DE4138222C1 - Integrated optical sensor for refractive index measurement esp. of liq. - has Mach-Zehnder interferometer formed from two arms of optical waveguide, and acousto=optical mode converter with continuously variable frequency - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen integriert-optischen Sensor zur Erfassung des Brechungsindex einer Substanz, insbesondere einer Flüssigkeit, mit einem Substratkörper aus Lithiumniobat, in dem ein monomodiger, doppelbrechender, optischer Wellenleiter vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Stirnflächen des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche erstreckt und der auf einem Teil seiner Länge in zwei gleichlange Arme aufgespalten ist, wovon ein Arm auf einem Teil seiner Länge mit einer dünnen, zur Führung einer Mode nicht ausreichend dicken Schicht aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat versehen ist und über eine vor­ gegebene Länge mit der Substanz in optischem Kontakt steht, und diese Arme ein Mach- Zehnder-Interferometer bilden, wobei die Eintrittsstirnfläche des Wellenleiters mit Licht einer Lichtquelle und ein Lichtdetektor mit dem in Transmission von einer Austrittsendfläche des Wellenleiters abgestrahlten Meßlicht beaufschlagbar ist.

Ein integriert-optischer Sensor, bei dem der in das Substrat, beispielsweise Glas, integrierte optische Wellenleiter die Form eines Mach-Zehnder-Interferometers hat, ist bekannt (DE 38 14 844 A1). Hierbei verzweigt sich der Wellenleiter unmittelbar an der Lichteintrittsseite in zwei gleich lange Arme, die an der Lichtaustrittsseite wieder vereinigt sind. Bei diesem Sen­ sor ist auf dem Substrat eine Abdeckschicht aufgebracht, deren Brechungsindex gleich oder kleiner als der des Substrats ist. Die Abdeckschicht besitzt im Bereich des einen Wellenlei­ terarmes auf einer vorgegebenen Länge eine Aussparung, so daß die mittels Durchflußzelle auf die Schicht gebrachte Flüssigkeit, deren Brechungsindex erfaßt werden soll, in diesem Bereich in unmittelbaren optischen Kontakt mit dem Wellenleiter kommt. Das von einer Laserstrahlenquelle dem optischen Wellenleiter zugeführte Licht erfährt im Wellenleiterarm, in dem die Flüssigkeit mit dem Wellenleiter in unmittelbarem Kontakt steht, durch Änderung der effektiven Brechzahl des Wellenleiters in diesem Bereich hinsichtlich seiner Aus­ breitungsgeschwindigkeit und damit seiner Phase eine Änderung, während die Phase des über den Referenzarm laufenden Lichtes praktisch nicht beeinflußt wird. Die beiden über die Arme geleiteten Lichtanteile interferieren nach ihrer Vereinigung auf der Lichtaustrittsseite. Das Interferenzsignal wird von einem Detektor erfaßt und ausgewertet. Durch die symmetri­ schen Wellenleiterarme gleicher Länge ist das Ausgangssignal des Interferometers unab­ hängig von Temperaturschwankungen.

Mit diesem Sensor sind jedoch nur Brechzahländerungen aufgrund der Messung der Ände­ rung der Phasengeschwindigkeit von eingespeistem Licht erfaßbar, da sich das Ausgangs­ signal ohne Bezugspunkt periodisch mit der Phasendifferenz ändert.

Andererseits ist ein integriert-optischer Sensor bekannt, der zur absoluten Brechzahl­ bestimmung eines Gases geeignet ist (DE 39 29 340 A1). Dieser Sensor besteht aus einem Substratkörper aus Lithiumniobat, in dem ein monomodiger, doppelbrechender Wellenleiter vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Stirnflächen des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche in Richtung einer der Schnittachsen des geschnittenen Lithiumniobat-Kristalles erstreckt und der auf einem Teil seiner Länge mit einer dünnen zur Führung einer Mode nicht ausreichend dicken Schicht aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat versehen ist, die wiederum von einer mit einem Meßgas beaufschlagbaren gassensitiven Schicht bedeckt ist. Ferner ist bei diesem Sensor in die Oberfläche des Substratkörpers ein elektro­ akustischer Wandler zur TM/TE-Modenkonversion integriert. Wird hierbei die Eintrittsstirnfläche des Wellenleiters mit linear in der ordentlichen oder in der außerordentlichen Polarisationsrichtung polarisierter Laserstrahlung beaufschlagt, so bewirkt die dünne protonenausgetauschte Schicht eine Verlagerung der parallel zur Oberfläche des Lithiumniobat-Kristalles polarisierten Mode in Richtung des Substrats und eine Verlagerung des Linienschwerpunktes der außerordentlichen Mode in die das Meßgas enthaltende gassensitive Schicht hinein. Durch die Erzeugung der akustischen Oberflächenwellen mit Hilfe des elektro-akustischen Wandlers kann im Wellenleiter geführtes ordentlich polarisiertes Licht in außerordentlich polarisiertes Licht überführt werden, das mit einem an die Austrittsendfläche des Wellenleiters ankoppelbaren Lichtdetektor nachgewiesen wird. Der Wirkungsgrad der Umwandlung ist abhängig von der Frequenz der Oberflächenwellen, aus der schließlich auf den absoluten Brechungsindex des Meßgases und damit seine Konzentration geschlossen werden kann.

Dieser Sensor ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß bereits kleine Schwankungen in der Wellenlänge des versorgenden Lasers und/oder Temperaturänderungen das Meßergebnis verfälschen und somit die erreichbare Genauigkeit bei der Brechzahlbestimmung begrenzen können. Darüber hinaus funktioniert dieser Sensor nicht in Flüssigkeiten, da die akustischen Wellenlängen hierin stark gedämpft werden. Außerdem ist es nicht möglich, mit Hilfe dieses Sensors die Dispersion einer Substanz zu erfassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen integriert-optischen Sensor zu schaffen, der es gestattet, die absolute Brechzahl von Substanzen, insbesondere von Flüssigkeiten, mit großer Genauigkeit zu bestimmen. Darüber hinaus soll mit Hilfe dieses Sensors die Disper­ sion erfaßt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem integriert-optischen Sensor der eingangs genannten Art erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß der in zwei Arme aufgespaltene, das Mach-Zehnder-In­ terferometer bildende Teil des optischen Wellenleiters in einem der Austrittsendfläche zu­ gewandten Bereich der Oberfläche des Substratkörpers plaziert ist und daß ein akusto-opti­ scher TM/TE-Modenkonverter vorgesehen ist, der bezüglich der Transmissionsrichtung des Lichtes dem Mach-Zehnder-Interferometer vorgelagert in einem der Eintrittsstirnfläche sich anschließenden Bereich der Oberfläche des Substratkörpers integriert ist, und daß die aku­ stische Frequenz des akusto-optischen TM/TE-Modenkonverters in einem vorgebbaren Be­ reich kontinuierlich änderbar ist.

Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung soll nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und einer zu­ gehörigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1a eine schematische Ansicht eines integriert-optischen Sensors mit einem akusto-opti­ schen Modenkonverter und einem Mach-Zehnder-Interferometer zur absoluten Brechzahl­ bestimmung einer Flüssigkeit,

Fig. 1b eine schematische Darstellung eines Querschnittes des Sensors von Fig. 1a im Be­ reich des akusto-optischen Modenkonverters,

Fig. 1c eine schematische Darstellung eines Querschnitts des Sensors von Fig. 1a im Be­ reich des Mach-Zehnder-Interferometers,

Fig. 2 eine Kennlinie des Mach-Zehnder-Interferometers mit Kalibrierflüssigkeit (durchgezogene Linie) und mit Meßflüssigkeit (gestrichelte Linie),

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines zweiten integriert-optischen Sensors mit einem aku­ sto-optischen Modenkonverter und zwei nebeneinander angeordneten Mach-Zehnder-In­ terferometern zur Erfassung der Brechzahlen zweier Substanzen,

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines dritten integriert-optischen Sensors mit einem aku­ sto-optischen Modenkonverter und einem Michelson-Interferometer,

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines vierten integriert-optischen Sensors mit einem aku­ sto-optischen Modenkonverter und zwei nebeneinander angeordneten Michelson-Interfero­ metern.

Die sich auf ein erstes Ausführungsbeispiel beziehende Fig. 1a zeigt einen integriert-opti­ schen Sensor 1 mit einem Substratkörper 2, der aus einem geschnittenen Lithiumniobat-Kri­ stall besteht, dessen Oberfläche in einen vorderen Bereich 3 und einen etwa gleich großen hinteren Bereich 4 durch eine Trennwand 5 unterteilt ist. Der Substratkörper 2 in Form des Lithiumniobat-Kristalles sei dabei derart geschnitten, daß die Z-Achse parallel zu dessen Oberfläche verläuft und die X-Achse als Normale auf dieser steht. In den Substratkörper 2 ist von seiner Oberfläche her durch Titaneindiffusion ein im wesentlichen halbzylindrisch aus­ gebildeter doppelbrechender optischer Wellenleiter 6 eingebracht. Dieser monomodige, z. B. für eine Wellenlänge um 0,8 µm ausgelegte, Wellenleiter 6 erstreckt sich dabei parallel zur Y- Achse des Lithiumniobat-Kristalles von einer Eintrittsstirnfläche 7 geradlinig durch den vorde­ ren Bereich 3 in den hinteren Bereich 4 hinein, spaltet sich dort in zwei parallel verlaufende, gleichlange Arme 8, 9 auf, die sich nach einer definierten Strecke wieder vereinigen, und ist bis zur Austrittsstirnfläche 10 am Substratkörper 2 geführt. D.h., der optische Wellenleiter 6 bildet im hinteren Bereich 4 der Oberfläche des Substratkörpers 2 ein Mach-Zehnder-Interfe­ rometer 11. Im vorderen Bereich 3, am eintrittsstirnflächenseitigen Ende des optischen Wel­ lenleiters 6 ist in die Oberfläche des Substratkörpers 2 ein Polarisator 12 integriert, der bei­ spielsweise durch Protonenaustausch hergestellt werden kann. Der vordere Bereich 3 nimmt darüber hinaus einen akusto-optischen TM/TE-Modenkonverter 13 auf, der aus einem elektro-akustischen Wandler 14 und einem beiderseits des optischen Wellenleiters 6 sich er­ streckenden, streifenförmig und monomode ausgebildeten sowie beispielsweise durch Ti­ taneindiffusion in die Oberfläche des Substratkörpers 2 eingebrachten akustischen Wellen­ leiter 15,16 besteht. Die Breite der Streifen des akustischen Wellenleiters 15, 16 beträgt ebenso wie ihr gegenseitiger Abstand mehrere akustische Wellenlängen. Der dem akusti­ schen Wellenleiter 15, 16 vorgelagerte elektro-akustische Wandler 14 verfügt über fingerar­ tige, ineinandergreifende und mit einer Hochfrequenz beaufschlagbare Kontaktstreifenpaare, die auf der Oberfläche und rechtwinklig zum optischen Wellenleiter 6 angeordnet sind. Außerdem sind im Bereich 3 auf der Oberfläche des Substratkörpers 2 zwei Absorber 17, 18 vorgesehen, zwischen denen der akusto-optische Modenkonverter 13 plaziert ist. Diese Ab­ sorber 17, 18 dienen der Absorption der akustischen Oberflächenwellen jeweils vor und hinter dem akusto-optischen Modenkonverter 13. Der Arm 8 des Mach-Zehnder-Interfero­ meters 11 ist auf einem Teil seiner Länge mit einer dünnen zur Führung einer Mode nicht ausreichend dicken Schicht 19 aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat versehen. Diese Schicht 19, deren Dicke zwischen 50 und 350 nm beträgt, hat die Wirkung, das Feld einer TE-Mode in Richtung Oberfläche des Substratkörpers 2 zu ziehen und die TE-Mode gegen­ über Brechzahländerungen im darüberliegenden Bereich empfindlich zu machen. Demge­ genüber wird die TM-Mode aufgrund dieser Schicht 19 von der Oberfläche aus gesehen weggedrückt, so daß diese Mode unempfindlich auf eine solche Änderung reagiert. Die protonenausgetauschte Schicht 19 kann mit einer für die zu messende Substanz besonders sensitiven Schicht bedeckt sein. Die spezifische Empfindlichkeit einer solchen Schicht äußert sich darin, daß sich deren Brechzahl ändert, sobald diese Schicht mit der betreffen­ den Substanz in Berührung kommt bzw. diese absorbiert. Zum Zwecke einer zusätzlichen elektro-optischen Modulation können auf beiden Seiten des zweiten Arms 9 des Mach- Zehnder-Interferometers 11 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbare Metallelektro­ den 20 vorgesehen werden.

Der integriert-optische Sensor 1 funktioniert auf folgende Weise: Eine Lichtquelle 21, beispielsweise eine LED oder SRLD, sendet Licht aus. Dieses Licht wird mittels Lichtleitfaser 22 an der Eintrittsstirnfläche 7 in den optischen Wellenleiter 6 eingekop­ pelt. Der Polarisator 12 sorgt dafür, daß für den Fall, daß sich der Wellenleiter 6 im Substrat­ körper 2 entlang der Y-Schnittachse des geschnittenen Lithiumniobat-Kristalles er­ streckt, eine ordentlich polarisierte Mode (TM-Mode) angeregt wird. Gleichzeitig wird mit dem elektro-akustischen Wandler 14 eine akustische Oberflächenwelle erzeugt, wodurch die TM-Mode mehr oder weniger in eine außerordentlich polarisierte Mode (TE-Mode) umge­ wandelt wird. Die Modenkonversion weist eine maximale Effektivität auf, wenn die akustische Frequenz f_a die Bedingung

f_a = (V_a/L_o) × |n_TM-n_TE|

erfüllt. Hierbei bezeichnen V_a die Phasengeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen, L_o die optische Wellenlänge des eingespeisten Lichtes und n_TM bzw. n_TE die effektive Brechzahl des Wellenleiters 6 für die TM- bzw. TE-Mode. Zwecks einfacherer Detektierung kann die Ausgangsamplitude des für die Erzeugung der akusti­ schen Frequenz f_a eingesetzten RF-Generators mit einer niedrigen Frequenz f₁(einige Hz bis einige kHz) moduliert werden. Zur Erhöhung der Effektivität der TM/TE-Modenkonver­ sion ist es günstig, wenn der optische Wellenleiter 6 im Bereich des akustischen Wellenlei­ ters 15, 16 mit einer dünnen protonenausgetauschten Schicht versehen ist. Um die ver­ bleibende Intensität der nicht umgewandelten TM-Mode zu absorbieren, kann ein Polarisator 23 dem Modenkonverter 13 nachgeordnet werden. In diesem Fall wird nur die TE-Mode dem Mach-Zehnder-Interferometer 11 zugeführt. Während die TE-Mode hinsichtlich ihrer Aus­ breitungsgeschwindigkeit und damit ihrer Phase im Wellenleiterarm 8 in Abhängigkeit von der mit der protonenausgetauschten Schicht 19 in unmittelbaren Kontakt kommenden zu messenden Substanz durch Änderung der effektiven Brechzahl des Wellenleiters in diesem Bereich eine Änderung erfährt, bleibt die Phase der über den Wellenleiterarm 9 laufenden TE-Mode praktisch unbeeinflußt. Nach Vereinigung beider über die Arme 8, 9 laufenden Lichtanteile kommt es zur Interferenz. Das Interferenzsignal wird über eine an der Lichtaus­ trittsfläche des optischen Wellenleiters angekoppelte Lichtleitfaser 24 einem Detektor 25, z. B. einer Fotodiode, zugeführt. Mit dem Detektorsignal wird eine in der Zeichnung nicht dargestellte Steuer- und Auswerteelektronik beaufschlagt.

Mit Hilfe der Steuerelektronik wird die akustische Frequenz f_a des elektro-akustischen Wandlers 14 in einem Bereich über 50 MHz um die oben genannte Resonanzfrequenz durchgestimmt und damit im TM/TE-Modenkonverter 13 auch die Wellenlänge der Moden im Bereich von etwa 110 nm kontinuierlich geändert. Bei dieser Wellenlängenänderung wird auch die Kennlinie des Mach-Zehnder-Interferometers 11 durchgefahren (Fig. 2) und die da­ bei auftretende Periodizität erfaßt, wobei zunächst auf die protonenausgetauschte Schicht 19 des Wellenleiterarms 8 ein Medium bekannter Brechzahl, beispielsweise Kalibrierflüssig­ keit, einwirkt. Aus zwei benachbarten Maxima (oder Minima) wird dann die Eindringtiefe d der Wellenleitermode nach der Formel:

n · d = (L₁L₂m)/(L₁-L₂) (1)

mit L₁ und L₂ für die gemessenen (durch die akustische Frequenz) Wellenlängen, bei denen die Maxima (oder Minima) auftreten, und m für die Ordnungszahldifferenz (in diesem Fall 1), bestimmt. Wird nun der Bereich 4 des Sensors 1 in eine andere Flüssigkeit getaucht oder zumindest die Flüssigkeit mit der protonenausgetauschten Schicht 19 des Arms 8 in Berüh­ rung gebracht, so weist die mittels Detektors 25 erfaßte Kennlinie beim erneuten Durchfah­ ren des Wellenlängenbereiches eine andere Periodizität auf (Fig. 2 gestrichelte Linie). Mißt man jetzt die neuen Wellenlängen L₁′ und L₂′, bei denen die Maxima (oder die Minima) auf­ treten, so kann nach Formel (1) die neue Brechzahl der Flüssigkeit absolut ermittelt werden. Wird die Messung für verschiedene Wellenlängen im gesamten Spektralbereich der opti­ schen Quelle durchgeführt, so wird auch die Dispersion der Brechzahl der Flüssigkeit in die­ sem Bereich bestimmt. Da die Dispersion substanzabhängig ist, kann sie auch, zusätzlich zu der Brechzahl, für die Identifizierung der Flüssigkeit herangezogen werden.

Die Trennwand 5 hat die Aufgabe, die Flüssigkeit vom TM/TE-Modenkonverter 13 fernzu­ halten. Sie kann beispielsweise als Gummidichtung ausgebildet sein, die zwischen der Oberfläche des Substratkörpers 2 und Gehäuseteilen angeordnet ist.

Anstelle eines akusto-optischen Modenkonverters 13 ist es denkbar, einen elektro-optischen Modenkonverter vorzusehen, wobei in diesem Falle die Absorber 17, 18 entbehrlich sind. Der elektro-optische Modenkonverter besteht aus wenigstens einem Paar interdigitalen, d. h. fingerartigen und quer zum optischen Wellenleiter 6 angeordneten Elektroden und einem Paar rechteckförmigen Elektroden, die sich entlang des optischen Wellenleiters 6 erstrecken. Die Funktionsweise des elektro-optischen Modenkonverters ist analog zu der des akusto-optischen, nur daß hier nicht die akustische Frequenz, sondern vielmehr eine an die parallelen Elektroden anlegbare Gleichspannung geändert wird, um den oben angege­ benen Wellenlängenbereich durchfahren zu können.

Wird die protonenausgetauschte Schicht 19 mit einer gassensitiven Schicht spezifischer Empfindlichkeit bedeckt, so ist es auch möglich, mit diesem Sensor 1 die absolute Konzen­ tration eines Gases zu bestimmen.

Während mit dem beschriebenen Sensor 1 die absolute Brechzahl einer Substanz erfaßt werden kann, ist in Fig. 3 ein Sensor 1′ dargestellt, mit dem gleichzeitig die absoluten Brech­ zahlen zweier Substanzen, bestimmt werden können. Hierzu weist der Sensor 1′ im Unter­ schied zum Sensor 1 auf einem Substratkörper 2′ einen Bereich 4′ mit zwei nebeneinander angeordneten Mach-Zehnder-Interferometern 11,11′ auf. D.h., der optische Wellenleiter 6 ist in diesem Bereich 4′ in vier gleichlange Wellenleiterarme 8, 9 und 8′, 9′ aufgespalten, wovon ausgangsseitig jeweils die Arme 8 und 9 sowie 8′ und 9′ wieder zu einem optischen Wellen­ leiter mit der Austrittsendfläche 10 bzw. einer Austrittsendfläche 10′ zusammengeführt sind. Der Bereich 3 ist identisch dem des Sensors 1, weshalb in der Zeichnung für die gleichen Elemente auch die nämlichen Bezugszeichen gewählt wurden. So wie der Arm 8 des Mach- Zehnder-Interferometers 11 die protonenausgetauschte Schicht 19 trägt, ist auch der Arm 8′ des Mach-Zehnder-Interferometers 11′ mit einer protonenausgetauschten Schicht 19′ verse­ hen. Ebenso wie beim Mach-Zehnder-Interferometer 11 ist für die Möglichkeit einer zu­ sätzlichen elektro-optischen Modulation entlang des zweiten Arms 9′ des Mach-Zehnder-In­ terferometers 11′ ein mit einer Spannung beaufschlagbares Metallelektrodenpaar 20′ ange­ ordnet.

Der integriert-optische Sensor 1′ funktioniert wie der Sensor 1, mit dem Unterschied, daß je­ des Mach-Zehnder-Interferometer 11 bzw. 11′ ein Interferenzsignal erzeugt und diese Si­ gnale auch getrennt detektiert werden, indem das Interferenzsignal des Mach-Zehnder-In­ terferometers 11 über die an die Austrittsendfläche 10 angekoppelte Lichtleitfaser 24 dem Detektor 25 und das Interferenzsignal des Mach-Zehnder-Interferometers 11′ über eine an die Austrittsendfläche 10′ angekoppelte Lichtleitfaser 24′ einem Detektor 25′ zugeführt wird.

Sollen die absoluten Brechzahlen zweier verschiedener Substanzen, beispielsweise zweier Komponenten einer Flüssigkeit bestimmt werden, ist es günstig, die protonen­ ausgetauschten Schichten 19 und 19′ jeweils mit einer für diese Substanz bzw. Komponente sensitiven Schicht spezifischer Empfindlichkeit, beispielsweise zwei Enzyme, zu bedecken.

Auch bei diesem Sensor 1′ ist es denkbar, statt eines akusto-optischen Modenkonverters 13 einen elektro-optischen Modenkonverter im Bereich 3 vorzusehen.

Werden die vier Arme 8, 9, 8′, 9′ der Mach-Zehnder-Interferometer 11, 11′ im Bereich 4′ aus­ gangsseitig wieder zu einem einzigen optischen Wellenleiter zusammengeführt, wie dies in Fig. 3 strichliert angedeutet ist, so kann mit einem einzigen Detektor gearbeitet werden, in diesem Fall werden die Mach-Zehnder-Interferometer 11, 11′ jeweils über die Elektroden 20 bzw. 20′ mit einer niedrigen, voneinander abweichenden Frequenz f₂ bzw. f₂′ moduliert, wodurch eine Unterscheidung der Interferenzsignale möglich ist. Das Detektieren erfolgt dann bei der Differenzfrequenz f₁-f₂ bzw. f₁-f₂′ zeitmultiplex.

Fig. 4 zeigt einen integriert-optischen Sensor 26, der als Eintauch-Sensor ausgebildet ist. Abweichend vom Sensor 1 gem. Fig. 1 weist dessen Substratkörper 27 auf seiner Oberflä­ che im vorderen Bereich 28 eine Verzweigung des optischen Wellenleiters 6 und im hinteren Bereich 29 statt eines Mach-Zehnder-Interferometers ein Michelson-Interferometer 30 auf. D.h., der optische Wellenleiter 6 spaltet sich im Bereich 29 in zwei gleich lange Arme 31, 32 auf, die bis zur hinteren Stirnfläche 33 des Substratkörpers 27 geführt sind, wo ein Spiegel 34 angeordnet ist. Dabei trägt der Wellenleiterarm 31 eine protonenausgetauschte Schicht 35. Entlang des zweiten Wellenleiterarmes 32 kann auch hier zum Zwecke einer zusätzlichen elektro-optischen Modulation ein Metallelektrodenpaar 36 angeordnet sein. Im Unterschied zum Sensor 1 erfolgt sowohl das Einkoppeln des Lichtes der Lichtquelle 21 an der Eintritts­ stirnfläche 7 des optischen Wellenleiters 6 als auch das Detektieren an ein und derselben, nämlich der vorderen Stirnfläche 37 des Substratkörpers 27.

Dieser Sensor 26 funktioniert ähnlich wie der Sensor 1, nur daß das Licht bzw. die TE-Mode durch Reflexion am Spiegel 34 zweimal die Wellenleiterarme 31, 32 des Michelson-Interfe­ rometers 30 durchläuft und das Interferenzsignal den Bereich des akusto-optischen Moden­ konverters 13 passiert und dann über eine Wellenleiterverzweigung 38 den an der vorderen Stirnseite 37 des Substratkörpers 27 plazierten, über die Lichtleitfaser 24 an die Austritts­ endfläche der Wellenleiterverzweigung 38 angekoppelten Detektor 25 beaufschlagt. Da als Lichtquelle 21 kein Laser sondern eine LED oder SRLD Verwendung findet, kommt es zu keiner negativen Beeinflussung der Lichtquelle 21 durch den Teil des Lichtes, der über den optischen Wellenleiter 6 in dieselbe reflektiert wird.

Infolge der Tatsache, daß das Licht bzw. die TE-Mode zweimal den Bereich des Wel­ lenleiterarmes 31 mit der dünnen protonenausgetauschten Schicht 35 sowie den TM/TE- Modenkonverter 13 durchläuft, kann die Länge des Sensors 26 bei gegenüber dem Sensor 1 vergleichbarer Genauigkeit bei der Brechzahlbestimmung um die Hälfte reduziert werden.

Fig. 5 zeigt schließlich einen als Eintauch-Sensor ausgebildeten Sensor 26′, mit dem wie mittels Sensors 1′ die absoluten Brechzahlen zweier Substanzen bzw. zweier Komponenten einer Flüssigkeit bestimmt werden können. Dazu weist dieser Sensor 26′ auf seinem Sub­ stratkörper 27′ einen hinteren Bereich 29′ mit zwei nebeneinander in die Oberfläche inte­ grierten Michelson-Interferometern 30, 30′ auf. D.h., der optische Wellenleiter 6 verzweigt sich in diesem Bereich 29′ in vier gleichlange Wellenleiterarme 31, 32 und 31′, 32′, die zur hinteren Stirnfläche 33′ des Substratkörpers 27′ geführt sind, wo, wie beim Sensor 26, ein Spiegel 34 angeordnet ist. Der Bereich 28 ist identisch dem des Sensors 26. Der Wellenlei­ terarm 31′ ist wie der Wellenleiterarm 31 mit einer protonenausgetauschten Schicht 35′ ver­ sehen. Die protonenausgetauschten Schichten 35,35′ sind dabei vorteilhafterweise mit einer jeweils für eine der beiden Substanzen bzw. Flüssigkeitskomponenten speziellen sensitiven Schicht bedeckt. Entlang des zweiten Armes 32′ des Michelson-Interferometers 30′ sind auch hier für eine zusätzliche elektro-optische Modulation Elektroden 36′ angeordnet.

Der integriert-optische Sensor 26′ funktioniert im Prinzip wie der Sensor 26, mit dem Unter­ schied, daß jedes Michelson-Interferometer 30 bzw. 30′ ein Interferenzsignal erzeugt, und diese Interferenzsignale mittels Detektors 25 zeitmultiplex erfaßt werden. Zur Unterschei­ dung der Interferenzsignale werden die Michelson-Interferometer 30, 30′, wie schon zum Sensor 1′ erläutert, jeweils über die Elektroden 36,36′ mit einer niedrigen, voneinander ab­ weichenden Frequenz f₂ bzw. f₂′ moduliert.

Selbstverständlich ist es denkbar, die absoluten Brechzahlen von mehr als zwei Substanzen gleichzeitig zu erfassen, wenn auf dem Substratkörper eine entsprechende Anzahl von Mach-Zehnder-Interferometern oder Michelson-Interferometern nebeneinander angeordnet wird.

Mit den beschriebenen integriert-optischen Sensoren ist es nicht nur möglich, die absolute Brechzahl von Flüssigkeiten mit großer Genauigkeit zu bestimmen, sondern dadurch, daß dem Interferometer ein akusto-optischer bzw. elektro-optischer Modenkonverter vorgelagert ist, mit dessen Hilfe die Wellenlänge in einem bestimmten Bereich kontinuierlich änderbar ist, kann auch über die Abhängigkeit der Brechzahl von der Wellenlänge, d. h. über die Dispersion der Flüssigkeit, eine Aussage gemacht werden.

Claims (13)

1. Integriert-optischer Sensor zur Erfassung des absoluten Brechungsindex einer Substanz, ins­ besondere einer Flüssigkeit, mit einem Substratkörper aus Lithiumniobat, in dem ein monomodiger, doppelbrechender, optischer Wellenleiter vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Stirnflächen des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche erstreckt und der auf einem Teil seiner Länge in zwei gleich lange Arme aufgespalten ist, wovon ein Arm auf einem Teil seiner Länge mit einer dünnen, zur Führung einer Mode nicht ausreichend dicken Schicht aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat verse­ hen ist und über eine vorgegebene Länge mit der Substanz in optischem Kontakt steht, und diese Arme ein Mach-Zehnder-Interterometer bilden, wobei die Eintritts­ stirnfläche des Wellenleiters mit polarisierten Licht einer Lichtquelle und ein Lichtdetektor mit dem in Transmission von einer Austrittsendfläche des Wellenleiters abgestrahlten Meßlicht beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der in zwei Arme (8, 9) aufgespaltene, das Mach-Zehnder-Interferometer (11) bil­ dende Teil des optischen Wellenleiters (6) in einem der Austrittsendfläche (10) zuge­ wandten Bereich (4) der Oberfläche des Substratkörpers (2) plaziert ist und daß ein akusto-optischer TM/TE-Modenkonverter (13) vorgesehen ist, der bezüglich der Transmissionsrichtung des Lichtes dem Mach-Zehnder-Interferoeter (11) vorgelagert in einem der Eintrittsstirnfläche (7) sich anschließenden Bereich (3) der Oberfläche des Substratkörpers (2) integriert ist, und daß die akustische Frequenz des TM/TE- Modenkonverters (13) in einem vorgebbaren Bereich kontinuierlich änderbar ist.

2. Integriert-optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (21) eine LED oder SRLD mit unpolarisierten Licht dient und ein erster Polarisator (12) vor­ gesehen ist, der am eintrittsstirnflächenseitigen Ende des optischen Wellenleiters (6) in die Oberfläche des Substratkörpers (2) integriert ist.

3. Integriert-optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der akusto-optische Modenkonverter (13) aus einem in die Oberfläche in­ tegrierten elektro-akustischen Wandler (14) und einem beiderseits des optischen Wellenleiters (6) sich erstreckenden, monomode ausgebildeten und in die Oberflä­ che des Substratkörpers (2) eingebrachten akustischen Wellenleiter (15, 16) besteht.

4. Integriert-optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Substratkörpers (2) zwei Absorber (17, 18) für die akusti­ schen Oberflächenwellen vorgesehen sind, zwischen denen der akusto-optische Modenkonverter (13) angeordnet ist.

5. Integriert-optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der akusto-optische TM/TE-Modenkonverter (13) durch einen elektro-optischen TM/TE-Modenkonverter ersetzt ist, wobei der elektro-optische TM/TE-Modenkon­ verter mit einer in einem vorgegebenen Bereich kontinuierlich änderbaren Steuer­ spannung beaufschlagbar ist.

6. Integriert-optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des Substratkörpers (2) ein zweiter, dem akusto-optischen bzw. elektro-optischen Modenkonverter (13) nachgeordneter und im Bereich des op­ tischen Wellenleiters (6) plazierter Polarisator (23) vorgesehen ist.

7. Integriert-optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratköper (2) mit einer Trennwand (5) versehen ist, die zwischen dem den akusto-optischen bzw. elektro-optischen Modenkonverter (13) aufnehmenden Bereich (3) einerseits und dem Bereich (4) mit dem Mach-Zehnder-Interferometer (11) andererseits angeordnet ist.

8. Integriert-optischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (5) aus Gummi besteht.

9. Integriert-optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß entlang des zweiten Arms (9) des Mach-Zehnder-Interferometers (11) Elektroden (20) für eine zusätzliche elektro-optische Modulation angeordnet sind.

10. Integriert-optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines einzigen Mach-Zehnder-Interferometers (11) durch Aufspaltung des optischen Wellenleiters (6) in eine entsprechende Anzahl von jeweils gleich lan­ gen Armen (8,9,8′,9′) mehrere Mach-Zehnder-Interferometer (11, 11′) nebeneinander angeordnet sind, wobei jeweils der eine Arm (8, 8′) auf einem Teil seiner Länge mit einer dünnen, zur Führung einer Mode nicht ausreichend dicken Schicht (19, 19′) aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat versehen ist und entlang des anderen Ar­ mes (9, 9′) für eine zusätzliche elektro-optische Modulation Elektroden (20, 20′) ange­ ordnet sind.

11. Integriert-optischer Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die protonenausgetauschten Schichten (19, 19′) jeweils mit einer für eine Sub­ stanz sensitiven Schicht spezifischer Empfindlichkeit bedeckt sind.

12. Intgegriert-optischer Sensor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (8, 9 und 8′, 9′) der Mach-Zehnder-Interferometer (11, 11′) aus­ gangsseitig jeweils zu einem optischen Wellenleiter zusammengeführt sind und an jeden dieser Wellenleiter ein Lichtdetektor (25, 25′) ankoppelbar ist.

13. Integriert-optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Mach-Zehnder-Interferometer (11, 11′) durch Michelson-Interfero­ meter (30, 30′) ersetzt sind, indem die Wellenleiterarme (31, 32, 31 ′,32′) zur hinteren Stirnfläche (33, 33′) geführt und dort zumindest deren Endflächen verspiegelt sind und daß der optische Wellenleiter (6) zwischen Eintrittsstirnfläche (7) und elektro-aku­ stischem bzw. elektro-optischem Modenkonverter (13) eine zur vorderen Stirnfläche (37) führende Verzweigung (38) aufweist, an deren Endfläche der Lichtdetektor (25) ankoppelbar ist.