DE19917439C2

DE19917439C2 - Integrated optical sensor

Info

Publication number: DE19917439C2
Application number: DE1999117439
Authority: DE
Inventors: Winfried Bernhard
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-04-17
Filing date: 1999-04-17
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2019-04-18
Also published as: DE19917439A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere einen integriert-optischen Sensor auf Basis eines Mach-Zehnder- Interferometers, nach der Gattung des Hauptanspruches.The invention relates to a sensor, in particular one integrated optical sensor based on a Mach-Zehnder Interferometers, according to the genus of the main claim.

State of the art

Aus dem Stand der Technik sind integriert-optische Mach-Zehnder- Interferometer (MZI) bekannt, die aus einer Verzweigung eines Wellenleiters in zwei Arme und einer Rekombination dieser Arme in einen Ausgangswellenleiter bestehen, wobei im Fall der Übertragung kohärenten Lichtes oder kohärenter elektromagnetischer Strahlung beim Zusammenführen der beiden Arme eine Interferenz zwischen den beiden in den Armen übertragenen Teilwellen entsteht, die im Ausgang zu einer sin²- förmigen Intensitätsänderung als Funktion der Phasenverschiebung zwischen den Teilwellen führt.Integrated optical Mach-Zehnder interferometers (MZI) are known from the prior art, which consist of a waveguide branching into two arms and a recombination of these arms into an output waveguide, with coherent light or coherent electromagnetic radiation being transmitted in the case of transmission Merging the two arms creates an interference between the two partial waves transmitted in the arms, which leads to a sin ² -shaped change in intensity as a function of the phase shift between the partial waves.

Weiterhin sind bereits MZI-Sensoren bekannt, bei denen einer der beiden Arme zumindest bereichsweise in Form eines Wellenleiterkerns mit einer Wellenleiterkernumgebung ausgeführt ist und der Brechungsindex von Wellenleiterkern und/oder Wellenleiterkernumgebung innerhalb eines Sensierbereiches von einer zu messenden physikalischen oder chemischen Größe abhängig ist. Dabei verändert diese Meßgröße den effektiven Brechungsindex für die in diesem Arm geführte Teilwelle oder Wellenleitermode innerhalb des Sensierbereiches und führt somit zu einer Phasenverschiebung zwischen den übertragenen Teilwellen in den beiden Armen. Die Intensität im Ausgang des Wellenleiters nach Wiederzusammenführung der beiden Arme bzw. der beiden Teilwellen ist somit infolge der von der Phasenlage abhängigen Interferenz ein Maß für diese Phasenverschiebung und darüber für die die Phasenverschiebung erzeugenden Meßgröße.Furthermore, MZI sensors are already known in which one of the both arms at least partially in the form of a Waveguide core executed with a waveguide core environment and the refractive index of waveguide core and / or Waveguide core environment within a sensing range of depending on a physical or chemical quantity to be measured is. This parameter changes the effective one Refractive index for the partial wave carried in this arm or Waveguide mode within the sensing range and thus leads to a phase shift between the transmitted partial waves in both arms. The intensity in the output of the waveguide after reuniting the two arms or the two Partial waves is therefore due to the phase relationship Interference is a measure of this phase shift and above that the measured variable generating the phase shift.

Daneben sind auch bereits integriert-optische Intensitätsmodulatoren auf MZI-Basis bekannt, bei denen in einem Arm zusätzlich über eine Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes eine zusätzliche, definierte Phasenverschiebung eingestellt werden kann. Dies geschieht durch selektives Heizen eines entsprechenden Teils des Meßarms, so daß sich die Intensität im Ausgang nach der Zusammenführung der Teilwellen in Abhängigkeit von der Heizleistung verändert und sich damit eine definierte Phasenverschiebung einstellt.In addition, there are already integrated optics MZI-based intensity modulators known in which in one Arm additionally about a temperature dependence of the Refractive index an additional, defined phase shift can be adjusted. This is done by selective heating a corresponding part of the measuring arm, so that the Intensity in the output after merging the partial waves in Dependency on the heating power changed and thus a sets the defined phase shift.

Ein Lichtwellenleiter mit einem Kern und einer Kernumgebung sowie einem Sensierbereich bzw. einer Sensormembran als Kernumgebung, die sich unter dem Einfluß einer Meßgröße in seinen optischen Eigenschaften und insbesondere hinsichtlich seines Brechungsindex verändert, wurde bereits in der unveröffentlichten Anmeldung DE 197 41 335.8 zur Verwendung als Optode in Brandmeldern oder Luftgütesensoren vorgeschlagen. Die Sensormembran enthält dabei eine Indikatorsubstanz, die den optischen Brechungsindex des Lichtwellenleiters im Sensierbereich bei zumindest indirektem Kontrakt mit einem Gas oder Gasgemisch ändert.An optical fiber with a core and core environment and a sensing area or a sensor membrane as Core environment, which is influenced by a measured variable in its optical properties and in particular with regard to its refractive index was changed in the unpublished application DE 197 41 335.8 for use as Optode proposed in fire detectors or air quality sensors. The The sensor membrane contains an indicator substance that optical refractive index of the optical waveguide in the Sensing area with at least indirect contract with a gas or gas mixture changes.

Weiterhin ist daraus auch bekannt, diese Sensormembran in einer Vorrichtung zu verwenden, die einen Sender und Empfänger, insbesondere eine Photodiode, für elektromagnetische Strahlung aufweist, die die Änderung der Eigenschaften der Membran erfaßt. Aus der genannten Anmeldung ist außerdem bekannt, Sender und Empfänger über einen Lichtwellenleiter zu verbinden, der sich beispielsweise mit Hilfe eines Strahlteilers in zwei Arme teilt und von denen ein Arm als Referenzarm und ein Arm als Meßarm für den Detektor dient. Der Meßarm steht dabei in Kontakt mit der Sensormembran, die auch auf dem Lichtwellenleiter angeordnet sein kann.It is also known from this, this sensor membrane in one Device to use a transmitter and receiver, especially a photodiode, for electromagnetic radiation which detects the change in the properties of the membrane. From the aforementioned application is also known, the transmitter and Connect the receiver via an optical waveguide divides into two arms, for example with the aid of a beam splitter and of which one arm as a reference arm and one arm as a measuring arm for serves the detector. The measuring arm is in contact with the Sensor membrane, which is also arranged on the optical fiber can be.

Durch die genannte sin²-förmige Abhängigkeit (periodische Funktion) der Ausgangsintensität von der durch die Meßgröße erzeugten Phasenverschiebung ist bei den bekannten Sensoren auf MZI-Basis die detektierte Phasenverschiebung mehrdeutig. Bei einer Änderung der Ausgangsintensität aus einem Extremum heraus (Maximum oder Minimum) kann somit nicht entschieden werden, ob diese Intensitätsänderung aufgrund einer Vergrößerung oder einer Verkleinerung des Phasenunterschiedes zwischen den beiden Armen des Mach-Zehnder-Interferometers erzeugt wurde.By said sin ² -shaped dependence (periodic function) of the output intensity from the measured value produced by the phase shift is ambiguous in the known sensors based MZI the detected phase shift. When the output intensity changes from one extreme (maximum or minimum), it cannot be decided whether this change in intensity was caused by an increase or a decrease in the phase difference between the two arms of the Mach-Zehnder interferometer.

Weiterhin kann bei bekannten Sensoren auch eine Änderung der Ausgangsintensität aufgrund einer Änderung der Eingangsintensität oder einer Lichtabsorption in einem Arm nicht von einer erwünschten Intensitätsänderung durch Interferenz aufgrund einer Phasenverschiebung unterschieden werden.Furthermore, a change in the known sensors Initial intensity due to a change in Input intensity or light absorption in one arm is not of a desired change in intensity due to interference be differentiated based on a phase shift.

Aus EP 0 831 312 A1 ist ein faseroptisches Interferometer bekannt, mit dem interne Strukturen von Objekten, beispielsweise im Bereich der Medizin, untersucht werden können. Dazu weist das Interferometer einen Wellenleiter auf, der bereichsweise in Form eines Messarmes und eines Referenzarmes ausgebildet ist, die zueinander kohärente elektromagnetische Teilwellen übertragen. Weiter ist vorgesehen, dass in einem Sensierbereich unter dem Einfluss einer physikalischen oder chemischen Größe eine Phasenverschiebung der im Messarm übertragenen Teilwelle bewirkt wird. Das Interferometer gemäß EP 0 831 312 A1 wird in Reflexion betrieben.From EP 0 831 312 A1 is a fiber optic interferometer known with the internal structures of objects, for example in the field of medicine. That points to Interferometer on a waveguide, the shape of some areas a measuring arm and a reference arm is formed, the to transmit coherent electromagnetic partial waves. It is further provided that in a sensing area under the Influence of a physical or chemical quantity Phase shift of the partial wave transmitted in the measuring arm causes becomes. The interferometer according to EP 0 831 312 A1 is in reflection operated.

Aus DE 40 37 431 A1 ist ein weiterer, in Form eines Interferometers ausgebildeter optischer Sensor bekannt, bei dem in einem Wellenleiterzweig ein sensitiver Bereich vorgesehen ist, der unter dem Einfluss einer äußeren physikalischen oder chemischen Messgröße eine Phasenverschiebung der in diesem Wellenleiterzweig geführten elektromagnetischen Welle bewirkt. Insbesondere ist der dort beschriebene optische Sensor als integriertoptischer Sensor zur Messung des optischen Absorptionskoeffizienten und der Brechzahl flüssiger oder gasförmiger Medien geeignet.DE 40 37 431 A1 is another, in the form of a Interferometer trained optical sensor known in which A sensitive area is provided in a waveguide branch is under the influence of an external physical or chemical measurand a phase shift in this Waveguide branch guided electromagnetic wave causes. In particular, the optical sensor described there is as Integrated optical sensor for measuring the optical Absorption coefficient and the refractive index liquid or suitable for gaseous media.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Sensor hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß damit gezielt die von mindestens einer zu bestimmenden physikalischen oder chemischen Meßgröße in einem Sensierbereich hervorgerufene Phasendifferenz oder Änderung einer Phasendifferenz zwischen dem Meßarm und Referenzarm eines Wellenleiters hinsichtlich deren Betrag und Richtung bestimmt werden kann und somit diese Phasendifferenz oder Änderung der Phasendifferenz quantitativ und eindeutig der Änderung der Meßgröße zugeordnet werden kann. Damit ist neben dem Betrag auch die Richtung der Änderung der Meßgröße bestimmbar.The sensor according to the invention has compared to the prior art the advantage of being targeted by at least one determining physical or chemical measurand in one Sensing range caused phase difference or change a phase difference between the measuring arm and the reference arm Waveguide determined in terms of their amount and direction can be and thus this phase difference or change in Phase difference quantitatively and clearly the change in Measured variable can be assigned. So that in addition to the amount the direction of the change in the measurable variable can be determined.

Überdies kann auch eine Änderung der übertragenen Ausgangsintensität aufgrund einer Änderung der Eingangsintensität oder einer Lichtabsorption in einem Meß- oder Referenzarm von einer Intensitätsänderung durch Interferenz aufgrund einer zusätzlich auftretenden Phasenverschiebung unterschieden werden.In addition, a change in the transmitted Initial intensity due to a change in Input intensity or light absorption in a measurement or Reference arm from an intensity change due to interference due to an additional phase shift be distinguished.

Daneben ist es zur Vereinfachung der Auswertung der sich aufgrund der Einwirkung der Meßgröße auf einen Sensierbereich als Funktion der Zeit zusätzlich oder erstmals einstellenden Phasenverschiebung sehr günstig, wenn sich der Meßarm und der Referenzarm hinter dem oder den jeweils damit in Verbindung stehenden Sensier- oder Modulationsbereichen in einem zweiten Knoten wieder zu einem abführenden Wellenleiter vereinigen. Dabei kommt es zu einer Interferenz der beiden kohärenten, phasenverschobenen Teilwellen, die zu einer einfach auszuwertenden Intensitätsmodulation als Funktion der Phasenverschiebung in dem abführenden Wellenleiter führt.It is also used to simplify the evaluation of itself due to the influence of the measured variable on a sensing area as a function of time, additionally or for the first time Phase shift very favorable if the measuring arm and the Reference arm behind the or each in connection with it standing sensing or modulation areas in a second Combine the knot into a leading waveguide. The two coherent, phase-shifted partial waves that become an easy intensity modulation to be evaluated as a function of Phase shift in the leading waveguide leads.

Diese Intensitätsmodulation wird vorteilhaft weiter mittels eines Detektors bestimmt, der mit dem abführenden Wellenleiter in Verbindung steht und der die Intensität der übertragenen abgeführten elektromagnetischen Wellen als Funktion der Zeit mißt. Dieser Detektor steht darüber hinaus mit einer Verarbeitungseinheit in Verbindung, die aus der vom Detektor gemessenen Intensitätsänderung die Phasenverschiebung oder die Änderung der Phasenverschiebung zwischen den über den Meßarm und den Referenzarm übertragenen elektromagnetischen Teilwellen, insbesondere als Funktion der Zeit, bestimmt.This intensity modulation is advantageously further achieved by means of of a detector determined with the leading waveguide and the intensity of the transmitted dissipated electromagnetic waves as a function of time measures. This detector is also available with a Processing unit connected from the detector measured change in intensity, the phase shift or Change of phase shift between the over the measuring arm and the electromagnetic partial waves transmitted by the reference arm, especially as a function of time.

Zudem nimmt die Verarbeitungseinheit auf Basis der von dem Detektor gemessenen Intensitätsänderung und der daraus bestimmten Phasenverschiebung oder Änderung der Phasenverschiebung über den ebenfalls mit der Verarbeitungseinheit in Verbindung stehenden Phasenmodulator im Referenzarm als Funktion der Zeit eine Einstellung der Phasendifferenz zwischen den beiden Teilwellen vor. Diese Einstellung erfolgt insbesondere derart, daß die von dem Detektor detektierte Intensität der übertragenen elektromagnetischen Welle im abführenden Lichtwellenleiter maximal oder minimal wird bzw. ist. Dabei arbeiten Detektor, Verarbeitungseinheit und Phasenmodulator im Sinne eines geschlossenen Regelkreises, wobei der Phasenmodulator als Stellglied fungiert.In addition, the processing unit takes on the basis of the Detector measured intensity change and the resulting certain phase shift or change in Phase shift over the also with the Processing unit related phase modulator in Reference arm as a function of time an adjustment of the Phase difference between the two partial waves. This Adjustment is made in particular in such a way that the Detector detected intensity of the transmitted electromagnetic wave in the discharging optical fiber becomes or is maximum or minimum. The detector works, Processing unit and phase modulator in the sense of a closed loop, the phase modulator as Actuator acts.

Der Betrag und die Richtung (d. h. das Erfordernis einer positiven oder negativen Phasenverschiebung) der durch die Verarbeitungseinheit bei dieser Einstellung in dem Referenzarm veranlaßten Phasenverschiebung ist dann ein Maß für die Größe und Richtung der Änderung einer in einem Sensierbereich detektierten Änderung einer physikalischen oder chemischen Meßgröße.The amount and direction (i.e. the requirement of a positive or negative phase shift) by the Processing unit with this setting in the reference arm induced phase shift is then a measure of the size and direction of change one in a sensing area detected change in a physical or chemical Variable.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.Advantageous developments of the invention result from the measures mentioned in the subclaims.

So ist es besonders vorteilhaft, wenn der Referenzarm mit einem Phasenmodulator in Verbindung steht, der in dem Referenzarm eine definierte Phasenverschiebung einer dort übertragenen elektromagnetischen Teilwelle bewirkt. Diese Phasenverschiebung kann zeitlich konstant oder, besonders vorteilhaft, periodisch, insbesondere sinusförmig, sein. Dabei ist der Phasenmodulator vorzugsweise innerhalb eines Modulationsbereiches als Teil des Referenzarmes in den Referenzarm integriert.So it is particularly advantageous if the reference arm with a Phase modulator is connected, the one in the reference arm defined phase shift of a transmitted one electromagnetic partial wave causes. This phase shift can be constant over time or, particularly advantageously, periodically, in particular sinusoidal. Here is the phase modulator preferably within a modulation range as part of the Reference arm integrated into the reference arm.

Weiterhin weist der Referenzarm und/oder der Meßarm vorteilhaft zumindest in den Modulations- bzw. Sensierbereichen einen Wellenleiterkern und eine Wellenleiterumgebung auf, wobei der Brechungsindex des Wellenleiterkerns und/oder der Wellenleiterumgebung zumindest in einem Sensierbereich von der zu bestimmenden physikalischen oder chemischen Meßgröße abhängig ist.Furthermore, the reference arm and / or the measuring arm advantageously has at least in the modulation or sensing areas Waveguide core and a waveguide environment, the Refractive index of the waveguide core and / or the Waveguide environment at least in a sensing area from the physical or chemical measured variable to be determined is.

Der erfindungsgemäße Sensor ist vorteilhaft in Form eines zuführenden Wellenleiters ausgeführt, der eine elektromagnetische Welle wie insbesondere Licht überträgt, und der sich zunächst in einem ersten Knoten in zwei Arme, den Meß- und Referenzarm teilt, wobei diese beiden Arme dann jeweils kohärente Teilwellen d. h. zunächst in Phase befindliche Teilwellen oder Teilwellen mit einer zunächst konstanten Phasendifferenz der übertragenen elektromagnetischen Wellen aufnehmen und übertragen.The sensor according to the invention is advantageous in the form of a feeding waveguide, the one transmits electromagnetic wave such as light in particular, and which is initially in a first node in two arms, the measuring and reference arm divides, these two arms then each coherent partial waves d. H. initially in phase Partial waves or partial waves with an initially constant Phase difference of the transmitted electromagnetic waves record and transfer.

Besonders einfach und vorteilhaft lassen sich der Betrag und die Richtung der von der Meßgröße über einen Sensierbereich verursachten Phasenverschiebung oder Änderung der Phasenverschiebung dann bestimmen, wenn der Phasenmodulator im Referenzarm durch geeignete Wahl der Phaseneinstellung (Offset) und eine periodische, insbesondere sinusförmige Phasenmodulation um diese Einstellung im abführenden Lichtwellenleiter eine zunächst symmetrische, gleichfalls periodische Intensitätsschwankung um ein Maximum oder Minimum erzeugt. Die Wahl der Phaseneinstellung (Offset) erfolgt zur Einstellung eines Maximums oder Minimums beispielsweise so, daß die beiden Teilwellen in Meß- und Referenzarm gleichphasig (konstukrtive Interferenz, Maximum) oder gegenphasig (destruktive Interferenz, Minimum) sind. The amount and the amount can be particularly simple and advantageous Direction of the measured variable over a sensing range caused phase shift or change in Determine phase shift when the phase modulator in Reference arm by suitable choice of phase setting (offset) and a periodic, in particular sinusoidal phase modulation around this setting in the outgoing optical fiber initially symmetrical, also periodic Intensity fluctuation generated by a maximum or minimum. The The phase setting (offset) is selected for setting a maximum or minimum, for example, so that the two Partial waves in measuring and reference arm in phase (constructive Interference, maximum) or out of phase (destructive interference, Minimum).

Eine im Meßarm auftretende, von der Meßgröße zusätzlich verursachte Phasenverschiebung führt dann zu einer zeitlich unsymmetrischen Intensitätsänderung am Detektor, wobei aus der dort nun auftretenden maximalen und minimalen Intensität und deren zeitlichem Auftreten die Größe und die Richtung der von einer Meßgröße verursachten Phasenverschiebung in einem Sensierbereich in der Verarbeitungseinheit einfach bestimmbar bzw. durch eine hinsichtlich der Phaseneinstellung richtungsabhängige Regelung des Phasenmodulators ausgleichbar ist.An occurring in the measuring arm, in addition of the measured variable then caused phase shift leads to a temporal asymmetrical change in intensity at the detector, whereby from the there occurring maximum and minimum intensity and whose timing occurs the size and direction of the a measured variable caused phase shift in one Sensing area can be easily determined in the processing unit or by a regarding the phase adjustment directional regulation of the phase modulator can be compensated is.

Diese Regelung des Phasenmodulators erfolgt dabei sehr vorteilhaft so, daß sich durch eine damit im Modulationsbereich zusätzlich erzeugte Phasenverschiebung (zusätzlicher Offset) die ursprüngliche, um ein Maximum oder Minimum symmetrisch schwankende Intensitätsänderung im abführenden Wellenleiter wieder einstellt. Die Größe und Richtung dieser vom Phasenmodulator zusätzlich erzeugten Phasenverschiebung ist somit ein direktes Maß für die Größe und Richtung der im Detektionsbereich von der Meßgröße erzeugten Phasenverschiebung, die wiederum zu einer zu bestimmenden physikalischen oder chemischen Meßgröße proportional ist.This regulation of the phase modulator takes place very much advantageous so that it is in the modulation range additionally generated phase shift (additional offset) original symmetrical to a maximum or minimum fluctuating change in intensity in the discharging waveguide resumes. The size and direction of this from Phase modulator is additionally generated phase shift thus a direct measure of the size and direction of the im Detection range of the phase shift generated by the measured variable, which in turn lead to a physical or chemical parameter is proportional.

Im übrigen ist es vorteilhaft und kostengünstig, wenn der Detektor und die Verarbeitungseinheit in einem Bauteil integriert sind.Otherwise, it is advantageous and inexpensive if the Detector and the processing unit in one component are integrated.

drawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Wellenleiters mit Meß- und Referenzarm, Fig. 2 eine Darstellung der Ausgangsintensität des Wellenleiters nach Fig. 1 als Funktion der Phasenverschiebung und Fig. 3 eine Prinzipskizze des Wellenleiters nach Fig. 1 mit weiteren Bauteilen.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing and in the description below. It shows Fig. 1 is a schematic diagram of a waveguide with measuring and reference arm, Fig. 2 is a representation of output intensity of the waveguide of Fig. 1 as a function of the phase shift and Fig. 3 is a schematic diagram of the waveguide of FIG. 1 with further components.

embodiments

Die Fig. 1 zeigt einen Wellenleiter 5 zur Übertragung elektromagnetischer Wellen, wie insbesondere Licht, aus einem dazu geeigneten, an sich bekannten Material wie beispielsweise Glas. Der Wellenleiter 5 weist einen zuführenden Wellenleiter 10 auf, der sich in einem ersten Knoten 11 in einen Meßarm 12 und einen Referenzarm 13 teilt bzw. verzweigt, so daß beide Arme 12, 13 kohärente elektromagnetische Teilwellen der zu übertragenden elektromagnetischen Welle tragen. Der Meßarm 12 und der Referenzarm 13 vereinigen sich wieder in einem zweiten Knoten 14 zu einem abführenden Lichtwellenleiter 15. Dabei kommt es zu einer Überlagerung (Interferenz) der beiden in den beiden Armen 12, 13 übertragenen elektromagnetischen Teilwellen. Die über den abführenden Lichtwellenleiter 15 abgeführte Intensität ist somit von der Phasendifferenz zwischen den beiden Teilwellen abhängig. Als funktionale Abhängigkeit ergibt sich eine sin²-förmige (bzw. cos²-förmige) Intensitätsmodulation als Funktion der Phasendifferenz. Fig. 1 shows a waveguide 5 for transmitting electromagnetic waves, in particular light from a suitable for this purpose, per se known material such as glass. The waveguide 5 has a feeding waveguide 10 which divides or branches in a first node 11 into a measuring arm 12 and a reference arm 13 , so that both arms 12 , 13 carry coherent electromagnetic partial waves of the electromagnetic wave to be transmitted. The measuring arm 12 and the reference arm 13 combine again in a second node 14 to form an optical fiber 15 that leads away. This results in an interference (interference) of the two electromagnetic partial waves transmitted in the two arms 12 , 13 . The intensity dissipated via the optical waveguide 15 is thus dependent on the phase difference between the two partial waves. A sin ² -shaped (or cos ² -shaped) intensity modulation as a function of the phase difference results as a functional dependency.

Innerhalb des Meßarmes 12 ist weiterhin ein Sensierbereich 16 vorgesehen, innerhalb dessen der Meßarm 12 in Form eines Wellenleiterkerns mit einer den Kern umgebenden Wellenleiterumgebung verläuft. Innerhalb des Sensierbereiches 16 führt eine Veränderung zumindest einer physikalischen oder chemischen Meßgröße, wie beispielsweise einer äußeren Gasatmosphäre oder einer Temperatur zur einer Änderung des Brechungsindex von Wellenleiterkern und/oder -kernumgebung und somit zu einer Phasenverschiebung der innerhalb des Meßarms 12 übertragenen elektromagnetischen Teilwelle. Hinsichtlich weiterer Details der Funktion des an sich bekannten Sensierbereiches 16 und seiner konkreten Ausgestaltung sei beispielsweise auf die Anmeldung DE 197 41 335.8 verwiesen.Within the measuring arm 12 is a sensing area 16 is further provided, within which the measuring arm 12 extends a waveguide core with a surrounding the core waveguide in the form of ambient. Within the sensing area 16 , a change in at least one physical or chemical measured variable, such as an external gas atmosphere or a temperature, leads to a change in the refractive index of the waveguide core and / or core environment and thus to a phase shift in the electromagnetic partial wave transmitted within the measuring arm 12 . With regard to further details of the function of the sensing area 16 known per se and its specific configuration, reference is made, for example, to the application DE 197 41 335.8.

In den Referenzarm 13 ist weiterhin innerhalb eines Modulationsbereiches 20 ein Phasenmodulator 17 integriert. Über diesen Phasenmodulator 17, der dem Fachmann in seinem Aufbau und seinen konkreten bekannten Ausgestaltungsmöglichkeiten bekannt ist, kann eine definierte, auch zeitlich variable Phasenverschiebung der im Referenzarm 13 übertragenen Teilwelle vorgenommen werden.A phase modulator 17 is also integrated into the reference arm 13 within a modulation range 20 . This phase modulator 17 , which is known to the person skilled in the art in its structure and its specific known configuration options, can be used to carry out a defined, also temporally variable phase shift of the partial wave transmitted in the reference arm 13 .

Die Fig. 3 zeigt in Weiterführung von Fig. 1 weitere Bauteile des Sensors. Der abführenden Wellenleiter 15 steht mit einem an sich bekannten Detektor 21 in Verbindung, der die Intensität der abgeführten elektromagnetischen Welle als Funktion der Zeit mißt. Als Detektor 21 eignet sich beispielsweise - je nach Frequenz der elektromagnetischen Welle - eine Photodiode, eine Photozelle oder ein Oszillograph. Weiterhin ist eine Verarbeitungseinheit 22 vorgesehen, die mit dem Detektor 21 und dem Phasenmodulator 20 in Verbindung steht und abhängig von der gemessenen Intensität am Detektor 21 eine Einstellung des Phasenmodulators 20 und damit eine (erste oder zusätzliche) Phasenverschiebung im Referenzarm 13 vornimmt, so daß sich eine Änderung der Phasendifferenz zwischen den beiden in Meßarm 12 und Referenzarm 13 übertragenen Teilwellen ergibt. Der konkrete Aufbau der Verarbeitungseinheit 22, die beispielsweise eine elektronische Schaltung oder ein Mikroprozessor ist, ist dem Fachmann bekannt. Fig. 3 shows, in continuation of Fig. 1 further components of the sensor. The discharging waveguide 15 is connected to a detector 21 known per se, which measures the intensity of the discharged electromagnetic wave as a function of time. Depending on the frequency of the electromagnetic wave, a detector 21 is, for example, a photodiode, a photocell or an oscillograph. Furthermore, a processing unit 22 is provided, which is connected to the detector 21 and the phase modulator 20 and, depending on the measured intensity at the detector 21, adjusts the phase modulator 20 and thus performs a (first or additional) phase shift in the reference arm 13 , so that a change in the phase difference between the two partial waves transmitted in measuring arm 12 and reference arm 13 results. The specific structure of the processing unit 22 , which is for example an electronic circuit or a microprocessor, is known to the person skilled in the art.

Im einzelnen arbeitet der Sensor gemäß Fig. 3 beispielsweise nun folgendermaßen. Über den zuführenden Wellenleiter 10 wird eine zumindest weitgehend monochromatische elektromagnetische Welle, wie beispielsweise das Licht einer Laserquelle, an dem ersten Knoten 11 in zwei kohärente Teilwellen vorzugsweise gleicher Intensität aufgespalten, die über den Meßarm 12 und den Referenzarm 13 weiter übertragen und an dem zweiten Knoten 14 wieder zusammengeführt und als abzuführende elektromagnetische Welle weitergeführt werden. Die Intensität der abgeführten Welle ist dabei abhängig von einer Phasendifferenz oder einer Änderung der Phasendifferenz zwischen den beiden elektromagnetischen Teilwellen, die in dem Meßarm 12 und dem Referenzarm 13 hervorgerufen wurde. Als funktionale Abhängigkeit ergibt sich eine sin²-förmige (bzw. cos²-förmige) Intensitätsmodulation als Funktion der Phasendifferenz. Der Detektor 21 mißt die abgeführte Intensität als Funktion der Zeit und übermittelt sie weiterhin der Verarbeitungseinheit 22, die gleichzeitig mit dem Phasenmodulator 20 in Verbindung steht.In particular the sensor Fig. 3 operates in accordance with, for example, now follows. Via the feeding waveguide 10 , an at least largely monochromatic electromagnetic wave, such as the light from a laser source, is split at the first node 11 into two coherent partial waves, preferably of the same intensity, which are transmitted further via the measuring arm 12 and the reference arm 13 and at the second node 14 merged again and continued as an electromagnetic wave to be dissipated. The intensity of the discharged wave is dependent on a phase difference or a change in the phase difference between the two electromagnetic partial waves, which was caused in the measuring arm 12 and the reference arm 13 . A sin ² -shaped (or cos ² -shaped) intensity modulation as a function of the phase difference results as a functional dependency. The detector 21 measures the removed intensity as a function of time and continues to transmit it to the processing unit 22 , which is simultaneously connected to the phase modulator 20 .

Zunächst nimmt die Verarbeitungseinheit 22 nun eine Einstellung des Phasenmodulators 20 bzw. darüber der Phasendifferenz der beiden Teilwellen derart vor, daß die übertragene Intensität am Detektor 21 maximal oder minimal wird. Im konkret erläuterten Beispiel sei diese Intensität im erläuterten Beispiel nun minimal. Die weitere Vorgehensweise im Fall maximaler Intensität ist dazu völlig analog. Die Einstellung dieser Minimalintensität, die im Idealfall Null ist, geschieht durch eine Änderung der Phasendifferenz (Offset) zwischen den in Meßarm 12 und dem Referenzarm 13 übertragenen Teilwellen mittels des Phasenmodulators 20 bis diese Phasendifferenz ein ungeradzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge der übertragenen elektromagnetischen Welle ist. Damit entsteht am zweiten Knoten 14 eine destruktive Interferenz der beiden Teilwellen, so daß der Detektor 21 zumindest nahezu keine Intensität mehr empfängt. Die Verarbeitungseinheit 22, der Detektor 21 und der Phasenmodulator arbeiten dabei in an sich bekannter Weise wie ein geschlossener Regelkreis mit dem Phasenmodulator 20 als Stellglied. First, the processing unit 22 now adjusts the phase modulator 20 or above the phase difference of the two partial waves in such a way that the transmitted intensity at the detector 21 becomes maximum or minimum. In the example specifically explained, this intensity is now minimal in the example explained. The further procedure in the case of maximum intensity is completely analogous to this. This minimum intensity, which is ideally zero, is set by changing the phase difference (offset) between the partial waves transmitted in measuring arm 12 and reference arm 13 by means of phase modulator 20 until this phase difference is an odd multiple of half a wavelength of the transmitted electromagnetic wave. This creates a destructive interference of the two partial waves at the second node 14 , so that the detector 21 no longer receives at least almost no intensity. The processing unit 22 , the detector 21 and the phase modulator work in a manner known per se like a closed control loop with the phase modulator 20 as an actuator.

Im weiteren Vorgehen bewirkt nun die Verarbeitungseinheit 22 mit der Frequenz der zugeführten elektromagnetischen Welle eine sinusförmige Modulation der Phasenverschiebung der im Referenzarm 13 übertragenen Teilwelle um den zuvor ermittelten und eingestellten Wert der Phasendifferenz zwischen den in Meßarm 12 und Referenzarm 13 übertragenen Teilwellen als Nullpunkt bzw. Offsetpunkt, indem sie eine entsprechende periodische Einstellung des Phasenmodulators 20 vornimmt. Diese periodische schwankende Phasenverschiebung im Referenzarm 13 führt am Detektor 21 zu einer periodisch schwankenden Intensität die in Fig. 2 als durchgezogene Linie im Fettdruck dargestellt ist. Diese Intensität schwankt somit zeitlich symmetrisch zwischen einem linken Maximum, Null und einem rechten Maximum, wobei das linke und rechte Intensitätsmaximum gleich sind.In the further procedure, the processing unit 22 then effects a sinusoidal modulation of the phase shift of the partial wave transmitted in the reference arm 13 by the previously determined and set value of the phase difference between the partial waves transmitted in the measuring arm 12 and the reference arm 13 as the zero point or offset point with the frequency of the supplied electromagnetic wave by making a corresponding periodic adjustment of the phase modulator 20 . This periodically fluctuating phase shift in the reference arm 13 leads to a periodically fluctuating intensity at the detector 21 , which is shown in FIG. 2 as a solid line in bold print. This intensity thus fluctuates symmetrically in time between a left maximum, zero and a right maximum, the left and right intensity maximum being the same.

Die durchgezogene dünne Linie in Fig. 2 gibt im übrigen zusätzlich den erläuterten sin²-förmigen Intensitätsverlauf am Detektor 21 als Funktion der Phasendifferenz und die mit diesem Verlauf zuvor in der beschriebenen Weise vorgenommene Einstellung des Intensitätsminimums wieder.The solid thin line in FIG. 2 also shows the sin ² -shaped intensity curve at the detector 21 as a function of the phase difference and the setting of the intensity minimum previously carried out with this curve in the manner described.

Falls es nun beim Betrieb des Sensors innerhalb eines Sensierbereiches 16 durch den Einfluß einer zu bestimmenden physikalischen oder chemischen Meßgröße zu einer zusätzlichen Phasenverschiebung der im Meßarm 12 verlaufenden Teilwelle kommt, bewirkt diese Phasenverschiebung eine Änderung des Intensitätsverlaufes am Detektor 21 gemäß der in Fig. 2 im Fettdruck dargestellten gestrichelten Linie. Das detektierte Intensitätssignal ist nun durch diese zusätzliche Phasenverschiebung im Meßarm 12 einerseits unsymmetrisch d. h. das linke und rechte Maximum sind nicht mehr gleich und andererseits gibt die Intensität des linken und rechten Maximums die Richtung der im Sensierbereich 16 vorgenommen Phasenverschiebung (positive oder negative Phasenverschiebung) an. So ist die Intensität des linken Maximums im Fall der in Fig. 2 gestrichelt dargestellten positiven Phasenverschiebung im Meßarm 12 höher als die Intensität des rechten Maximums.If an additional phase shift of the partial wave running in the measuring arm 12 occurs during operation of the sensor within a sensing range 16 due to the influence of a physical or chemical measured variable to be determined, this phase shift causes a change in the intensity profile at the detector 21 according to that in FIG Dashed line shown in bold. The detected intensity signal is now asymmetrical due to this additional phase shift in the measuring arm 12, that is, the left and right maximums are no longer the same and, on the other hand, the intensity of the left and right maximums indicates the direction of the phase shift (positive or negative phase shift) made in the sensing region 16 . Thus, the intensity of the left maximum in the case of the positive phase shift in the measuring arm 12 shown in dashed lines in FIG. 2 is higher than the intensity of the right maximum.

Der plötzlich auftretende Intensitätsunterschied zwischen dem linken und rechten Maximum bewirkt nun über die Verarbeitungseinheit 22 eine Neueinstellung des Phasenmodulators 20, so daß die zuvor gemäß Fig. 2 erreichte symmetrische Intensitätslage (siehe die durchgezogene Linie im Fettdruck in Fig. 2) wieder erreicht wird. Dabei entspricht die Größe d. h. der Betrag sowie die Richtung der von der Verarbeitungseinheit 22 über den Phasenmodulator 20 zusätzlich erzeugten, zeitlich konstanten Phasenverschiebung (zusätzlicher Offset) der Richtung der erzeugten Phasenverschiebung im Sensierbereich 16.The suddenly occurring difference in intensity between the left and right maximum now causes the phase modulator 20 to be reset via the processing unit 22 , so that the symmetrical intensity position previously achieved according to FIG. 2 (see the solid line in bold print in FIG. 2) is reached again. The size, ie the amount and the direction of the phase shift (additional offset) additionally generated by the processing unit 22 via the phase modulator 20 corresponds to the direction of the phase shift generated in the sensing region 16 .

Somit ist die von der Verarbeitungseinheit 22 festgestellte Phasenverschiebung und die vorgenommene Neueinstellung der Phasendifferenz zwischen den Teilwellen in Meßarm 12 und Referenzarm 13 hinsichtlich Betrag und Richtung ein Maß für den im Sensierbereich 16 verursachte Phasenverschiebung. Da diese wiederum proportional zu der zu bestimmenden, auf den Sensierbereich 16 einwirkenden physikalischen oder chemische Meßgröße ist, ist die von der Verarbeitungseinheit 22 gemessene bzw. über den Phasenmodulator 20 vorgenommene Phasenverschiebung im Referenzarm 13 somit ein Maß für diese Meßgröße und erlaubt damit die Messung ihrer Änderung hinsichtlich Betrag und Richtung. Thus, the phase shift determined by the processing unit 22 and the readjustment of the phase difference between the partial waves in the measuring arm 12 and the reference arm 13 with respect to magnitude and direction are a measure of the phase shift caused in the sensing region 16 . Since this in turn is proportional to the physical or chemical measured variable to be determined and acting on the sensing region 16 , the phase shift in the reference arm 13 measured by the processing unit 22 or carried out via the phase modulator 20 is thus a measure of this measured variable and thus allows the measurement of it Change in amount and direction.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

55

Wellenleiter
waveguides

1010

zuführender Wellenleiter
feeding waveguide

1111

erster Knoten
first knot

1212

Meßarm
measuring arm

1313

Referenzarm
reference arm

1414

zweiter Knoten
second knot

1515

abführender Wellenleiter
laxative waveguide

1616

Sensierbereich
Sensing region

1717

Modulationsbereich
modulation range

2020

Phasenmodulator
phase modulator

2121

Detektor
detector

2222

Verarbeitungseinheit
processing unit

Claims

1. Sensor with at least one waveguide for transmitting electromagnetic waves, which is present at least in regions in the form of at least one measuring arm ( 12 ) and at least one reference arm ( 13 ), which transmit mutually coherent electromagnetic partial waves, the measuring arm ( 12 ) having at least one sensing region ( 16 ) which, under the influence of at least one physical or chemical measurement variable, causes a phase shift of the partial wave transmitted in the measuring arm ( 12 ), the reference arm ( 13 ) also being connected to at least one means for phase shifting the partial wave transmitted in the reference arm ( 13 ) , characterized in that the measuring arm ( 12 ) and the reference arm ( 13 ) combine to form an outgoing waveguide ( 15 ) which is connected to a detector ( 21 ), that a processing unit ( 22 ) is provided which is connected to the detector ( 21 ) and the means in the form of an actuator of a control loop It interacts in such a way that a change in the intensity and direction of a change in the intensity of the transmitted electromagnetic wave in the discharging waveguide ( 15 ) caused by a change in the phase shift of the partial wave transmitted in the measuring arm ( 12 ) can be detected.

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the means is a phase modulator ( 20 ).

3. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the mean is a constant or periodic, in particular sinusoidal, phase shift.

4. Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the means is integrated in at least one modulation region (17) in the reference arm (13) or forms a part of the reference arm (13).

5. Sensor according to claim 4, characterized in that the reference arm ( 13 ) at least in the modulation region ( 17 ) has a waveguide core and a waveguide environment.

6. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the measuring arm ( 12 ) at least in the sensing region ( 16 ) has a waveguide core and a waveguide environment.

7. Sensor according to claim 6, characterized in that the refractive index of the waveguide core and / or the waveguide environment is dependent at least in the sensing region ( 16 ) on the physical or chemical measured variable.

8. Sensor according to claim 5, characterized in that the refractive index of the waveguide core and / or the waveguide environment is dependent at least in the modulation range ( 17 ) on a physical or chemical variable.

9. Sensor according to claim 1, characterized in that the waveguide ( 5 ) has a feeding waveguide ( 10 ) which branches in a first node ( 11 ) into the measuring arm ( 12 ) and the reference arm ( 13 ).

10. Sensor according to claim 1, characterized in that the measuring arm ( 12 ) and the reference arm ( 13 ) unite in a second node ( 14 ) to the discharging waveguide ( 15 ).

11. Sensor according to claim 1, characterized in that the detector ( 21 ) determines the intensity of the transmitted electromagnetic waves in the discharging waveguide ( 15 ) as a function of time.

12. Sensor according to claim 1 or 11, characterized in that the detector ( 21 ) is a photodiode, a photocell or an oscillograph.

13. Sensor according to claim 1, characterized in that the processing unit ( 22 ) detects a change in the phase shift between the electromagnetic partial waves transmitted via the measuring arm ( 12 ) and the reference arm ( 13 ), in particular as a function of time.

14. Sensor according to claim 1, characterized in that the processing unit ( 22 ) uses the means to adjust a phase shift between the electromagnetic partial waves transmitted via the measuring arm ( 12 ) and the reference arm ( 13 ), in particular as a function of time, in such a way that the intensity of the transmitted electromagnetic wave detected by the detector ( 21 ) is maximum or minimum.

15. Sensor according to claim 1 or 14, characterized in that the amount and the direction of the change of the phase shift detected by the processing unit ( 22 ) is a measure of the size and the direction of the change of a change detected in the sensing region ( 16 ) physical or chemical measure.

16. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the amount and the direction of the adjustment made by the processing unit ( 22 ) to maximize or minimize the transmitted intensity of the emitted electromagnetic wave of the phase shift is a measure of the size and direction of the change in the sensor area ( 16 ) is detected change in the physical or chemical measured variable.

17. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the detector ( 21 ) and the processing unit ( 22 ) are integrated in one component.

18. Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the transmitted electromagnetic Waves are in the visible spectral range.

19. Sensor according to one of the preceding claims, characterized by the training as an integrated optical sensor, especially as a Mach-Zehnder interferometer, with an integrated one Phase modulator.