DE102005056225B4 - Electro-optical sensor and method for determining physical properties of a target substance via its refractive index - Google Patents

Electro-optical sensor and method for determining physical properties of a target substance via its refractive index Download PDF

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Abstract

Elektro-optisch abstimmbarer Sensor zur quantitativen Erfassung von Konzentration, Dichte, Druck oder des Absorptionsverhaltens einer oder mehrerer Zielsubstanzen, umfassend:
• einen optischen Wellenleiter;
• Elektroden zum Anlegen einer variierbaren elektrischen Spannung derart, dass ein zeitlich periodisch moduliertes, elektrisches Feld erzeugt wird;
• ein elektro-optisch abstimmbares Substratmaterial (wie z. B. Lithiumniobat), das sowohl mit dem Kern des Wellenleiters als auch mit der zu vermessenden Umgebung in Wechselwirkung steht und dessen Brechungsindex durch das Anlegen einer elektrischen Spannung veränderbar ist;
• ein longitudinales Phasengitter am zu vermessenden Ort, welches ein ständiges Messsignal über Bragg-Teilreflexion der optischen Trägerwelle erzeugt;
wobei eine Veränderung des optischen Brechungsindexes der Umgebung durch eine oder mehrere zu detektierende Zielsubstanzen auslösbar und eine Veränderung der Stärke des Messsignals, ausgelöst durch eine Veränderung der Eigenschaften der zu vermessenden Umgebung, mittels elektro-optischen Abstimmens des Substratmaterials kompensierbar ist und
wobei das elektrische Feld durch das Substratmaterial hindurch...Electro-optically tunable sensor for the quantitative detection of concentration, density, pressure or the absorption behavior of one or more target substances, comprising:
An optical waveguide;
Electrodes for applying a variable electrical voltage such that a periodically modulated electric field is generated;
An electro-optically tunable substrate material (such as lithium niobate) that interacts with both the core of the waveguide and the environment to be measured, and whose refractive index is changeable by the application of an electrical voltage;
A longitudinal phase grating at the location to be measured, which generates a continuous measurement signal via Bragg partial reflection of the optical carrier wave;
wherein a change in the optical refractive index of the environment by one or more target substances to be detected can be triggered and a change in the strength of the measurement signal, triggered by a change in the properties of the environment to be measured, compensated by means of electro-optical tuning of the substrate material, and
with the electric field passing through the substrate material ...

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Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zur Detektion des Brechungsindex einer Zielsubstanz, wie z. B. einer Flüssigkeit oder eines Gases. Der Sensor beinhaltet einen Wellenleiter mit einem oder mehreren Bragggittern, an dem/denen das im Wellenleiter geführte Licht reflektiert werden kann. Bragg-Reflexion basiert auf dem Prinzip der Vielstrahlinterferenz und erzeugt ein spektral schmalbandiges Signal, welches bezüglich der reflektierten Wellenlänge in Abhängigkeit zum Brechungsindex n am Ort der Reflexion steht. Der Sensor besteht aus einem Substrat, welches elektro-optische Eigenschaften besitzt und als Träger für den Lichtwellenleiter dient. Der Wellenleiter besteht aus einem Core mit hohem Brechungsindex, in dem der Hauptanteil der Lichtintensität geführt wird, sowie dem Cladding, in dem die Flanken bzw. das evaneszente Feld der Lichtwelle geführt werden. Die Funktion des Cladding wird nun ganz oder teilweise von der zu detektierenden Zielsubstanz (s. o.) übernommen. Durch eine Veränderung des Brechungsindex der Zielsubstanz am Ort des Bragggitters wird die spektrale Position und/oder Form des Braggreflexes verändert. Diese Veränderung wird nun durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an das Substrat kompensiert, so dass der Betrag der angelegten elektrischen Kompensationsspannung in Beziehung zu der Veränderung des Brechungsindex der Zielsubstanz steht. Die zeitlich periodische Modulation des räumlich inhomogenen elektrischen Feldes führt zu einer signifikanten Erhöhung der Messgenauigkeit.The The invention relates to an optical sensor for detecting the refractive index a target substance, such. B. a liquid or a gas. Of the Sensor includes a waveguide with one or more Bragg gratings, at which the guided in the waveguide light are reflected can. Bragg reflection is based on the principle of multi-beam interference and generates a spectrally narrowband signal which is related to the reflected wavelength dependent on to the refractive index n at the location of the reflection. The sensor is made from a substrate having electro-optic properties and as a carrier for the Optical waveguide is used. The waveguide consists of a core high index of refraction, in which the major part of the light intensity is guided, as well as the cladding, in which the flanks or the evanescent field led the light wave become. The function of cladding is now completely or partially from the target substance to be detected (see above) accepted. Through a change of the refractive index of the target substance at the location of the Bragg grating changes the spectral position and / or shape of the Bragg reflex. This change Now, by applying an electric field to the substrate compensated, so that the amount of applied electrical compensation voltage in relation to the change the refractive index of the target substance is. The temporally periodic Modulation of the spatial Inhomogeneous electric field leads to a significant increase in the Measurement accuracy.

Stand der TechnikState of the art

In der heutigen Zeit besteht ein wachsender Bedarf an bio-chemischen Sensoren um die Konzentration spezifischer Substanzen bzw. deren makroskopisch physikalischen Eigenschaften, wie z. B. Druck, Konzentration, Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, etc. ortsaufgelöst zu erfassen. Beispiele für derartige Märkte sind die Umweltforschung, die Medizin, sowie die Automobilindustrie und Sicherheitssysteme. Optische Sensoren bieten zur Deckung dieses Bedarfs gute Perspektiven, da diese im Vergleich zu elektrischen und mechanischen Verfahren relativ stabil und zuverlässig unter extremen äußeren Umwelteinflüssen wie hohen Temperaturen, hohen Drücken und elektromagnetischen Störeffekten sind. Ungeachtet des hohen Bedarfs an derartigen Sensoren ist es von entscheidender Wichtigkeit, dass diese klein, flexibel einsetzbar und kostengünstig sind – sowie eine hohe Sensitivität aufweisen. Bisher sind verschiedene optische Verfahren bekannt, von denen einige u. a. in der Publikation von Lambeck, „Integrated opto-chemical sensors", Sensors and Actuators B, 8 (1992), p 103 beschrieben werden. Zur effizienten Führung der optischen Trägerwelle und um die Zielsubstanz lokalisiert abtasten zu können, werden standardmäßig Wellenleiter wie etwa optische Glasfasern eingesetzt. Ein typischer optischer Wellenleiter besteht aus einem Kern, in dem der Hauptteil der Lichtintensität geführt wird und einem umgebenden Material, was als Cladding bezeichnet wird. Das Claddingmaterial hat einen geringeren Brechungsindex als das Kernmaterial und zwar derart, dass nur das evaneszente Feld der optischen Trägerwelle in das Claddingmaterial eindringen kann. Dennoch ist der Wert des Brechungsindex des Claddingmaterials von wichtiger Bedeutung für die Dispersionseigenschaften des optischen Wellenleiters. Verändert das Claddingmaterial seine physikalischen Eigenschaften – insbesondere seinen Brechungsindex – z. B. durch eine Wechselwirkung mit der Umgebung, so werden die Propagationseigenschaften der optischen Trägerwelle beeinflusst. Das hier beschriebene Sensorprinzip beruht somit auf einer Beeinflussung des evaneszenten Feldes einer im Wellenleiter geführten optischen Trägerwelle durch Umwelteinflüsse.In Today, there is a growing demand for bio-chemical Sensors to the concentration of specific substances or their macroscopic physical properties, such. Pressure, concentration, Temperature, electrical conductivity, etc. spatially resolved capture. Examples of such markets are environmental research, medicine, and the automotive industry and security systems. Optical sensors provide to cover this Demand good prospects, since these compared to electrical and mechanical processes relatively stable and reliable extreme external environmental influences such as high temperatures, high pressures and electromagnetic interference are. Regardless of the high demand for such sensors, it is Of crucial importance that these small, flexible and cost-effective are - as well a high sensitivity exhibit. So far, various optical methods are known some of which u. a. in the publication by Lambeck, "Integrated opto-chemical sensors ", sensors and Actuators B, 8 (1992), p 103. For the efficient management of optical carrier wave and in order to be able to scan the target substance localized waveguides default such as optical fibers used. A typical optical Waveguide consists of a core, in which the main part of the light intensity is guided and a surrounding material, which is called cladding. The cladding material has a lower refractive index than that Nuclear material in such a way that only the evanescent field of optical carrier wave into the cladding material can penetrate. Nevertheless, the value of Refractive index of the cladding material of importance for the dispersion properties of the optical waveguide. changed the cladding material has its physical properties - in particular its refractive index - z. B. by an interaction with the environment, so are the Propagationseigenschaften the optical carrier wave affected. The sensor principle described here is thus based on an influence on the evanescent field of an optical guided in the waveguide carrier wave by environmental influences.

In dieser Hinsicht bestehen zwei unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten. Zum einen können die physikalischen Eigenschaften des Claddingmaterials durch Wechselwirkung mit der Umgebung beeinflusst werden. Patentschrift DE 10251893 beschreibt ein Messprinzip, bei dem das Claddingmaterial mit der zu detektierenden Zielsubstanz auf chemische Weise wechselwirkt und hierdurch seinen Brechungsindex verändert. In der Patentschrift WO 03025639 liegt ein ähnliches Verfahren zugrunde, bei dem nicht die Eigenschaften des Claddingmaterials, sondern die einer zusätzlich aufgebrachten Sensorschicht beeinflusst werden. Vorraussetzung hier ist eine hinreichende Wechselwirkung des evaneszenten Feldes der Trägerwelle mit benannter Sensorschicht. Zum anderen besteht die Möglichkeit, dass die zu untersuchende Zielsubstanz selbst die Funktion des Claddingmaterials übernimmt.In this regard, there are two different implementation options. On the one hand, the physical properties of the cladding material can be influenced by interaction with the environment. Patent DE 10251893 describes a measurement principle in which the cladding material chemically interacts with the target substance to be detected and thereby alters its refractive index. In the patent WO 03025639 is based on a similar process, in which not the properties of the cladding material, but that of an additionally applied sensor layer are affected. Prerequisite here is a sufficient interaction of the evanescent field of the carrier wave with named sensor layer. On the other hand, there is the possibility that the target substance to be investigated itself assumes the function of the cladding material.

Die Dispersionseigenschaften des Wellenleiters bzw. die Propagationseigenschaften der optischen Trägerwelle werden somit in direkter Weise vom effektiven Brechungsindex der zu detektierenden Zielsubstanz beeinflusst. Dieses Verfahren wird u. a. in den Patentschriften US 5324933 , DE 19630181 sowie US 5324933 zu Grunde gelegt. Bei der technischen Realisierung kann hier z. B. das Claddingmaterial einer optischen Glasfaser entfernt werden und das verbleibende Kernmaterial in direkten Kontakt mit der zu vermessenden Umgebung gebracht werden.The dispersion properties of the waveguide and the propagation properties of the optical carrier wave are thus directly influenced by the effective refractive index of the target substance to be detected. This method is used inter alia in the patents US 5,324,933 . DE 19630181 such as US 5,324,933 based on. In the technical realization can here z. For example, the cladding material of an optical fiber may be removed and the remaining core material placed in direct contact with the environment to be measured.

Bezüglich der Detektion des so erzeugten Sensorsignals stehen ebenfalls mehrere Methoden zur Verfügung. Die Veränderung des Brechungsindexes des Claddingmaterials kann schwerlich direkt erfasst werden und muss daher in eine physikalisch präzise messbare Größe konvertiert werden. Als am besten geeignet zeigen sich zwei Verfahren, welche im Folgenden erläutert werden.

  • 1) Die interferometrische Bestimmung der durch die Variation des Brechungsindexes des Claddingmaterials hervorgerufenen Phasenvariation der optischen Trägerwelle. Grundprinzip ist hier die Verwendung eines Mach-Zehnder-Interferometers um die Phasenveränderung des Signals in eine Intensitätsinformation zu konvertieren. Entsprechende Verfahren werden in den Publikationen von Heideman et. al. „Fabrication and packaging of integrated chemo-optical sensors", Sensors and Actuators B 35–36 (1996), p 234 und „Remote opto-chemical sensing with extreme sensitivity: design, fabrication and Performance of a pigtailed integrated optical Phase-modulated Mach-Zehnder interferometer system", Sensors and Actuators B 61 (1999), p 100, sowie der Patentschrift US 2005/0135723 dargelegt und beschrieben. Nachteil bei dieser Methode ist, dass die Sensitivität dieser Systeme stark mit der Wechselwirkungslänge der zu detektierenden Substanz und dem Sensorpfad des Wellenleiters skaliert. Durch eine Vergrößerung des Bereiches der Interaktion wird die Ortsauflösung verschlechtert und das Sensorsystem wird zudem anfälliger gegenüber dem Einfluss weiterer unabhängiger physikalischer Parameter wie z. B. Temperatur und Druck. Eine Verbesserungsmöglichkeit besteht in der Verwendung von Mikrokavitäten im Sensorpfad, bei denen durch multiple Reflexionen die effektive Wechselwirkungslänge deutlich erhöht werden kann. Ein entsprechendes Verfahren liegt der Patentschrift US 6694067 zugrunde. Eine derartige Erhöhung der Sensorempfindlichkeit geht jedoch mit erheblichen Kosten einher, da hierbei als Lichtquelle nur gepulste Quellen möglich sind und an die elektronische Auswerteeinheit ebenfalls hohe Ansprüche gestellt sind, was mit entsprechenden Kosten verbunden ist. Interferometrische Verfahren sind generell besonders sensitiv gegenüber äußeren Störungen. Dieser Nachteil kann durch die Verwendung einer aktiven Stabilisierung ausgeglichen werden, was jedoch mit einer aufwendigen Elektronik verbunden ist und zu entsprechenden Kosten führt.
  • 2) Eine weitere Basistechnologie stellt die Verwendung von Bragg-Reflektoren dar. Die zu detektierende Veränderung des Brechungsindexes des Claddingmaterials bewirkt eine spektrale Verschiebung und/oder Veränderung der Reflexions- bzw. Transmissionseigenschaften des im Sensor integrierten Bragg-Gitters. Diese Technologie weist den prinzipiellen Vorteil einer hohen Sensitivität im Einklang mit einer guten Ortsauflösung auf. Ein Beispiel für die Realisierung von Sensoren dieser Art ist in der Patentschrift DE 10014175 dargelegt. Faserbragggitter sind vor allem in der mechanischen Druck- und Zugmessung und der Temperaturmessung etabliert. Hier wird die spektrale Transmissions- bzw. Reflexionseigenschaft der Bragggitters durch eine Veränderung der physikalischen Gitterperiode beeinflusst. Über die Wechselwirkung einer Zielsubstanz mit dem evaneszenten Feld der optischen Trägerwelle, können derartige Sensoren aber auch zur Konzentrationsbestimmung von Substanzen eingesetzt werden. Ein derartiges Prinzip liegt z. B. der Patentschrift DE 19630181 zugrunde. Ein systematischer Nachteil der Verwendung von Bragg-Sensoren ist, dass entweder eine durchstimmbare Laserquelle oder aber eine breitbandige Lichtquelle (z. B Patentschrift WO 03/106929 ) mit einer spektral hochauflösenden Detektionseinheit (z. B. Patenschrift US 2002/0025097 bzw. WO 94/17366 ) verwendet werden muss. Diese Notwendigkeit geht mit entsprechend hohen Kosten einher. Ein weiterer Nachteil bestehender Verfahren dieser Art besteht in der für die Messung notwendigen Zeitspanne. Die Messgeschwindigkeit des gesamten Systems ist hier durch die Geschwindigkeit der abstimmbaren Lichtquelle, respektive der entsprechenden spektralen Detektionseinheit begrenzt. Wird auf die Variation der Wellenlänge verzichtet, so bestehen keine Kenntnisse über die Form der spektralen Antwortfunktion. So wird z. B. in Patent Nr. US 6058226 lediglich eine Detektion der Veränderung der Lichtintensität, ausgelöst durch äußere Umwelteinflüsse vorgenommen. Da jedoch durch Veränderung einer Umweltvariablen sowohl der spektrale Verlauf als auch die spektrale Position der Antwortfunktion verändert wird, ist eine quantitative Bestimmung eines Umweltparameters aufgrund der Vielzahl der Variablen sehr komplex. Abhilfe bietet das hier vorgestellte Kompensationsprinzip.
With regard to the detection of the sensor signal thus generated, several methods are also available. The change in the refractive index of the cladding material is difficult to detect directly and must therefore be converted to a physically precisely measurable size. As at two methods, which are explained below, are best suited.
  • 1) The interferometric determination of the phase variation of the optical carrier wave caused by the variation of the refractive index of the cladding material. The basic principle here is the use of a Mach-Zehnder interferometer to convert the phase change of the signal into an intensity information. Corresponding methods are described in the publications by Heideman et. al. "Fabrication and packaging of integrated chemo-optical sensors", Sensors and Actuators B 35-36 (1996), p 234 and "Remote opto-chemical sensing with extreme sensitivity: design, fabrication and performance of a pigtailed integrated optical phase-modulated Mach -Zehnder interferometer system ", Sensors and Actuators B 61 (1999), p 100, as well as the patent US 2005/0135723 set out and described. Disadvantage of this method is that the sensitivity of these systems scales strongly with the interaction length of the substance to be detected and the sensor path of the waveguide. By increasing the range of interaction, the spatial resolution is degraded, and the sensor system also becomes more susceptible to the influence of other independent physical parameters, such as. B. temperature and pressure. One possibility for improvement is the use of microcavities in the sensor path, where the effective interaction length can be significantly increased by multiple reflections. A corresponding method is the patent US 6694067 based. However, such an increase in sensor sensitivity is associated with considerable costs, since only pulsed sources are possible as the light source and high demands are placed on the electronic evaluation unit, which is associated with corresponding costs. Interferometric methods are generally particularly sensitive to external disturbances. This disadvantage can be compensated by the use of an active stabilization, which, however, is associated with a complex electronics and leads to corresponding costs.
  • 2) Another basic technology is the use of Bragg reflectors. The change in the refractive index of the cladding material to be detected causes a spectral shift and / or a change in the reflection or transmission properties of the Bragg grating integrated in the sensor. This technology has the principal advantage of high sensitivity in line with good spatial resolution. An example of the realization of sensors of this kind is in the patent DE 10014175 explained. Fiber Bragg gratings are mainly established in mechanical pressure and tension measurement and temperature measurement. Here the spectral transmission or reflection property of the Bragg gratings is influenced by a change in the physical grating period. By way of the interaction of a target substance with the evanescent field of the optical carrier wave, however, such sensors can also be used for determining the concentration of substances. Such a principle is z. B. the patent DE 19630181 based. A systematic disadvantage of using Bragg sensors is that either a tunable laser source or a broadband light source (eg WO 03/106929 ) with a spectrally high-resolution detection unit (eg US 2002/0025097 respectively. WO 94/17366 ) must be used. This need is associated with correspondingly high costs. Another disadvantage of existing methods of this type is the time required for the measurement. The measuring speed of the entire system is limited here by the speed of the tunable light source or the corresponding spectral detection unit. If the variation of the wavelength is dispensed with, then there is no knowledge of the form of the spectral response function. So z. In patent no. US 6058226 only a detection of the change in light intensity, triggered by external environmental influences made. However, since changing both the spectral shape and the spectral position of the response function is changed by changing an environmental variable, a quantitative determination of an environmental parameter due to the large number of variables is very complex. Remedy offers the here presented compensation principle.

Aufgabenstellung der ErfindungTask of the invention

Die hier vorgelegte Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, einen Sensor zur Detektion physikalischer Eigenschaften von Substanzen auf der Basis der Wechselwirkung des evaneszenten Feldes einer optischen Trägerwelle mit der/den Zielsubstanz(en) zu realisieren. Zu Grunde liegt die bekannte Technologie der Verwendung von einem oder mehreren Bragggittern innerhalb eines Wellenleiters, wobei sich die hohe spektrale Selektivität derartiger Elemente zu Nutze gemacht wird. Mit Hilfe der hier vorgestellten Erfindung soll die Sensitivität bestehender Sensoren um ein bis zwei Größenordnungen verbessert werden und die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden. Eine weitere entscheidende Zielsetzung stellt die signifikante Verkürzung der Detektionszeit des Sensorsystems dar.The Here presented invention has set itself the goal of a sensor for the detection of physical properties of substances on the Basis of the interaction of the evanescent field of an optical carrier wave to realize with the / the target substance (s). Underlying the basis known technology of using one or more Bragg gratings within a waveguide, with the high spectral selectivity of such Elements are made use of. With the help of the presented here Invention should be the sensitivity existing sensors can be improved by one or two orders of magnitude and the production costs are significantly reduced. Another decisive objective is the significant shortening of the Detection time of the sensor system is.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Die vorliegende Aufgabenstellung wird durch die Elektrodengeometrie und die Art und Funktionalität der angelegten elektrischen Spannung gelöst. Von wesentlicher Bedeutung ist auch, dass bei der hier vorgestellten Erfindung einfache und kostengünstige Lichtquellen und Detektionseinheiten verwendet werden können, womit der Nachteil hoher Kosten bei bereits bestehenden Technologien ausgeräumt wird. Zudem ist bei dem hier vorgestellten Verfahren lediglich eine rein elektrische Abstimmung des Sensors erforderlich, welche im Bereich von einigen Mikrosekunden zu realisieren ist. Der zugrunde liegende Sensor wird beispielhaft durch 1 verdeutlicht. Er besteht aus einem elektro-optischen Substratmaterial (101), welches in Kontakt mit einem optischen Wellenleiter steht. Der Wellenleiter besteht aus einem Kern (102), der einen höheren Brechungsindex als das ihn umgebende Material besitzt und typischerweise eine transversale Ausdehnung von einigen bis einigen zehn Mikrometern hat. Das den Kern umgebende Material besteht aus multiplen Komponenten und wird Claddingmaterial genannt. Es steht in Wechselwirkung mit dem evaneszenten Feld der im Kernmaterial geführten optischen Trägerwelle (103). Als Claddingmaterial fungiert zum einen das Substratmaterial (101) – zum anderen stehen weitere Materialien in direktem oder indirektem Kontakt mit dem Kern und beeinflussen so das resultierende Signal. Dies ist im Besonderen die den Sensor umgebende, zu detektierende Zielsubstanz (104); es können jedoch weitere Materialien oder Materialschichten vorhanden sein. Der Kern des Wellenleiters kann entweder aus dem Substratmaterial selbst, wobei hierbei der Brechungsindex lokal erhöht werden muss (z. B. durch Ioneneindiffusion) oder aus einem anderen Material bestehen. Am zu vermessenden Ort befindet sich ein Bragggitter (105), bei dem es sich um ein in Richtung des Wellenleiters ausgedehntes Phasengitter handelt. Der Gittervektor liegt parallel zur Ausbreitungsrichtung der optischen Trägerwelle. Das Phasengitter kann in transversaler Richtung entweder den ganzen Kern oder Teile des Kerns umfassen oder sich außerhalb des Kerns im Bereich des Claddingmaterials befinden (Oberflächengitter). Die Herstellung des Phasengitters kann entweder durch holographische Verfahren (Überlagerung zweier kohärenter Lichtwellen) oder durch Ätzprozesse oder durch Belichtungsprozesse oder durch Diffusionsprozesse erfolgen.The present task is characterized by the electrode geometry and the type and Funktionali solved the applied electrical voltage. It is also essential that in the present invention simple and inexpensive light sources and detection units can be used, which eliminates the disadvantage of high costs in existing technologies. In addition, in the method presented here, only a purely electrical tuning of the sensor is required, which can be realized in the range of a few microseconds. The underlying sensor is exemplified by 1 clarified. It consists of an electro-optical substrate material ( 101 ) which is in contact with an optical waveguide. The waveguide consists of a core ( 102 ) which has a higher refractive index than the surrounding material and typically has a transverse dimension of several to several tens of microns. The material surrounding the core consists of multiple components and is called cladding material. It interacts with the evanescent field of the optical carrier wave guided in the core material ( 103 ). As a cladding material acts on the one hand, the substrate material ( 101 On the other hand, other materials are in direct or indirect contact with the nucleus and thus influence the resulting signal. This is in particular the target substance surrounding the sensor ( 104 ); however, other materials or layers of material may be present. The core of the waveguide can either be made of the substrate material itself, in which case the refractive index must be increased locally (eg by ion diffusion) or consist of another material. At the place to be surveyed is a Bragg grid ( 105 ), which is a phase grating extended in the direction of the waveguide. The grating vector is parallel to the propagation direction of the optical carrier wave. The phase grating may either comprise the entire core or parts of the core in the transverse direction or be located outside the core in the region of the cladding material (surface grating). The phase grating can be produced either by holographic methods (superposition of two coherent light waves) or by etching processes or by exposure processes or by diffusion processes.

Ein Realisierungsbeispiel für ein Sensorelement ist in 2a in Seitenobenansicht dargestellt. Auf der Seite des Substratmaterials (201), auf der sich der Wellenleiter mit Bragggitter (202) befindet sind Elektroden (203) aufgebracht, wobei diese unmittelbar am Ort des Wellenleiters ausgespart sind. Sie befinden sich auf gleichem elektrischem Potential. Dies ist erforderlich, da es sich bei der zu detektierenden Zielsubstanz, welche sich am Ort des Wellenleiters befindet, um eine elektrisch leitende Substanz handeln kann. Zusätzlich ist eine Elektrode auf der gegenüberliegenden Seite des Substratmaterials angebracht (204), so dass ein elektrisches Feld (205) durch das Substratmaterial angelegt werden kann. Die angelegte Steuerspannung erzeugt im Claddingmaterial eine inhomogene elektrische Feldstärke, dessen Hauptkomponente senkrecht zum Gittervektor des Bragggitters orientiert ist. Der Verlauf der elektrischen Feldlinien wird durch die Pfeile (206) in 2b angedeutet. 2b zeigt das Sensorelement in Seitenansicht, wobei die Blickrichtung identisch mit der Propagationsrichtung der optischen Trägerwelle (207 in 2a) ist. Da es sich bei dem Substratmaterial um ein elektro-optisches Material handelt, kann durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an das Substrat dessen optischer Brechungsindex verändert werden. Diese Art der Beeinflussungsmöglichkeit ist grundlegend für die hier vorgelegte Erfindung. Durch das Vorhandensein oder eine Konzentrations- oder Dichteänderung einer zu detektierenden Zielsubstanz wird die spektrale Position und/oder Form des am Phasengitter (202) reflektierten Signals verändert. Dies beruht auf der Wechselwirkung des evaneszenten Feldes der optischen Trägenwelle mit der Umgebung, welche einen Teil des Claddingmaterials darstellt. Diese spektrale Veränderung wird durch das Anlegen eines elektrischen Feldes durch das Substratmaterial, das ebenfalls Teil des Claddings ist, kompensiert. Dies geschieht durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die gegenüberliegenden Elektroden des Substrates (2b, 203 und 204). Hierdurch wird der Zustand vor der Veränderung der Umgebungseigenschaften wieder hergestellt (Kompensationsprinzip). Die dem hier vorgestellten Sensor zueigne Messgröße ist somit der Wert der an die Elektroden angelegten elektrischen Spannung, welche hochpräzise gemessen werden kann. Durch die Tatsache, dass der Ursprungszustand stets wieder hergestellt wird, arbeitet der Sensor grundsätzlich nur an einem spektralen Arbeitspunkt. Es ist daher nur eine adäquate optische Wellenlänge erforderlich, wodurch der Einsatz von sehr kostengünstigen Lichtquellen, wie z. B. Laserdioden, möglich wird.An exemplary embodiment of a sensor element is in 2a shown in side view. On the side of the substrate material ( 201 ), on which the waveguide with Bragg grating ( 202 ) are electrodes ( 203 ), which are recessed directly at the location of the waveguide. You are at the same electrical potential. This is necessary because the target substance to be detected, which is located at the location of the waveguide, may be an electrically conductive substance. In addition, an electrode is mounted on the opposite side of the substrate material ( 204 ), so that an electric field ( 205 ) can be applied by the substrate material. The applied control voltage generates in the cladding material an inhomogeneous electric field strength whose main component is oriented perpendicular to the grating vector of the Bragg grating. The course of the electric field lines is indicated by the arrows ( 206 ) in 2 B indicated. 2 B shows the sensor element in side view, wherein the viewing direction identical to the propagation direction of the optical carrier wave ( 207 in 2a ). Since the substrate material is an electro-optical material, by applying an electric field to the substrate, its optical refractive index can be changed. This type of influencing possibility is fundamental for the invention presented here. Due to the presence or a change in concentration or density of a target substance to be detected, the spectral position and / or shape of the phase grating ( 202 ) reflected signal changed. This is due to the interaction of the evanescent field of the optical inertial wave with the environment, which forms part of the cladding material. This spectral change is compensated by the application of an electric field through the substrate material, which is also part of the cladding. This is done by applying an electrical voltage to the opposite electrodes of the substrate ( 2 B . 203 and 204 ). As a result, the state before the change of the environmental properties is restored (compensation principle). The measured value that is suitable for the sensor presented here is thus the value of the electrical voltage applied to the electrodes, which can be measured with high precision. Due to the fact that the original state is always restored, the sensor basically works only at one spectral operating point. It is therefore only an adequate optical wavelength required, whereby the use of very inexpensive light sources, such. As laser diodes, is possible.

Zudem wird die Sensitivität des hier vorgestellten Sensors signifikant erhöht, indem der spektrale Arbeitspunkt an einer der beiden steilen Flanken des spektralen Signals gewählt wird. 3 zeigt ein Beispiel für ein solches spektrales Signal (301), das durch die Reflexion an dem beschriebenen Phasengitter erzeugt wird. Eine Veränderung der spektralen Position des Signals (301) durch Umgebungseinflüsse hat an den steilsten Positionen (302) des spektralen Signals einen maximalen Einfluss auf die vom Detektor gemessene Signalintensität (S), was zu einer maximierten Sensitivität des Sensorsystems führt.In addition, the sensitivity of the sensor presented here is significantly increased by the spectral operating point is selected on one of the two steep edges of the spectral signal. 3 shows an example of such a spectral signal ( 301 ) generated by the reflection on the described phase grating. A change in the spectral position of the signal ( 301 ) by environmental influences has at the steepest positions ( 302 ) of the spectral signal has a maximum influence on the signal intensity (S) measured by the detector, which leads to a maximized sensitivity of the sensor system.

Um die Empfindlichkeit darüber hinaus weiter zu steigern, wird an die Substratelektroden eine zusätzliche Wechselspannung U (303) angelegt. Die periodische Spannungsvariation an den Elektroden bringt eine gleichfalls periodische Modulation des elektrischen Feldes im Substrat mit sich. Da das Substratmaterial elektro-optische Eigenschaften hat, wird dessen Brechungsindex ebenfalls harmonisch moduliert. Dies führt zu einer periodischen spektralen Verschiebung des am Gitter reflektierten Signals und somit auch zu einer Intensitätsvariation (304) an der Detektoreinheit. Durch eine anschließende elektronische Filterung nach der entsprechenden Anregungsfrequenz, ist eine erheblich genauere Bestimmung der Mittenposition des Signals als ohne die zusätzliche periodische Modulation möglich. Es ist bekannt, dass durch dieses Verfahren die Sensitivität um ein bis zwei Größenordnungen verbessert werden kann (siehe z. B. die Patentschrift DE4103914 ). Das Verfahren der zusätzlichen zeitlichen periodischen Signalmodulation wurde jedoch bisher nicht in Zusammenhang mit abstimmbaren Bragggittern verwendet und ist daher zu schützen.In order to further increase the sensitivity, an additional AC voltage U (to the substrate electrodes) is applied to the substrate electrodes. 303 ). The Periodic voltage variation at the electrodes brings about a likewise periodic modulation of the electric field in the substrate. Since the substrate material has electro-optical properties, its refractive index is also modulated harmonically. This leads to a periodic spectral shift of the signal reflected on the grating and thus also to an intensity variation ( 304 ) on the detector unit. By a subsequent electronic filtering for the corresponding excitation frequency, a much more accurate determination of the center position of the signal than without the additional periodic modulation is possible. It is known that this method can improve the sensitivity by one or two orders of magnitude (see, for example, the patent DE4103914 ). However, the additional temporal periodic signal modulation technique has not heretofore been used in the context of tunable Bragg gratings and therefore needs to be protected.

Der hier beschriebene Sensor enthält mindestens ein Bragggitter – es können jedoch auch mehrere Gitter und/oder mehrere Elektrodenpaare miteinander kombiniert werden. Hierbei kann durch geeignete Wahl des Gitterabstandes die Charakteristik der resultierenden Transferfunktion an das Messproblem angepasst werden. Zudem können durch die vorgestellte Technologie auch Sensorarrays realisiert werden, wobei das Demultiplexen der einzelnen Sensorsignale durch das Verwenden unterschiedlicher Modulationsfrequenzen auf einfache Weise möglich ist. Die Anforderungen an die Lichtquelle werden hierdurch nicht gesteigert. Jeder einzelne Sensor ist von geringer Größe und der optische Wellenleiter an Ein- und Austrittsseite des Sensors kann mit optischen Standardglasfasern kontaktiert werden, so dass der Sensor mit bestehenden optischen Technologien kompatibel ist.Of the contains sensor described here at least one Bragg grid - it can however, also several grids and / or several pairs of electrodes with each other be combined. This can be achieved by suitable choice of the grid spacing the characteristic of the resulting transfer function to the measurement problem be adjusted. In addition, you can implemented by the presented technology and sensor arrays be, with the demultiplexing of the individual sensor signals through using different modulation frequencies in a simple way possible is. The requirements for the light source are not increased. Every single sensor is of small size and the optical waveguide at the inlet and outlet side of the sensor can be contacted with standard optical glass fibers, so that the Sensor is compatible with existing optical technologies.

Claims (12)

Elektro-optisch abstimmbarer Sensor zur quantitativen Erfassung von Konzentration, Dichte, Druck oder des Absorptionsverhaltens einer oder mehrerer Zielsubstanzen, umfassend: • einen optischen Wellenleiter; • Elektroden zum Anlegen einer variierbaren elektrischen Spannung derart, dass ein zeitlich periodisch moduliertes, elektrisches Feld erzeugt wird; • ein elektro-optisch abstimmbares Substratmaterial (wie z. B. Lithiumniobat), das sowohl mit dem Kern des Wellenleiters als auch mit der zu vermessenden Umgebung in Wechselwirkung steht und dessen Brechungsindex durch das Anlegen einer elektrischen Spannung veränderbar ist; • ein longitudinales Phasengitter am zu vermessenden Ort, welches ein ständiges Messsignal über Bragg-Teilreflexion der optischen Trägerwelle erzeugt; wobei eine Veränderung des optischen Brechungsindexes der Umgebung durch eine oder mehrere zu detektierende Zielsubstanzen auslösbar und eine Veränderung der Stärke des Messsignals, ausgelöst durch eine Veränderung der Eigenschaften der zu vermessenden Umgebung, mittels elektro-optischen Abstimmens des Substratmaterials kompensierbar ist und wobei das elektrische Feld durch das Substratmaterial hindurch anliegt, was zur Folge hat, dass die Oberfläche des Substratmaterials, auf der sich der Wellenleiter befindet, auf gleichem elektrischen Potential liegt und die zur Auswertung maßgebliche Variable die an die Elektroden angelegte variierbare elektrische Spannung ist, welche über dem Substratmaterial abfällt.Electro-optically tunable sensor for quantitative Detection of concentration, density, pressure or absorption behavior one or more target substances, comprising: • an optical Waveguide; • electrodes for applying a variable electrical voltage such that a temporally periodically modulated electric field is generated; • an electro-optical tunable substrate material (such as lithium niobate), both with the core of the waveguide as well as with the environment to be measured interacts and its refractive index by applying an electrical voltage changeable is; • one longitudinal phase grating at the location to be measured, which is a permanent Measurement signal via Bragg partial reflection the optical carrier wave generated; being a change the optical refractive index of the environment through one or more to be detected target substances triggered and a change the strength of the measuring signal, triggered by a change the properties of the environment to be measured, by means of electro-optical tuning the substrate material is compensated and where the electric Field through the substrate material therethrough, resulting in has that surface of the substrate material on which the waveguide is located the same electrical potential and relevant for the evaluation Variable the variable electric applied to the electrodes Tension is what about the substrate material drops. Verfahren zur quantitativen Erfassung des Wertes der physikalischen Größe Konzentration, Dichte, Druck oder Absorptionsverhalten einer oder mehrerer Zielsubstanzen, wobei die durch die Anwesenheit einer Zielsubstanz hervorgerufene Änderung der Reflexionseigenschaften von Licht an einem Bragg-Gitter in oder in Kontakt mit einem optischen Wellenleiter, eingebettet in ein elektro-optisch abstimmbares Substratmaterial, durch das Anlegen einer variierbaren elektrischen Spannung, welche ein zeitlich periodisch moduliertes, elektrisches Feld erzeugt, kompensiert und aus dem Wert der für die Kompensation erforderlichen Spannung der Wert der physikalischen Größe bestimmt wird.Method for the quantitative determination of the value the physical size concentration, density, Pressure or absorption behavior of one or more target substances, wherein the change caused by the presence of a target substance is Reflection properties of light on a Bragg grating in or in contact with an optical waveguide embedded in a Electro-optically tunable substrate material, by applying a variable electrical voltage which is a temporally periodic modulated, electric field generated, compensated and from the Value of for the compensation voltage required the value of the physical Size determined becomes. Sensor nach Anspruch 1, wobei sich das Phasengitter aus mehreren Teilgittern zusammensetzt, welche mit unabhängig voneinander ansteuerbaren Elektrodenkonfigurationen ausgestattet sind.Sensor according to claim 1, wherein the phase grating composed of several sub-lattices, which are independent of each other controllable electrode configurations are equipped. Sensor nach Anspruch 1, wobei das oder die Phasengitter einen Teil oder den ganzen Bereich der transversalen Ausdehnung des Kerns des Wellenleiters umfasst bzw. umfassen.Sensor according to claim 1, wherein the one or more phase gratings a part or the whole area of the transverse extent of the core of the waveguide. Sensor nach Anspruch 1, wobei sich das oder die Phasengitter am Rand des Kerns des Wellenleiters befindet/befinden.Sensor according to claim 1, wherein the one or more phase gratings located at the edge of the core of the waveguide. Sensor nach Anspruch 1, wobei weitere Materialien, wie Metalle oder Dielektrika, in Wechselwirkung mit dem Kern des Wellenleiters stehen und hierbei entweder die Lichtpropagationseigenschaften oder die Wechselwirkung des Sensors mit der Umgebung beeinflussen.Sensor according to claim 1, wherein further materials, like metals or dielectrics, interacting with the nucleus of the Waveguide and here either the Lichtpropagationseigenschaften or affect the interaction of the sensor with the environment. Sensor nach Anspruch 1, wobei neben dem Brechungsindex des Substratmaterials auch der Brechungsindex des Kerns des Wellenleiters beeinflusst wird.Sensor according to claim 1, wherein besides the refractive index of the substrate material also the refractive index of the core of the waveguide being affected. Sensor nach Anspruch 1, wobei ein weiterer baugleicher Sensor verwendet wird, welcher nicht in Wechselwirkung mit der zu vermessenden Umgebung steht und somit zur Kalibrierung des Sensors genutzt werden kann.Sensor according to claim 1, wherein a further identical sensor is used, which is not in Interaction with the environment to be measured and thus can be used to calibrate the sensor. Sensor nach Anspruch 1, wobei zur Erzeugung der optischen Trägerwelle eine Laserdiode oder eine LED eingesetzt wird.Sensor according to claim 1, wherein for generating the optical carrier wave a laser diode or an LED is used. Sensor nach Anspruch 1, wobei das elektrische Feld durch drei oder mehr Elektroden erzeugt wird.Sensor according to claim 1, wherein the electric field is generated by three or more electrodes. Sensor nach Anspruch 1, wobei an die am Substrat befindlichen Elektroden mehrere Wechselspannungen mit unterschiedlichen Frequenzen angelegt werden.The sensor of claim 1, wherein the substrate located electrodes a plurality of alternating voltages with different Frequencies are created. Sensorensemble bestehend aus mehreren Sensoren nach Anspruch 1 derart, dass an die einzelnen lokalen Sensoren unterschiedliche Wechselspannungsfrequenzen angelegt werden und somit ein ortsaufgelöstes Demultiplexen der einzelnen Messsignale durch eine frequenzselektive Detektionseinheit möglich wird.Sensor ensemble consisting of several sensors Claim 1 such that the individual local sensors different AC frequencies are applied and thus a spatially resolved demultiplexing the individual measurement signals by a frequency-selective detection unit possible becomes.
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