DE3929340C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen integriert-optischen Sensor zur Erfassung des Brechungsindex von Gasen mit einem Substratkörper aus Lithiumniobat, in dem ein monomodiger Wellenleiter vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Stirnflächen des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche erstreckt, wobei eine Eintrittsstirnfläche des Wellenleiters mit Laserstrahlung und ein Lichtdetektor mit dem in Transmission von der Austrittsendfläche des Wellenleiters abgestrahlten Meßlicht beaufschlagbar ist.

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 Engineering, 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 relative Brechungsindexänderungen der Meßflüssigkeit mit einer Genauigkeit von mehr als 10^-4 erfaßt werden können.

Aus der nachveröffentlichten DE 38 14 844 A1 ist ein Brechzahlsensor in Gestalt eines symmetrischen Wellenleiter- Mach-Zehnder-Interfereometers bekannt, bei dem nur einer der Wellenleiterarme von der Meßflüssigkeit kontaktierbar ist. Mit diesem Sensor sind nur Brechzahländerungen aufgrund der Messung der Änderung der Phasengeschwindigkeit von eingespeistem Licht erfaßbar, da sich das Ausgangssignal ohne Bezugspunkt periodisch mit der Phasendifferenz ändert. Bei diesem vorgeschlagenen Interferometer wird ei analoges Ausgangssignal erhalten, welches nur eine begrenzte relative Empfindlichkeit von ca, 10^-4 bis 10^-5 zuläßt. Durch die symmetrischen Wellenleiterarme gleicher Länge is das Ausgangssignal des Interferometers unabhängig von Temperaturschwankungen.

Die ebenfalls nachveröffentlichten DE 39 02 609 A1 beschreibt eine Einrichtung zur automatischen photometrischen Analyse von Proben mit Hilfe von Extinktionsmessungen. Diese verfügt über optische Wellenleiter und die evaneszente Welle dient als Meßsonde, wobei zur Messung der Extinktion nur bestimmte optische, für die durchzumessenden Flüssigkeiten im sichtbaren und UV-Bereich liegende Wellenlängen eingekoppelt werden müssen. Dies erfordert den Einsatz großer Gaslaser oder von polychromatischem Licht, welches nur mit einer geringen Effektivität in den Wellenleiter einkoppelbar ist. Zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit wird eine probenadsorbierende Schicht vorgeschlagen. Der nicht zur Brechzahlerfassung einsetzbare Sensor liefert ein vom Temperaturfehlern behaftetes, analoges Ausgangssignal.

Die DE 36 04 571 A1 und DE 31 49 733 A1 zeigen integriert- optische Elemente mit einem Phasenschieber. Die dort beschriebenen Fingerelektroden bilden keine "elektroakustischen Wandler" im Sinne einer Erzeugbarkeit von akustischen Wellen, da sie nur ein elektro-optisches Gitter induzieren. Die TE-TM Modenkonversion wird direkt unter den Elektroden bewirkt.

Die DE 28 34 344 A1 schließlich beschreibt insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines integriert-optischen Bauteils in einem Wasserstoffplasma zur Reduktion, d. h. zur Ausdiffundierung von in dem Bauteil enthaltenen Sauerstoff.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen integriert optischen Sensor zu schaffen, der es gestattet, den absoluten Brechungsindex eines Meßgases mit höchster Genauigkeit zu messen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich der doppelbrechende Wellenleiter im Substratkörper entlang der X- oder Y-Schnittachse des geschnittenen Lithiumniobat-Kristalls erstreckt, daß eine dünne, zur Führung einer Mode nicht ausreichend dicke Schicht aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat auf der der Sensoroberfläche zugewandten Begrenzungsfläche des Wellenleiters vorgesehen ist, daß die der Sensoroberfläche zugewandte Obefläche der protonenausgetauschten Schicht mit einer gassensitiven Schicht bedeckt ist, die mit einem Meßgas beaufschlagbar ist, daß auf der Oberfläche ein am eintrittsstirnflächenseitigen Ende angeordneter elektro-akutischer Wandler vorgesehen ist, mit dem in der seitlichen Begrenzungsfläche zu dem Wellenleiter kollineare akustische Oberflächenwellen erzeugbar sind, daß die die Eintrittsfläche beaufschlagende Laserstrahlung linear in der ordentlichen oder in der außerordentlichen Polarisationsrichtung polarisiert ist, wobei der Lichtdetektor für die jeweils in ihrer Polarisationsrichtung um 90 Grad gedrehte Laserstrahlung empfindlich ist.

Die dünne protonenausgetauschte Schicht, die für sich alleine zur Führung einer ausbreitungsfähigen Mode der Strahlung im Wellenleiter nicht fähig ist, bewirkt eine Verlagerung der rechtwinklig zur Z-Richtung und parallel zur Oberfläche des Lithiumniobat-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 die das Meßgas enthaltene, gassensitive Schicht hinein. Durch die Erzeugung akustischer Oberflächenwellen mit Hilfe eines elektro-akustischen Wandlers kann in dem Wellenleiter geführtes ordentlich polarisiertes Licht in außerordentlich polarisiertes Licht überführt werden, das auf dem Lichtdetektor nachgewiesen wird. Dabei wird im Prinzip ein digitales Ausgangssignal nachgewiesen, da der Wirkungsgrad der Umwandlung sehr stark von der Frequenz der Oberflächenwellen abhängig ist, so daß die obige Umwandlung nur in einem sehr kleinen Frequenzbereich der akustischen Wellen stattfindet. Damit kann mit Hilfe einer einfach einstellbaren akustischen Frequenz ein digitales einfach nachzuweisendes Ausgangssignal erzeugt werden, mit dem auf den absoluten Brechungsindex des Meßgases und damit auf seine Konzentration geschlossen werden kann.

Vorzugsweise erstreckt sich der Wellenleiter entlang der X-Schnittachse des Kristalls, da bei diesem Kristallschnitt die Umwandlungsrate am größten ist.

Die Dicke der protonenausgetauschten Schicht wird wellenlängenabhängig ausgewählt und beträgt bei einer Wellenlänge des Laserlichtes von 0,84 Mikrometer zwischen 50 und 350 Nanometer.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines bekannten symmetrischen Wellenleiter-Mach-Zehnder-Interferometers,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines integriert- optischen Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erfassen von absoluten Brechungsindices mit einem Sensor gemäß Fig. 2,

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Wellenleiter des Sensors nach Fig. 2 entlang seiner Längsachse mit schematisch gezeichneten Moden- sowie Energieverteilungen,

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines integriert-optischen Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 6 einen Querschnitt durch den Wellenleiter des Sensors nach Fig. 2 parallel zu seinen Stirnflächen.

Die Fig. 1 zeigt einen bekannten integriert-optischen Sensor 10, der als ein symmetrisches Wellenleiter- Mach-Zehnder-Interferometer ausgebildet ist.

Der integriert-optische Brechungsindexsensor 10 gemäß dem Stand der Technik verfügt über einen Kristall 12 aus einem Glassubstrat, in dem ein Wellenleiter 14 z. B. durch Ionenaustausch eingebracht ist. Der Wellen­ leiter 14 weist eine halbzylindrische Form auf und bildet zwischen Koppelflächen 16 und 17 in den Stirn­ flächen 18 und 19 des Substrats 12 ein symmetrisches Mach-Zehnder-Interferometer. Dieser integriert-optische Sensor 10 verfügt über zwei gleichlange Interferometer­ arme 31 und 32.

Eine Begrenzungsfläche 22 des Wellenleiters 14 fluchtet mit einer Oberfläche 24 des Substrats 12. Die Oberfläche 24 des Substrats 12 ist mit einer Abdeckschicht 34, z. B. aus Siliziumoxid, abgedeckt. Lediglich der Interferometerarm 32 ist in einem durch eine Schraffur angedeuteten Meßfenster 36 nicht von der Abdeckschicht 34 bedeckt. Das Meßfenster 36 ist mit einer gassensitiven Schicht 37 ausgefüllt. In dem Meßfenster 36 kann ein Teil der im Interferometerarm 32 des Wellenleiters 14 geführten Mode in das die Abdeck­ schicht 34 kontaktierende und die gassensitive Schicht 37 durchdringende Meßgas 58 hinausragen und von Brechzahländerungen beeinflußt werden. Die in das die gassensitive Schicht 37 durchdringende Meßgas 58 hineinragende außerordentliche Mode wird in ihrer Phase durch Brechungsindexänderungen moduliert. Dadurch, daß die Interferometerarme 31 und 32 gleich lang sind, wird das Transmissions- oder Reflexionsausgangssignal des Interferometers nicht von Temperaturschwankungen des Meßgases beeinflußt. Es können mit dem vorbekannten Sensor 10 also relative Brechzahl­ schwankungen erfaßt werden.

Zur Erfassung der Brechzahländerungen ist eine Koppelfläche 16 des Wellenleiters 14 mit monochromatischer Laserstrahlung beaufschlagbar. Ein Großteil dieser Laserstrahlung wird in dem Wellenleiter 14 geführt; ein kleinerer Anteil ragt aus der Begrenzungsfläche 22 in das Meßgas 58 hinein. Eine Veränderung des Brechungsindex des Meßgases 58 führt zu Phasenverschiebungen innerhalb des durch den Wellenleiter 14, 31 und 32 gebildeten Mach-Zehnder-Interferometers, da eine Änderung des effektiven Brechungsindex für eine geführte Mode auftritt und damit zu einer geänderten Ausgangstransmission oder -reflexion des Interferometers führt.

Die Fig. 2 zeigt in einer schematischen Ansicht einen integriert optischen Sensor 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 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 zur Deutlichkeit der Zeichnung in der Fig. 2 vergrößert dargestellt ist. 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. Vorzugsweise erstreckt sich der Wellenleiter 14 parallel zur Y-Achse 54 des Lithiumniobat-Kristalls des Substrats 12. Dann ergänzt die normal auf der Oberfläche 24 stehende X-Achse 61 des Substrates 12 das 3-Achsen-Koordinatensystem.

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 ungefähr 10 bis 20mal 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 Substrats 12 sich erstreckenden Bandes mit einem quaderförmigen Volumen auf. Die Schicht 56 kann z. B. durch entsprechend langes Eintauchen des Substrats 12 in eine heiße Säure, z. B. in Phosphor- oder Benzoesäure, hergestellt werden.

Die Oberfläche 24, in die die dünne protonenausgetauschte Schicht 56 eingebracht ist, ist von der gassensitiven Schicht 37 bedeckt. Die gassensitive Schicht 37, die z. B. aus Silikon-Glykol-Kopolymeren hergestellt ist, erstreckt sich entlang und auf der protonenausgetauschten Schicht 56 in einem Band mit einem quaderförmigen Volumen. Die Breite des symmetrisch über der protonenausgetauschten Schicht 56 angeordneten Bandes der gassensitiven Schicht 37 beträgt das Anderthalbfache bis zum Dreifachen der Breite der protonenausgetauschten Schicht 56. Das Band der gassensitiven Schicht 37 reicht von der hinteren Stirnfläche 19 mit der Austrittsfläche 17 des Wellen­ leiters 14 bis in einen vorderen Bereich 38 des Substrates 12. Der vordere Bereich 38 weist eine möglichst kleine Länge, von z. B. 10 Millimeter, von der Eintrittsfläche 16 bis zur gassensitiven Schicht 37 auf.

In dem vorderen Bereich 38 ist auf der Oberfläche 24 ein interdigitaler elektro-akustischer Wandler 39 angeordnet. Der elektro-akustische Wandler 39, der einen TE-TM-Modenkonverter bildet, verfügt über fingerartige Kontaktstreifenpaare 40 und 41, die mit einer Hochfrequenz beaufschlagbar sind. Der schematisch gezeichnete elektro-akustische Wandler 39 umfaßt in seinen Kontaktstreifenpaaren 40 und 41 z. B. ver­ schieden breite und in verschiedenen Abständen voneinander angeordnete Streifen 42, die im wesentlichen in der Ebene der Oberfläche 24 rechtwinklig zum Wellenleiter 14 angeordnet sind. Die Anordnung der fingerartigen, ineinandergreifenden Streifen 42 führt in Verbindung mit der eingespeisten Hochfrequenz zur Anregung von akustischen Oberflächenwellen, die sich kollinear zum Wellenleiter 14 ausbreiten. Die anregende Frequenz liegt im Bereich von bis zu einigen 100 Megahertz.

In der Fig. 2 ist das Band der protonenausgetauschten Schicht 56 von Stirnfläche zu Stirnfläche 18 und 19 gezeichnet. In einer anderen Ausgestaltung des Sensors 20 kann die protonenausgetauschte Schicht 56 im vorderen Bereich 38 mit der gassensitiven Schicht 37 enden. Eine weitere in der Zeichnung nicht dargestellte Ausführungsform weist eine gassensitive Schicht 37 auf, die wie die protonenausgetauschte Schicht 56 von Stirnfläche zu Stirnfläche 18 und 19 reicht.

Die Oberfläche der gassensitiven Schicht 37 des Sensors 20 ist mit einem Meßgas 58 beaufschlagbar. Das Meßgas 58 reichert sich insbesondere in der gassensitiven Schicht 37 an. In die Eintrittsfläche 16 wird monochromatisches Eingangs-Laserlicht 82 eingekoppelt, das in außerordentlicher Polarisationsrichtung polarisiert ist. Aus der Austrittsfläche 17 tritt das Ausgangs-Laserlicht 83 aus, das einen Detektor 69 beaufschlagt.

Die Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Erfassen von absoluten Bre­ chungsindizes mit einem Sensor 20 gemäß Fig. 2. Ein frequenzstabiler Laser 90 sendet das monochromatische Eingangs-Laserlicht 82 aus, das bezüglich dem doppel­ brechenden Wellenleiter 14 außerordentlich polarisiert ist. Das Eingangs-Laserlicht 82 ist über die Ein­ trittsfläche 16 in den Wellenleiter 14 eingekoppelt. Die in den Modenverteilungen der Fig. 4 dargestellte außerordentlich polarisierte Mode 73 wird durch die in dem elektro-akustischen Wandler 39 erzeugten akustischen Oberflächenwellen in die ordentlich polarisierte Mode 75 umgewandelt. Die Umwandlung weist eine maximale Effektivität bei einer akustischen Frequenz f der Oberflächenwellen auf, die die folgende Gleichung erfüllt:

Dabei ist mit V die Phasengeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen, mit L die optische Wellenlänge des eingespeisten Laserlichtes 82 und mit n_o bzw. n_ao der effektive Brechungsindex des Wellenleiters 14 für die ordentliche bzw. außerordentliche Polarisationsrichtung bezeichnet. Die Phasengeschwindigkeit V für übliche Materialien beläuft sich auf ungefähr 3500 Meter pro Sekunde; der Laser 90 sendet zum Beispiel Licht der Wellenlänge 840 Nanometer aus.

Das zu einem gewissen Anteil umgewandelte und nun ordentlich polarisierte Ausgangs-Laserlicht 83 tritt aus der Austrittsfläche 17 aus dem Wellenleiter 14 aus. Es wird in einem in Richtung der ordentlichen Polarisationsrichtung ausgerichteten Polarisator 91 vorteilhafterweise nachpolarisiert und auf den Detek­ tor 69 geleitet. Das Signal des Detektors 69 beaufschlagt über eine Meßleitung 93 eine Steuer- und Auswerteelektronik 95.

Die Steuer- und Auswerteelektronik 95 erzeugt ein Steuersignal, das über eine Steuerleitung 97 einen Hochfrequenzgenerator 98 beaufschlagt. Der Hoch­ frequenzgenerator 98 erzeugt gemäß dem Steuersignal Signale mit Frequenzen von bis zu einigen 100 Megahertz, die über eine Ansteuerleitung 99 den elektro- akustischen Wandler 39 beaufschlagen.

Bei einer Modulation der Anregungsfrequenz des elektro- akustischen Wandlers 39 um die ideale, die obige Gleichung erfüllende Frequenz wird eine steile Resonanz­ kurve ausgenommen, deren Mittenfrequenz die Berechnung des außerordentlichen Brechungsindex n_ao gestattet. Die Effektivität der Umwandlung ist bei dem vorbeschriebenen Kristallschnitt am größten, bei dem die Bezugszeichen 61 der X-Achse, 54 der Y-Achse und 52 der Z-Achse entsprechen. Aber auch die nicht dargestellte Zuordnung der X-Achse zu 54, der Y-Achse zu 61 und der Z-Achse zu 52 gestattet einen hohen Wirkungsgrad bei der Modenkonversion.

Die Hochfrequenzleistung des Hochfrequenzgenerators 98 liegt vorteilhafterweise im Bereich der Lichtleistung des Lasers 90. Das Durchstimmen der Frequenz des Hoch­ frequenzgenerators 98 gestattet die Aufnahme der Resonanzkurve der Modenkonversion, deren Resonanz­ frequenz sehr genau vermessen werden kann. Das Eingangs- Laserlichtsignal 82 kann auch ordentlich polarisiert sein. Dann wird die ordentliche Mode 75 durch die von dem elektro-akustischen Wandler 39 erzeugten akustischen Oberwellen in die außerordentliche Mode 73 umgewandelt. Entsprechend wird dann das außerordentlich polarisierte Ausgangs-Laserlicht 83 auf dem Detektor 69 nachgewiesen.

In der Steuer- und Auswerteelektronik 95 sind Eichkurven 100 abspeicherbar. Zur Ermittlung der Eichkurven 100 wird das Meßgas 58 durch ein Vakuum ersetzt. Über den Zahlenwert der resonanten Hochfrequenz für das Vakuum ist für den Brechungsindex n = 1 des "Meßgases 58" der zugehörige außerordentliche Bre­ chungsindex n_ao bestimmbar. Durch kontrolliertes Einlassen eines bekannten Gases in den Meßraum ist eine Eichkurve 100, bei der der gesuchte Brechungsindex des Eich- bzw. Meßgases über die Zwischengröße n_ao der Hochfrequenz f zuordbar ist, für eine bestimmte Temperatur erstellbar. Verschiedene Eichkurven 100 für verschiedene Temperaturen können zum Beispiel in einem EPROM abgespeichert sein.

Die Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch den Wellenleiter 14 des Sensors 20 entlang seiner Längsachse mit schematisch gekennzeichneten Moden-Feld-Verteilungen und verdeutlicht die Funktionsweise des Sensors 20. In dem Substrat 12 ist der doppelbrechende Wellenleiter 14 angeordnet, der durch die dünne protonenausgetauschte Schicht 56 abgedeckt ist. Die dünne protonenausgetauschte Schicht 56 ist mit einer übertrieben gezeichneten Dicke von 50 bis 350 Nanometern nicht zur Führung einer Mode fähig. Auf der protonenausgetauschten Schicht 56 ist die gassensitive Schicht 37 angeordnet. Die gassensitive Schicht 37 ist mit dem Meßgas 58 beaufschlagt, das auch die gassensitive Schicht 37 durchdringt.

Weiterhin sind in der Fig. 4 die Feldverteilungen 73 und 75 eingezeichnet. Die Feldverteilung 73 kennzeichnet den Feldverlauf der außerordentlichen Mode und die Feldverteilung 75 den der ordentlichen Mode. Die protonenausgetauschte Schicht 56 hat die Eigenschaft, 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 Meßgas 58 geführt wird. Die protonen­ ausgetauschte Schicht 56 hat weiterhin die Eigenschaft daß die außerordentliche Mode 73 sich vorzugsweise in der protonenausgetauschten Schicht 56 propagiert, und dadurch die außerordentliche Mode 73 aus dem Substrat 12 herausgezogen und weiter in das Meßgas 58 verlagert wird. Die außerordentliche Mode 73 entspricht der quasi-TE-Mode bei dem beschriebenen Kristallschnitt, bei dem die Y-Achse 54 entlang dem Wellenleiter verläuft.

Dadurch ist die ordentliche Mode 75 nur für Temperaturschwankungen des Meßgases 58 und die damit verbundenen Temperaturschwankungen des Wellenleiters 14 empfindlich, während die außerordentliche Mode 73 auch auf Brechzahlschwankungen desselben Volumens des Meßgases 58 reagiert.

Die akustische Frequenz, die einer maximalen Umwandlung der außerordentlichen Mode entspricht, ist der Absolutdifferenz der Wellenleiterdoppelbrechung | n_o-n_ao | proportional. Bei einer Änderung des Brechungsindex der gassensitiven Schicht 37 unter der Wirkung eines in dieser Schicht 37 absorbierten Gases 58 ändert sich auch die Wellenleiterdoppelbrechung, da n_ao der effektive Brechungsindex für die evaneszente Welle ist, die in die gassensitive Schicht 37 hineinragt. Die sich ändernde Resonanzfrequenz für die akustischen Oberflächenwellen ist so ein Maß für den absoluten Brechungsindex der gassensitiven Schicht 37 und damit auch ein Maß für die Gaskonzentration des Meßgases 58.

Die Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht eines integriert-optischen Sensors 30 zur gleichzeitigen Absolutmessung von Temperatur und Brechungsindex gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das einstückige Substrat 12 umfaßt einen den Brechungsindex erfassenden Teil 105 und einen die Temperatur erfassenden Teil 106.

Der den Brechungsindex erfassende Teil 105 ist wie der Sensor 20 gemäß Fig. 2 aufgebaut, dessen Merkmale in der Fig. 5 mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Die Modenkonversion des außerordentlich polarisierten Eingangs-Laserlichtes 82 durch die vom elektro-akustischen Wandler 39 erzeugten Oberflächen­ wellen in das ordentlich polarisierte Ausgangs-Laserlicht 83 wird daher nicht näher beschrieben.

Ein zweiter Strahl 84 des außerordentlich polarisierten Eingangs-Laserlichtes 82 beaufschlagt die zweite Eintrittsfläche 16′ eines halbzylindrischen zweiten Wellenleiters 14′, der parallel und in einem größeren seitlichen Abstand entlang der Z-Achse 52 von z. B. 5 Millimetern zu dem Wellenleiter 14 verläuft. Der ebenfalls durch Ti-Eindiffusion hergestellte zweite Wellenleiter 14′ endet in der Stirnfläche 19 in einer zweiten Austrittsfläche 17′.

Vorzugsweise erstrecken sich die Wellenleiter 14 und 14′ parallel zur Y-Achse 54 des Lithiumniobat-Kristalls des Substrats 12. Dann ergänzt die normal auf der Oberfläche 24 stehende X-Achse 61 des Substrates 12 das 3-Achsen-Koordinatensystem.

In den obersten Schichten des Substrates 12 und der Begrenzungsfläche 22 ist eine zweite protonenausgetauschte Schicht 56′ vorgesehen, deren Dicke nicht zur Führung einer eigenständigen Mode ausreicht. Die Schicht 56′ verfügt über die gleiche Dicke und Breite wie die protonenausgetauschte Schicht 56. Die Schicht 56′ ist in der Gestalt eines entlang dem Wellenleiter 14′ in den oberen Schichten des Substrats 12 sich erstreckenden Bandes mit einem quaderförmigen Volumen ausgebildet. Die Schicht 56′ weist die gleichen räumlichen Dimensionen wie die Schicht 56 auf, insbesondere reicht sie ebenfalls nur bis zum vorderen Bereich 38 des Substrates 12.

In dem vorderen Bereich 38 ist auf der Oberfläche 24 über dem zweiten Wellenleiter 14′ ein zweiter elektro- akustischer Wandler 39′ angebracht, der in seiner Lage und in dem Aufbau seiner Kontaktstreifenpaare bezüglich dem elektro-akustischen Wandler 39 symmetrisch angeordnet ist.

Der den Temperatur erfassenden Teil 106 beaufschlagende außerordentliche Laserstrahl 84 wird in dem zweiten Wellenleiter 14′ geführt. Dabei ragen Feldanteile der geführten Mode aus dem Wellenleiter 14′ in das Meßgas 58. Der effektive Brechungsindex für die außerordentliche Mode 73 hängt dabei im wesentlichen nur noch von der Temperatur der oberen Schichten des Substrates 12 und damit des Meßgases 58 ab. Eine Messung der Modenkonversion durch die durch den zweiten elektro-akustischen Wandler 39′ angeregten Oberflächenwellen gestattet die präzise absolute Temperaturmessung des Meßgases 58, da die Brechungsindices n_o und n_ao unterschiedlich stark von der Temperatur abhängen.

Durch die Verwendung eines Substrates mit zwei parallel verlaufenden Wellenleitern 14 und 14′ ist der Brechungsindex, und damit die Gaskonzentration sowie die Temperatur des Meßgases 58 in einem Volumen genau erfaßbar.

In einer einfachen Weiterbildung des Sensors 20 gemäß Fig. 2 ist auch mit dem nur einen Wellenleiter 14 aufweisenden Sensor 20 die Temperatur bestimmbar. Es wird ein ordentlich polarisierter Eingangs-Lichtstrahl 82 in den Wellenleiter 14 eingespeist, der durch die akustischen Oberflächenwellen in einen außerordentlich polarisierten Ausgangs-Lichtstrahl 83 umgewandelt wird, der von dem Detektor 69 nachgewiesen wird.

Die Eintrittsfläche 16 und die Austrittsfläche 17 sind poliert und vorteilhafterweise verspiegelt, so daß ein Fabry-P´rot-Interferometer entsteht. Der Hochfrequenzgenerator 98 wird von einem Rechteck-Modulator mit einer Frequenz von z. B. einigen Kilohertz ein- und ausgeschaltet. Die eingekoppelte ordentliche Mode 73 ist unempfindlich gegenüber Änderungen des Brechungsindex in der gassensitiven Schicht 37. Vorteilhafter­ weise ist der Laser 80 an die Steuer- und Aus­ werteelektronik 95 angeschlossen, die die optische Laserfrequenz derart vorbestimmt, daß die nach der Vielfachreflexion in dem Fabry-P´rot-Interferometer transmittierte Intensität möglichst in der Nähe der halben maximal transmittierten Intensität liegt. Dann ist der integriert-optische Sensor 20 für Temperatur­ schwankungen um diesen Gleichgewichtszustand sehr empfindlich. Die Verwendung des Sensors 20 im Zeitmultiplex mit einigen Kilohertz gestattet eine quasi- gleichzeitige Aufnahme der Brechzahl und von Temperaturschwankungen des Meßgases 58.

Die Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch den Wellenleiter 14 des Sensors 20 nach Fig. 2 parallel zu seinen Stirnflächen 18 bzw. 19. Deutlich ist die Schichtenfolge von protonenausgetauschter Schicht 56 und gassensitiver Schicht 37 oberhalb des Wellenleiters 14 erkennbar. Auf beiden Seiten der proto­ nenausgetauschten Schicht 56 sind Führungsschichten 102 und 103 von stark Ti-dotiertem Lithiumniobat vorgesehen. Die Titan-dotierten Führungsschichten 102 und 103 erhöhen die Phasengeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen, so daß diese innerhalb der gassensitiven Schicht 37 und insbesondere innerhalb der protonenausgetauschten Schicht 56 entlang dem Wellenleiter 14 geführt werden. Die protonenausgetauschte Schicht 56, die im Querschnitt eine Breite von 100 Mikrometern aufweist, senkt die Phasengeschwindigkeit in dem sie bildenden Band um z. B. ein Prozent. Durch die einander unterstützenden Wirkungen der Erniedrigung der Phasengeschwindigkeit in der Nähe des Wellenleiters 14 und ihre Erhöhung in den seitlich zum Wellenleiter 14 versetzten Führungs­ schichten 102 und 103 gestatten eine gute Führung der akustischen Oberflächenwellen in der Nähe des Wellenleiters 14.

Beim Sensor 30 nach Fig. 5 ist eine in der Zeichnung nicht dargestellte, weitere Führungsschicht zwischen den Wellenleitern 14 und 14′ angeordnet, die parallel zu diesen verläuft und mit einer Titan-Dotierung gleicher Konzentration versehen ist. Dadurch sind die akustischen Oberflächenwellen, die von den elektro- akustischen Wandlern 39 und 39′ erzeugt werden, sicher voneinander entkoppelt.

Die Verwendung von Lithiumniobat (LiNbO₃) mit seinem hohen Brechungsindex als Substrat 12 gestattet den Einsatz einer Vielzahl von gassensitiven Schichten 37, die üblicherweise geringere Brechungsindices aufweisen.

Claims (12)

1. Integriert-optischer Sensor zur Erfassung des Brechungsindex von Gasen mit einem Substratkörper (12) aus Lithiumniobat, in dem ein monomodiger Wellenleiter (14) vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Stirnflächen (18, 19) des Substratkörpers (12) entlang dessen Oberfläche (24) erstreckt, wobei eine Eintrittsstirnfläche (16) des Wellenleiters (14) mit Laserstrahlung (82) und ein Lichtdetektor (69) mit dem in Transmission von der Austrittsendfläche (17) des Wellenleiters (14) abgestrahlten Meßlicht (75 bzw. 73) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der doppelbrechende Wellenleiter (14) im Substratkörper (12) entlang der X- oder Y-Schnittachse (54) des geschnittenen Lithiumniobat-Kristalls (12) erstreckt, daß eine dünne, zur Führung einer Mode nicht ausreichend dicke Schicht (56) aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat auf der der Sensoroberfläche zugewandten Begrenzungsfläche (22) des Wellenleiters (14) vorgesehen ist, daß die der Sensoroberfläche zugewandte Oberfläche (24) der protonenausgetauschen Schicht (56) mit einer gassensitiven Schicht (37) bedeckt ist, die mit einem Meßgas (58) beaufschlagbar ist, daß auf der Oberfläche (24) ein am eintrittsstirnflächenseitigen (16) Ende angeordneter elektro-akustischer Wandler (39) vorgesehen ist, mit dem in der seitlichen Begrenzungsfläche (22) zu dem Wellenleiter (14) kollineare akustische Oberflächenwellen erzeugbar sind, daß die die Eintrittsstirnfläche (16) beaufschlagende Laserstrahlung (82) linear in der ordentlichen (75) oder in der außerordentlichen (73) Polarisationsrichtung (61) polarisiert ist, wobei der Lichtdetektor (69) für die jeweils in ihrer Polarisationsrichtung um 90 Grad gedrehte Laserstrahlung (73 bzw. 75) empfindlich ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der doppelbrechende Wellenleiter (14) im Sub­ stratkörper (12) entlang der X-Schnittachse (54) des geschnittenen Lithiumniobat-Kristalls (12) erstreckt.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die protonenausgetauschte Schicht (56) eine Dicke zwischen 50 und 350 Nanometern aufweist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die protonenausgetauschte Schicht (56) die Gestalt eines in der seitlichen Begrenzungsfläche (22) vorgesehenen Bandes mit einer Breite von ungefähr fünfmal bis zwanzigmal der Breite des Wellenleiters (14) aufweist.

5. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten der protonenausgetauschten Schicht (56) Ti-eindiffundierte Bereiche (102, 103) vorgesehen sind.

6. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gassensitive Schicht (37) die Gestalt eines auf der seitlichen Begrenzungsfläche (22) vorgesehenen Bandes mit einer Breite von ungefähr 1- bis 30fachen der Breite des Wellenleiters (14) aufweist.

7. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gassensitive Schicht (37) aus Silikon-Glykol-Kopolymeren besteht.

8. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (14) aus Titan- oder Vanadium-dotiertem Lithiumniobat besteht.

9. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelflächen bildenden Eintrittsstirn- und Austrittsendflächen (16 bzw. 17) des Wellenleiters (14) hochreflektierend und poliert ausgebildet sind.

10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelflächen (16, 17) mit einem dielektrischen oder metallischen Spiegelmaterial bedampft sind.

11. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung eine Wellenlänge im Bereich von 450 bis 1600 Nanometer hat.

12. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteelektronik (95) vorgesehen ist, die über eine Frequenz- Steuerleitung (97) mit einem Hochfrequenz-Generator (98) verbunden ist, dessen hochfrequentes Aus­ gangssignal den elektro-akustischen Wandler (39) beaufschlagt, daß die Auswerteelektronik (95) mit dem Lichtdetektor (69) verbunden ist und daß in der Auswerteelektronik (95) eine Eichkurve (100) speicher­ bar ist, die jeder Frequenz der anregbaren Oberflächenwellen den entsprechenden Brechungsindex (n_ao) des doppelbrechenden Wellenleiters (14) im Substratkörper (12) bezüglich der außerordentlichen Polarisation zuordnet.