DE4038791A1 - Integriert-optischer sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen integriert-optischen Sensor zur Erfassung von Brechzahländerungen mit einem Substrat­ körper aus einem optisch transparenten Werkstoff, in dem ein monomodiger Wellenleiter vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Stirnflächen des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche erstreckt, wobei eine seitliche Begren­ zungsfläche des Wellenleiters mit einem Meßfluid in Kontakt bringbar ist und wobei eine Koppelfläche mit Lichtstrahlung und ein Lichtdetektor mit dem in Reflexion oder Transmission aus einer entsprechenden Koppelfläche erhaltenen Meßsignal beaufschlagbar ist.

Ein derartiger integriert-optischer Sensor ist aus der DE-Z Laser und Optoelektronik, Nr. 4, Seiten 323 bis 337 (1986) bekannt, bei der ein integriert-optisches Mach- Zehnder-Interferometer beschrieben ist. Nachteilig an diesem bekannten interferometrischen Sensor sind zunächst die Knickpunkte, an denen sich der einzelne Wellenleiter in die beiden Arme des Mach-Zehnder-Interferometers verzweigt bzw. wiedervereinigt. In diesen Bereichen treten Intensitätsverluste auf, die auch bei gekrümmten Verzweigungen vorhanden sind. Aufgrund der symmetrischen Struktur eines solchen Mach-Zehnder-Interferometers lassen sich kleine Unterschiede in der Lichtphase zwischen den beiden Interferometerarmen nur ungenau erfassen und schwierig auswerten.

Aus der DE 38 14 844 A1 ist ein Brechzahlsensor in Gestalt eines symmetrischen Wellenleiter-Mach-Zehnder- Interferometers bekannt, bei dem nur einer der Wellen­ leiterarme 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 Interferometer wird ein analoges Aus­ gangssignal erhalten, welches nur eine begrenzte relative Empfindlichkeit von ca. 10^-4 bis 10^-5 zuläßt. Durch die symmetrischen Wellenleiterarme gleicher Länge ist das Ausgangssignal des Interferometers unabhängig von Temperaturschwankungen.

Ein asymmetrisches Mach-Zehnder-Interferometer mit verschieden langen Meß- und Referenzarmen läßt sich dagegen mittels einer durchstimmbaren frequenzabhängigen Lichtquelle leicht auswerten, weist jedoch eine starke Temperaturabhängigkeit auf und ist daher für empfindliche Langzeit-Messungen der Brechzahl eines beliebigen Meß­ fluids ungeeignet.

Die DE 36 04 571 A1 zeigt ein integriert-optisches Element mit einem doppelbrechenden Substrat und einem monomodigen Wellenleiter, das einen Phasenschieber aufweist. Es wird dabei eine TE-TM Modenkonversion direkt unter den Elek­ troden bewirkt. Diese Anordnung ist jedoch nicht für einen Einsatz als Sensor geeignet.

Ein weiterer Nachteil der bekannten integriert-optischen Sensoren ist, daß er jeweils zwischen die benötigte Lichtquelle und dem ihm zugeordneten Detektor angeordnet werden muß, wohingegen bei vielen Meßproblemen eine einseitige Lichtzuführung und Lichtableitung benötigt wird.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, einen integriert-optischen Sensor zur Erfassung von Brechzahländerungen zu schaffen, der eine minimale Temperaturabhängigkeit bei hoher Empfindlichkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wellenleiter doppelbrechend ist, daß die die Koppel­ fläche beaufschlagende einfallende Lichtstrahlung durch einen ersten Polarisator in der Ebene der Stirnfläche um einen vorbestimmten Winkel gegenüber der Z-Achse verdreht linear polarisierbar ist und daß die durch die Koppel­ fläche hindurchtretende Lichtstrahlung durch einen zwei­ ten Polarisator in der Ebene der Stirnfläche um einen zweiten vorbestimmten Winkel gegenüber der Z-Achse ver­ dreht linear polarisierbar ist.

Dadurch, daß sich der Wellenleiter doppelbrechend ist, breitet sich die durch die eine Koppelfläche einfallende Lichtstrahlung, die z. B. um 45 Grad gegenüber der Z-Achse linear polarisiert ist, im Wellenleiter in einer TM-Mode, die parallel zur Oberflächennormalen der seitlichen Begrenzungsfläche polarisiert ist, und in einer TE-Mode, die parallel zur Begrenzungsfläche polarisiert ist, aus.

Aufgrund der Doppelbrechung weisen die Moden unter­ schiedliche Phasengeschwindigkeiten auf. An dem Licht­ detektor beobachtet man daher nach dem Durchlaufen des zweiten Polarisators ein Interferenzsignal gemäß dem Phasenunterschied der beiden Moden. In einem einzigen Wellenleiter ist so die Funktion eines zwei Arme umfas­ senden Mach-Zehnder-Interferometer realisiert.

Vorteilhafterweise ist das Substratmaterial Lithiumnio­ bat und der Wellenleiter erstreckt sich entlang der X- oder Y-Schnittachse des Kristalls, so daß ein großer Effekt der Doppelbrechung auftritt und eine TE-Mode und eine TM-Mode mit stark unterschiedlicher Phasen­ geschwindigkeit angeregt werden.

Bei einer Beaufschlagung der seitlichen Begrenzungsfläche durch ein eine andere Brechzahl als Luft aufweisendes Meßfluid verändern sich die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der beiden Moden unterschiedlich. Aus der sich in Transmission durch Interferenz ergebenden Intensitätsver­ änderung am Detektor läßt sich die Brechzahländerung bestimmen. Bei einer vorherigen Eichung des Sensors mit bekannte Brechzahlen aufweisenden Meßfluiden sind auch absolute Brechzahlen ermittelbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Eintrittsstirnfläche und die Austrittsstirnfläche des Sensors auf der gleichen Seite angeordnet. Durch das Anbringen einer hochreflektierenden Spiegelschicht auf der gegenüberliegenden Stirnfläche, in der sich die Hauptachsen zweier in seitlicher Entfernung voneinander verlaufenden Wellenleiterabschnitten des Wellenleiters treffen, kann der die Empfindlichkeit erhöhende doppelte Lichtweg in einem vorgegebenen Substrat verwendet und die Lichtquelle sowie der Lichtdetektor auf einer Seite des Sensors angeordnet werden.

Bei einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung verlau­ fen die beiden geraden Wellenleiterabschnitte in der Oberfläche des Substrats jeweils mit einem kleinen Winkel gegenüber der Hauptachse derart, daß sich ihre Hauptach­ sen in der hochreflektierenden Spiegelschicht treffen.

Bei einem anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung verlaufen die beiden Wellenleiterabschnitte im wesentlichen parallel zur Hauptachse des Sensors und sind erst in der Nähe der die Spiegelschicht aufweisenden Stirnfläche aufeinander zugekrümmt, wobei sich ihre Querschnitte adiabatisch aufweiten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

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

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines bekannten integriert-optischen Mach-Zehnder-Interfero­ meters,

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

Fig. 3 einen integriert-optischen Sensor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 einen integriert-optischen Sensor gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 einen integriert-optischen Sensor gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6 einen integriert-optischen Sensor bei einem Einsatz als Füllstandsmeßvorrichtung und

Fig. 7 einen integriert-optischen Sensor bei einem Einsatz mit einer Spannungsmessung.

Die Fig. 1 zeigt einen bekannten integriert-optischen Sensor 10, der als ein symmetrisches Mach-Zehnder- Interferometer ausgestaltet ist. Der integriert-optische Sensor 10 gemäß dem Stand der Technik verfügt über ein optisch transparentes Substratmaterial, beispielsweise über einen Lithiumniobatkristall 12, in dem ein Wellen­ leiter 14 eingebracht ist. Der zum Beispiel durch Titaneindiffusion hergestellte Wellenleiter 14 bildet zwischen Koppelflächen 16 und 17 in den Stirnflächen 18 und 19 des Substrates 12 ein Zweistrahl-Interferometer. Eine Begrenzungsfläche 22 des Wellenleiters 14 fluchtet mit einer Oberfläche 24 des Substrates 12. Das Mach- Zehnder-Interferometer verfügt über zwei Interfero­ meterarme 25 und 26, von denen einer mit einem in der Fig. 1 nicht dargestellten Meßfluid beaufschlagbar ist.

Zur Erfassung von Brechzahländerungen ist die Koppel­ fläche 16 des Wellenleiters 14 mit monochromatischer Lichtstrahlung beaufschlagbar, die zum Beispiel mit Hilfe eines Lasers erzeugbar ist. Ein Großteil dieser Licht­ strahlung wird in dem Wellenleiter 14 geführt; ein kleinerer Anteil ragt aus der Begrenzungsfläche 22 in das Meßfluid hinein. Eine Veränderung des Brechungsin­ dexes des Meßfluids führt zu Phasenverschiebungen innerhalb des zugeordneten Interferometerarmes 25 bzw. 26 und damit zu einer geänderten Ausgangstransmission des Interferometers.

Die Fig. 2 zeigt in einer Draufsicht einen integriert- optischen Sensor 40 gemäß einem ersten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung. Die von einer Laserdiode 68 abge­ gebene Laserstrahlung 82 wird mit Hilfe einer Abbil­ dungsoptik 83 auf die Koppelfläche 16 des integriert- optischen Sensors 40 fokussiert. Die Breite des Substrats 12 beträgt zum Beispiel 0,5 Zentimeter, während die Länge entlang der X- bzw. Y-Achse 54 zwischen eins und fünf Zentimetern betragen kann. Die Höhe des Substrates in Z- Richtung 52 beträgt etwa einen Millimeter.

Ein im wesentlichen halbkreisförmiger Wellenleiter 14, der in der Zeichnung übertrieben breit dargestellt ist, erstreckt sich zwischen den Stirnflächen des Sensors 40. Der zum Beispiel durch Titan-Eindiffusion eingebrachte doppelbrechende Wellenleiter 14 weist zum Beispiel eine Breite von 4 Mikrometer und eine Tiefe von 3 Mikrometer in der Oberfläche 24 auf.

Vorteilhafterweise sind die Stirnflächen 18 und 19 und insbesondere die Koppelflächen 16 und 17 entspiegelt, so daß ein reines Zweistrahl-Interferometer vorliegt.

Auf der Eintrittsstirnfläche 18 des Sensors 40 ist eine Polarisationsfolie 70 aufgebracht, die die einfallende Laserstrahlung 82 linear polarisiert, wobei die Polari­ sationsrichtung um 45 Grad bezüglich der Z-Achse 52 in der Ebene der Stirnfläche 18 verdreht ist. Das aus der Austrittsstirnfläche 19 heraustretende Laserlicht 73 tritt durch einen zweiten analog angeordneten Polarisator 71 hindurch, bevor es einen Lichtdetektor 69 beauf­ schlagt.

Auf der Oberfläche 24 des Sensors 40 ist ein Meßfenster 36 vorgesehen, in welchem das Meßfluid die Oberfläche 24 des Sensors 40 kontaktieren kann.

Der doppelbrechende Wellenleiter 14 ist im Substratkör­ per 12 entlang der X-Schnittachse 54 des geschnittenen Lithiumniobat-Substrats 12 angeordnet. Dadurch wird durch das durch den Polarisator 70 linear polarisierte Licht sowohl eine TM-Mode als auch eine TE-Mode in dem Wellen­ leiter 14 angeregt. Die TM-Mode ist senkrecht zur Normalen auf die Oberfläche 24 polarisiert und die TE- Mode ist parallel zu dieser Oberfläche 24 polarisiert.

Aufgrund der Doppelbrechung im Wellenleiter 14 weisen die beiden Moden unterschiedliche Phasengeschwindigkei­ ten auf. Der Detektor 69 hinter dem Analysator 71 empfängt die austretende Laserstrahlung 73, die gemäß dem Phasenunterschied zwischen den Phasen der TE- bzw. der TM-Mode ein Interferenzsignal bildet. Die verschie­ denen Oberflächen des Sensors 40, durch die die Laser­ strahlung 82 bzw. 73 durchtritt, sind vorzugsweise entspiegelt, um die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

Die die Laserstrahlung 82 erzeugende Laserdiode 68 wird mit einem sägezahnförmig modulierten Versorgungsstrom beaufschlagt. Neben einer kleinen Intensitätsmodulation tritt eine sägezahnförmige Frequenzänderung des Lichtes auf, das in den Wellenleiter 14 eingekoppelt wird. Für verschiedene Frequenzen breiten sich die TE-Mode und die TM-Mode im doppelbrechenden Wellenleiter 14 verschieden schnell aus. Die relative Phasenlage der beiden Moden ist eine Funktion der Wellenlänge. Aus dem zweiten Polarisa­ tor 71 tritt daher ein Meßlichtstrahl 73 aus, der beim Durchlaufen der Laser-Frequenz ein sinusförmiges Intensi­ tätsprofil aufweist. Aus dieser Relation ist die Brech­ zahl einer die Oberfläche des Wellenleiters 14 kontaktie­ rende Flüssigkeit bestimmbar. Die absolute Brechzahl dieser Flüssigkeit ist durch eine vorherige Eichung der jeweiligen Phasenverschiebung errechenbar.

Anstelle der oben beschriebenen Auswertung des sinus­ förmigen Detektorsignals in Abhängigkeit vom Laserstrom bzw. der Lichtwellenlänge kann man auch den Laserstrom abhängig vom Meßfluid so regeln, daß der Ausgangsdetek­ tor immer einen konstanten Intensitätswert anzeigt. Die Größe des Laserstroms ist dann ein Maß für die Brechzahl des Meßfluids. Die Intensität des Detektors stellt man zweckmäßigerweise auf den Wert ein, bei dem das ungere­ gelte sinusförmige Ausgangssignal seine größte Steigung hat. Dadurch erreicht man eine hohe Meßempfindlichkeit bei Meßfluiden, die nicht stark absorbierend sind.

Die Fig. 3 zeigt einen integriert-optischen Sensor 50 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gleiche Merkmale tragen gleiche Bezugszeichen. Die aus der Laserdiode 68 austretende Laserstrahlung 82 wird vorzugsweise derart in eine polarisationserhaltende Faser oder Lichtwellenleiter 84 eingespeist, dessen dioden­ fernes Ende mit Stoßkopplung direkt auf der Oberfläche des Polarisators 70 fixiert ist, daß die hauptsächliche Polarisationsrichtung der Laserstrahlung 82 mit der Pola­ risationsrichtung des Polarisators 70 übereinstimmt. Das aus dem Wellenleiter 14 austretende Meßlicht wird in einen Empfangslichtwellenleiter 85 eingekoppelt, der durch Stoß mit der Oberfläche des zweiten Polarisators 71 verbunden ist. Das aus dem Empfangslichtwellenleiter 85 austretende Meßlicht 73 beaufschlagt den Lichtdetektor 69 und wird wie bei dem Sensor 40 gemäß Fig. 2 ausgewertet.

In der Fig. 3 sind in zwei perspektivisch gezeichneten Ausschnitten die Polarisatoren 70 und 71 dargestellt, in denen anhand der Pfeile 72 die gleich angeordneten Polarisationsrichtungen erkennbar sind.

Die Fig. 4 zeigt einen integriert-optischen Sensor 60 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei dem die Laserdiode 68 und der Detektor 69 auf derselben Seite des Sensors 60 angeordnet sind. Das Laserlicht 82 der Laserdiode 68 wird in den Sendelichtwellenleiter 84 eingekoppelt, der auf Stoß mit dem Polarisator 70 des Sensors 60 verbunden ist.

Der in der Ebene der Oberfläche 24 des Substrates 12 verlaufende Wellenleiter 14 ist in zwei Wellenleiterab­ schnitte 14′ und 14′′ unterteilt. Das aus dem Sende­ lichtwellenleiter 84 austretende Laserlicht wird in dem Polarisator 70 im 45-Grad-Winkel zu der Z-Achse 52 linear polarisiert und in den geraden ersten Wellenleiterab­ schnitt 14′ eingekoppelt, der in einem kleinen Winkel 21 in der Ebene der Oberfläche 24 des Sensors 60 zu der Hauptachse des Substrates 12 geneigt ist. Auf die gegenüberliegende Stirnfläche 19 des Sensors 60 ist ein Spiegel 86 aufgebracht.

Der gerade zweite Wellenleiterabschnitt 14′′ verläuft ebenfalls mit einem kleinen Winkel 21 zu der Hauptachse des Substrates 12, wobei zwischen den beiden Wellenlei­ terabschnitten 14′ und 14′′ der doppelte Winkel 21 aus­ gebildet ist und sich die Hauptachsen der Wellenleiter­ abschnitte 14′ und 14′′ in der Stirnfläche 19 des Substrates 12, d. h. der Oberfläche des Spiegels 86 tref­ fen. Der kleine Winkel 21 weist vorzugsweise einen Wert zwischen 0,1 und 2 Grad und insbesondere zwischen 0,5 und 2 Grad auf.

Das Laserlicht 82 durchläuft nacheinander die Wellen­ leiterabschnitte 14′ und 14′′ und verläßt so nach dem doppelten Meßweg den Sensor 60 über den Polarisator 70, der im Vergleich zu den Fig. 2 und 3 auch die Funktion des zugeordneten zweiten Polarisators 71 übernimmt. Das aus dem Polarisator 70 ausgekoppelte Licht wird in den Empfangslichtwellenleiter 85 eingekoppelt, dessen Aus­ gangsstrahlung den Detektor 69 beaufschlagt. Bei Mes­ sungen beaufschlagt ein Meßfluid das Meßfenster 36.

Die Fig. 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Wellenleiterabschnitte 14′ und 14′′ in einem seitlichen Abstand voneinander in der Oberfläche 24 parallel zu der Hauptachse des Substrats 12 verlaufen. Auf die eingangsseitige Stirnfläche 18 ist wiederum der Polarisator 70 aufgebracht, während auf der ausgangsseitigen Stirnfläche 19 wieder ein hochreflektie­ render Spiegel aufgebracht ist.

In dem Bereich 87 des Sensors 65, der sich in der Nähe des Spiegels 86 befindet, sind die ansonsten parallel verlaufenden Wellenleiterabschnitte 14′ und 14′′ auf­ einander zugekrümmt und vereinigen sich in unmittelbarer Nähe des Spiegels 86. Dabei treffen wiederum ihre Hauptachsen in der Oberfläche der Stirnfläche 19 zusam­ men.

In dem Bereich der Zusammenführung der Wellenleiterab­ schnitte 14′ und 14′′ ist eine adiabatische Aufweitung 88 der beiden Wellenleiterabschnitte 14′ und 14′′ vorgesehen, die eine Anregung weiterer Moden in den Wellenleiterabschnitten 14′ und 14′′ vermeidet. Die adiabatische Aufweitung 88 umfaßt, ausgehend von dem gekrümmten Bereich der Wellenleiterabschnitte 14′ bzw. 14′′, eine derartige langsame und stetige Erhöhung der Breite der Wellenleiterabschnitte 14′ und 14′′, daß die ursprüngliche Feldverteilung des Lichtes nicht wesentlich verändert wird und daß im Bereich vor dem Spiegel 86 die Wellenleiterabschnitte 14′ und 14′′ viel breiter als der Lichtfleck sind. Der Sensor 65 gestattet eine bessere Lichtreflexion mit weniger Verlusten am Spiegel und eine einfachere Ein- und Auskopplung des Lichtes in und aus den Wellenleiterabschnitten 14′ bzw. 14′′.

Die Fig. 6 zeigt in einer schematischen Darstellung den Einsatz eines Sensors 60 gemäß dem dritten Ausführungs­ beispiel in einer Füllstandsmeßeinrichtung 90. Das Gefäß 91 der Einrichtung 90 ist mit einem z. B. ein bis fünf Zentimeter hoch stehenden Meßfluid 58 gefüllt, das insbesondere die Oberfläche 24 des Sensors 60 beauf­ schlagt. Je nach Niveaustand 92 des Meßfluids 58 ist ein mehr oder weniger großer Abschnitt der Oberfläche 24 mit dem Meßfluid 58 beaufschlagt. Bei Veränderungen des Flüssigkeitsstandes 92 verändern sich so die Phasenlagen der TE-Mode und der TM-Mode zueinander und damit das Ausgangssignal des Lichtdetektors 69, der durch das Meßsignal 73 beaufschlagt wird. Als Lichtquelle ist wiederum eine Laserdiode 68 vorgesehen, deren Lichtstrah­ lung 82 über den Sendelichtwellenleiter 84 und den Polarisator 70 in den ersten Lichtwellenleiterabschnitt 14′ eingekoppelt wird.

In einer Weitergestaltung des Flüssigkeitstandsmessers ist der Sensor 60 in einem einseitig abgeschlossenen barometrischen Rohr befestigt, daß mit einer einen großen Brechzahlunterschied zu Luft aufweisenden Flüssigkeit gefüllt ist. Ein kleines Volumen im Bereich des Sensors 60 ist mit einem Gas gefüllt oder weist ein Vakuum auf. Durch Druckausübung auf die Flüssigkeit wird das Gas zusammengepreßt bzw. das das Vakuum aufweisende Volumen kleiner und der in die Flüssigkeit eintauchende Bereich des Sensors 60 vergrößert, wodurch sich eine Änderung des Ausgangssignals des Zweistrahl-Interferometers ergibt.

Die Fig. 7 zeigt in einer schematischen Darstellung den Einsatz eines Sensors 60 gemäß dem dritten Ausführungs­ beispiel bei einer Spannungsmessung.

Als Lichtquelle ist eine Laserdiode 68 vorgesehen, deren Lichtstrahlung 82 über den Sendelichtwellenleiter 84 und den Polarisator 70 in den ersten Lichtwellenleiterab­ schnitt 14′ eingekoppelt wird, der in einem elektro- optischen Substrat 12 wie z. B. Lithiumniobat angeordnet ist. Das Meßsignal 73 wird über den Empfangslichtwellen­ leiter 85 aus der durch den Polarisator 70 aus dem zweiten Wellenleiterabschnitt 14′′ austretenden Strahlung gewonnen.

Auf der Oberfläche 24 des Sensors sind zwei parallele Streifenelektroden 95 in Richtung der Hauptachse des Sensors 60 neben den Wellenleiterabschnitten 14′ und 14′′ in einem Abstand von einigen Mikrometern voneinander angeordnet, die über Verbindungsleitungen 96 mit einer Spannungsversorgung 97 verbunden sind.

Bei Veränderungen der an den Elektroden 95 anliegenden Spannung ändert sich die Brechzahl in dem elektroopti­ schen Material, so daß eine Änderung der durch die Wellenleiterabschnitte 14′ und 14′′ transmittierten Intensität auftritt. Insbesondere kann die Oberfläche 24 des Sensors 60 mit einem Meßfluid 58 bedeckt sein, wobei die Elektroden 95 mit einer isolierenden Deckschicht versehen sind. Änderungen der Brechzahl des Meßfluids 58 führen zu Veränderungen der Phasenlagen der TE-Mode und der TM-Mode zueinander und damit zu Änderungen des Ausgangssignals des Lichtdetektors 69, der durch das Meßsignal 73 beaufschlagt wird. Der Lichtdetektor 69 ist mit einer in der Fig. 7 nicht dargestellten Ansteuer­ schaltung verbunden, die die Ausgangsspannung der Span­ nungsversorgung 96 derart regelt, daß die von dem Lichtdetektor 69 erfaßte Intensität gleich bleibt. Die für die Änderung der Brechzahl charakteristische Intensi­ tätsänderung des Meßlichtsignals 73 wird durch eine sehr fein erfaßbare Spannungsänderung in der Spannungsversor­ gung 96 versetzt.

Die in der Fig. 7 dargestellte Anordnung kann auch benutzt werden, um elektrische Spannungen zu messen. Hierzu werden die beiden Elektroden mit einer Spannung beaufschlagt. Das elektrische Feld verändert über den elektro-optischen Effekt die Brechzahl. Die Brechzahl­ änderung in Z- und Y-Richtung ist verschieden, so daß die TM- und TE-Mode sich verschieden ausbreiten. Man erhält dann in einer Auswerteschaltung ähnlich wie beim Flüssigkeitssensor Intensitätsunterschiede in Abhängig­ keit von der angelegten elektrischen Spannung, wobei sich Felder bis zu sehr hohen Frequenzen messen lassen.

Eine durch kleinere Temperaturschwankungen hervorgerufene Brechzahländerung des Substrates 12 geht nicht in die Messung ein, da sich die Differenz zwischen der effekti­ ven Brechzahl für die TE-Mode und die TM-Mode im wesent­ lichen nicht ändert.

Beim Auftreten von starken Temperaturschwankungen, bei denen sich die Differenz zwischen der effektiven Brech­ zahl für die TE-Mode und die TM-Mode ändert, ist es vorteilhaft, einen zweiten, gegenüber dem Sensor 40, 50, 60 oder 65 identischen Referenzkanal in dem gleichen Substrat 12 vorzusehen, der mit einem Deckschichtmaterial auf der Oberfläche 24 überzogen ist, dessen Brechungsin­ dex für in dem Sensor 40, 50, 60 und 65 auftretende Temperaturen bekannt ist.

In allen Ausführungsbeispielen kann neben den beschrie­ benen Weisen die Einkopplung und entsprechend die Auskopplung der Laserstrahlung 82 und 73 auch durch auf die Stirnflächen 18 bzw. 19 aufgebrachte Selfoc-Linsen realisiert werden, die mit einem in vorbestimmter Weise polarisierten Laserstrahl 82 beaufschlagt sind.

Mit den beschriebenen Sensoren 40, 50, 60 und 65 lassen sich Brechzahlen von Flüssigkeiten oder sonstigen Deckschichten, die auf der Oberfläche des Wellenleiters 14 aufgebracht werden, mit großer Genauigkeit bestimmen. Für einen in Z-Achse geschnittenen Lithiumniobatkristall 12 lassen sich Brechzahldifferenzen zwischen den beiden Moden von 0,02 erzielen. Damit kann eine Veränderung der Brechzahl im Meßfluid von 10^-5 sicher aufgelöst werden.

Claims (15)

1. Integriert-optischer Sensor zur Erfassung von Brechzahländerungen mit einem Substratkörper (12) aus einem optisch transparenten Werkstoff, in dem ein mono­ modiger Wellenleiter (14) vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Stirnflächen (18, 19) des Substratkörpers (12) entlang dessen Oberfläche (24) erstreckt, wobei eine seitliche Begrenzungsfläche (22) des Wellenleiters (14) mit einem Meßfluid (58) in Kontakt bringbar ist und wobei eine Koppelfläche (16) mit Lichtstrahlung (82) und ein Lichtdetektor (69) mit dem in Reflexion oder Transmission aus einer entsprechenden Koppelfläche (17 bzw. 16) erhaltenen Meßsignal (73) beaufschlagbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wellen­ leiter (14) doppelbrechend ist, daß die die Koppelfläche (16) beaufschlagende einfallende Lichtstrahlung (82) durch einen ersten Polarisator (70) in der Ebene der Stirnfläche (18) um einen vorbestimmten Winkel gegenüber der optischen Achse (52) verdreht linear polarisierbar ist und daß die durch die Koppelfläche (17 bzw. 16) hindurchtretende Lichtstrahlung (73) durch einen zweiten Polarisator (71; 70) in der Ebene der Stirnfläche (19 bzw. 18) um einen zweiten vorbestimmten Winkel gebenüber der optischen Achse (52) verdreht linear polarisierbar ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der doppelbrechende Wellenleiter (14) im Substrat­ körper (12) entlang der X- oder Y-Schnittachse (54) eines geschnittenen Lithiumniobat-Kristalls (12) erstreckt.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (14) aus Titan-dotiertem Lithiumniobat hergestellt ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Winkel einen Winkel von 45 Grad gegenüber der Z-Achse (52) umfassen.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Wellenleiterabschnitt (14′) des Wellenleiters (14) zwischen der Eintrittsstirn­ fläche (18) und der gegenüberliegenden Stirnfläche (19) im wesentlichen entlang der Hauptachse des Sensors (60, 65) verläuft, daß ein zweiter Wellenleiterabschnitt (14′′) des Wellenleiters (14) zwischen der besagten Stirnfläche (19) und der Eintrittsstirnfläche (18) im wesentlichen entlang der Hauptachse des Sensors (60, 65) in seitlicher Entfernung von dem ersten Wellenleiterab­ schnitt (14′) verläuft, daß die der Eintrittsstirnfläche (18) gegenüberliegende Stirnfläche (19) mit einem hochre­ flektierenden Spiegelmaterial (86) versehen ist und daß die beiden Hauptachsen der Wellenleiterabschnitte (14′, 14′′) sich in der Stirnfläche (19) treffen.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wellenleiterabschnitt (14′) und der zweite Wel­ lenleiterabschnitt (14′′) im wesentlichen entlang der Hauptachse des Sensors (65) verlaufen und daß die Wellen­ leiterabschnitte (14′, 14′′) in der Nähe der Stirnfläche (19) aufeinander zugekrümmt sind und sich in der Stirn­ fläche (19) treffen.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiterabschnitte (14′, 14′′) sich unter adiabatischer Aufweitung (88) in der Stirnfläche (19) treffen.

8. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wellenleiterabschnitt (14′) mit einem kleinen Winkel (21) gegenüber der Hauptachse des Sensors (60) verläuft, daß der zweite Wellenleiterabschnitt (64) mit demselben kleinen Winkel (21) gegenüber der Hauptachse des Sensors (60) verläuft, wobei zwischen den beiden Wellenleiterabschnitten (14′, 14′′) der doppelte Winkel (21) besteht.

9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (21) einen Wert zwischen 0,1 und 2 Grad aufweist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden (95) auf der Oberfläche (24) des Sensors (40, 50, 60, 65) vorgesehen sind, zwischen denen der Wellenleiter (14, 14′, 14′′) verläuft, daß die Elektroden (95) mit einer Spannungsversorgung (96) verbunden sind, deren Ausgangsspannung von einer mit dem Lichtdetektor (69) verbundenen Ansteuerschaltung derart regelbar ist, daß die austretende Lichtstrahlung (73) bei Brechzahländerungen des Meßfluids (58) konstant bleibt.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (18, 19) entspiegelt sind.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelflächen (16, 17) entspie­ gelt sind.

13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laser vorgesehen ist, mit dem die Lichtstrahlung (73, 82) erzeugbar ist.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlung über eine Wellen­ länge im Bereich von 450 bis 1600 Nanometer verfügt.

15. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden (95) auf der Oberfläche (24) des Sensors (40, 50, 60, 65) vorgesehen sind, zwischen denen der Wellenleiter (14, 14′, 14′′) verläuft, daß die Elektroden (95) mit einer zu erfassenden elektrischen Spannung beaufschlagbar sind und daß die den Lichtdetek­ tor (69) beaufschlagende austretende Lichtstrahlung (73) mit einer Spannungs-Auswerteschaltung verbunden ist.