DE3920840C1 - Integrated optical sensor detecting temp. and refraction index changes - has double refractive waveguide in substrate extending along X or Y axis of cut lithium-niobate crystal - Google Patents
Integrated optical sensor detecting temp. and refraction index changes - has double refractive waveguide in substrate extending along X or Y axis of cut lithium-niobate crystalInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen integriert-optischen Sensor zur gleichzeitigen Erfassung von Temperatur- und Brechzahländerungen mit einem Substratkörper aus Lithiumniobat, in dem ein monomodiger Wellenleiter vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Stirnflächen des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche er streckt, wobei eine seitliche Begrenzungsfläche des Wellenleiters mit einem Meßfluid in Kontakt bringbar ist und Koppelflächen des Wellenleiters an den Stirn flächen hochreflektierend ausgebildet sind und wobei eine Koppelfläche mit Laserstrahlung und ein erster Lichtdetektor mit dem in Reflexion oder Transmission aus einer entsprechenden Koppelfläche erhaltenen Meß signal beaufschlagbar ist.The invention relates to an integrated optical Sensor for simultaneous detection of temperature and changes in refractive index with a substrate body Lithium niobate, in which a single-mode waveguide is provided, which is between two end faces of the substrate body along its surface stretches, with a lateral boundary surface of the Waveguide can be brought into contact with a measuring fluid is and coupling surfaces of the waveguide on the forehead surfaces are highly reflective and where a coupling surface with laser radiation and a first one Light detector with that in reflection or transmission measurement obtained from a corresponding coupling surface signal can be applied.
Ein derartiger integriert-optischer Sensor ist aus dem Artikel "Integrated optical temperature sensor" von L.M. Johnson et al. aus Appl. phys. Lett. 41, Seite 134 (1982) bekannt, bei dem der Wellenleiter innerhalb des Lithiumniobat-Substrats als unsymmetrisches Mach- Zehnder-Interferometer ausgebildet ist. Die optisch transmittierte Intensität des Interferometers verän dert sich sinusförmig mit der Temperatur des Inter ferometers und damit mit der Temperatur des die Begrenzungsfläche kontaktierenden Meßfluids.Such an integrated optical sensor is from the Article "Integrated optical temperature sensor" by L.M. Johnson et al. from appl. phys. Lett. 41, page 134 (1982), in which the waveguide is within of the lithium niobate substrate as an asymmetrical mach Zehnder interferometer is formed. The optically change transmitted intensity of the interferometer changes sinusoidally with the temperature of the inter ferometers and thus with the temperature of the Boundary surface contacting measuring fluid.
Aus dem Artikel "Optical π-arc waveguide interfero meter in proton-exchanged LiNbO3 for temperature sensing" von Masamitsu Haruna et al. aus Applied Optics 24, Seite 2483 (1985) ist ein anderes unsymme trisches Mach-Zehnder-Interferometer bekannt, bei dem der Wellenleiter aus protonenausgetauschtem Lithium niobat hergestellt ist. Eine phasenverschiebung zwischen den unterschiedlich langen optischen Wegen der beiden Interferometerarme von π wird mit Tempera turänderungen von etwa 0,3 Grad Kelvin erreicht. Bei einer Auflösung der Phasenmessung der transmittierten optischen Intensität von 1 Millirad ist eine Meß genauigkeit von wenigen 10-4 Kelvin erreichbar.From the article "Optical π -arc waveguide interfero meter in proton-exchanged LiNbO 3 for temperature sensing" by Masamitsu Haruna et al. another asymmetrical Mach-Zehnder interferometer is known from Applied Optics 24, page 2483 (1985), in which the waveguide is made from proton-exchanged lithium niobate. A phase shift between the optical paths of different lengths of the π interferometer arms is achieved with temperature changes of around 0.3 degrees Kelvin. With a resolution of the phase measurement of the transmitted optical intensity of 1 millirad, a measurement accuracy of a few 10 -4 Kelvin can be achieved.
In der Zusammenfassung von U. Hollenbach et al. "Integrated optical refractive index sensor by ion exchange in glass" in den Technical Abstracts of the International Congress on Optical Science and Engi neering, 19-25 September 1988 in Hamburg, paper 1014 ist ein symmetrisches Wellenleiter-Mach-Zehnder- Interferometer beschrieben, bei dem nur einer der Wellenleiterarme von der Meßflüssigkeit kontaktierbar ist. Durch die symmetrischen Wellenleiterarme gleicher Länge ist das Ausgangssignal des Interferometers unabhängig von Temperaturschwankungen. Der aus dem Wellenleiter in die Meßflüssigkeit ragende Anteil der geführten Wellenmoden wird durch die Meßflüssigkeit in seiner Phase verändert, so daß der Brechungsindex der Meßflüssigkeit mit einer Genauigkeit von mehr als 10-4 erfaßt werden kann.In the summary by U. Hollenbach et al. "Integrated optical refractive index sensor by ion exchange in glass" in the Technical Abstracts of the International Congress on Optical Science and Engineering, September 19-25, 1988 in Hamburg, paper 1014 describes a symmetrical waveguide Mach-Zehnder interferometer which only one of the waveguide arms can be contacted by the measuring liquid. Due to the symmetrical waveguide arms of the same length, the output signal of the interferometer is independent of temperature fluctuations. The portion of the guided wave modes protruding from the waveguide into the measuring liquid is changed in phase by the measuring liquid, so that the refractive index of the measuring liquid can be detected with an accuracy of more than 10 -4 .
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen integriert optischen Sensor zu schaffen, der es gestattet, Temperatur- und Brechungsindexänderungen eines Meß fluids unabhängig voneinander im selben Volumen zu messen.Based on this state of the art Invention based on the task of an integrated to create an optical sensor that allows Changes in temperature and refractive index of a measurement fluids independently in the same volume measure up.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich der doppelbrechende Wellenleiter im Substrat körper entlang der X- oder Y-Schnittachse des ge schnittenen Lithiumniobat-Kristalls erstreckt, das eine dünne, zur Führung einer Mode nicht ausreichend dicke Schicht aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat in der seitlichen Begrenzungsfläche vorgesehen ist, daß die die Koppelfläche beaufschlagende Laserstrah lung linear polarisiert ist, wobei deren polarisa tionsrichtung zwischen der Z-Achse und der auf ihr in der Ebene der Koppelfläche rechtwinklig stehenden Schnittachse des Lithiumniobat-Kristalls vorbestimmt ist, und daß ein zweiter Lichtdetektor mit dem in Reflexion oder Transmission aus der entsprechenden Koppelfläche erhaltenem Meßsignal beaufschlagbar ist, wobei die Lichtdetektoren jeweils für um 90 Grad verschieden polarisierte Laserstrahlung empfindlich sind.The object is achieved in that the birefringent waveguide in the substrate body along the X or Y intersection axis of the ge cut lithium niobate crystal that a thin one, not enough to run a fashion thick layer of proton-exchanged lithium niobate is provided in the lateral boundary surface that the laser beam acting on the coupling surface lung is linearly polarized, the polarisa direction between the Z axis and the one on it the plane of the coupling surface standing at right angles Cut axis of the lithium niobate crystal predetermined and that a second light detector with the in Reflection or transmission from the corresponding Coupling surface received measurement signal can be acted upon, the light detectors each for 90 degrees differently polarized laser radiation sensitive are.
Die dünne protonenausgetauschte Schicht, die für sich alleine zur Führung einer Mode nicht fähig ist, bewirkt eine Verlagerung der rechtwinklig zur Z- Richtung und parallel zur Oberfläche des Lithium niobat-Kristalls polarisierten ordentlichen Mode in Richtung des Substrats und eine Verlagerung des Linienschwerpunkts der außerordentlichen Mode, die entlang der Z-Schnittachse des Kristalls polarisiert ist, in das Meßfluid hinein. Dadurch, daß die or dentliche Mode nur sehr geringe elektromagnetische Feldanteile im Meßfluid aufweist, ist ihr optischer Weg im Fabry-perot-Interferometer hauptsächlich nur durch Temperaturschwankungen veränderbar. Die außer ordentliche Mode sieht dagegen die Brechzahlschwan kungen des Meßfluids in Überlagerung mit einer Phasen änderung aus der Temperaturschwankung. Die relativen Brechzahlschwankungen sind aus der in der außeror dentlichen Mode enthaltenen Meßinformation mit Hilfe der von der ordentlichen Mode erfaßbaren Temperatur information herausrechenbar. Dadurch sind Messungen von Temperaturänderungen im Bereich von 10-3 Kelvin und von Brechzahländerungen im Bereich von 10-4 bis 10-5 durchführbar.The thin proton-exchanged layer, which by itself is not capable of guiding a mode, causes a shift in the normal fashion, which is polarized at right angles to the Z direction and parallel to the surface of the lithium niobate crystal, in the direction of the substrate and a shift in the center of gravity of the extraordinary fashion polarized along the Z-cut axis of the crystal into the measurement fluid. The fact that the dental mode has only very small electromagnetic field components in the measuring fluid means that its optical path in the Fabry-perot interferometer can mainly be changed only by temperature fluctuations. The extraordinary fashion, however, sees the refractive index fluctuations of the measuring fluid in superposition with a phase change from the temperature fluctuation. The relative fluctuations in the refractive index can be calculated from the measurement information contained in the extraordinary mode with the help of the temperature information which can be detected by the ordinary mode. As a result, measurements of temperature changes in the range of 10 -3 Kelvin and of changes in refractive index in the range of 10 -4 to 10 -5 can be carried out.
Die Dicke der protonenausgetauschten Schicht wird wellenlängenabhängig ausgewählt und beträgt bei einer Wellenlänge des Laserlichtes von 0,84 Mikrometer zwischen 50 und 350 Nanometer.The thickness of the proton exchanged layer becomes selected depending on the wavelength and is at one Laser light wavelength of 0.84 microns between 50 and 350 nanometers.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further embodiments of the invention are in the Subclaims marked.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:.The following is an embodiment of the invention explained in more detail with reference to the drawing. Show it:.
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Wellen leiters in einem Kristallsubstrat, Fig. 1 is a schematic view of a wave guide in a crystal substrate,
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein symmetrisches Wellenleiter-Mach-Zehnder-Interferometer, Fig. 2 is a plan view of a symmetric waveguide Mach-Zehnder interferometer,
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein unsymmetrisches Wellenleiter-Mach-Zehnder-Interferometer, Fig. 3 is a plan view of a single-ended waveguide Mach-Zehnder interferometer,
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines in Trans mission betriebenen integriert-optischen Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 4 is a schematic view of an in Trans mission operated integrated optical sensor according to an embodiment of the invention,
Fig. 5 einen Querschnitt durch den Wellenleiter des Sensors entlang seiner Längsachse mit schematisch gezeichneten Moden- sowie Ener gieverteilungen und Fig. 5 shows a cross section through the waveguide of the sensor along its longitudinal axis with schematically drawn modes and energy distribution and energy
Fig. 6 eine schematische Ansicht eines in Reflexion betriebenen integriert-optischen Sensors gemäß dem Ausführungsbeispiel. Fig. 6 is a schematic view of an integrated optical sensor operated in reflection according to the embodiment.
Die Fig. 1 zeigt einen bekannten integriert optischen Sensor 10 zur Messung von Temperaturschwankungen. Der integriert optische Temperatursensor 10 gemäß dem Stand der Technik verfügt über einen Lithiumniobat kristall 12, in dem ein Wellenleiter 14 z.B. durch Titaneindiffusion eingebracht ist. Der Wellenleiter 14 weist eine halbzylindrische Form auf und bildet zwischen Koppelflächen 16 und 17 in den Stirnflächen 18 und 19 des Substrats 12 ein Fabry-perot-Inter ferometer. Eine Begrenzungsfläche 22 des Wellenleiters 14 fluchtet mit einer Oberfläche 24 des Substrats 12. Fig. 1 shows a prior art integrated optical sensor 10 to measure temperature variations. The integrated optical temperature sensor 10 according to the prior art has a lithium niobate crystal 12 in which a waveguide 14 is introduced, for example by titanium diffusion. The waveguide 14 has a semi-cylindrical shape and forms a Fabry-perot interferometer between coupling surfaces 16 and 17 in the end surfaces 18 and 19 of the substrate 12 . A boundary surface 22 of the waveguide 14 is aligned with a surface 24 of the substrate 12 .
Die Oberfläche 24 des Substrats 12 und damit auch die Begrenzungsfläche 22 sind mit einem in der Fig. 1 nicht dargestellten Meßfluid beaufschlagbar. Zur Erfassung von Temperatur- und Brechzahländerungen ist eine Koppelfläche 16 des Wellenleiters 14 mit mono chromatischer Laserstrahlung beaufschlagbar. Ein Großteil dieser Laserstrahlung wird in dem Wellen leiter 14 geführt; ein kleinerer Anteil ragt aus der Begrenzungsfläche 22 in das Meßfluid hinein. Eine Veränderung der Temperatur des Meßfluids und/oder eine Änderung des Brechungszahlindexes des Meßfluids führt zu Phasenverschiebungen innerhalb des durch den Wellenleiter 10 gebildeten Fabry-perot-Interferome ters durch eine Änderung des effektiven Brechungsindex für eine geführte Mode und damit zu einer geänderten Ausgangstransmission oder -reflexion derselben. The surface 24 of the substrate 12 and thus also the boundary surface 22 can be acted upon with a measuring fluid, not shown in FIG. 1. To detect changes in temperature and refractive index, a coupling surface 16 of the waveguide 14 can be acted upon by mono-chromatic laser radiation. Much of this laser radiation is guided in the waveguide 14 ; a smaller portion protrudes from the boundary surface 22 into the measuring fluid. A change in the temperature of the measuring fluid and / or a change in the refractive index of the measuring fluid leads to phase shifts within the Fabry-perot interferometer formed by the waveguide 10 due to a change in the effective refractive index for a guided mode and thus to a changed output transmission or reflection the same.
Die Fig. 2 zeigt in einer Draufsicht einen bekannten integriert-optischen Sensor 30, der als ein symme trisches Wellenleiter-Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet ist. Dieser integriert-optische Sensor 30 verfügt über zwei gleichlange Interferometerarme 31 und 32. Der Lithiumniobatkristall des Substrats 12 ist mit einer durch eine Schraffur angedeutete Abdeck schicht 34 abgedeckt. Lediglich der Interferometerarm 32 ist in einem Meßfenster 36 nicht von der Abdeck schicht 34 bedeckt. In dem Meßfenster 36 kann ein Teil der im Interferometerarm 32 des Wellenleiters 14 geführten Mode in das die Abdeckschicht 34 und das Meßfenster 36 kontaktierende Meßfluid hinausragen und von Brechzahländerungen beeinflußt werden. Dadurch, daß die Interferometerarme 31 und 32 gleich lang sind, wird das Transmissions- oder Reflexionsausgangssignal des Interferometers nicht von Temperaturschwankungen des Meßfluids beeinflußt. Es können relative Brech zahlschwankungen, aber keine Temperaturschwankungen erfaßt werden. Fig. 2 shows a plan view of a known integrated optical sensor 30 which is designed as a symmetrical waveguide Mach-Zehnder interferometer. This integrated optical sensor 30 has two interferometer arms 31 and 32 of equal length. The lithium niobate crystal of the substrate 12 is covered with a cover layer 34 indicated by hatching. Only the interferometer arm 32 is not covered by the covering layer 34 in a measuring window 36 . In the measuring window 36 , a part of the mode guided in the interferometer arm 32 of the waveguide 14 can protrude into the measuring fluid contacting the cover layer 34 and the measuring window 36 and can be influenced by changes in refractive index. Because the interferometer arms 31 and 32 are of equal length, the transmission or reflection output signal of the interferometer is not influenced by temperature fluctuations in the measuring fluid. Relative fluctuations in refractive index, but no temperature fluctuations can be detected.
Die Fig. 3 zeigt in Draufsicht einen bekannten integriert-optischen Sensor 40 in Gestalt eines unsymmetrischen Wellenleiter-Mach-Zehnder-Interfero meters, das über einen kürzeren Interferometerarm 41 und über einen längeren Interferometerarm 42 verfügt. Dadurch daß die Interferometerarme 41 und 42 ungleich lang sind, tritt eine optische Weglängendifferenz innerhalb des Interferometers auf. Bei einer Tempera turänderung des Meßfluids verändert sich die optische Weglänge in den unterschiedlich langen Interferometer armen 41 und 42 unterschiedlich stark, so daß das Ausgangssignal des Interferometers von der Temperatur des Meßfluids abhängt. Mit dem integriert optischen Sensor 40 sind nur Temperaturschwankungen erfaßbar. Fig. 3 shows in plan view a prior art integrated optical sensor 40 in the form of a single-ended waveguide Mach-Zehnder interferometry meters that has a shorter interferometer arm 41 and a longer interferometer arm 42nd Because the interferometer arms 41 and 42 are of unequal length, an optical path length difference occurs within the interferometer. When the temperature of the measuring fluid changes, the optical path length changes in the interferometer arms 41 and 42 of different lengths, so that the output signal of the interferometer depends on the temperature of the measuring fluid. With the integrated optical sensor 40 , only temperature fluctuations can be detected.
Die Fig. 4 zeigt in einer schematischen Ansicht einen integriert optischen Sensor 50 gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung, der in Transmission betrieben wird. Das Substrat 12 in Gestalt eines Lithiumniobat-Kristalls ist derart geschnitten, daß die Z-Achse 52 in Richtung der Oberfläche 24 des Substrats 12 zeigt. In das Substrat 12 ist von der Oberfläche 24 her ein Wellenleiter 14 eingebracht. Der halbzylindrische doppelbrechende Wellenleiter 14 ist z.B. durch Titaneindiffusion gebildet worden. Der Wellenleiter 14 erstreckt sich geradlinig zwischen den Stirnflächen 18 und 19 des Lithiumniobat-Kristalls und damit parallel zur X- bzw. Y-Achse 54 des Lithium niobat-Kristalls des Substrats 12. Fig. 4 shows a schematic view of an integrated optical sensor 50 according to an exemplary embodiment of the invention, which is operated in transmission. The substrate 12 in the form of a lithium niobate crystal is cut such that the Z axis 52 points in the direction of the surface 24 of the substrate 12 . A waveguide 14 is introduced into the substrate 12 from the surface 24 . The semi-cylindrical birefringent waveguide 14 has been formed, for example, by titanium diffusion. The waveguide 14 extends in a straight line between the end faces 18 and 19 of the lithium niobate crystal and thus parallel to the X and Y axes 54 of the lithium niobate crystal of the substrate 12 .
Der doppelbrechende Wellenleiter 14 hat eine im wesentlichen halbzylindrische Gestalt mit einer Länge von einigen Zentimetern, z.B. zwischen drei und vier Zentimetern, wobei der Halbzylinder zur Oberfläche 24 hin durch die Begrenzungsfläche 22 begrenzt ist. In den obersten Schichten des Substrats 12 und der Begrenzungsfläche 22 ist eine Protonenausgetauschte Schicht 56 vorgesehen, deren Dicke nicht zur Führung einer eigenständigen Mode ausreicht. Die Schicht 56 hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 50 und 350 Nanometern und ist knapp zweimal so breit wie der Durchmesser des halbzylindrischen Wellenleiters 14. Die Schicht 56 weist die Gestalt eines entlang dem Wellenleiter 14 in den oberen Schichten des Sub strats 12 sich erstreckenden Bandes mit einem qua derförmigen Volumen auf. Die Schicht 56 kann z.B. durch entsprechend langes Eintauchen des Substrats 12 in eine heiße Säure, z.B. in Phosphor- oder Benzoe säure, hergestellt werden. Die Oberfläche 24, in die die dünne protonenausgetauschte Schicht 56 eingebracht ist, die auf der Begrenzungsschicht 22 aufliegt, ist mit einem Meßfluid 58 beaufschlagbar.The birefringent waveguide 14 has an essentially semicylindrical shape with a length of a few centimeters, for example between three and four centimeters, the semicylinder being delimited by the boundary surface 22 toward the surface 24 . In the uppermost layers of the substrate 12 and the boundary surface 22 , a proton-exchanged layer 56 is provided, the thickness of which is not sufficient to guide an independent mode. The layer 56 preferably has a thickness between 50 and 350 nanometers and is almost twice as wide as the diameter of the semi-cylindrical waveguide 14 . The layer 56 has the shape of a along the waveguide 14 in the upper layers of the sub strate 12 extending band with a quadratic volume. Layer 56 can be produced, for example, by immersing substrate 12 in a hot acid, for example in phosphoric or benzoic acid. A measuring fluid 58 can be applied to the surface 24 , into which the thin proton-exchanged layer 56 is placed, which lies on the boundary layer 22 .
Die Koppelfläche 16 an der Stirnfläche 18 ist poliert und vorzugsweise mit einer dielektrischen bzw. me tallischen Reflexionsschicht versehen. Mit der Kop pelfläche 16 wird eine polarisationserhaltende Faser 60 auf Stoß verbunden. In einer anderen Ausgestaltung kann die polarisationserhaltende Faser 60 auch auf die Koppelfläche 16 geklebt werden. Die polarisationser haltende Faser 60 ist mit einem polarisierten mono chromatischen Laserstrahl beaufschlagt, für dessen Wellenlänge das Lithiumniobat-Substrat 12 transparent ist. Die Polarisationsrichtung 61 des Laserlichtes ist vorzugsweise um 45 Grad in der Ebene der Stirn fläche 18 gegenüber der Z-Achse 52 geneigt, so daß beide grundlegenden Moden, sowohl eine ordentliche als auch eine außerordentliche Mode, gleichzeitig angeregt werden.The coupling surface 16 on the end face 18 is polished and preferably provided with a dielectric or metallic reflection layer. With the Kop pelfläche 16 a polarization-maintaining fiber 60 is connected in a butt. In another embodiment, the polarization-maintaining fiber 60 can also be glued onto the coupling surface 16 . The polarization-maintaining fiber 60 is acted upon by a polarized mono-chromatic laser beam, for the wavelength of which the lithium niobate substrate 12 is transparent. The direction of polarization 61 of the laser light is preferably inclined by 45 degrees in the plane of the end face 18 with respect to the Z-axis 52 , so that both basic modes, both an ordinary and an extraordinary mode, are excited simultaneously.
Zwischen den hochreflektierenden Koppelflächen 16 und 17 bildet sich in dem Wellenleiter 14 ein Fabry-perot- Interferometer aus, dessen an der Koppelfläche 17 ausgekoppelte Intensität in eine zweite polarisations erhaltende Faser 62 einspeisbar ist. Die Koppelfläche 17 ist poliert und vorzugsweise mit einer dielek trischen bzw. metallischen Reflexionsschicht versehen. Die zweite polarisationserhaltende Faser 62 ist mit der Koppelfläche 17 auf Stoß bzw. geklebt verbunden. Die polarisationserhaltende Faser 62 ist in einem Y- Koppler 64 in zwei Teilfasern 65 und 66 aufgeteilt. Das in den Teilfasern 65 und 66 geführte Licht beauf schlagt über Polarisatoren 67 und 68 Detektoren 69 und 70. Der erste Polarisator 67 ist derart eingestellt, daß der erste Detektor 69 von dem ordentlichen Strahl beaufschlagt ist, dessen Polarisationsrichtung senk recht auf den Schnittachsen 52 und 54 steht und mit 71 gekennzeichnet ist.Between the highly reflecting coupling surfaces 16 and 17 , a Fabry-perot interferometer is formed in the waveguide 14 , the intensity of which is coupled out on the coupling surface 17 can be fed into a second polarization-maintaining fiber 62 . The coupling surface 17 is polished and preferably provided with a dielectric or metallic reflection layer. The second polarization-maintaining fiber 62 is connected to the coupling surface 17 in an abutting or glued manner. The polarization-maintaining fiber 62 is divided into two sub-fibers 65 and 66 in a Y-coupler 64 . The light guided in the partial fibers 65 and 66 acts on polarizers 67 and 68, detectors 69 and 70 . The first polarizer 67 is set such that the first detector 69 is acted upon by the ordinary beam, the direction of polarization of which is perpendicular to the intersection axes 52 and 54 and is identified by 71 .
Der zweite Polarisator 68 ist so angeordnet, daß der zweite Detektor 70 Licht empfängt, dessen Polari sation um 90 Grad bezüglich der Polarisation des vom ersten Detektor 69 empfangenen Lichtes verschieden ist. Damit entspricht die Polarisation des vom Detek tor 70 erfaßten Lichtes der Polarisation des außer ordentlichen Strahls im Substrat 12, der in Richtung der Z-Achse 52 des Substrats 12 polarisiert ist. Anstelle des Y-Kopplers 64 und den zwei Polarisa toren 67 und 68 kann auch ein Faser-Polarisations teiler vorgesehen sein.The second polarizer 68 is arranged so that the second detector 70 receives light whose polarization is 90 degrees different with respect to the polarization of the light received by the first detector 69 . The polarization of the light detected by the detector 70 corresponds to the polarization of the extraordinary beam in the substrate 12 , which is polarized in the direction of the Z axis 52 of the substrate 12 . Instead of the Y-coupler 64 and the two polarizers 67 and 68 , a fiber polarization divider can also be provided.
Die Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch den Wellen leiter 14 des Sensors 50 entlang seiner Längsachse mit schematisch gezeichneten Moden-Feld-Verteilungen und verdeutlicht die Funktionsweise des Sensors 50. In dem Substrat 12 ist der doppelbrechende Wellenleiter 14 angeordnet, der durch die dünne protonenausgetauschte Schicht 56 abgedeckt ist. Die dünne protonenausge tauschte Schicht 56 ist mit einer übertrieben gezeich neten Dicke von 50 bis 350 Nanometern nicht zur Führung einer Mode fähig. Fig. 5 shows a cross section through the waveguide 14 of the sensor 50 along its longitudinal axis with schematically drawn mode field distributions and illustrates the operation of the sensor 50th The birefringent waveguide 14 , which is covered by the thin proton-exchanged layer 56 , is arranged in the substrate 12 . The thin proton-exchanged layer 56 with an exaggerated thickness of 50 to 350 nanometers is not capable of carrying out a mode.
Weiterhin sind in der Fig. 5 die Feldverteilungen 73 und 75 eingezeichnet. Die Feldverteilung 73 kenn zeichnet den Feldverlauf der außerordentlichen Mode und die Feldverteilung 75 den der ordentlichen Mode. Die protonenausgetauschte Schicht 56 hat die Eigen schaft, daß in dem doppelbrechenden Wellenleiter 14 der Schwerpunkt der ordentlichen Mode 75 in das Substrat 12 verlagert wird, so daß nur ein geringer Anteil der ordentlichen Mode 75 außerhalb der pro tonenausgetauschten Schicht 56 und damit oberhalb der Oberfläche 24 im Meßfluid 58 geführt wird. Die proto nenausgetauschte Schicht 56 hat weiterhin die Eigen schaft, daß die außerordentliche Mode 73 sich vor zugsweise in der protonenausgetauschten Schicht 56 propagiert, und dadurch die außerordentliche Mode 73 aus dem Substrat 12 herausgezogen und weiter in das Meßfluid 58 verlagert wird.The field distributions 73 and 75 are also shown in FIG. 5. The field distribution 73 characterizes the field course of the extraordinary fashion and the field distribution 75 that of the ordinary fashion. The proton-exchanged layer 56 has the property that in the birefringent waveguide 14 the center of gravity of the ordinary mode 75 is shifted into the substrate 12 , so that only a small proportion of the ordinary mode 75 outside the layer-exchanged layer 56 and thus above the surface 24th is guided in the measuring fluid 58 . The proton-exchanged layer 56 also has the property that the extraordinary mode 73 propagates before preferably in the proton-exchanged layer 56 , and thereby the extraordinary mode 73 is pulled out of the substrate 12 and further shifted into the measuring fluid 58 .
Dadurch ist die ordentliche Mode 75 nur für Tempera turschwankungen des Meßfluids und die damit verbun denen Temperaturschwankungen des Wellenleiters 14 empfindlich, während die außerordentliche Mode 73 auch auf Brechzahlschwankungen desselben Volumens des Meßfluids 58 reagiert. Die den ersten Detektor 69 beaufschlagende ordentliche Mode 75, mit der Tempera turschwankungen erfaßbar sind, gestattet die Rückfüh rung des Temperaturschwankungen und Brechzahlschwan kungen umfassenden Signals des zweiten Detektors 70 auf ein reines Maß für Brechzahlschwankungen.As a result, the ordinary mode 75 is only sensitive to temperature fluctuations of the measuring fluid and the temperature fluctuations of the waveguide 14 , while the extraordinary mode 73 also reacts to fluctuations in the refractive index of the same volume of the measuring fluid 58 . The orderly mode 75 acting on the first detector 69 , with which temperature fluctuations can be detected, allows the signal of the second detector 70 comprising the temperature fluctuations and refractive index fluctuations to be returned to a pure measure of fluctuations in the refractive index.
Die Fig. 6 zeigt in einer Ansicht den integriert- optischen Sensor 50, der in Reflexion betrieben wird. Eine Laserdiode 80 sendet eine mit dem Bezugszei chen 82 schematisch angedeutete monochromatische Laserstrahlung aus, die durch eine Linsenanordnung 84 kollimiert wird. Die Laserstrahlung 82 tritt durch einen Strahlteiler 86 hindurch und wird mit Hilfe eines Mikroskopobjektivs 88 auf die Koppelfläche 16 fokussiert. Die Polarisation des Laserstrahls 82 weist einen Winkel von 45 Grad mit der Achse 52 in der Stirnfläche 18 auf. FIG. 6 is a view showing the integriert- optical sensor 50, which is operated in reflection. A laser diode 80 emits a monochromatic laser radiation schematically indicated by reference numeral 82 , which is collimated by a lens arrangement 84 . The laser radiation 82 passes through a beam splitter 86 and is focused on the coupling surface 16 with the aid of a microscope objective 88 . The polarization of the laser beam 82 has an angle of 45 degrees with the axis 52 in the end face 18 .
Das durch den Sensor 50 gebildete Fabry-Perot-Inter ferometer wird in Reflexion betrieben, das heißt, daß das aus der Koppelfläche 16 leckende Laserlicht des Fabry-Perot-Interferometers zur Erfassung der Brech zahl- sowie Temperaturänderungen benutzt wird. Der aus der Koppelfläche 16 heraustretende divergente Laser strahl 90 wird durch das Mikroskopobjektiv 88 kol limiert und mit Hilfe des Strahlteilers 86 abgelenkt. Ein Polarisationsstrahlteiler 92 ist derart angeord net, daß der ordentliche Strahl 75 und der außer ordentliche Strahl 73 auf den ersten Detektor 69 bzw. den zweiten Detektor 70 geleitet werden.The Fabry-Perot interferometer formed by the sensor 50 is operated in reflection, which means that the laser light of the Fabry-Perot interferometer leaking from the coupling surface 16 is used to detect the refractive index and temperature changes. The divergent laser beam 90 emerging from the coupling surface 16 is limited by the microscope objective 88 and is deflected with the aid of the beam splitter 86 . A polarization beam splitter 92 is arranged in such a way that the ordinary beam 75 and the extraordinary beam 73 are directed to the first detector 69 and the second detector 70 , respectively.
Diese optische Anordnung kann z.B. wie folgt ersetzt werden. Die Laserstrahlung 82 verläuft in einer polarisationserhaltenden Faser, der Strahlteiler 86 ist durch ein Faser-Y-Verzweiger und der Polarisa tionsstrahlteiler 92 durch ein Faserpolarisations teiler ersetzt.This optical arrangement can be replaced as follows, for example. The laser radiation 82 runs in a polarization-maintaining fiber, the beam splitter 86 is replaced by a fiber Y-splitter and the polarization beam splitter 92 is replaced by a fiber polarization splitter.
Die Transmissionskurven für die ordentliche Mode 75 bzw. die außerordentliche Mode sind üblicherweise im Frequenzbereich des Lasers 80 gegeneinander verscho ben. Bei einer vorbestimmten Wellenlänge des Lasers 80 ergibt sich z.B. eine hohe transmittierte Intensität der ordentlichen Mode 75 und somit eine steile Meß flanke der Airy-Funktion des Interferometers, wohin gegen die transmittierte Intensität der außerordent lichen Mode 73 für die gleiche Wellenlänge relativ klein ist und damit die Empfindlichkeit für durch die außerordentliche Mode 73 erfaßten Brechzahl schwankungen gering ist.The transmission curves for the ordinary mode 75 and the extraordinary mode are usually shifted ben in the frequency range of the laser 80 ben. At a predetermined wavelength of the laser 80 there is, for example, a high transmitted intensity of the ordinary mode 75 and thus a steep measuring edge of the Airy function of the interferometer, whereas the transmitted wavelength of the extraordinary mode 73 is relatively small for the same wavelength and thus the sensitivity to fluctuations in the refractive index detected by the extraordinary mode 73 is low.
Der Laser 80 ist an einen Modulator angeschlossen, der im Falle eines Halbleiterdiodenlasers als ein Versor gungsstrommodulator ausgebildet sein kann. Durch den in den Zeichnungen nicht dargestellten Modulator wird die Wellenlänge des Laserlichtes mit einer recht eckigen Modulationsfrequenz von z.B. einigen Kilohertz derart zwischen zwei entsprechenden Frequenzen umge schaltet, daß sowohl die ausgekoppelte außerordent liche Mode 73 als auch die ausgekoppelte ordentliche Mode 75 eine Intensität aufweist, die möglichst in der Nähe der halben maximal transmittierten Intensität liegt. Dann ist der integriert-optische Sensor 50 sowohl für Brechzahländerungen als auch für Tempera turschwankungen um diesen Gleichgewichtszustand sehr empfindlich. Die Verwendung des Sensors 50 im Zeit multiplex mit einigen Kilohertz gestattet eine quasi gleichzeitige Aufnahme von Brechzahländerungen und Temperaturschwankungen des Meßfluids 58.The laser 80 is connected to a modulator which, in the case of a semiconductor diode laser, can be designed as a supply current modulator. The modulator, not shown in the drawings, switches the wavelength of the laser light with a right angular modulation frequency of, for example, a few kilohertz between two corresponding frequencies in such a way that both the uncoupled extraordinary mode 73 and the uncoupled ordinary mode 75 have an intensity that is as close as possible to half the maximum transmitted intensity. Then the integrated optical sensor 50 is very sensitive both to changes in refractive index and to temperature fluctuations around this state of equilibrium. The use of the sensor 50 in time multiplexing with a few kilohertz permits a quasi-simultaneous recording of changes in the refractive index and temperature fluctuations of the measuring fluid 58 .
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WO1993020430A1 (en) * | 1992-04-02 | 1993-10-14 | Battelle Memorial Institute | Integrated optical compensating refractometer apparatus |
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WO2017121489A1 (en) * | 2016-01-15 | 2017-07-20 | Siemens Aktiengesellschaft | Arrangement and method for measuring integral field variables of current-carrying assemblies |
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