CN110325816B - 波导干涉仪 - Google Patents

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Abstract

一种波导干涉仪、特别是光纤干涉仪，其用于测量物理参数、特别是反射配置中的层的光学厚度中的改变，其特征在于：它包含光源（1）、在至少双芯的纤维或平面的波导上、特别是光纤（6）上制成的耦合器（7），其中至少一个芯的面被激活，并且至少一个波导芯（6）直接或间接地连接到位于多芯光纤的与光源（1）相同的侧上的信号检测器（2）。

Description

波导干涉仪
本发明的主题是在多芯波导上、特别是在纤维或平面的波导上制成的干涉仪，其本质是要如下面所公开的那样应用芯激活过程。
在使用测微集合的情况下实施的对层的几何厚度的测量要求利用测量仪器对待评估的整个层的物理掌握，这在测量可变形元件或液体的情况下是困难的。在检查溶液或生物物质时或在运行生物测试时（例如，在培养和观察细菌和病毒时）使用这种类型的设备也是不可能的。
进而，光学厚度被称为光学路径的长度，并且由几何层厚度与其折射系数的乘积来表示。光学厚度的该含义将会在下文中应用。
对这种类型（可变形的、液体等）的物质的检查通常在显微镜下实施，这是耗时的并且要求使用昂贵且非通用的测量和观察仪器。原位（in-situ）检查的性能也被显著地妨碍。
一般而言，可以在使用干涉仪的情况下实施光学厚度测量。因此，测量相位元件的厚度的已知方法包括在使用干涉仪的情况下的方法，该干涉仪例如迈克尔逊（Michelson）干涉仪或马赫-曾德尔（Mach-Zehnder）干涉仪。然而，体积干涉仪不能测量几纳米到几百纳米或单个微米的相对小的层的光学厚度中的原位改变。
波导干涉仪的各种结构在技术上是已知的，特别是基于光纤的那些。还已知的是采取了其使用的测量方法。
采取了光纤的锥形化（tapering）的光纤干涉仪的结构在由PIERS Proceedings于2013年出版的、由Hun-Pin Change及其合伙人撰写的、题为“Tapered fiber Mach-ZehnderInterferometer for Liquid Level Sensing”的文章中被描述。元件的结构基于标准单模光纤的使用以及在该光纤上的两次非绝热锥形化的执行。该干涉仪的操作背后的构思基于在第二次锥形化之后对这些模式的干涉的测量。干涉仪用于测量液位。在该解决方案中不使用多芯波导。
由Optics Express于2007年出版的、由Joel Villatoro及其合伙人撰写的、题为“Simple all-microconstructed-optical-fiber interferometer built via fusionsplitting”的文章呈现了单芯光子光纤干涉仪概念，其中光纤在两个地方中拼接以用作耦合器来封闭开口。
由Libo Yuan撰写并且由PhotonicSensors于2011年出版的、题为“RecentProgress of In-Fiber Integrated Interferometers”的评论文章呈现了基于锥形双芯光纤的马赫-曾德尔和迈克尔逊干涉仪结构的概念。所提出的结构中的迈克尔逊干涉仪具有在整个光纤端子的面的表面上的镜子。在经过锥形化并且从镜子反射的情况下示意出干涉。
双芯光纤的局部锥形化的概念还从于2013年在Journal of Sensors中出版的、E.Zetterlund及其合伙人的题为“Gemini Fiber for Interferometry and SensingApplications”的文章中已知。根据该概念，没有物质被应用在光纤的芯上（即，光纤没有被激活）。文章中呈现的示例的特征在于等测量臂。
多芯光纤干涉仪的结构还在由Ming Tang及其合伙人撰写并且于2013年在Applied Physics B中出版的、题为“All-solid multi-core fiber-based multipathMach-Zehnder interferometer for temperature sensing”的文章中被描述。作者指出了干涉仪的传感器应用，该传感器应用可以特别地用于测量温度。在该概念中，光纤通过连接到芯内（intra-core）壳体而不是特定芯的中心而与SMF-28光纤拼接。在这种情况下，作者指出了多波束干涉的应用。在传统的干涉仪中，在芯内空间中做出的拼接在这里用作耦合器。
由L. Sojka及其合伙人撰写的于2015年在Optics Communications中出版的、题为“Multicore microstructured optical fiber for sensing applications”的文章呈现了基于七芯微结构化光纤的多波束马赫-曾德尔干涉仪的概念。在光纤的两端处做出的拼接用作耦合器。所使用的光纤具有耦合的芯，由此可以真实地检查外部因素对芯内功率传递的影响。
基于多芯光纤（空间复用）、并且特别是基于具有异质（heterogeneous）的芯的多芯光纤的多参数传感器结构的构思在由Lin Gan及其合伙人撰写并且于2016年在IEEPhotonics Journal中出版的、题为“Spatial-Division Multiplexed Mach-ZehnderInterferometers in Heterogeneous Multicore Fiber for MultiparameterMeasurement”的文章中呈现。根据该概念，马赫-曾德尔干涉仪被建立在七芯光纤（两次锥形化）上。所有七个芯通过扇入/扇出元件在输入处被激活。在系统的端部处，还通过扇入/扇出元件从所有芯收集功率。通过改变锥形化的参数，使用检测器在输出处收集其他干涉图像。该概念专用于温度和应力测量，并且作者声明可以消除交叉敏感性（cross-sensitivity）。
在传感器结构的另一个示例中，如参考号为US4653906的描述中所呈现的那样，使用包括多芯光纤的设备来测量应力。在该解决方案中，双芯光纤被固定到应力传递结构。应力改变了芯之间的串扰值，其示意出影响光纤的应力。
基于在多芯光纤上制成的干涉仪的上面呈现的解决方案主要专用于应力和温度测量。然而，它们不适合用于对层的光学厚度的有效测量。它们的系统的结构也不能够实现芯激活。
因此，本发明的目的是开发一种用于测量薄层的光学厚度和/或吸收的波导干涉仪、特别是光纤干涉仪。波导干涉仪的使用开启了去往新的可能性的技术，由此干涉仪测试被用在要求显著小型化（这种应用对于体积干涉仪而言不可用）的研究中。由于臂激活过程，在使用本发明的情况下的有效测量是可能的，该臂激活过程是其操作的本质。本发明的附加优点是，从体积光学器件已知的其概念通过干涉仪不平衡的影响而加强。本发明的另一个目的是开发一种干涉仪结构，该结构还适合用于测量其他物理值，诸如：温度、伸长/膨胀、应力、压力、气体浓度和其他。这些值的改变进一步被称为环境因素的改变。
根据本发明的用于测量物理参数、特别是测量层的几何厚度中的改变和/或具有变化光学厚度的层中的光折射率的干涉仪以反射式配置进行工作，并且包含连接到光源并在至少双芯的波导上、特别是光纤或平面波导上制成的耦合器，其中至少一个芯的面被激活，并且波导、特别是光纤的至少一个芯直接或间接地连接到位于多芯波导的与光源相同的侧上的信号检测器。
至少一个芯的激活被理解为有益地从如下内容当中选择的方法/过程：
- 涂覆有至少一种化学活性物质，另一种物质可以与其连接，
- 涂覆有至少一种化学活性物质，所述至少一种化学活性物质在暴露于环境因素时可以断开，
- 涂覆有至少一种物质，所述至少一种物质在暴露于环境因素时改变其参数、特别是其厚度和/或其折射率和/或吸收，
- 使用任何已知技术来连接介电部分。
通过将至少一个介电部分连接到至少单个芯的面来进行激活被理解为当干涉仪优选地用于测量影响该连接的介电部分的外部因素（诸如，温度、伸长/膨胀、应力、压力）时的情况。
利用至少一种活性物质来涂覆芯被理解为：在该芯所位于其中的区域中利用该物质或其混合物来涂覆光纤的面的表面。
一般而言，激活物质通过与环境进行反应而改变其光学厚度和/或吸收。特别地，活性物质是来自环境的化学物质的吸附剂（sorbent）、和/或当暴露于外部因素时膨胀/收缩的物质、和/或结合来自环境的化学物质的物质。
在本发明的具体实施例中，每个芯可以凭借前面提及的方法之一而被激活，特别是每个芯可以涂覆有不同的物质。该有益实施例可以用于在使用根据本发明的单个干涉仪的情况下测量各种物质层的光学厚度。
如果波导的结构包括孔，则凭借任何已知的方法、优选地通过将孔锥形化和/或封闭来制成多芯波导上、特别是光纤上的耦合器。特别地，除了其他之外，该方法类似于在参考号为P.411430的发明申请的专利描述中描述的方法。在没有锥形化的情况下将孔封闭被理解为如下措施：通过该措施，在不应用附加拉伸力的情况下将孔封闭。尽管如此，当在不应用该附加拉伸力的情况下将孔封闭时，波导、特别是光纤的横向尺寸减小（锥形化），这是由于玻璃在孔上方下沉。
在根据本发明的干涉仪中使用的多芯波导还被理解为：被设置在一起、特别是在毛细管中或者固定在公共基板上的至少单芯的至少两个光纤。
在本发明的有益实施例中，在干涉仪的结构中使用的波导是偏振保持波导、特别是光纤。在本发明的有益实施例中，支撑波导并形成测量系统的元件也是偏振保持元件。
在本发明的有益实施例中，除了将芯激活之外，至少一个波导芯具有与其他波导芯不同的长度。特别地，使用任何已知方法将介电部分（特别是玻璃、特别是波导）连接到波导芯、特别是多芯光纤中的至少一个。通过拼接、胶合或对接耦合来进行连接。所连接的介电部分便于所选波导芯的选择性激活。在本发明的该有益实施例中，使干涉仪不平衡使得优化了干涉仪的灵敏度，以适应激活物质的光学参数中的预期改变。通过利用活性物质涂覆所连接的介电部分的面来激活介电部分与其连接的干涉仪的该臂是特别有可能的。在本发明的另一个有益实施例中，多芯波导的其中一个芯可以具有与剩余的芯不同的长度，这些芯是工厂制成的或是凭借不同的方法制成的。优选地，光源发射广谱光，并且特别地包括超连续光源、卤素灯或超发光（super-luminescence）灯。可以使用可调谐激光器获得类似的效果。在有益实施例中，检测器是光谱分析仪或光学光谱仪。当使用可调谐激光器时，可以有利地将光电二极管用作检测器。
在本发明的有益实施例中，光通过光环行器、光耦合器或扇入/扇出设备而被输入到波导、优选地多芯光纤的一个或多个芯。
在本发明的另一个有益实施例中，来自光源的信号顺着光纤行进到第一环行器端口。第二环行器端口连接到多芯波导、特别是双芯光纤的其中一个芯，并且第三端口连接到检测器。在该有益实施例中，超发光二极管或超连续源用作光源，并且检测器优选地包括光谱仪。如果所使用的光纤具有孔，则将光纤连接到多芯光纤，该多芯光纤包含在使用任何已知方法的情况下、特别是通过将孔锥形化和/或封闭而制成的耦合器。多芯波导的其中一个芯在其输出处通过使用任何已知方法、特别是通过拼接、胶合或对接耦合来连接介电部分（在该实例中是光纤）而被激活。所激活的芯有益地区分干涉仪臂的光学路径。
离开第二环行器端口，信号通过单芯光纤而被引导至包含耦合器的多芯光纤的其中一个芯。在多芯光纤中，信号在其中一个芯中传播，直到到达耦合器为止，耦合器优选地在两个光纤芯之间将信号分离。在其中一个芯中，信号从所连接的光纤的尖端反射，并且来自第二芯的信号从双芯光纤的尖端反射。反射光通过双芯光纤和安装在其上的耦合器而返回，并且然后通过环行器到达检测器。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于所连接的光纤的参数改变，该改变可能由以下各项引起：伸长、应力、温度改变和其他因素。
在本发明的另一个有益实施例中，来自光源的信号顺着光纤行进到第一环行器端口。第二环行器端口连接到多芯光纤、特别是双芯光纤、优选地具有均质的芯的多芯光纤的其中一个芯。反射信号通过光纤返回到第二环行器端口，并且从第三环行器端口到光纤而被发送到检测器。在该有益实施例中，超发光二极管或超连续源用作光源，并且检测器优选地包括光谱仪。如果所使用的光纤具有孔，则将光纤连接到多芯光纤，该多芯光纤包含在使用任何已知方法的情况下、特别是通过将孔锥形化和/或封闭而制成的耦合器。多芯光纤的其中一个芯在其输出处通过应用涂覆而被激活。介电部分（在该实例中为光纤）使用任何已知方法、特别是通过拼接、胶合或对接耦合而连接到第二芯。所连接的部分暴露出没有物质连接到其的芯，从而区分干涉仪臂的光学路径。
离开第二环行器端口，信号通过单芯光纤而被引导至包含耦合器的多芯光纤的其中一个芯。在多芯光纤中，信号在其中一个芯中传播，直到到达耦合器为止，耦合器优选地在两个光纤芯之间将信号分离。在其中一个芯中，信号从所连接的光纤的尖端反射，并且来自第二芯的信号从双芯光纤的尖端反射。反射光通过双芯光纤和安装在其上的耦合器而返回，并且然后通过环行器到达检测器。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于所连接的光纤的参数改变，该改变可能由以下各项引起：伸长、应力、温度改变和其他因素。
在本发明的另一个有益实施例中，来自光源的信号顺着光纤行进到第一环行器端口。第二环行器端口连接到多芯光纤、特别是双芯光纤、优选地具有均质的芯的多芯光纤的其中一个芯。反射信号通过光纤返回到第二环行器端口，并且从第三环行器端口到光纤而被发送到检测器。在该有益实施例中，超发光二极管或超连续源用作光源，并且检测器优选地包括光谱仪。如果所使用的光纤具有孔，则光纤连接到多芯光纤，该多芯光纤包含在使用任何已知方法的情况下、特别是通过将孔锥形化和/或封闭而制成的耦合器。多芯光纤的其中一个芯在其输出处通过应用涂覆而被激活。介电部分（在该实例中为光纤）使用任何已知方法、特别是通过拼接、胶合或对接耦合而连接到第二芯。所连接的部分暴露出没有物质连接到其的芯，从而区分干涉仪臂的光学路径。
离开第二环行器端口，信号通过单芯光纤而被引导至包含耦合器的多芯光纤的其中一个芯。在多芯光纤中，信号在其中一个芯中传播，直到到达耦合器为止，耦合器优选地在两个光纤芯之间将信号分离。在其中一个芯中，信号从所连接的光纤的尖端反射，并且来自第二芯的信号从其尖端处的层反射。反射光通过双芯光纤和安装在其上的耦合器而返回，并且然后通过环行器到达检测器。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于层的光学厚度和/或吸收的改变。
在本发明的另一个有益实施例中，来自光源的信号被引导至多芯光纤、优选地三芯光纤的其中一个芯。在该有益实施例中，超连续源或两个所连接的超发光二极管用作光源，其将光引导通过单芯输入光纤、优选地引导至多芯光纤、优选地三芯光纤的中心芯。检测器通过输入光纤而连接到剩余的光纤芯。在多芯光纤上制成耦合器，并且通过应用初始层厚度来激活输出上的芯中的两个芯。为了区分干涉仪臂的光学路径，使用任何已知方法、特别是通过拼接、胶合或对接耦合来将介电部分、优选地玻璃销（glass pin）连接到第三芯。在多芯光纤中，信号在其中一个芯中传播，直到它到达耦合器为止，耦合器在光纤芯之间将信号分离。
如果所使用的光纤具有孔，则使用任何已知方法、特别是通过将孔锥形化和/或封闭来制成耦合器。由于所制成的耦合器，光纤的芯的直径是以如下方式选择的：对于波长λ1而言，光在中心芯中以及在外部芯中的一个芯中传播，并且对于波长λ2而言，光在中心芯中以及在外部芯中的第二芯中传播。
在经过耦合器之后，光在特定芯中进一步传播，并且在从所测量的层和所连接的光纤反射的情况下，在路径上通过多芯光纤返回到检测器。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于层的光学厚度和/或吸收的改变。
在本发明的另一个有益实施例中，来自光源的信号被引导至多芯光纤、优选地七芯光纤的其中一个芯。在多芯光纤上制成耦合器。在该有益实施例中，超连续源或所连接的超发光二极管用作光源，其将光引导通过单芯输入光纤、优选地引导至多芯光纤、优选地七芯光纤的中心芯。检测器通过输入光纤而连接到剩余的光纤芯。检测器可以连接到光纤中的每一个，或者单个检测器可以在光纤之间切换，例如手动地或在使用光学开关的情况下切换。为了区分干涉仪臂的光学路径，使用任何已知方法、特别是通过拼接、胶合或对接耦合来将介电部分、优选地玻璃销连接到第三芯。剩余的芯在其输出处通过应用初始层厚度而被激活。在本发明的另一个有益实施例中，可以在每个芯上应用不同的物质。在多芯光纤中，信号在其中一个芯中传播，直到它到达耦合器为止，耦合器在光纤芯之间将信号分离。
如果所使用的光纤具有孔，则使用任何已知方法、特别是通过将孔锥形化和/或封闭来制成耦合器。由于所制成的耦合器，光纤的芯的直径是以如下方式选择的：特定波长在中心芯中以及在特定外部芯中传播。
在经过耦合器之后，光在特定芯中进一步传播，并且在从所测量的层和所连接的玻璃销反射的情况下，在相同路径上通过多芯光纤返回到检测器。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于层的光学厚度和/或吸收的改变。在这种情况下，所测量的层的光学厚度的改变改变了干涉条纹的位置。
在本发明的另一个有益实施例中，来自光源的信号通过光纤被引导至第一环行器端口。第二环行器端口凭借光纤而连接到多芯光纤、优选地双芯光纤的其中一个芯。在该有益实施例中，超连续源或超发光二极管用作光源。如果所使用的光纤具有孔，则将光纤连接到多芯光纤，该多芯光纤包含使用任何已知方法、特别是通过将孔锥形化和/或封闭而制成的耦合器。多芯光纤的其中一个芯在其输出处通过应用一层而被激活。在多芯光纤中，信号在其中一个芯中传播，直到它到达耦合器为止，耦合器在光纤芯之间将信号分离。
离开第二环行器端口，信号通过单芯光纤而被引导至包含耦合器的多芯光纤的其中一个芯。在多芯光纤中，信号在其中一个芯中传播，直到到达耦合器为止，耦合器优选地在两个光纤芯之间将信号分离。在其中一个芯中，信号从所连接的光纤的尖端反射，并且来自第二芯的信号从其尖端上的层反射。反射光通过双芯光纤和安装在其上的耦合器而返回，并且然后通过环行器到达检测器。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于层的光学厚度和/或吸收的改变。在这种情况下，所测量的层的光学厚度的改变改变了干涉条纹的位置。
在本发明的另一个有益实施例中，应用了基于PLC分离器（平面光波电路分离器）的平面波导技术。在该有益实施例中，针对具体波长和2x2的有益配置来使用等功率分离器。广谱光被用作波源。通过应用初始层厚度来激活分离器的输出中的一个。第二分离器输出优选地是出厂延长或缩短的，并且优选地隐藏在分离器的外壳内部，以确保干涉仪的不平衡和操作的稳定性。
来自光源的信号被引导通过光纤，从而通向输入分离器端口。检测器通过输入光纤而连接到第二输入端口。检测器优选地包括光谱分析仪。来自光源的信号被PLC分离器分开，并且从隐藏在外壳中的延长臂的层和尖端反射。从尖端和层反射的光在相同路径上通过分离器而返回。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于层的光学厚度和/或吸收的改变。在这种情况下，所测量的层的光学厚度的改变改变了干涉条纹的位置。
本发明可以特别地用作用于测量物理参数、特别是光学厚度和/或层吸收的传感器，该传感器可以用于确定它们的增加。
本发明的主题可以用于直接测量光学厚度和/或层吸收，或间接地用于测量影响这些层的其他物理值（温度、湿度、气体浓度和其他）。使用本发明，测量其他参数（诸如，应力/伸长、压力或温度）是可能的。本发明的一个优点是研究光学层的厚度中的纳米改变的可能性。本发明的附加优点是通过使干涉仪的臂不平衡来增加干涉仪的灵敏度的可能性。
下面呈现的本发明的实施例不限制其可能的变体，该变体由如所描述的本发明的本质产生。特别地，所测量的层光学厚度和/或吸收的所测量的改变不能由各种外部因素（温度、伸长、压力、收缩、膨胀、湿度、气体浓度等）而引起。引起光学厚度（厚度、折射率）和/或吸收中的改变的方法不影响本发明的物理操作原理，该原理在所有实例中是相同的。
在附图中呈现了本发明的特定实施例，其中：
图1呈现了示例1中的本发明的有益实施例，其中以下元件是可见的：光源1、检测器2、光纤环行器3、单芯输入光纤4、多芯光纤6、在多芯光纤6上制成的耦合器7、连接到多芯光纤6的其中一个芯的总长度为d的单芯光纤部分8。
图2呈现了关于通过将多芯光纤锥形化而制成的耦合器7的有益实施例的特写，其中初始直径为d1的光纤6被锥形化至直径d2，而恰当的锥形化具有c的总长度，并且锥形化的过渡区——下降区和上升区具有bl和b2的总长度。从光馈送侧和信号在其上被反射的侧算起，锥形化外部的光纤的长度分别等于a1和a2。
图3呈现了适用于示例1的光纤6的截面，其中微结构元件——芯9.1、9.2以及孔10在壳体11中以等于Λ的距离排列。
图4呈现了在示例2和6中的本发明的有益实施例，其中以下示例是可能的：光源1、检测器2、光纤环行器3、单芯输入光纤4、应用在芯5中的一个芯上的激活层、多芯光纤6、在多芯光纤6上制成的耦合器7、连接到多芯光纤6的其中一个芯的总长度为d的单芯光纤部分8。
图5呈现了适用于示例2的光纤6的截面，其中微结构元件——芯9.1、9.2以及孔10在壳体11中以等于Λ的距离排列。
图6呈现了示例3中的本发明的有益实施例，其中以下元件是可见的：光源1、检测器2、单芯输入光纤4、应用在芯中的两个芯上的激活层5.1和5.2、多芯光纤6、在多芯光纤6上制成的耦合器7、连接到多芯光纤6的其中一个芯的总长度为d的单芯光纤部分8。
图7呈现了适用于示例3的光纤6的截面，其中微结构元件——芯9.1、9.2和9.3以及孔10在壳体11中以等于Λ的距离排列。
图8呈现了示例4中的本发明的有益实施例，其中以下元件是可见的：光源1、检测器2、通过扇入/扇出元件12而连接到多芯光纤6的单芯输入光纤4、应用在芯中的两个芯上的激活层5、多芯光纤6、在多芯光纤6上制成的耦合器7、连接到多芯光纤6的其中一个芯的总长度为d的单芯光纤部分8。
图9呈现了适用于示例4的光纤6的截面，其中微结构元件——芯9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7以及孔10在壳体11中以等于Λ的距离被放置在六边形点阵的节点上。
图10呈现了示例4中的本发明的有益实施例，其中以下元件是可见的：光源1、检测器2、偏振保持光纤环行器3、偏振保持单芯输入光纤4、应用在芯中的两个芯上的激活层5、多芯光纤6、在多芯光纤6上制成的耦合器7。
图11呈现了适用于示例5的光纤6的截面，其中微结构元件——芯9.1、9.2以及孔10在壳体11中以等于Λ的距离排列。
图12呈现了适用于示例6的光纤6的截面，其中芯9.1、9.2在壳体11中以等于Λ的距离排列。
图13呈现了来自示例7的本发明的有益实施例，其中以下元件是可见的：光源1、检测器2、放置在外壳14中的具有两个输出臂13.1和13.2的PLC分离器13、以及应用在其中一个臂的尖端上的激活层5。
示例1
源1通过光纤4连接到第一环行器3端口C.1，并且连接到第二端口C.2的光纤4还连接到具有在其上制成的耦合器7的双芯光纤6，并且通过在光纤部分8中进行拼接来激活双芯光纤6的其中一个芯的面。检测器通过光纤4连接到第三环行器3端口C.3。
来自光源1的信号顺着光纤4行进到第一环行器3端口C.1。第二环行器3端口C.2凭借光纤4连接到多芯光纤6的其中一个芯，并且第三端口C.3连接到检测器2。超发光二极管用作光源1，并且检测器优选地包括光谱仪。多芯光纤6的其中一个芯在其输出处通过使用任何已知方法、特别是通过拼接来连接光纤8而被激活。所激活的芯有益地区分干涉仪臂的光学路径。
光纤包括：
- 由SiO2制成的总直径为8.2μm的掺杂有GeO2的两个芯9.1和9.2，其掺杂有3.5摩尔％的GeO2。
- 由未掺杂的SiO2二氧化硅制成的总直径为d1=125μm的壳体11；
- 在芯之间的总直径为7.2μm的七个气孔。
芯和孔排列在一起，并且它们的中心每Λ=9μm地跨越。
系在一起（tied-in）的光纤8部分的长度为1mm。
如在孔封闭的情况下进行锥形化那样制成耦合器7。锥形化的参数是：bl=7mm、c=10mm、b2=8mm。光纤以d2=0.3·dl的方式被锥形化。
离开第二环行器3端口C.2，信号通过单芯光纤4被引导至包含耦合器7的多芯光纤6的其中一个芯。在多芯光纤6中，信号在其中一个芯中传播，直到到达耦合器为止，耦合器优选地在两个光纤6芯之间将信号分离。在其中一个芯中，信号从所连接的光纤8的尖端反射，并且来自第二芯的信号从双芯光纤的尖端反射。反射光通过双芯光纤6和安装在其上的耦合器7而返回，并且然后通过环行器3到达检测器2。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于所连接的光纤8的参数的改变。在这种情况下，针对部分8大约1με的伸长，干涉条纹的位置的所测量的改变为大约5nm。
示例2
源1通过光纤4连接到第一环行器3端口C.1，并且连接到第二端口C.2的光纤4还连接到具有在其上制成的耦合器7的双芯光纤6，并且通过涂覆5和光纤部分8来激活双芯光纤6的其中一个芯的面。检测器通过光纤4连接到第三环行器3端口C.3。
来自光源1——超级电致发光二极管的信号顺着单芯光纤4行进到环行器3。第二环行器3端口C.2凭借单芯光纤4连接到具有均质的芯9.1和9.2的双芯光纤6的其中一个芯。第三端口C.3通向检测器2——以光谱仪形式的光谱分析仪。光纤4连接到双芯光纤6，双芯光纤6包含通过在没有附加锥形化的情况下将孔封闭而制成的耦合器7。多芯光纤6的其中一个芯在其输出处通过应用层5而被激活。单芯光纤的部分8连接到多芯光纤6的第二芯9.1。
光纤包括：
- 由SiO2制成的总直径为8.2μm的两个掺杂的芯9.1和9.2，其掺杂有3.5%的GeO2，芯之间的距离为126μm；
- 由未掺杂的SiO2二氧化硅制成的总直径为d1=250μm的壳体11；
- 与芯一起放置在六边形点阵的节点上的气孔10，其中点阵常数为Λ=18μm，而d/Λ=0.8，即孔的直径为0.8·Λ。
耦合器7是通过在没有附加锥形化的情况下以3mm长度将孔封闭而制成的。拼接到双芯光纤的单芯光纤部分8的特征在于，具有与芯9.1和9.2相同的掺杂和芯尺寸，并且长50μm。
应用在芯9.2上的所使用的物质是全氟化聚合物，其具有大约1.33的折射率。可以通过将光纤浸入聚合物溶液中来将物质5放置在芯9.2上。在暴露于包含碳、氯和氟化物的冷却介质（诸如，1、1、2-三氯-1、2、2-三氟乙烷）的影响的情况下，该层膨胀。在这种配置中，物质的厚度改变了大约10nm，其对应于大约2nm的条纹偏移。
离开第二环行器3端口C.1，信号通过单芯光纤4被引导至包含耦合器7的双芯光纤6。在双芯光纤6中，信号在其中一个芯中传播，直到到达耦合器7为止，耦合器7在光纤芯之间将信号分离。在其中一个芯中，信号从所连接的光纤8的尖端反射，并且来自第二芯的信号从其尖端上的层5反射。反射光通过双芯光纤6和安装在其上的耦合器7而返回，并且然后通过环行器3到达检测器2。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于光学厚度和/或层5吸收的改变。
示例3
源1通过光纤4连接到具有在其上制成的耦合器7的三芯光纤6的其中一个芯的输入，并且在耦合器后面将玻璃销拼接到其中一个芯上，并且通过应用层5.1和5.2来激活三芯光纤6芯的剩余的面，并且三芯光纤6的芯凭借光源侧上的光纤4连接到检测器4。
来自光源1的信号被引导至三芯光纤6的其中一个芯。超连续源用作光源1，并且通过单芯输入光纤4将光输入到三芯光纤的中心芯。检测器凭借输入光纤4连接到光纤6的剩余的芯。在三芯光纤6上制成耦合器7，并且其中两个芯在其输出处通过应用初始层厚度5.1和5.2而被激活。玻璃销部分8拼接到第三芯。多芯光纤6中的信号在其中一个芯中传播，直到它到达耦合器7为止，耦合器7在三个光纤芯之间将信号分离。
耦合器7是通过在没有附加锥形化的情况下将光纤6中的孔封闭而制成的。
光纤包括：
- 由SiO2制成的掺杂有GeO2的三个芯9.1、9.2和9.3：总直径为8.2μm的中心芯9.1掺杂有3.5摩尔％的GeO2，总直径为6.1μm的侧芯9.2掺杂有4.5摩尔％的GeO2，总直径为6.24μm的侧芯9.3掺杂有4.5摩尔％的GeO2，
- 由未掺杂的SiO2二氧化硅制成的总直径为d1=125μm的壳体11；
- 在芯之间的总直径为10μm的七个气孔。
芯9和孔10排列在一起，并且它们的中心每Λ=20μm地跨越。
耦合器7是通过在没有附加锥形化的情况下以5 mm长度将孔封闭而制成的。由于所制成的耦合器，光纤的直径是以如下方式选择的：在1.57μm的波长下，光在中心芯9.1中以及在外部芯中的一个芯9.3中传播，并且在1.45μm的波长下，光在中心芯9.1中以及在外部芯中的第二芯9.2中传播。拼接到三芯光纤6的玻璃销部分8长80μm，并且由二氧化硅制成。
应用在芯9.2上的物质5.1是氧化钇，其特征在于具有小的孔隙率和大约1.8的折射率。物质5.1可以在使用以氧化钇发射的高功率激光脉冲的情况下、以其蒸汽沉积在光纤上的方式而被获得。以这种方式制成的层可以用作盐酸溢流（flooding）传感器。当暴露于盐酸的影响时，层的厚度改变了大约50nm，这引起条纹大约5nm的偏移。
同时，应用在芯9.2上的物质是全氟化聚合物，其具有大约1.33的折射率。可以通过将光纤浸入聚合物溶液中来将物质5放置在芯9.2上。在暴露于包含碳、氯和氟化物的冷却介质（诸如，1、1、2-三氯-1、2、2-三氟乙烷）的影响的情况下，该层膨胀。在这种配置中，物质的厚度改变了大约10nm，其对应于大约2nm的条纹偏移。在光已经经过耦合器7之后，它在特定芯中传播，并且在从所测量的层5.1和5.2以及所连接的光纤8反射的情况下，在相同路径上通过多芯光纤6返回到检测器2。
检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于层5.1和5.2的光学厚度和/或吸收的改变。
示例4
源1通过光纤4连接到通过扇入/扇出元件的七芯光纤6的其中一个芯的输入，并且在七芯光纤上制成耦合器7，并且玻璃销拼接到中心芯9.1的面，并且七芯光纤6的外部芯的面通过应用层5而被激活，并且七芯光纤6的芯在已经经过扇入/扇出元件12之后凭借光纤4连接到光源侧上的检测器2。
来自光源的信号被引导至七芯光纤6的其中一个芯。超连续源用作光源，其将光通过单芯输入光纤4引导至多芯光纤6的中心芯。检测器2通过输入光纤4连接到剩余的光纤芯。检测器2可以连接到光纤中的每一个，或者单个检测器可以在光纤之间切换，例如手动地或在使用光学开关的情况下切换。在七芯光纤6上制成耦合器7，并且外部芯在其输出处通过应用初始层5厚度而被激活。玻璃销部分8拼接到中心芯9.1。在七芯光纤9.1中，信号在其中一个芯中传播，直到它到达耦合器为止，耦合器在光纤芯之间将信号分离。
耦合器是凭借在没有附加锥形化的情况下将光纤6中的孔封闭而制成的。由于所制成的耦合器，光纤的芯的直径是以如下方式选择的：特定波长在中心芯中以及在特定外部芯中传播。
光纤包括：
- 由SiO2制成的掺杂有GeO2的七个芯9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6和9.7：
中心芯9.1为8.2μm，掺杂有3.5摩尔％的GeO2，
外部芯9.2为6.24μm，掺杂有4.5摩尔％的GeO2，
外部芯9.3为6.1μm，掺杂有4.5摩尔％的GeO2，
外部芯9.4为5.96μm，掺杂有4.5摩尔％的GeO2，
外部芯9.5为5.82μm，掺杂有4.5摩尔％的GeO2，
外部芯9.6为5.86μm，掺杂有4.5摩尔％的GeO2，
外部芯9.7为5.54μm，掺杂有4.5摩尔％的GeO2，
- 由未掺杂的SiO2二氧化硅制成的总直径为d1=300μm的壳体11；
- 在芯之间的总直径为10μm的气孔。
芯放置在六边形点阵的节点上，其中点阵常数为Λ=20μm。
耦合器7是通过在没有附加锥形化的情况下以10 mm长度将孔封闭而制成的。由于所制成的耦合器，光纤的直径是以如下方式选择的：
- 大约1.57μm的波长在9.1和9.2芯对中传播，
- 大约1.45μm的波长在9.1和9.3芯对中传播，
- 大约1.35μm的波长在9.1和9.4芯对中传播，
- 大约1.25μm的波长在9.1和9.5芯对中传播，
- 大约1.15μm的波长在9.1和9.6芯对中传播，
- 大约1.05μm的波长在9.1和9.7芯对中传播。
玻璃销部分8长100μm，并且由二氧化硅制成。
所应用的物质5是折射率为1的水解胶原蛋白。通过将光纤浸入1％的水解胶原蛋白水溶液中并使其干燥来应用物质5。这种配置用于测量湿度，这是由于胶原蛋白在暴露于冷水和空气湿度时会膨胀。浸入在20°C的水中的胶原蛋白膨胀，从而使其厚度从100nm改变为200nm，并且导致条纹偏移大约2nm。在经过耦合器7之后，光在特定芯中进一步传播，并且在从所测量的层5和所连接的光纤8反射的情况下，在相同路径上通过多芯光纤6返回到检测器2。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于所测量的层5的光学厚度和/或吸收的改变。在这种情况下，所测量的层的光学厚度的改变改变了干涉条纹的位置。
示例5
源1通过偏振保持光纤4连接到第一偏振保持环行器端口C.1，并且连接到第二端口C.2的偏振保持光纤4还连接到具有在其上制成的耦合器7的双芯光纤6，并且通过应用层5来激活双芯光纤6的其中一个芯的面。检测器通过光纤4而连接到第三环行器3端口C.3。
来自光源1的信号顺着光纤4行进到第一环行器3端口C.1。环行器3是偏振保持环行器。第二环行器3端口C.2凭借偏振保持光纤4连接到双芯光纤6的其中一个芯。超发光二极管用作光源1。
离开第二环行器3端口C.2，信号通过偏振保持单芯光纤4被引导至包含耦合器7的多芯光纤6的其中一个芯。在多芯光纤6中，信号在其中一个芯中传播，直到到达耦合器为止，耦合器优选地在两个光纤6芯之间将信号分离。在其中一个芯中，信号从所连接的光纤6的尖端反射，并且来自第二芯的信号从其尖端处的层5反射。反射光通过双芯光纤6和安装在其上的耦合器7而返回，并且然后通过环行器3到达检测器2。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于层5的光学厚度和/或吸收的改变。在这种情况下，所测量的层5的光学厚度的改变改变了干涉条纹的位置。
耦合器是使用任何已知方法、特别是通过将孔锥形化和封闭而制成的。
光纤包括：
- 由SiO2制成的总直径为8.2μm的两个芯9.1和9.2，其掺杂有3.5摩尔％的GeO2，
- 由未掺杂的SiO2二氧化硅制成的总直径为d1=125μm的壳体11；
- 在芯之间的总直径为15μm的气孔。
芯和孔排列在一起，并且它们的中心每Λ=15μm地跨越。双芯光纤6是偏振保持光纤。
如在孔封闭的情况下进行锥形化那样制成耦合器7。锥形化的参数是：bl=b2=5mm，c=5mm。光纤以d2 = 0.6·dl的方式被锥形化。
所应用的物质5是聚苯乙烯，其具有大约1.5的折射率。通过将光纤浸入1％的二氯甲烷溶液中并使其干燥来将物质5应用在光纤上。该层在暴露于丙酮时膨胀，这就是该传感器可以用作丙酮传感器的原因。浸入室温丙酮中的层使其厚度增加大约900nm，并且导致条纹偏移大约120nm。
示例6
源1通过光纤4连接到第一环行器端口C.1，并且连接到第二端口C.2的光纤4还连接到具有在其上制成的耦合器7的双芯光纤6，并且通过利用活性物质进行涂覆来激活双芯光纤6的其中一个芯9.1的面。检测器通过光纤4连接到第三环行器3端口C.3。
来自光源1的信号顺着光纤4行进到第一环行器3端口C.1。第二环行器3端口C.2凭借光纤4连接到双芯光纤6的其中一个芯。超发光二极管用作光源1。
离开第二环行器3端口C.2，信号通过单芯光纤4被引导至包含耦合器7的多芯光纤6的其中一个芯。在多芯光纤6中，信号在其中一个芯中传播，直到到达耦合器为止，耦合器优选地在两个光纤6芯之间将信号分离。在其中一个芯中，信号从所连接的光纤8的尖端反射，并且来自第二芯的信号从其尖端处的层5反射。反射光通过双芯光纤6和安装在其上的耦合器7而返回，并且然后通过环行器3到达检测器2。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于层5的光学厚度和/或吸收的改变。在这种情况下，所测量的层5的光学厚度的改变改变了干涉条纹的位置。
耦合器是使用任何已知方法、特别是通过锥形化而制成的。
光纤包括：
- 由SiO2制成的总直径为8.2μm的两个芯9.1和9.2，其掺杂有3.5摩尔％的GeO2，
- 由未掺杂的SiO2二氧化硅制成的总直径为d1=125μm的壳体11；
芯排列在一起，并且它们的中心每Λ=25μm地跨越。
如锥形化那样制成耦合器7。锥形化的参数是：bl=b2=5mm，c=5mm。光纤以d2 =0.5·dl的方式被锥形化。
拼接到双芯光纤的单芯光纤部分8的特征在于，与芯9.1和9.2相同的掺杂和芯尺寸，并且长75μm。
通过浸入以3：1的比例包含硫酸和30％过氧化氢的溶液中达一小时来制备光纤。以这种方式制备的表面是活性的，并且在将光纤放置在包含烯丙胺聚盐酸盐的溶液中之后，厚2nm并且具有大约1.5的折射率的聚合物层2连接到光纤。连接2nm的层导致条纹的0.5nm偏移。该传感器用于检测烯丙胺聚盐酸盐。
示例7
在本发明的有益实施例中，应用了基于PLC分离器（平面光波电路分离器）的平面波导技术。使用光纤4，源1连接到PLC分离器14。通过应用初始层5厚度来激活分离器13.1的输出中的一个，并且第二分离器输出13.2以40μm出厂，并且隐藏在分离器的外壳14内部，以确保干涉仪的不平衡和操作的稳定性。分离器的返回臂凭借光纤4连接到解码器2。
来自光源的信号被引导通过光纤，从而通向分离器的输入端口。检测器通过输入光纤而连接到第二输入端口。检测器优选地包括光谱分析仪。来自光源的信号被PLC分离器分开，并且从隐藏在外壳中的延长臂的层和尖端反射。从尖端和层反射的光在相同路径上通过分离器而返回。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于层的光学厚度和/或吸收的改变。在这种情况下，所测量的层的光学厚度的改变改变了干涉条纹的位置。
在该有益实施例中，针对1500nm波长和2×2配置来使用等功率分离器13。使用具有对应于1900K的黑体的浅色的钨灯泡作为光源。
来自光源1的信号通过输入光纤1被引导至输入分离器端口。检测器2凭借输入光纤4连接到第二输入分离器端口。检测器是光谱分析仪。来自光源1的信号在PLC分离器中分离，并且然后从层5反射并从隐藏在外壳中的延长臂的尖端13.2反射。从尖端13.2和层5反射的光在相同路径上通过分离器13而返回。检测器以光谱带（波长）显示干涉条纹，其偏移和/或对比度取决于层5的光学厚度和/或吸收的改变。在这种情况下，所测量的层5的光学厚度的改变改变了干涉条纹的位置。
应用在输出端口上的物质3是乙基纤维素，其具有大约1.4的折射率。通过将双芯光纤浸入0.5％的乙酸丁酯溶液中、将其提取并进行干燥，来将物质3应用在该端口上。以这种方式涂覆的光纤与乙醇蒸气反应，这导致其膨胀。层厚度中大约50nm的改变导致条纹偏移大约10nm。

Claims (15)

1.一种用于测量光学参数的波导干涉仪，其具有：光源，所述光源将光馈送到具有分离器的多芯波导的一侧，其中所述多芯波导具有至少第一芯和第二芯，其中所述第一芯具有在多芯波导的相对侧上的输出，其特征在于
所述分离器被提供在所述多芯波导上，其中至少一个芯的输出被激活，其中激活牵涉到涂覆有至少一种化学活性物质，并且所述第一芯直接或间接地连接到来自所述光源的光被馈送到的所述多芯波导的相同侧上的信号检测器，
其中所述多芯波导的芯中的第一芯具有与第二芯不同的长度。
2.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述至少一种化学活性物质可连接到另一种物质。
3.根据权利要求1或2所述的干涉仪，其特征在于：所述至少一种化学活性物质在暴露于环境因素时是可分离的。
4.根据权利要求1或2所述的干涉仪，其特征在于：选择所述至少一种化学活性物质，使得它在暴露于环境因素时改变厚度和/或吸收和/或折射率。
5.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述多芯波导具有多于两个的芯。
6.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：多芯波导的至少一个芯的输出利用至少一个介电部分而延长，所述至少一个介电部分选自包括以下各项的组：玻璃销、波导。
7.根据权利要求5所述的干涉仪，其特征在于：所述干涉仪具有连接到所述多芯波导的扇入/扇出元件，以及连接到所述扇入/扇出元件的多于一个的信号检测器和光源。
8.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述干涉仪具有环行器，所述环行器具有连接到所述光源的第一端口、连接到所述信号检测器的第三端口和连接到所述多芯波导的第二端口。
9.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述芯中的至少两个涂覆有不同的化学活性物质。
10.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述多芯波导是偏振维持波导。
11.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：多芯波导是多芯光纤并且包括在第一芯与第二芯之间的孔。
12.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述分离器是多芯光纤耦合器，其被提供在所述多芯波导上作为具有减小的横向尺寸的区域。
13.根据权利要求1所述的干涉仪，其特征在于：所述分离器是平面光波电路分离器，并且所述多芯波导是平面光波电路波导。
14.根据权利要求1或2或9所述的干涉仪，其特征在于：化学活性物质包括选自包括以下各项的组的物质：氧化钇、全氟化聚合物、水解胶原蛋白、聚苯乙烯、乙基纤维素。
15.根据权利要求6所述的干涉仪，其特征在于：所述波导是光纤。
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