DE4137562C1

DE4137562C1 - Integrated optical sensor measuring distance to object - has polariser and quarter lambda plate passing reference and measuring beams

Info

Publication number: DE4137562C1
Application number: DE19914137562
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr. 7815 Kirchzarten De Hinkov
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1991-11-15
Filing date: 1991-11-15
Publication date: 1993-01-14
Anticipated expiration: 2011-11-16

Abstract

An integrated opto-electrical sensor for measuring a clearance distance between itself and an object (30) has a lithium niobate crystal substrate (2) on whose upper surface are formed three optical waveguides (6, 7, 8) by titanium diffusion. The central waveguide (6) receives light from a laser diode (31) and is branched (6' 6") to effect a coupling with the two outer waveguides (7,8). The combination thus forms the measurement and reference paths of a double Michelson interferometer having a polariser (27), the electro-optical phase modulators (20, 21) and the reflectors (25, 26). The interference signals resulting from dissimilar optical path lengths are converted by the photodetectors (36, 37) for electronic evaluation (38). USE/ADVANTAGE - Provides accurate measurements at moderate expense. Operates within power limitations of normal semiconductor laser diode.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung des Abstandes eines Objektes von der Anordnung mit einem integriert-optischen Sensor aus einem Substratkörper und drei von ei ner vorderen Stirnseite des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche über einen vorderen und einen hinteren Bereich des Substratkörpers zur hinteren Stirnseite des Substratkörpers sich erstreckenden, ein doppeltes Michelson-Interferometer bildenden monomodigen opti schen Wellenleitern, wobei der mittlere Wellenleiter an der vorderen Stirnseite des Substrat körpers mit Licht einer Laserstrahlenquelle beaufschlagt ist, im vorderen Bereich des Substratkörpers sich in zwei Arme aufspaltet, die jeweils mit einem der beiden äußeren Wel lenleiter einen Koppler bilden und die außerhalb dieses Koppler-Bereichs wieder zu dem einen Wellenleiter zusammengeführt werden, und im hinteren Bereich des Substratkörpers einen an der hinteren Stirnseite aus- und einkoppelbaren, beiden Interferometerzweigen des doppelten Michelson-Interferometers gemeinsamen Meßstrahl führt, während die beiden äußeren Wellenleiter im hinteren Bereich des Substratkörpers jeweils zur Führung eines an einem Spiegel in sich reflektierten Referenzstrahles und im vorderen Bereich zur Führung der an der vorderen Stirnseite auskoppelbaren Interferenzsignale dienen, die jeweils einem mit einer Auswerteelektronik gekoppelten Detektor zugeführt sind, und wobei dem mittleren sowie einem der äußeren Wellenleiter im hinteren Bereich des Substratkörpers Mittel zur Phasenmodulation zugeordnet sind.The invention relates to an arrangement for measuring the distance of an object from the Arrangement with an integrated optical sensor from a substrate body and three from egg ner front face of the substrate body along the surface thereof via a front and a rear region of the substrate body to the rear face of the substrate body extending monomodal opti forming a double Michelson interferometer rule waveguides, with the middle waveguide on the front face of the substrate body is exposed to light from a laser beam source in the front area of the Substrate body splits into two arms, each with one of the two outer wel form a coupler and the outside of this coupler area to the a waveguide are brought together, and in the rear region of the substrate body one of the two interferometer branches of the double Michelson interferometer leads common measuring beam while the two outer waveguide in the rear region of the substrate body in each case for guiding one a mirror in the reflected reference beam and in the front area for guidance of the interference signals that can be coupled out at the front end serve, each one are coupled to an evaluation electronics supplied detector, and wherein the middle and one of the outer waveguides in the rear region of the substrate body means for Phase modulation are assigned.

Eine solche Anordnung zur Abstandsmessung mit Hilfe eines integriert-optischen Sensors, der aus einem doppelten Michelson-Interferometer besteht, der über zwei Koppler von einer Laserstrahlenquelle versorgt wird, ist bekannt (Jestel D., Baus A., Voges E. "Integrated-optic interferometric microdisplacement sensor in glass with thermo-optic phase modulation", Electronics Letters, 26 (1990) 15, S. 1144-1145). Der Substratkörper ist dabei aus Glas und die Wellenleiter sind durch Ionenaustausch hergestellt. Der Laserstrahl wird über eine die Polari sationsrichtung erhaltende Faser eingespeist. Die Spiegel, welche die in den äußeren Wel lenleitern geführten Referenzstrahlen reflektieren, sind unmittelbar an der hinteren Stirnseite des Substratkörpers aufgetragen. Der beiden Interferometern gemeinsame, im mittleren Wellenleiter geführte Meßstrahl wird mit einer GRIN-Linse aus dem Wellenleiter ausgekoppelt und kollimiert. Der ausgekoppelte Meßstrahl wird sodann am Meßobjekt reflektiert und mittels GRIN-Linse wieder in den mittleren Wellenleiter eingekoppelt. Die Phasenmodulation am Meßstrahl und an einem der Referenzstrahlen erfolgt thermo-optisch durch Heizelektroden. Die Interferenzsignale werden über zwei an der vorderen Stirnseite der äußeren Wellenleiter angekoppelte Fasern mit Hilfe zweier Photodioden detektiert.Such an arrangement for distance measurement using an integrated optical sensor, which consists of a double Michelson interferometer, which has two couplers from one Laser source is supplied, is known (Jestel D., Baus A., Voges E. "Integrated-optic interferometric microdisplacement sensor in glass with thermo-optic phase modulation ", Electronics Letters, 26 (1990) 15, pp. 1144-1145). The substrate body is made of glass and the Waveguides are made by ion exchange. The laser beam passes over the polaris fiber direction fed in. The mirrors which are in the outer world reflecting guided reference beams are directly on the rear end applied to the substrate body. Common to the two interferometers, in the middle Waveguide guided measuring beam is made with a GRIN lens from the waveguide uncoupled and collimated. The decoupled measuring beam is then on the test object reflected and coupled back into the middle waveguide using a GRIN lens. The Phase modulation on the measuring beam and on one of the reference beams takes place thermo-optically through heating electrodes. The interference signals are over two on the front face the outer waveguide coupled fibers detected with the help of two photodiodes.

Nachteilig ist bei dieser Anordnung, daß die Hälfte der reflektierten Lichtintensität direkt in die Laserstrahlenquelle eingestrahlt wird. Dies hat zur Folge, daß verhältnismäßig große Gaslaser eingesetzt werden müssen, um ein zuverlässiges Funktionieren garantieren zu können. Eine weitere Schwierigkeit ist mit der Ankopplung der polarisationserhaltenden Fa ser verbunden, denn bereits kleine Lichtanteile unerwünschter Polarisationsrichtungen be grenzen die Auflösung bzw. Genauigkeit der Abstandsmessung. Deshalb ist hierbei neben der Forderung eines sehr kleinen Polarisationsübersprechens in der Faser auch eine sehr genaue Ausrichtung der Hauptachsen der Faser bezüglich der Stirnseite des Substratkör pers nötig, was mit einem erheblichen Arbeitsaufwand einhergeht.The disadvantage of this arrangement is that half of the reflected light intensity directly in the laser beam source is irradiated. This has the consequence that relatively large Gas lasers must be used to guarantee reliable functioning can. Another difficulty is the coupling of the polarization maintaining company connected, because even small amounts of light in undesired directions of polarization limit the resolution or accuracy of the distance measurement. Therefore this is next to the requirement for a very small polarization crosstalk in the fiber is also a very exact alignment of the main axes of the fiber with respect to the end face of the substrate body pers necessary, which involves a considerable amount of work.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Messung des Abstandes ei nes Objektes mit einem integriert-optischen Sensor der eingangs genannten Art anzugeben, bei der diese Nachteile vermieden sind, das heißt, die einerseits eine genaue Abstandsmes sung gewährleistet, andererseits weniger aufwendig ist, insbesondere mit einer kleineren Laserstrahlenquelle auskommt.The invention has for its object an arrangement for measuring the distance egg nes object with an integrated optical sensor of the type mentioned, in which these disadvantages are avoided, that is, on the one hand, an accurate distance measurement guaranteed solution, on the other hand is less expensive, especially with a smaller Laser source gets along.

Darüber hinaus sollen mit der Anordnung auch schnelle Abstandsänderungen des Objektes erfaßt werden können.In addition, the arrangement should also allow rapid changes in the distance of the object can be detected.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der mittlere Wellenleiter zwischen vorderer Stirnseite des Substratkörpers und Koppler-Bereich mit einem Polarisator versehen ist und daß sowohl die Referenzstrahlen als auch der Meßstrahl durch eine λ/4-Platte geführt sind.The object is achieved in that the middle waveguide between Provide the front face of the substrate body and the coupler area with a polarizer and that both the reference beams and the measuring beam are guided through a λ / 4 plate are.

Durch diese Maßnahmen wird eine Einstrahlung von reflektiertem Licht in die Laserstrahlen quelle vermieden, so daß vorzugsweise auch mit einer Laserdiode statt mit einem Gaslaser als Strahlenquelle gearbeitet werden kann. Außerdem entfällt die Notwendigkeit einer sehr genauen Ausrichtung der Hauptachsen der polarisationserhaltenden Faser bezüglich des Substratkörpers bei der Einkopplung des Laserlichtes in den mittleren Wellenleiter, bzw. es kann auf eine solche Faser ganz verzichtet und eine normale monomodige Faser verwendet werden.These measures prevent reflected light from entering the laser beams Source avoided, so that preferably also with a laser diode instead of a gas laser can be worked as a radiation source. It also eliminates the need for a very exact alignment of the main axes of the polarization-maintaining fiber with respect to the Substrate body when the laser light is coupled into the central waveguide, or it can completely dispense with such a fiber and use a normal monomode fiber will.

Aus der US-PS 43 58 201 ist zwar eine interferometrische Meßanordnung bekannt, bei der eine λ/4-Platte und ein Polarisator verwendet werden. Die λ/4-Platte und der Polarisator sind jedoch in der auch im übrigen anders aufgebauten Meßanordnung an anderer Stelle ange ordnet und haben auch eine andere Funktion als beim Erfindungsgegenstand.From US-PS 43 58 201 an interferometric measuring arrangement is known in which a λ / 4 plate and a polarizer can be used. The λ / 4 plate and the polarizer are however, in the measuring arrangement, which is otherwise constructed differently, elsewhere organizes and also have a different function than the object of the invention.

Aus der EP 04 01 694 A1 ist schließlich eine Interferometeranordnung zur Entfernungsbe stimmung mit einer Laserdiode als Lichtquelle bekannt, wobei die optischen Komponenten im Interferometerkopf durch Glasfasern miteinander verbunden sind. Um unerwünschte Rückkopplungen von Laserlicht in die Laserlichtquelle auszuschalten, ist dabei zwischen La serdiode und Interferometerkopf eine flexible Lichtleitfaser mit einer optischen Länge von mindestens einem, vorzugsweise sogar von zehn Metern angeordnet, über die dem Interferometerkopf das von der Laserdiode emittierte Licht zugeführt wird. Um die mit derartig langen Lichtleiterkabeln einhergehenden Handhabungsprobleme in den Griff zu bekommen, ist vorgesehen, jede Lichtleitfaser beidseitig über einen lösbaren Faserverbinder anzuschließen, was wiederum spezielle Maßnahmen erfordert, damit störende Rückreflexionen in die Laserdiode aus den lichtquellenseitigen Faserverbindern vermieden werden.Finally, EP 04 01 694 A1 describes an interferometer arrangement for distance measurement mood with a laser diode known as a light source, the optical components are connected to each other in the interferometer head by glass fibers. To unwanted Switching off feedback from laser light into the laser light source is between La serdiode and interferometer head a flexible optical fiber with an optical length of arranged at least one, preferably even ten meters, over which the Interferometer head the light emitted by the laser diode is supplied. To the with handling problems associated with such long optical fiber cables is provided, each optical fiber on both sides via a detachable fiber connector connect, which in turn requires special measures, so annoying Back reflections in the laser diode from the fiber connectors on the light source side are avoided will.

Bei der im übrigen auch interferometrisch völlig anders aufgebauten erfindungsgemäßen Meßanordnung werden diese Probleme umgangen.In the case of the invention, which is also designed completely differently interferometrically Measurement problems are avoided.

Eine vorteilhafte Ausbildungsform der Erfindung sieht vor, daß der Substratkörper aus einem Lithiumniobatkristall in X- oder Y-Schnitt besteht, in dessen Oberfläche die optischen Wel lenleiter durch Titandiffusion eingebracht sind, wobei die Wellenleiter in Z-Richtung liegen. Dadurch, daß mit Z-Ausbreitungsrichtung für die Moden gearbeitet wird, "sehen" beide fun damentalen Moden die ordentliche Brechzahl n_o und außerdem gleiche von der Titaneindif fusion herrührende Brechzahlsprünge, wodurch beide Moden nahezu identische effektive Brechzahlen aufweisen und somit die Koppler sowohl für die TE- als auch für die TM-Mode gleich gut funktionieren.An advantageous embodiment of the invention provides that the substrate body consists of a lithium niobate crystal in an X or Y section, in the surface of which the optical waveguides are introduced by titanium diffusion, the waveguides lying in the Z direction. By working with the Z-propagation direction for the modes, both functional modes "see" the normal refractive index n _o and also the same refractive index jumps resulting from the titanium diffusion, so that both modes have almost identical effective refractive indices and thus the couplers for both TE and TM mode work equally well.

Eine besonders günstige Weiterbildung der Erfindung besteht auch darin, daß die Mittel zur Phasenmodulation elektrooptisch ausgebildet sind, was bei Verwendung von Lithiumniobat statt Glas als Substratkörper möglich ist. Eine elektrooptische Phasenmodulation hat ge genüber einer thermooptischen Phasenmodulation mehrere Vorteile: So ist der Bedarf an Elektroenergie weitaus geringer. Eine thermische Belastung des Sensors wird vermieden. Außerdem kann mit einer größeren Modulationsfrequenz als 10 kHz gearbeitet werden, was von besonderer Bedeutung ist, weil dadurch auch schnellere Abstandsänderungen des Ob jektes erfaßt werden können.A particularly favorable development of the invention is also that the means for Phase modulation are formed electro-optically, which is when using lithium niobate instead of glass as a substrate body is possible. An electro-optical phase modulation has ge Compared to thermo-optical phase modulation, there are several advantages: Electrical energy much lower. Thermal stress on the sensor is avoided. In addition, you can work with a modulation frequency greater than 10 kHz, which is of particular importance because it also means faster changes in the distance of the ob jektes can be detected.

Andere vorteilhafte Ausbildungsformen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteran sprüche.Other advantageous embodiments of the invention are the subject of further sub claims.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigenThe invention is intended to be explained below using an exemplary embodiment and an associated one Drawing will be explained in more detail. Show in the drawing

Fig. 1a) eine schematische Ansicht einer Anordnung zur Abstandsmessung mit einem integriert-optischen Sen sor, Fig sor. 1a) is a schematic view of an arrangement for distance measurement with an integrated optical Sen,

Fig. 1b) ausschnittsweise eine Seitenansicht der Anordnung gemäß Fig. 1a), FIG. 1b) is a fragmentary side view of the arrangement according to FIG. 1a),

Fig. 1c) einen Querschnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 1a) im Kopp ler-Bereich, Fig. 1c) shows a cross section through the arrangement according to FIG. 1a) in Kopp ler area,

Fig. 1d) ausschnittsweise einen Querschnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 1a) im Bereich des Polarisators, Fig. 1d), a fragmentary transverse section through the arrangement according to FIG. 1a) in the region of the polarizer,

Fig. 2 bis 4 schematische Ansichten von Gestaltungsvarianten der Anordnung zur Abstandsmessung nach Fig. 1 und FIGS. 2 to 4 are schematic views of design variations of the arrangement for measuring distance according to Fig. 1 and

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines integriert-optischen Sensors, bei dem die Koppler durch zwei vom mittleren Wellenleiter in die äußeren Wellenleiter übergehende Y-Verzweigungen ersetzt sind. Fig. 5 is a schematic view of an integrated optical sensor, in which the couplers are replaced by two Y branches passing from the central waveguide into the outer waveguide.

Gemäß Fig. 1a) ist auf einer Trägerplatte 1 ein Substratkörper 2 in Gestalt eines Chips be festigt, entlang dessen Oberfläche 3 sich von einer vorderen Stirnseite 4 bis zur hinteren Stirnseite 5 drei monomodige, optische Wellenleiter 6, 7 und 8 erstrec ken. Der Substratkörper 2 besteht aus einem Lithiumniobatkristall in X- oder Y-Schnitt. Die in Z-Richtung liegenden optischen Wellenleiter 6, 7 und 8 sind durch Titandiffusion in die Ober fläche 3 eingebracht. Der mittlere Wellenleiter 6 ist im vorderen Bereich der Substratoberflä che 3 über zwei Y-Verzweigungen 9, 10 in zwei Arme 6′ und 6′′ aufgespalten. Die äußeren Wellenleiter 7 und 8 weisen keine Verzweigungen auf, sind jedoch über eine Länge von eini gen mm jeweils mit dem mittleren Wellenleiter 6 gekoppelt. Dabei bilden der Wellenleiter 7 mit dem Wellenleiterarm 6′ und der Wellenleiter 8 mit dem Wellenleiterarm 6′′ jeweils einen Koppler 11 bzw. 12. Die zwei Koppler 11, 12 können zum Zwecke der Homogenisierung der Wellenleiter mit einer protonenausgetauschten Schicht 13, 14 versehen sein, wie dies in der Zeichnung strichliert angedeutet ist. Mit einer solchen Schicht 13 bzw. 14 kann auch der Koppelkoeffizient fein abgestimmt werden. Es ist aber auch denkbar, im Kopplerbereich entlang der Wellenleiter 7, 8 und der Wellenleiterarme 6′, 6′′ Metallelektroden 15 bis 18 vorzusehen, um die Koppler 11 bzw. 12 elektrooptisch abzustimmen (Fig. 1c). In diesem Fall ist es günstig, wenn zwischen diesen Metallelektroden 15 bis 18 und den Wellenleitern 6′, 6′′, 7 und 8 eine dielektrische Schicht 19 angeordnet ist, weil dadurch Absorp tionsverluste vermieden werden. Im hinteren Bereich der Substratoberfläche 3 sind jeweils zu beiden Seiten des mittleren Wellenleiters 6 sowie des äußeren Wellenleiters 8 etwa 1 cm lange Metallelektroden 20 bzw. 21 vorgesehen, die eine elektrooptische Phasenmodulation erlauben. Außer diesen Elektrodenpaaren 20 und 21 kann entsprechend der strichlierten Darstellung in der Zeichnung zusätzlich eine dritte Elektrode 20′ bzw. 21′ auf dem Wellenlei ter 6 bzw. 8 plaziert werden, wobei auch hier eine dielektrische Zwischenschicht von Vorteil ist. An der hinteren Stirnseite 5 des Substratkörpers 2 sind alle drei Wellenleiter 6, 7 und 8 bis zu einer Breite von 50 µm bis 1 mm parabolisch aufgeweitet. Auf der optisch polierten hinteren Stirnseite 5 des Substratkörpers 2 ist mit Hilfe eines optisch transparenten Klebers eine planparallele Glasplatte 22 befestigt, auf der wiederum eine Zylinderlinse 23 auf die gleiche Weise fixiert ist. Die Dicke der planparallelen Glasplatte 22 ist so gewählt, daß der Brennpunkt der Zylinderlinse 23 in der Klebefläche an der Stirnseite 5 liegt. Im Abstand von der Zylinderlinse 23 ist eine von der Trägerplatte 1 gehaltene λ/4-Platte 24 angeordnet. Die Trägerplatte 1 besteht aus Glas oder Si. Das gewünschte Profil ist entweder durch Aussägen aus einem Glasstück oder durch anisotropes Ätzen in Si hergestellt. Auf der der Zylinderlinse 23 abgewandten Seite der λ/4-Platte 24 ist in Verlängerung der Achsen der äußeren Wel lenleiter 7 und 8 jeweils ein Spiegel 25 bzw. 26 aufgebracht. Die in Verlängerung der Achse des mittleren Wellenleiters 6 zwischen den Spiegeln 25 und 26 liegende spiegelfreie Fläche der λ/4-Platte ist ebenso wie alle anderen im Strahlengang liegenden spiegelfreien Flächen mittels dielektrischer Schichten entspiegelt, um Reflexionen zu vermeiden. Zum gleichen Zweck kann auch die Einkoppelkante schräg zur Wellenleiterachse poliert werden. Im vorde ren Bereich der Substratoberfläche 3 ist der mittlere Wellenleiter 6 mit einem Polarisator 27 versehen, wobei dieser so angeordnet ist, daß im Bereich der Y-Verzweigung 9 auch die zwei Arme 6′ und 6′′ des Wellenleiters 6 teilweise überdeckt sind. Der Polarisator 27 kann aus einer aufgedampften dielektrischen Schicht sowie einer darüber liegenden Metallschicht bestehen. Dabei muß die Dicke der dielektrischen Schicht sehr genau eingehalten werden. Das verhältnismäßig schwierige Herstellen einer aufgetragenen dielektrischen Schicht und die einhergehenden Probleme mit der Haftung und Stabilität einer solchen Schicht sowie auftretende Streuverluste können vermieden werden, wenn der Polarisator 27 die in Fig. 1d) dargestellte Struktur aufweist. Demnach besteht der Polarisator 27 aus einer dünnen, zwischen 50 und 1000 nm dicken Schicht 28, die durch Protonenaustausch von der Substratoberfläche 3 her in einem gut kontrollierbaren Diffusionsprozeß hergestellt wird und eine reduzierte Brechzahl aufweist, sowie aus einer aufgedampften Metallschicht 29. Da die Brechzahl nur wenig reduziert wird, etwa um 0,03 bis 0,04, ist hierbei die Schichtdicke vergleichsweise unkritisch und eine gute Polarisationswirkung kann mit Schichtdicken in einem verhältnismäßig breiten Bereich erreicht werden. Da die dünne Schicht 28 dieselbe Kristallstruktur wie der Wellenleiter 6 hat, ist nur eine geringe zusätzliche Streuung oder Absorption zu erwarten und Haftungsprobleme treten überhaupt nicht auf.According to Fig. 1a), a substrate body 2 in the form of a chip is fastened on a carrier plate 1 , along the surface 3 of which three mono-mode optical waveguides 6, 7 and 8 are formed from a front end 4 to the rear end 5 . The substrate body 2 consists of a lithium niobate crystal in an X or Y section. The optical waveguides 6, 7 and 8 lying in the Z direction are introduced into the upper surface 3 by titanium diffusion. The middle waveguide 6 is in the front area of the substrate surface 3 over two Y-branches 9 , 10 in two arms 6 'and 6 ''split. The outer waveguides 7 and 8 have no branches, but are coupled to the middle waveguide 6 over a length of a few mm. The waveguide 7 with the waveguide arm 6 'and the waveguide 8 with the waveguide arm 6 ''each form a coupler 11 and 12 respectively. For the purpose of homogenizing the waveguides, the two couplers 11 , 12 can be provided with a proton-exchanged layer 13 , 14 , as is indicated in broken lines in the drawing. With such a layer 13 or 14 , the coupling coefficient can also be fine-tuned. But it is also conceivable to provide metal electrodes 15 to 18 in the coupler area along the waveguides 7 , 8 and the waveguide arms 6 ', 6 ''in order to electro-optically tune the couplers 11 and 12 ( Fig. 1c). In this case, it is advantageous if a dielectric layer 19 is arranged between these metal electrodes 15 to 18 and the waveguides 6 ', 6 '', 7 and 8 , because absorption losses are thereby avoided. In the rear area of the substrate surface 3 , approximately 1 cm long metal electrodes 20 and 21 are provided on both sides of the middle waveguide 6 and the outer waveguide 8 , which allow electro-optical phase modulation. In addition to these electrode pairs 20 and 21 , a third electrode 20 'or 21 ' can be placed on the Wellenlei ter 6 or 8 according to the broken line in the drawing, a dielectric interlayer is also advantageous here. On the rear end face 5 of the substrate body 2 , all three waveguides 6, 7 and 8 are parabolically widened to a width of 50 μm to 1 mm. On the optically polished rear end face 5 of the substrate body 2 , a plane-parallel glass plate 22 is fastened with the aid of an optically transparent adhesive, on which in turn a cylindrical lens 23 is fixed in the same way. The thickness of the plane-parallel glass plate 22 is selected so that the focal point of the cylindrical lens 23 lies in the adhesive surface on the end face 5 . A λ / 4 plate 24 held by the carrier plate 1 is arranged at a distance from the cylindrical lens 23 . The carrier plate 1 consists of glass or Si. The desired profile is produced either by sawing out a piece of glass or by anisotropic etching in Si. On the side facing away from the cylindrical lens 23 of the λ / 4 plate 24 , in each case a mirror 25 or 26 is applied as an extension of the axes of the outer shaft guides 7 and 8 . The mirror-free surface of the λ / 4 plate lying in the extension of the axis of the central waveguide 6 between the mirrors 25 and 26 is, like all other mirror-free surfaces in the beam path, anti-reflective by means of dielectric layers in order to avoid reflections. For the same purpose, the coupling edge can also be polished at an angle to the waveguide axis. In the front region of the substrate surface 3 , the middle waveguide 6 is provided with a polarizer 27 , which is arranged such that in the area of the Y-branch 9 the two arms 6 'and 6 ''of the waveguide 6 are partially covered. The polarizer 27 can consist of a vapor-deposited dielectric layer and an overlying metal layer. The thickness of the dielectric layer must be adhered to very precisely. The relatively difficult production of an applied dielectric layer and the associated problems with the adhesion and stability of such a layer and the scattering losses which occur can be avoided if the polarizer 27 has the structure shown in FIG. 1d). Accordingly, the polarizer 27 consists of a thin, between 50 and 1000 nm thick layer 28 , which is produced by proton exchange from the substrate surface 3 in an easily controllable diffusion process and has a reduced refractive index, and a vapor-deposited metal layer 29 . Since the refractive index is reduced only slightly, for example by 0.03 to 0.04, the layer thickness is comparatively uncritical and a good polarization effect can be achieved with layer thicknesses in a relatively wide range. Since the thin layer 28 has the same crystal structure as the waveguide 6 , only a little additional scattering or absorption can be expected and adhesion problems do not occur at all.

Die Anordnung zur Abstandsmessung eines in der Zeichnung mit 30 bezeichneten Objektes mit dem beschriebenen integriert-optischen Sensor funktioniert auf folgende Weise:The arrangement for measuring the distance of an object designated 30 in the drawing with the integrated optical sensor described functions in the following way:

Das Licht einer Laserstrahlenquelle 31, beispielsweise einer Halbleiter-Laserdiode, mit einer Wellenlänge von zum Beispiel 800 nm, wird direkt oder mittels die Polarisation erhaltender Faser 32 an der vorderen Stirnseite 4 des Substratkörpers 2 in den mittleren Wellenleiter 6 eingekoppelt. Es wird eine TE-Mode erzeugt, die vom Polarisator 27 durchgelassen wird. TM-polarisiertes Licht hingegen wird vom Polarisator 27 absorbiert. Die Lichtintensität der TE-Mode wird sodann an der Y-Verzweigung 9 im Verhältnis 1:1 geteilt. Mit Hilfe der zwei 3 dB-Koppler 11, 12 wird je die Hälfte von jedem Teil zu den äußeren Wellenleitern 7, 8 ge koppelt und als Referenzstrahl in diesen Wellenleitern 7, 8, die mit dem Wellenleiter 6 jeweils ein Michelson-Interferometer bilden, zur hinteren Stirnseite 5 geführt. Der nicht zu den äuße ren Wellenleitern 7, 8 gekoppelte Anteil wird an der Y-Verzweigung 10 vereint und vom mitt leren Wellenleiter 6 als Meßstrahl zur hinteren Stirnseite 5 geleitet. Die parabolische Auf weitung der Wellenleiter 6, 7 und 8 bewirkt, daß sowohl die Referenzstrahlen als auch der Meßstrahl beim Auskoppeln an der Stirnseite 5 in Richtung der Chipkante nur sehr wenig, senkrecht dazu jedoch infolge von Beugung stark aufgeweitet sind. Nach passieren der planparallelen Platte 22 und der Zylinderlinse 23 liegen dann kollimierte Lichtstrahlen in Form kurzer Streifen vor. Die beiden äußeren Lichtstrahlen, das heißt die Referenzstrahlen, durchlaufen sodann die λ/4-Platte 24, werden an den Spiegeln 25, 26 reflektiert und passie ren erneut die λ/4-Platte 24. Die aufgrund des zweimaligen Durchlaufens der λ/4-Platte 24 nunmehr TM-polarisierten Referenzstrahlen werden über die Zylinderlinse 23 an der Stirn seite 5 wieder in die äußeren Wellenleiter 7, 8 eingekoppelt. Der Meßstrahl passiert nach Verlassen der Zylinderlinse 23 gleichfalls die λ/4-Platte 24, wird danach mit einer GRIN-Linse 33 zusätzlich formiert und schließlich am Meßobjekt 30 reflektiert. Der Meßstrahl durchläuft dann ein zweites Mal die λ/4-Platte 24 und wird TM-polarisiert mittels Zylinderlinse 23 an der Stirnseite 5 in den mittleren Wellenleiter 6 zurückgekoppelt. Im Bereich der zwei 3 dB-Koppler 11 und 12 wird erneut zwischen den äußeren Wellenleiter 7 bzw. 8 und den Wellenleiterar men 6′ bzw. 6′′ des mittleren Wellenleiters 6 Energie ausgetauscht, wobei es aufgrund der unterschiedlich zurückgelegten Wegstrecke zur Interferenz jeweils eines Teiles des Meß strahles mit einem der Referenzstrahlen kommt. Die Interferenzsignale werden schließlich über an der Stirnseite 4 an die Wellenleiter 7 und 8 gekoppelte Fasern 34 und 35 je einem Photodetektor 36 und 37 und von diesen einer elektronischen Auswerteschaltung 38 zuge führt. Für die elektronische Signalauswertung wird mit Hilfe der Elektroden 20 der Meßstrahl und mit Hilfe der Elektroden 21 einer der Referenzstrahlen elektrooptisch phasenmoduliert.The light from a laser beam source 31 , for example a semiconductor laser diode, with a wavelength of, for example, 800 nm, is coupled into the central waveguide 6 directly or by means of the fiber 32 which maintains the polarization on the front end face 4 of the substrate body 2 . A TE mode is generated, which is let through by the polarizer 27 . TM polarized light, however, is absorbed by the polarizer 27 . The light intensity of the TE mode is then divided at the Y branch 9 in a ratio of 1: 1. With the help of the two 3 dB couplers 11 , 12 , half of each part is coupled to the outer waveguides 7, 8 and as a reference beam in these waveguides 7 , 8 , which each form a Michelson interferometer with the waveguide 6 rear end 5 out. The part not coupled to the outer waveguides 7 , 8 is combined at the Y-branch 10 and passed from the middle waveguide 6 as a measuring beam to the rear end face 5 . The parabolic expansion of the waveguides 6 , 7 and 8 causes that both the reference beams and the measuring beam when decoupling on the end face 5 in the direction of the chip edge are very little, but perpendicular to it are greatly expanded due to diffraction. After passing through the plane-parallel plate 22 and the cylindrical lens 23, there are then collimated light beams in the form of short strips. The two outer light beams, that is to say the reference beams, then pass through the λ / 4 plate 24 , are reflected at the mirrors 25 , 26 and pass again through the λ / 4 plate 24 . The now polarized due to the two passes through the λ / 4 plate 24 TM-polarized reference beams are coupled via the cylindrical lens 23 on the front side 5 back into the outer waveguides 7 , 8 . After leaving the cylindrical lens 23, the measurement beam likewise passes through the λ / 4 plate 24 , is then additionally formed with a GRIN lens 33 and finally reflected on the measurement object 30 . The measuring beam then passes through the λ / 4 plate 24 a second time and is TM-polarized by means of a cylindrical lens 23 on the end face 5 in the middle waveguide 6 . In the area of the two 3 dB couplers 11 and 12 , energy is again exchanged between the outer waveguides 7 and 8 and the waveguide arms 6 'and 6 ''of the middle waveguide 6 , due to the different distances traveled for interference Part of the measuring beam comes with one of the reference beams. The interference signals are finally via fibers 34 and 35 coupled to the waveguides 7 and 8 on the end face 4, each of which leads to a photodetector 36 and 37 and from these an electronic evaluation circuit 38 . For the electronic signal evaluation, the measuring beam is electro-optically phase-modulated with the aid of the electrodes 20 and one of the reference beams with the aid of the electrodes 21 .

Da der Polarisator 27 TM-polarisiertes Licht absorbiert, wird über den mittleren Wellenleiter 6 an der vorderen Stirnseite 4 kein reflektiertes Licht ausgekoppelt und über die Faser 32 in die Laserstrahlenquelle 31 eingestrahlt. Dadurch ist ein verhältnismäßig großer Gas-Laser entbehrlich, und es kann mit einer Laserdiode gearbeitet werden.Since the polarizer 27 absorbs TM-polarized light, no reflected light is coupled out via the central waveguide 6 on the front end face 4 and irradiated into the laser beam source 31 via the fiber 32 . As a result, a relatively large gas laser is not required and a laser diode can be used.

Die Anordnung des Polarisators 27 bietet noch einen weiteren Vorteil, insofern als die Not wendigkeit einer sehr genauen Ausrichtung der Hauptachsen der polarisationserhaltenden Faser 32 bezüglich der Kristallachsen des Lithiumniobatkristalles bei der Kopplung entfällt, da alle Restanteile TM-polarisierten Lichtes absorbiert werden. Es ist sogar denkbar, eine normale monomodige, nicht polarisationserhaltende Faser einzusetzen, was die Koppelpro bleme vereinfacht, allerdings mit Intensitätsverlust einhergeht.The arrangement of the polarizer 27 offers a further advantage in that the need for a very precise alignment of the main axes of the polarization-maintaining fiber 32 with respect to the crystal axes of the lithium niobate crystal is eliminated during the coupling, since all residual portions of TM-polarized light are absorbed. It is even conceivable to use a normal single-mode, non-polarization-maintaining fiber, which simplifies the coupling problems, but is accompanied by a loss of intensity.

Die Verwendung eines Lithiumniobatkristalles in X- oder Y-Schnitt als Substratkörper 2 mit der Z-Achse als Ausbreitungsrichtung für die Moden ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. So "sehen" hierbei beide fundamentalen Moden (TE- und TM-Mode) die ordentliche Brechzahl n_o und außerdem gleiche von der Titaneindiffusion herrührende Brechzahlsprünge, so daß beide Moden nahezu identische effektive Brechzahlen aufweisen. Das heißt, die Koppler 11, 12 funktionieren für die TE- und die TM-Mode gleich gut. Darüber hinaus ist bei der Z-Aus breitungsrichtung das "optical damage" verhältnismäßig schwach.The use of a lithium niobate crystal in an X or Y cut as the substrate body 2 with the Z axis as the direction of propagation for the modes is advantageous in several respects. Thus both fundamental modes (TE and TM mode) "see" the ordinary refractive index n _o and also the same jumps in refractive index resulting from titanium diffusion, so that both modes have almost identical effective refractive indices. That is, the couplers 11 , 12 work equally well for the TE and TM modes. In addition, the "optical damage" is relatively weak in the Z direction of propagation.

Der Einsatz von Lithiumniobat statt Glas als Substratkörper 2 ist auch insofern günstig, als dadurch die Phasenmodulation nicht thermooptisch erfolgen muß, sondern elektrooptisch vorgenommen werden kann. Dies führt neben einem geringeren Bedarf an Elektroenergie und einer geringeren thermischen Belastung des Chips auch dazu, daß mit einer größeren Modulationsfrequenz als 10 kHz gearbeitet und somit auch schnellere Abstandsänderungen des Objektes 30 erfaßt werden können. Darüber hinaus entfällt eine spezielle Aufbereitung der Modulationssignale wie dies infolge der nichtlinearen Modulationskennlinie bei thermo optischen Modulatoren erforderlich ist.The use of lithium niobate instead of glass as the substrate body 2 is also advantageous in that the phase modulation does not have to take place thermo-optically, but can be performed electro-optically. In addition to a lower need for electrical energy and a lower thermal load on the chip, this also means that the modulation frequency is greater than 10 kHz and thus faster changes in the distance of the object 30 can be detected. In addition, there is no special processing of the modulation signals, as is necessary due to the nonlinear modulation characteristic in thermo-optical modulators.

In den Fig. 2 bis 4 sind verschiedene Gestaltungsvarianten der Seite des integriert-opti schen Sensors gezeigt, an der der Meßstrahl ausgekoppelt wird. Die Funktionsweise des Sensors ist in jedem Fall die gleiche wie zu Fig. 1 beschrieben.In Figs. 2 to 4 show various design variants of the side of the integrated-optic sensor are shown rule, on which the measuring beam is coupled out. The functioning of the sensor is in any case the same as that described for FIG. 1.

So ist es denkbar, anstelle der planparallelen Platte 22 und der Zylinderlinse 23 im Strahlen gang der Referenzstrahlen und des Meßstrahles jeweils eine Kugellinse 39, 40 und 41 anzu ordnen, wobei auch hier die Strahlqualität des Meßstrahles mit einer zusätzlichen, hinter der λ/4-Platte plazierten GRIN-Linse 33 verbessert werden kann (Fig. 2). Eine Aufweitung der Wellenleiter 6, 7 und 8 an der Stirnseite 5 kann dabei unterbleiben.So it is conceivable to arrange a spherical lens 39 , 40 and 41 instead of the plane-parallel plate 22 and the cylindrical lens 23 in the beam path of the reference beams and the measuring beam, the beam quality of the measuring beam here also having an additional, behind the λ / 4- Plate placed GRIN lens 33 can be improved ( Fig. 2). An expansion of the waveguides 6 , 7 and 8 on the end face 5 can be omitted.

Es ist aber auch möglich, die λ/4-Platte direkt an der Stirnseite 5 zu befestigen (Fig. 3). Hierbei sind nur die äußeren Wellenleiter 7, 8 bis auf eine Breite zwischen 50 und 1000 µm aufgeweitet. Der Meßstrahl wird mit einer an der λ/4-Platte 24 befestigten GRIN-Linse 33 aus- und wieder eingekoppelt.But it is also possible to attach the λ / 4 plate directly to the end face 5 ( Fig. 3). Here, only the outer waveguides 7 , 8 are widened to a width between 50 and 1000 μm. The measuring beam is coupled out and in again with a GRIN lens 33 attached to the λ / 4 plate 24 .

Fig. 4 zeigt eine Variante, bei der die λ/4-Platte aus drei Teilen 24′, 24′′ und 24′′′ besteht, wobei zwei Teile 24′ und 24′′ im Bereich der äußeren Wellenleiter 7 und 8 unmittelbar an der hinteren Stirnseite 5 des Substratkörpers 2 angeordnet sind und der dritte Teil 24′′′ auf der gleichfalls direkt an der hinteren Stirnseite 5 angeordneten GRIN-Linse 33 befestigt ist. Fig. 4 shows a variant in which the λ / 4 plate consists of three parts 24 ', 24 ''and 24 ''', with two parts 24 'and 24 ''in the area of the outer waveguides 7 and 8 immediately the rear end face 5 of the substrate body 2 are arranged and the third part 24 '''is also attached to the GRIN lens 33 arranged directly on the rear end face 5 .

Darüber hinaus ist es möglich, bei allen beschriebenen Varianten die beiden 3 dB-Koppler 11, 12 zu ersetzen, indem der mittlere Wellenleiter 6 im vorderen Bereich über zwei Y-Verzweigungen 9′ und 10′ derart aufgespalten ist, daß die Zweige jeweils in den benachbarten Wellenleiter 7 bzw. 8 übergehen (Fig. 5). Diese Art Y-Verzweigungen 9′ und 10′ verursa chen zwar größere Intensitätsverluste, sind aber viel einfacher herzustellen als entspre chende Koppler.In addition, it is possible to replace the two 3 dB couplers 11 , 12 in all of the variants described by the middle waveguide 6 in the front region being split over two Y-branches 9 'and 10 ' in such a way that the branches each in the pass adjacent waveguides 7 and 8 ( Fig. 5). This type of Y-branches 9 'and 10 ' cause Chen greater loss of intensity, but are much easier to manufacture than corre sponding coupler.

Claims

1. Arrangement for measuring the distance of an object from the arrangement with egg nem integrated optical sensor from a substrate body and three of a front end face of the substrate body along its surface over a front and a rear region of the substrate body to the rear face of the substrate body itself extending, a double Michelson interferometer forming single-mode optical waveguides, wherein the central waveguide is exposed to light from a laser beam source in front of the front side of the substrate body, in the front region of the substrate body splits into two arms, each with one of the two outer waveguides Form couplers and which are brought together again outside of this coupler area to form a waveguide, and in the rear area of the substrate body a two interferometer branches of the double Michelson interface that can be coupled in and out on the rear end face rs common measuring beam, while the two outer waveguides in the rear region of the substrate body each serve to guide a reference beam reflected in a mirror and in the front region to guide the interference signals that can be coupled out on the front end, each of which is fed to a detector coupled to an evaluation electronics and the middle and one of the outer waveguides in the rear area of the substrate body are assigned means for phase modulation, characterized in that the middle waveguide ( 6 ) between the front end face ( 4 ) of the substrate body and the coupler area ( 11 , 12 ) is provided with a polarizer ( 27 ) and that both the reference beams and the measuring beam are guided through a λ / 4 plate ( 24 ).

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the substrate body ( 2 ) is made of a lithium niobate crystal in an X or Y section, in the surface ( 3 ) of the optical waveguide ( 6 , 6 ', 6 '', 7 , 8 ) are introduced by titanium diffusion, the waveguides ( 6 , 6 ', 6 '', 7 , 8 ) lying in the Z direction.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the polarizer ( 27 ) from a on a section of the central waveguide ( 6 ) manufactured by proton exchange thin layer ( 28 ) reduced refractive index and on this layer ( 28 ) evaporated metal layer ( 29 ) consists.

4. Arrangement according to claim 3, characterized in that the thin layer ( 28 ) is between 50 and 1000 nm thick.

5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the polarizer ( 27 ) in the region of the splitting of the central waveguide ( 6 ) into two arms ( 6 ', 6 '') partially covers these two arms.

6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the λ / 4 plate ( 24 ) is attached directly to the rear end face ( 5 ) of the substrate body ( 2 ) and that on the λ / 4 plate ( 24 ) on the one hand the mirrors ( 25 , 26 ) are applied and on the other hand a GRIN lens ( 33 ) is arranged for coupling the measuring beam in and out.

7. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the substrate body ( 2 ) fixed on a carrier plate ( 1 ) and the λ / 4 plate ( 24 ) at a distance from the rear end face ( 5 ) on the carrier plate ( 1 ) is held and that one or more lenses are arranged between the rear end face ( 5 ) of the substrate body ( 2 ) and the λ / 4 plate ( 24 ).

8. Arrangement according to claim 7, characterized in that on the rear end face ( 5 ) of the substrate body ( 2 ) has a plane-parallel glass plate ( 22 ) and a cylindrical lens ( 23 ) is attached.

9. Arrangement according to claim 8, characterized in that the waveguides ( 6 , 7 , 8 ) in the region of the rear end face ( 5 ) of the substrate body ( 2 ) are expanded parabolically.

10. The arrangement according to claim 7, characterized in that between the rear end face ( 5 ) of the substrate body ( 2 ) and the λ / 4 plate ( 24 ) in the beam path of the reference beams and the measuring beam each have a ball lens ( 39 , 40 , 41 ) is arranged.

11. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the λ / 4 plate ( 24 ) is divided, two parts ( 24 ', 24 '') in the area of the outer waveguide ( 7 , 8 ) directly on the rear end face ( 5 ) of the substrate body ( 2 ) are fastened and the third part ( 24 ''') on a rear end face ( 5 ) is arranged, the measuring beam out and coupling GRIN lens ( 33 ) is fixed.

12. The arrangement according to claim 6 or 11, characterized in that at least the outer waveguide ( 7 , 8 ) in the region of the rear end face ( 5 ) of the substrate body ( 2 ) are expanded parabolically.

13. Arrangement according to one of claims 1 to 12, characterized in that the means ( 20 , 21 ) for the phase modulation of the measuring and one of the reference beams len are formed electro-optically.

14. Arrangement according to one of claims 1 to 13, characterized in that a laser diode serves as the laser beam source ( 31 ).

15. Arrangement according to one of claims 1 to 14, characterized in that the two coupler areas ( 11 , 12 ) are designed such that the two arms of the central waveguide ( 6 ) with the respective coupling outer waveguide ( 7 , 8th ) coincide to form a waveguide in the coupler area.