DE4209672C1 - Wavelength measuring device for spectrometry - has sandwich structure of optical waveguides with diffraction gratings of differing constant giving spatial separation of components - Google Patents

Wavelength measuring device for spectrometry - has sandwich structure of optical waveguides with diffraction gratings of differing constant giving spatial separation of components

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Abstract

The device for determining the wavelengths of the various components of a multichromatic light beam (6) has a first planar waveguide (11) in a substrate (1) in which a diffracting grating (12) is inscribed in a surface plane. The beam (6) entering the end of the waveguide (11) undergoes selective diffraction at the grating (12) and its components emerge at the angles (alpha 1, 2,3 etc.) depending on frequency. A sandwich structure of similar waveguides (21 31 41) inscribed with gratings of specific wavelength (23 32 42) and separated by the clear plates (7 8 9) result in corresponding diffraction of the components of essentially monochromatic light to illuminate the end faces for intensity evaluation and spectrum analysis. USE/ADVANTAGE - Can also be used for checking accuracy of monochromatic laser of specified frequency. Small and easy to incorporate in opto-electrical systems.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Wellenlänge optischer Strahlung und hat sich dabei zur Aufgabe gesetzt, eine entsprechende Einrichtung zu schaffen, die wesentlich kompakter als bisher bekannte Spektrometer ist und damit leichter in optoelektrische Systeme integrierbar ist.The invention relates to a device for determining the wavelength optical radiation and has set itself the task of a to create appropriate facility that is much more compact than Previously known spectrometer and is therefore easier in optoelectric Systems can be integrated.

Die Erfindung geht von einer Einrichtung aus, wie sie in der älteren Anmeldung P 42 06 358.2 beschrieben ist. Die dort beschriebene Anordnung besteht aus mehreren übereinander angeordneten planaren Wellenleiter­ systemen, die zum Teil über Gitterkoppler zwischen den Ebenen optisch verbunden sind und zur Konzentration der Strahlung einer Vielzahl von Lichtquellen dienen. Dabei ist Grundsätzlich aus der DE 39 18 726 C1 bekannt, Gitter als integrale Bestandteile von Wellenleitern zu benutzen um Licht in diese ein- bzw. auszukoppeln.The invention is based on a device as in the older Registration P 42 06 358.2 is described. The arrangement described there consists of several superimposed planar waveguides systems that are partially optical via grating couplers between the levels are connected and to concentrate the radiation of a variety of Serve light sources. Basically from DE 39 18 726 C1 known to use gratings as an integral part of waveguides to couple light into and out of it.

Zur Bestimmung der Wellenlänge einer optischen Strahlung wird diese in einen ersten planaren Wellenleiter, z. B. über dessen Stirnfläche, einge­ koppelt und trifft dann auf eine Gitterstruktur mit definierter Gitter­ konstante. Je nach Wellenlänge des eingekoppelten Lichtes wird dieses unter einem entsprechenden Winkel aus der Ebene des Wellenleiters ausge­ koppelt. Parallel zum ersten planaren Wellenleiter sind nun ein oder mehrere zweite planare Wellenleiter angeordnet, die ebenfalls jeweils eine Gitterstruktur aufweisen, wobei diese so platziert und mit ent­ sprechenden Gitterkonstanten versehen sind, daß nur ein schmaler Bereich des durch die Gitterstruktur des ersten planaren Wellenleiters spektral zerlegten und in unterschiedliche Richtungen ausgekoppelten Lichtes auf sie trifft und in den jeweiligen zweiten planaren Wellenleiter einge­ koppelt wird. Das in den zweiten planaren Wellenleitern geführte Licht ist somit eng spektral begrenzt, so daß bei Auswertung der so erzeugten optischen Signale z. B. mittels an die zweiten planaren Wellenleiter gekoppelten Fotodioden entweder die spektrale Zusammensetzung des in den ersten Wellenleiter eingekoppelten Lichtes oder, bei monochromatischem Licht, dessen Wellenlänge bestimmt wird.To determine the wavelength of an optical radiation, this is described in a first planar waveguide, e.g. B. over its end face couples and then meets a lattice structure with a defined lattice constant. Depending on the wavelength of the injected light, this becomes at an appropriate angle from the plane of the waveguide couples. Parallel to the first planar waveguide there are now one or several second planar waveguides are arranged, each also have a lattice structure, this being placed and with ent speaking lattice constants are provided that only a narrow range of the spectral through the lattice structure of the first planar waveguide broken down and decoupled light in different directions it strikes and enters the respective second planar waveguide is coupled. The light guided in the second planar waveguides is thus narrowly spectrally limited, so that when evaluating the so generated optical signals e.g. B. by means of the second planar waveguide coupled photodiodes either the spectral composition of the in the first waveguide coupled light or, in the case of monochromatic  Light whose wavelength is determined.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß beispielsweise zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode das in den ersten planaren Wellenleiter eingekoppelte Licht zumindest teilweise auf eine Gitterstruktur geführt und entsprechend der Gitterkonstanten unter einem vorgegebenem Winkel ausgekoppelt wird. Entspricht das einge­ koppelte Licht exakt der vorgegebenen Wellenlänge, so trifft das ausge­ koppelte Licht auf einen "blinden Fleck" der sich durch den Abstand zweier unterhalb der ersten Gitterstruktur angeordneter weiterer Gitter­ strukturen ergibt, die mit je einem zweiten planaren Wellenleiter ver­ bunden sind. Diese zweiten Gitterstrukturen sind winkelmäßig bzgl. der ersten Gitterstruktur so angeordnet, daß Licht einer größeren als der vorgegebenen Wellenlänge zumindest teilweise auf die eine der beiden zweiten Gitterstrukturen fällt und Licht einer kleineren Wellenlänge auf die andere Gitterstruktur. Erscheint also auf einem der zweiten planaren Wellenleiter ein Lichtsignal, so kann daraus ein Regelsignal zur Ver­ schiebung der abgestrahlten Wellenlänge der Lichtquelle erzeugt werden.An advantageous development of the invention is that  for spectral stabilization of a laser diode in the first planar waveguide at least partially coupled light guided a lattice structure and under according to the lattice constant is coupled out at a predetermined angle. Corresponds to that coupled light exactly at the specified wavelength, that's what happens coupled light to a "blind spot" that spanned the distance two further lattices arranged below the first lattice structure structures that ver with a second planar waveguide are bound. These second lattice structures are angular with respect to first lattice structure arranged so that light larger than that predetermined wavelength at least partially on one of the two second lattice structures and light of a smaller wavelength strikes the other lattice structure. So appears on one of the second planar ones Waveguide a light signal, so a control signal can be used for ver shift of the emitted wavelength of the light source are generated.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigenThe invention is illustrated below using two schematically Exemplary embodiments described in more detail. Show it

Fig. 1 eine Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht und Bestimmung der jeweils enthaltenen Wellenlängen und Fig. 1 shows an arrangement for spectral decomposition of light and determination of the wavelengths and contained

Fig. 2 eine Anordnung zur Bestimmung der Abweichung einer monochroma­ tischen Strahlung von ihrer Sollwellenlänge. Fig. 2 shows an arrangement for determining the deviation of a monochromatic radiation from its target wavelength.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird in einen ersten planaren Wellenleiter 11, der in einem ebenen Substrat 1 erzeugt wurde, ein Frequenzgemisch einer optischen Strahlung 6 eingekoppelt. Das derart eingekoppelte Licht trifft auf eine Gitterstruktur 12 mit definierter Gitterkonstanten und wird dort entsprechend seiner Wellenlänge in unter­ schiedliche Richtungen aus der Ebene des Wellenleiters 11 ausgekoppelt. Unterhalb des Wellenleiters 11 befinden sich nun mehrere, im gezeigten Fall drei parallel angeordnete zweite Wellenleiter 21, 31 und 41, die in entsprechenden Substraten 2, 3 und 4 erzeugt wurden. Die einzelnen Wellenleiter bzw. Substrate sind durch transparente Abstandsschichten 7, 8 und 9 voneinander getrennt und bilden einen kompakten Block, der lediglich zur besseren Darstellung auseinandergezogen gezeichnet wurde.In the embodiment shown in FIG. 1, a frequency mixture of an optical radiation 6 is coupled into a first planar waveguide 11 , which was generated in a flat substrate 1 . The light coupled in this way strikes a grating structure 12 with defined grating constants and is decoupled from the plane of the waveguide 11 in different directions according to its wavelength. Below the waveguide 11 there are now several, in the case shown three parallel second waveguides 21 , 31 and 41 , which were produced in corresponding substrates 2 , 3 and 4 . The individual waveguides or substrates are separated from one another by transparent spacer layers 7 , 8 and 9 and form a compact block which has been drawn apart for the sake of better illustration.

Das Licht einer ersten, durch unterschiedliche Pfeile dargestellten Wellenlänge wird nun unter einem ersten Winkel α1 aus dem Gitter 12 abgelenkt und trifft den Wellenleiter 21 an einer Stelle, an der sich eine Gitterstruktur 22 zum Empfang dieses Lichtes und zur Einkopplung in den Wellenleiter 21 befindet. Ähnliches geschieht mit dem Licht anderer Wellenlängen, die unter dem Winkel α2 bzw. α3 aus dem Gitter 12 ausgekoppelt werden und auf eine Gitterstruktur 32 am Wellenleiter 31 bzw. 42 am Wellenleiter 41 treffen. Das jeweils aus den Wellenleitern 21, 31 und 41 ausgekoppelte Licht ist weitgehend monochromatisch, so daß über dessen Intensität die spektrale Zusammensetzung des eingekoppelten Lichtes 6 ermittelt werden bzw. festgestellt werden kann, ob die jeweilige Wellenlänge in dem Licht 6 vorhanden ist. Insbesondere ist eine räumliche Trennung der spektralen Anteile eines Frequenzgemisches möglich.The light of a first wavelength, represented by different arrows, is now deflected from the grating 12 at a first angle α 1 and strikes the waveguide 21 at a point at which a grating structure 22 for receiving this light and for coupling it into the waveguide 21 is located . The same happens with the light of other wavelengths, which are coupled out from the grating 12 at an angle α 2 or α 3 and meet a grating structure 32 on the waveguide 31 or 42 on the waveguide 41 . The light that is coupled out from the waveguides 21 , 31 and 41 is largely monochromatic, so that its intensity can be used to determine the spectral composition of the coupled light 6 or to determine whether the respective wavelength is present in the light 6 . In particular, spatial separation of the spectral components of a frequency mixture is possible.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird von dem in einen planaren Wellenleiter 221 eingekoppelten, monochromatischen Licht 20, z. B. einer Laserdiode, ein Teil in einen, auf dem gleichen Substrat 201 befindlichen Wellenleiter 222 abgezweigt. Dieser mündet in eine Gitterstruktur 223 mit vorgegebener Gitterkonstanten. Besitzt das einge­ koppelte Licht exakt die vorgegebene Sollwellenlänge, so wird es am Gitter 223 und einem Winkel β0 abgelenkt; weicht es davon ab, so wird es unter entsprechend anderen Winkeln z. B. β1 bzw. β2 abgelenkt. Nur im zweitgenannten Fall trifft das derart abgelenkte Licht auf Gitterstrukturen 231 oder 232, die zur Einkopplung des Lichtes in jeweils zugehörige planare Wellenleiter 233 bzw. 234 auf dem Substrat 202 gehören.In the illustrated in Fig. 2 embodiment is injected from the in a planar waveguide 221, monochromatic light 20, for. B. a laser diode, part branched into a waveguide 222 located on the same substrate 201 . This opens into a lattice structure 223 with a predetermined lattice constant. If the injected light has exactly the specified target wavelength, it is deflected at grating 223 and at an angle β 0 ; if it deviates from it, it is z at correspondingly different angles. B. β 1 or β 2 deflected. Only in the latter case does the light deflected in this way strike grating structures 231 or 232 , which belong to the coupling of the light into the corresponding planar waveguides 233 and 234 on the substrate 202 .

Die Dicke der zwischen den Substraten 201 und 202 befindlichen Abstands­ schicht 10 sowie der Abstand zwischen den beiden Gittern 231 und 232 ist so bemessen, daß Licht der Sollwellenlänge, welches am Gitter 223 unter dem Winkel β0 ausgekoppelt wird auf einen "blinden Fleck" 230 des Substrates 202 trifft und somit kein oder ein nur geringes optisches Ausgangssignal in den Wellenleitern 233 oder 234 erzeugt.The thickness of the spacing layer 10 located between the substrates 201 and 202 and the distance between the two gratings 231 and 232 is dimensioned such that light of the desired wavelength, which is coupled out at the grating 223 at the angle β 0 , onto a "blind spot" 230 of the substrate 202 and thus produces no or only a small optical output signal in the waveguides 233 or 234 .

An den stirnseitigen Ausgängen der Wellenleiter 233 bzw. 234 kann mittels Fotodioden die Intensität der austretenden Strahlung gemessen und damit bestimmt werden, wie gut die verwendete Lichtquelle, z. B. die Laserdiode, den geforderten Wellenlängenbereich einhält, bzw. in welcher Richtung sie davon abweicht. Aus den Ausgangssignalen der Fotodioden läßt sich dann ein Regelsignal zur spektralen Stabilisierung der Strahlungsquelle ableiten.At the front outputs of the waveguides 233 and 234 , the intensity of the emerging radiation can be measured by means of photodiodes and thus it can be determined how well the light source used, e.g. B. the laser diode, the required wavelength range, or in which direction it deviates. A control signal for spectral stabilization of the radiation source can then be derived from the output signals of the photodiodes.

Claims (4)

1. Einrichtung zur Bestimmung der Wellenlänge optischer Strahlung gekennzeichnet durch einen ersten planaren Wellenleiter (11; 222), in welchen die optische Strahlung (6; 20) eingekoppelt wird, wobei der Wellenleiter (11; 222) eine Gitterstruktur (12; 223) aufweist, mittels welcher zumindest ein Teil der im Wellenleiter (11; 222) geführten Strahlung aus der Ebene des Wellenleiters (11; 222) auskoppelbar ist, sowie durch mindestens einen zweiten planaren Wellenleiter (21, 31, 41; 233, 234) , der parallel zum ersten angeordnet ist und mindestens eine Gitterstruktur (22, 32, 42; 231, 232) zum Empfang der aus dem ersten Wellenleiter (11; 222) ausgekoppelten Strahlung und Einkopplung der Strahlung in den zweiten Wellenleiter (21, 21, 41; 233, 234) aufweist.1. Device for determining the wavelength of optical radiation, characterized by a first planar waveguide ( 11 ; 222 ), into which the optical radiation ( 6 ; 20 ) is coupled, the waveguide ( 11 ; 222 ) having a grating structure ( 12 ; 223 ) by means of which at least a portion of the waveguide (11; 222) guided radiation from the plane of the waveguide (11; 222) can be coupled out, and by at least one second planar waveguide (21, 31, 41; 233, 234) connected in parallel is arranged to the first and at least one grating structure ( 22 , 32 , 42 ; 231 , 232 ) for receiving the radiation coupled out from the first waveguide ( 11 ; 222 ) and coupling the radiation into the second waveguide ( 21 , 21 , 41 ; 233 , 234 ). 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstrukturen (22, 32, 42; 231, 232) mehrerer zweiter planarer Wellenleiter (21, 31, 41; 233, 234) in unterschiedlichen Strahlrich­ tungen (α1, α2, α3; β1, β2) bzgl. der Gitterstruktur (12; 223) des ersten planaren Wellenleiters (11; 222) angeordnet sind.2. Device according to claim 1, characterized in that the grating structures ( 22 , 32 , 42 ; 231 , 232 ) of a plurality of second planar waveguides ( 21 , 31 , 41 ; 233 , 234 ) in different beam directions (α 1 , α 2 , α 3 ; β 1 , β 2 ) with respect to the grating structure ( 12 ; 223 ) of the first planar waveguide ( 11 ; 222 ) are arranged. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite planare Wellenleiter (21, 31, 41; 233, 234) eine, einer einzigen Wellenlänge zugeordnete Gitterstruktur (22, 32, 42; 231, 232) aufweist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that every second planar waveguide ( 21 , 31 , 41 ; 233 , 234 ) has a grating structure ( 22 , 32 , 42 ; 231 , 232 ) assigned to a single wavelength. 4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in einer parallelen Ebene zum ersten planaren Wellen­ leiter (222) zwei zweite planare Wellenleiter (233, 234) mit je einer Gitterstruktur (231, 232) angeordnet sind, wobei die Gitterstrukturen einen vorgegebenen Abstand und unterschiedliche Einkoppelwinkel (β1, β2) aufweisen.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that in a parallel plane to the first planar waveguide ( 222 ) two second planar waveguides ( 233 , 234 ) are arranged, each with a grating structure ( 231 , 232 ), wherein the lattice structures have a predetermined distance and different coupling angles (β 1 , β 2 ).
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