunden hat.This is done for example by laser ablation, dry or wet etching processes or machining. The entire wafer of the carrier layer of the reflective layer is then coated, the portions of the reflective layer located above the removed regions being lower than the portions of the reflective layer lying above the non-patterned regions. During subsequent joining, the light guide via the reflection layer thus has contact there only with the carrier layer where no pre-structuring has taken place.

Die Struktur des Lichtleiters und weiterer Elemente wie etwa von Krümmungen oder Y-Kopplern wird beispielsweise durch Ausschneiden der entsprechenden Form durch Nass- oder Trockenätzen, Laserablation oder spanende Bearbeitung aus einem flächigen Substrat als Trägerschicht, etwa einem Wafer oder einer Platte, hergestellt.The structure of the light guide and other elements such as bends or Y-couplers, for example, by cutting the corresponding shape by wet or dry etching, laser ablation or machining of a flat substrate as a support layer, such as a wafer or a plate produced.

Der Lichtleiter ist gemäß einem Ausführungsbeispiel aus hochreinem Quarzglas, auch Fused Silica genannt, als lichtleitendem Material hergestellt. Dieses wird beispielsweise durch Ätzprozesse oder Laserablation strukturiert. Im Vergleich zu Trockenätzprozessen stellt das Nassätzen, etwa mit Flusssäure (HF), eine schnelle und kostengünstige Alternative dar. Beispielsweise können durch einseitiges Ätzen nach unten aufgeweitete Querschnitte erzeugt werden, wie in 11 gezeigt.The light guide is made according to an embodiment of high-purity quartz glass, also called fused silica, as a light-conducting material. This is structured, for example, by etching processes or laser ablation. In comparison to dry etching processes, wet etching, for example with hydrofluoric acid (HF), represents a fast and cost-effective alternative. For example, cross-sections widening downwards can be produced by unilateral etching, as in FIG 11 shown.

Eine weitere Prozessierungsmöglichkeit ergibt sich durch die Kombination von Laserablation und nachfolgendem isotropem Nassätzen. Dabei wird zunächst das Kernmaterial durch Laserablation strukturiert. Anschließend werden die durch Laserablation erzielten Gräben durch Nassätzen verbreitert, wobei die durch Laserablation strukturierten senkrechten Seitenwände erhalten bleiben.Another processing option results from the combination of laser ablation and subsequent isotropic wet etching. First, the core material is structured by laser ablation. Subsequently, the trenches achieved by laser ablation are widened by wet etching, whereby the vertical side walls structured by laser ablation are preserved.

Eine weitere Bearbeitungsmöglichkeit ergibt sich durch die Kombination einer Laser-Bestrahlung zur Materialmodifikation in gewünschten Bereichen und einem folgenden Ätzschritt, bei welchem die durch die Laserbestrahlung modifizierten Bereiche eine höhere Ätzrate aufweisen und demnach gegenüber den nicht bestrahlten Bereichen selektiv geätzt werden können (Beispiel: Selective Laser Etching). Durch diese Technologie sind auch runde und weitere beliebige Lichtleiterquerschnitte herstellbar. Alternativ kann der Lichtleiter spanend bearbeitet werden. Die Strukturierung der Elemente kann durch Mikrofräsen erfolgen.A further processing possibility results from the combination of laser irradiation for material modification in desired regions and a subsequent etching step, in which the areas modified by the laser irradiation have a higher etching rate and can therefore be etched selectively with respect to the unirradiated areas (example: selective laser Etching). Through this technology, round and any other light guide cross sections can be produced. Alternatively, the light guide can be machined. The structuring of the elements can be done by micro-milling.

Die beim Freistellen des Lichtleiters entstehenden Seitenwände können in einer optionalen Nachbehandlung, etwa durch Nassätzen oder eine thermische Nachbehandlung, geglättet werden, um Seitenwände mit hinreichend hoher Oberflächenqualität zu erhalten. The sidewalls arising during the release of the light guide can be smoothed in an optional aftertreatment, for example by wet etching or thermal aftertreatment, in order to obtain side walls of sufficiently high surface quality.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird statt eines Glaswafers ein transparentes Polymer, im tiefen UV-Bereich z. B. spezielle Silikone oder Fluoropoylmere, als Kernmaterial für den Lichtleiter verwendet. Das Polymer kann analog zur Strukturierung von Glas mit Laserablation, Ätzverfahren oder spanenden Verfahren strukturiert werden. Auch eine direkte Formgebung über typische Verfahren der Kunststoffverarbeitung wie etwa 3-D-Druck, Spritzguss oder Extrusion ist denkbar.According to a further embodiment, instead of a glass wafer, a transparent polymer, in the deep UV range z. As special silicones or Fluoropoylmere used as a core material for the light guide. The polymer can be structured analogously to the structuring of glass by laser ablation, etching or machining methods. Direct shaping via typical methods of plastics processing such as 3-D printing, injection molding or extrusion is also conceivable.

Um die Beeinflussung von Messergebnissen durch Luftdruck-, Luftfeuchte- oder Temperaturänderungen oder durch Ablagerungen von Staub oder Kondenswasser zu verhindern und die Lichtleitvorrichtung in einem kontrollierten Medium betreiben zu können, kann die Lichtleitvorrichtung hermetisch gekapselt sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Lichtleitung durch den Lichtleiter durch entsprechende Referenzmessungen kontrolliert werden.In order to prevent the influence of measurement results by air pressure, humidity or temperature changes or by deposits of dust or condensation and to operate the light guide in a controlled medium, the light guide can be hermetically sealed. Additionally or alternatively, the light pipe can be controlled by the optical fiber by appropriate reference measurements.

15 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 1500 zum Herstellen einer Lichtleitvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1500 kann beispielsweise ausgebildet sein, um die einzelnen Schritte eines Verfahrens, wie es vorangehend anhand von 14 beschrieben ist, durchzuführen, anzusteuern oder umzusetzen. Hierzu weist die Vorrichtung 1500 entsprechende Einheiten auf. Eine erste Einheit 1510 dient zum Formen des Lichtleiters durch Bearbeiten des Substrats aus dem lichtleitenden Material. Eine zweite Einheit 1520 ist ausgebildet, um die Reflexionsschicht zumindest teilweise auf den Lichtleiter und/oder die Trägerschicht aufzubringen. Schließlich weist die Vorrichtung 1500 eine dritte Einheit 1530 zum Zusammenfügen der Trägerschicht und des Lichtleiters auf. Die Einheiten 1510, 1520 und 1530 können beispielsweise als Roboterarme oder andere Anlagenkomponenten verstanden werden, die ausgebildet sind, die jeweils genannte Funktion auszuführen oder umzusetzen. 15 shows a block diagram of a device 1500 for producing a light guide device according to an embodiment. The device 1500 For example, it may be designed to describe the individual steps of a method as described above 14 is described, perform, control or implement. For this purpose, the device 1500 corresponding units. A first unit 1510 serves to form the optical fiber by processing the substrate of the photoconductive material. A second unit 1520 is formed to at least partially apply the reflective layer to the light guide and / or the carrier layer. Finally, the device points 1500 a third unit 1530 for joining the carrier layer and the light guide. The units 1510 . 1520 and 1530 For example, they can be understood as robotic arms or other equipment components that are designed to perform or implement the function mentioned in each case.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Claims

Light guide device ( 100 ) for directing a light beam ( 110 ) between a light source ( 200 ) and a measuring unit ( 502 ) for measuring a gas or substance concentration, wherein the light guiding device ( 100 ) has the following features: a carrier layer ( 102 ); one on the carrier layer ( 102 ) arranged or can be arranged light guide ( 104 ), which at least one of the light source ( 200 ) arranged facing or can be arranged Einkoppelabschnitt ( 108 ) for coupling the light beam ( 110 ) and at least one of the measuring unit ( 502 ) arranged facing or can be arranged Auskoppelabschnitt ( 112 ) for decoupling the light beam ( 110 ) and is adapted to the light beam ( 110 ) by total reflection at an interface to a light guide ( 104 ) surrounding medium, which has a smaller refractive index than the light guide ( 104 ), between the coupling-in section ( 108 ) and the decoupling section ( 112 ) to direct; and at least in sections between the light guide ( 104 ) and the carrier layer ( 102 ) arranged reflection layer ( 106 ) for reflecting the light beam ( 110 ).

Light guide device ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the reflection layer ( 106 ) a smaller refractive index than the light guide ( 104 ) having.

Light guide device ( 100 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the light guide ( 104 ) has a rectangular cross-section, wherein the reflection layer ( 106 ) at least in sections between the carrier layer ( 102 ) and one of the carrier layer ( 102 ) facing side of the light guide ( 104 ), wherein at least one further side of the light guide ( 104 ) is exposed.

Light guide device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier layer ( 102 ) at least in the region of the reflection layer ( 106 ) and / or the reflection layer ( 106 ) is structured.

Light guide device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the reflection layer ( 106 ) as part of the carrier layer ( 102 ) is realized.

Light guide device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling-in section ( 108 ) by a cross-sectional area of a first end of the optical fiber ( 104 ) and the decoupling section ( 112 ) by a cross-sectional area of a second end of the optical fiber ( 104 ) is formed.

Light guide device ( 100 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the light guide ( 104 ) at at least one branching point ( 1200 ) at least one optical fiber branch ( 1202 . 1204 ) for diverting and / or dividing one via the coupling-in section ( 108 ) or the decoupling section ( 112 ) coupled light beam ( 110 ) into at least two partial beams ( 1206 . 1208 ) having.

Light guide device ( 100 ) According to one of the preceding claims, characterized in that the light guide ( 104 ) made of glass and / or a polymer and / or the carrier layer ( 102 ) of silicon and / or the reflection layer ( 106 ) is made of a metal.

Light guide device ( 102 ) according to one of the preceding claims, characterized by a temperature control unit for active and / or passive cooling and / or heating of the light source ( 107 ) and / or the light guide ( 104 ) and / or the measuring unit ( 114 ).

Light guide device ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized by at least one on the carrier layer ( 102 ) arranged or arranged further optical fiber ( 400 . 402 ), which has at least one further input coupled to a further light source or arranged for coupling another light beam and a further coupling section for coupling out the further light beam and / or the light beam and is formed to the further light beam by total reflection at an interface to a another light guide ( 400 . 402 ) surrounding medium, which has a smaller refractive index than the further optical waveguide ( 400 . 402 ), between the further coupling-in section and the further coupling-out section, wherein between the further optical waveguide ( 400 . 402 ) and the carrier layer ( 102 ) at least in sections another reflection layer ( 404 . 406 ) is arranged for reflecting the further light beam.

Measuring system ( 500 ) having the following features: a light guide device ( 100 ) according to one of the preceding claims; a light source ( 200 ) connected to the coupling section ( 108 ) of the light guide ( 104 ) is arranged facing away; and a measuring unit ( 502 ) for measuring a gas or substance concentration, wherein the measuring unit ( 502 ) the decoupling section ( 112 ) of the light guide ( 104 ) is arranged facing.

Procedure ( 1400 ) for producing a light-conducting device ( 100 ) according to any one of claims 1 to 10, wherein the process ( 1400 ) comprises the following steps: forms ( 1410 ) of the light guide ( 104 by processing a substrate of a photoconductive material; at least section-wise application ( 1420 ) of the reflection layer ( 106 ) on the light guide ( 104 ) and / or the carrier layer ( 102 ); and merging ( 1430 ) of the carrier layer ( 102 ) and the light guide ( 104 ), wherein the reflection layer ( 106 ) between the carrier layer ( 102 ) and the light guide ( 104 ) is arranged.

Contraption ( 1500 ) with units ( 1510 . 1520 . 1530 ), which are adapted to the process ( 1400 ) according to claim 12, to drive and / or implement.

Computer program that is adapted to the procedure ( 1400 ) according to claim 12, to drive and / or implement.

A machine readable storage medium storing the computer program of claim 14.