DE69636019T2

DE69636019T2 - Integriert-optischer interferometrischer Sensor

Info

Publication number: DE69636019T2
Application number: DE69636019T
Authority: DE
Inventors: Nile F. Stone Mountain Hartman
Original assignee: Georgia Tech Research Institute; Georgia Tech Research Corp
Current assignee: Georgia Tech Research Institute; Georgia Tech Research Corp
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-27
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2016-09-28
Also published as: ES2172683T3; CA2233305C; EP0852715A1; EP1182445B1; DE69636019D1; ATE217081T1; JP2003121675A; ATE322676T1; DK0852715T3; US5623561A; DE69621031T2; EP1182445A3; AU7377096A; EP1182445A2; WO1997012225A1; DE69621031D1; JP3924211B2; JPH11505023A; EP0852715B1; CA2233305A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer Eigenschaft einer Umgebung, der die Vorrichtung ausgesetzt ist.
Hintergrund der Erfindung
Sensoren zum Erfassen und Messen absoluter und relativer Werte von physikalischen Größen, etwa der chemischen oder biochemischen Konzentration, magnetischen oder elektrischen Feldstärken, Druck, Dehnung, Temperatur und pH, z.B. in einer Umgebung, der der Sensor ausgesetzt ist, sind im Stand der Technik gut bekannt. Zu bekannten Sensoren gehören direkt lesende Sensoren, zu denen beispielsweise ein Quecksilberthermometer, oder ein Bourdon-Druckmessgerät gehört, und Sensoren, die Wandler zum Umwandeln eines Eingangssignals oder eines Reizsignals in ein Ausgangssignal einer anderen Art verwenden. So wandelt ein Infrarotpyrometer Infrarotstrahlung in ein nutzbares elektrisches Ausgangssignal um, das durch ein elektrisches Messgerät lesbar ist.
Zu bekannten Sensoren gehören ferner optische Sensoren, die gemessene Werte direkt oder mittels eines Wandlers tiefem. Ein einfacher Farbvergleichs-pH-Testapparat ist ein Beispiel eines optischen Sensors, der direkt ausgelesen wird, wohingegen ein Kameralichtintensitätsmesssystem ein optischer Sensor ist, der einen Wandler anwendet. Der empfindlichste optische Sensor ist ein interferometrischer Sensor, der ein Interferometer verwendet, um Information über einen erfassten Zustand bereitzustellen. Ein Interferometer ist ein Instrument, das Licht aus einer Eingangsquelle in zwei oder mehrere Strahlen aufteilt. Die Lichtstrahlen werden durch unterschiedliche Wege mit unterschiedlichen effektiven optischen Weglängen geführt, so dass ein Interferenzringmuster erzeugt wird, wenn die Strahlen wieder vereint werden. Eine Analyse der hellen und dunklen Bereiche des Interferenzmusters liefert ein empfindliches Maß der Differenz in der effektiven Weglänge der unterschiedlichen Strahlengänge.
Zu einer besonderen Gruppe optischer Sensoren, die eine wichtige technische Entwicklung in jüngster Zeit erfahren haben, gehören integrierte optische Sensoren. Integrierte optische Sensoren sind monolithische Strukturen, die durch die Integration diverser optischer Komponenten in einen einzelnen Wellenleiteraufbau gekennzeichnet sind. Ein integrierter optischer Sensor ist typischerweise ein Dünnfilmelement mit einem Wellenleiter, der auf einem einzelnen Substrat aufgebaut ist, wobei typischerweise das Element andere optische Elemente oder Komponenten zur Beugung, Brechung, Reflektion oder Zusammenführung unterschiedlicher Lichtanteile, die sich in dem Wellenleiter ausbreiten, bereitstellt. Die optische Integrationstechnologie ist besonders nützlich bei der Bereitstellung der optischen Elemente, die mit interferometrischen Sensoren in Verbindung stehen und separate und diskrete optische Komponenten bislang verwendeten. Zu bekannten Sensoren gehören integrierte optische Sensoren, die eine Vielzahl von Komponenten einschließlich Linsen, Sensorfeldern und Filtern auf einem einzelnen Substrat integriert haben.
Ein typischer integrierter optischer Sensor umfasst einen oder mehrere Kanalwellenleiter, die aus einem ebenen Aufbau bzw. planaren Konstrukt auf einem Substrat hergestellt sind. Ein Kanalwellenleiter ist eine lineare Struktur mit typisch kleinem Querschnitt – in der Größenordnung von mehreren Mikrometern in der Breite mal mehrere Mikrometer in der Höhe – wobei ein Strahlengang für einen sich ausbreitenden Lichtstrahl bereitgestellt wird. Der Brechungsindex des Kanalwellenleiters ist größer als der Brechungsindex des umgebenden oder tragenden Substrats. Es sind eine Lichtquelle und möglicherweise ein Kopplungsmechanismus vorgesehen, um den Lichtstrahl dazu zu bringen, sich innerhalb des Kanalwellenleiters auszubreiten. Die Lichtquelle kann ein Laser, eine Licht emittierende Diode (LED) oder eine Lichtquelle mit Glühfaden sein. Der sich ausbreitende Lichtstrahl durchläuft ein Detektionsgebiet des Kanalwellenleiters, das auf gewisse Bedingungen der Umgebung reagiert. Die Umgebung kann Änderungen bei den Ausbreitungseigenschaften des Kanalwellenleiters, etwa eine Änderung des Brechungsindex, hervorrufen. Die Änderung des Brechungsindex ändert die effektive optische Länge durch das Kanalgebiet, wodurch sich die Phase des Lichtstrahls ändert, wenn dieser aus dem Kanalwellenleiter ankommt. Wenn alternativ der Kanalwellenleiter nicht unmittelbar für eine spezielle Umgebung empfindlich ist, kann dieser mit einem Material beschichtet werden, das auf die Umgebung oder einen Teil davon reagiert, wo durch eine Änderung des Brechungsindex des Kanalwellenleiters hervorgerufen wird. Ein optischer Ausgangsstrahl aus dem Sensor kann daher zum Messen des relativen oder absoluten Werts der Umgebungsbedingung verwendet werden.
Der optische Eingangsstrahl breitet sich durch den Wellenleiter in Moden aus, die den bekannten Maxwell-Gleichungen genügen. Die Maxwell-Gleichungen bestimmen die elektrischen und magnetischen Felder einer sich durch ein Medium ausbreitenden elektromagnetischen Welle. Die Moden können durch die Frequenz, Polarisation, die transversale Feldverteilung und die Phasengeschwindigkeit der beteiligten Wellen gekennzeichnet werden. In rechteckigen Kanalwellenleitern werden die Moden als TE_m,n und TM_m,n bezeichnet, die senkrecht zueinander polarisierte Komponenten des Lichtstrahls – transversal elektrisch und transversal magnetisch, sind, wobei die Modenzahlindizes m und n nicht negative ganzzahlige Werte annehmen. Jede Mode repräsentiert eine unterschiedliche Feldverteilung entsprechend der Anzahl der Wellenknotenpunkte entlang des Wellenleiters in jeder Richtung. Die zulässigen Moden sind durch die Anordnung der Grenzen des Wellenleiters bestimmt, die für integrierte optische Sensoren die Grenzflächen zwischen dem Substrat und dem Wellenleiter, der Umgebung und dem Wellenleiter und/oder der Beschichtung und dem Wellenleiter sind. Abhängig von den Grenzen und der Wellenlänge des eingespeisten Lichts können keine Moden, eine Mode oder mehr als eine Mode sich durch den Wellenleiter fortpflanzen.
Zu kommerziell verfügbaren integrierten optischen Interferometern gehören solche, die eine Mach-Zehnder-Interferometrietechnik verwenden, die beispielsweise im US-Patent Nr. 4,515,430 offenbart ist, die hiermit durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist. Diese Technik ist durch eine Einzelmodenausbreitung zweier Lichtstrahlen über zwei optische Wege gekennzeichnet, und durch das anschließende Kombinieren zwei Strahlen, um ein optisches Interferenzmuster zu erzeugen. Im Allgemeinen empfängt ein Mach-Zehnder-Element einen einzelnen Eingangslichtstrahl, der dann mittels eines Strahlteilers in zwei Strahlen aufgeteilt wird, die durch zwei unterschiedliche Kanalwellenleiter geführt werden. Änderungen in der optischen Weglänge eines der Wellenleiter werden dann hervorgerufen, wenn die Umgebung eine Änderung in dessen physikalischer Länge oder eine Änderung in dessen Brechungsindex hervorruft. Die aus den Kanalwellenleitern ankommenden Strahlen werden rekombiniert, um einen einzelnen interferieren den Strahl zu erzeugen, der die relative oder absolute Änderung beschreibt, die durch das Einwirken der Umgebung auf das Element hervorgerufen wird.
Integrierte optische Interferometer, die die Mach-Zehnder-Anordnung anwenden, stellen eine außerordentliche Empfindlichkeit bereit und können mit geringen Größen hergestellt werden. Diese Sensoren haben jedoch den Nachteil, dass diese zwei oder mehr Einzelmodenkanalwellenleiter mit typischen Querschnittsabmessungen von 2 μm mal 3 μm benötigen, die die Herstellung schwierig und kostenintensiv machen. Ferner können die beiden Kanalwellenleiter unterschiedlich durch Temperatur und Schwingungen aus der Umgebung beeinflusst werden, wodurch störende Interferenzeffekte hervorgerufen werden. Ein weiterer wichtiger Umstand ist, dass die geringe Größe der Kanäle ein effizientes Einkoppeln des Lichts bei Mach-Zehnder-Interferometern schwierig macht. Die Schwierigkeiten beim Lichteinkoppeln führt dazu, dass diese Art des Interferometers für viele Anwendungen nutzlos ist.
Eine zweite Art eines integrierten optischen interferometrischen Sensors verwendet einen planaren bzw. ebenen Wellenleiter als das planare Konstrukt. Ein ebener Wellenleiter ist lediglich durch zwei (parallele) Grenzen anstatt der vier rechteckigen Grenzen, die für einen Kanalwellenleiter typisch sind, definiert. In einem ebenen Wellenleiter werden die sich ausbreitenden Moden als TE_m und TM_m (transversal elektrisch und transversal magnetisch) bezeichnet, wobei der Modenanzahlindex m nicht negative ganzzahlige Werte annimmt. Wie beim Kanalwellenleiter bestimmen die Grenzen und die Wellenlänge des Eingangslichts, ob keine Mode, eine Mode oder mehr als eine Mode sich durch den Wellenleiter ausbreiten können.
In den Beschreibungen des Stands der Technik und der Erfindung in dieser Anmeldung bezeichnen die Begriffe "planares Konstrukt" und "ebener Wellenleiter" Strukturen, die im Wesentlichen planar bzw. eben in ihrem Gesamtaufbau sind. Es sollte jedoch klar sein, dass planare Konstrukte und ebene Wellenleiter Strukturelemente beinhalten können, beispielsweise gerillte oder kantige Oberflächen, poröse Schichten oder Gebiete, oder eingebettete oder Oberflächenreliefstrukturelemente. Ferner werden in den Beschreibungen des Stands der Technik und der Erfindung hierin der Begriff "optisch" und "Licht" verwendet, aber es ist dazu festzustellen, dass die beschriebenen Verfahren ein Phänomen der elektromagnetischen Strahlung im Allgemeinen sind. Somit sollte der Begriff "optisch" und "Licht" so verstanden werden, dass dieser eine beliebige elektromagnetische Strahlung bezeichnet, die sich entsprechend beliebigen Zwangsbedingungen, die durch die Eigenschaften der diversen Komponenten des Sensors (etwa die Abmessungen des Lichtwegs) und die Natur der Wechselwirkung zwischen dem Sensor und den zu erfassenden Umgebungseigenschaften (etwa die Empfindlichkeit des Sensors als Funktion der Wellenlänge) auferlegt werden. Typischerweise liegt das Licht im sichtbaren oder in der Nähe des sichtbaren Wellenlängenbereichs.
Interferometrische Sensoren mit ebenen Wellenleitern sind offenbart im US-Patent Nr. 4,940,328 von Hartman und im US-Patent Nr. 5,120,131 von Lukosz, die hiermit durch Bezugnahme miteingeschlossen sind. In den in diesen Patenten beschriebenen Elementen wird Licht in mindestens zwei Moden in einem einzelnen ebenen Wellenleiter, im Gegensatz zu der Ausbreitung in mehreren Kanalwellenleitern geführt, und läuft durch ein Detektionsfeld, das der zu messenden Umgebung ausgesetzt ist. Das Sensorausgangssignal enthält einen Strahl mit den Interferenzprodukten zumindest zweier Moden, die sich in dem ebenen Wellenleiter ausbreiten. Die Moden mit höherer Ordnung werden am stärksten beeinflusst, wenn die Umgebung eine Änderung des Brechungsindex des ebenen Wellenleiters hervorruft, und liefern ein Ausgangssignal, das eine Interferenz zwischen den Moden zeigt, wenn eine Kombination mit den Moden der unteren Ordnung stattfindet. Diese Elemente können einfacher hergestellt werden als die Einzelmoden-Mach-Zehnder-Elemente und zeichnen sich durch ein einfaches Lichteinkoppeln in dem Wellenleiter aus. Die Empfindlichkeit dieser Elemente ist jedoch im Wesentlichen nur die Hälfte bis ein Drittel der Empfindlichkeit der Mach-Zehnder-Elemente. Die geringere Empfindlichkeit rührt von der Tatsache her, dass die Mode mit der tieferen Ordnung nicht vollständig unbeeinflusst von der Umgebungseinwirkung bleibt und damit kein wahrer Referenzstrahl bereitgestellt wird.
Ein weiteres Problem bei den Elementen des Stands der Technik liegt darin, dass kein hoher Integrationsstand von optischen Komponenten in einen einzelnen Wellenleiter unter Anwendung einer Einzelprozesstechnologie erreichbar ist.
Es wird auch Bezug genommen auf: auf US 5 073 024 , die eine integrierte optische Einrichtung zum Messen des Brechungsindex von Fluiden beschreibt; DE 4138222 C2 , die einen integrierten optischen Sensor betrifft; US 5 262 842 , die einen optischen Sensor mit einem Wellenleitersubstrat mit einem darin integrierten Interferometer betrifft.
Die obengenannten Einschränkungen reduzieren die Nutzbarkeit integrierter optischer Sensoren stark und erhöhen ihre Kosten. Es besteht daher ein Bedarf an einem gegenwärtig nicht verfügbaren integrierten optischen Sensor, der relativ preiswert ist, ein hohes Maß an Integration von Komponenten in einen einzelnen Wellenleiter aufweist und eine hohe Empfindlichkeit mit einfacher und effizienter Lichteinkopplung bereitstellt.
Überblick über die Erfindung
Die vorangegangenen Probleme des Stands der Technik werden durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Ein Bereich des ebenen Wellenleiters des Sensors kann so behandelt werden, um die Wirkung der Eigenschaft der Umgebung auf den ersten Teil des Lichtstrahles in dem Wellenleiter zu verstärken. Die Behandlung kann aus einer Beschichtung des Bereichs des ebenen Wellenleiters mit einem Material bestehen, dessen Brechungsindex in Reaktion auf eine Änderung der Eigenschaft der Umgebung variiert. Alternativ kann die Behandlung aus dem Beschichten des Bereichs des ebenen Wellenleiters mit einem Material bestehen, dessen Dicke in Reaktion auf eine Änderung der Eigenschaft der Umgebung variiert, oder durch Beschichten des Bereichs des ebenen Wellenleiters mit einem Material, das mit einer Substanz aus der Umgebung reagiert. Die Behandlung kann ferner anstelle, die Wirkung der Eigenschaft der Umgebung, die diese auf den ersten oder zweiten Teil des Lichtstrahls ausübt, zu verstärken, diese minimieren. Anstelle den Wellenleiter zu behandeln, kann zumindest ein Bereich des ebenen Wellenleiters selbst aus einem Material aufgebaut sein, dessen Brechungsindex in Reaktion auf eine Änderung der Eigenschaft der Umgebung variiert, oder dessen Aufbau (beispielsweise Form oder Größe) in Reaktion auf eine Änderung der Eigenschaft der Umgebung variiert, oder aus einem Material, das mit einer Substanz in der Umgebung wechselwirkt.
Vorzugsweise wird der ebene Wellenleiter auf einem Substrat hergestellt, das für seine mechanische Widerstandskraft, seine Härte oder seiner optischen Eigenschaften wegen gewählt wird. Im Allgemeinen liegt das Substrat, falls dieses vorhanden ist, unter dem gesamten Sensor und liefert eine Grundeinheit zur Herstellung der anderen Sensorelemente. In dieser Beschreibung umfasst der Begriff "Wellenleiterstruktur" den ebenen Wellenleiter selbst und ferner ein beliebiges Substrat, das vorhanden sein kann und eine Beschichtung, die auf den ebenen Wellenleiter aufgetragen sein kann.
Fotodetektoren sind vorgesehen, um den Ausgangsstrahl zu erfassen. Der Fotodetektor kann so montiert sein, um den Ausgangsstrahl direkt zu empfangen, kann integral mit dem Sensor hergestellt sein oder es können diverse Lichtausgangskoppler, etwa Beugungsgitter, Prismen oder Spiegel verwendet werden, um die Ausgangsstrahlen den Fotodetektoren zuzuführen. Die Verarbeitung der Fotodetektorsignale kann durch den Aufbau mehrerer integrierter optischer Detektionsgebiete (d.h. mehrfacher Interferometer) mit unterschiedlichen Anordnungen (beispielsweise Längen, Dicken, Formen etc.) oder unterschiedlichen Materialien (d.h. solche, die unterschiedliche optische oder chemische Eigenschaften, etc. aufweisen) verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung stellt zumindest zwei wesentliche Signalverarbeitungsverbesserungen durch die Anwendung mehrfacher Interferometer bereit. Die Signalverarbeitungsverbesserungen sind auf interferometrische Sensoren mit planaren Konstrukten mit Kanalwellenleitern (etwa Mach-Zehnder-Elementen) sowie jenen mit ebenen Wellenleitern anwendbar und sind ebenso einsetzbar, unabhängig von der Anzahl oder der Art der Moden, die sich in dem planaren Konstrukt ausbreiten. In der ersten der beiden Verbesserungen wird eine konstante Phasenvordifferenz zwischen den Interferometerausgangsstrahlen hergestellt, indem die Konstruktionsparameter des Sensors, etwa der Aufbau des planaren Konstrukts, die Materialien des planaren Konstrukts, die Überlagerungsanordnung, die Überlagerungsmaterialien, der Substrataufbau oder die Substratmaterialien variiert werden. Insbesondere sichert eine konstante Phasenvordifferenz von ungefähr 90°, dass immer eine maximale Empfindlichkeit des Sensors verfügbar ist. Durch andere Variationen der gleichen Konstruktionsparameter wird die zweite der Verbesserungen ermöglicht. Diese Verbesserung bewirkt, dass das Ausgangsinterferenzmuster eines Ausgangsstrahls, der einen der Interferometer zugeordnet ist, eine unterschiedliche Steigung bei Quadratur aufweist, im Vergleich zu dem Ausgangsinterferenzmuster aus dem anderen Interferometer. Die unterschiedlichen Steigungen stellen sicher, dass sowohl eine hohe Auflösungsinformation und eine geringe Auflösungsinformation aus dem gleichen Sensor verfügbar sind.
In dieser Anmeldung wird eines der Detektionsgebiete des Wellenleiters als das "Referenzgebiet" bezeichnet. Ein beliebiges anderes Wellenleiterdetektionsgebiet, in dem die Lichtausbreitung durch Umgebungsfaktoren beeinflusst wird, wird als "Signalgebiet" bezeichnet. Der Einfachheit halber ist das "Referenzgebiet" typischerweise das Gebiet, in dem im Vergleich zu den Signalgebieten die Lichtausbreitung nicht oder am geringsten durch die Umgebungsfaktoren beeinflusst wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Detektionsgebiete in einem gemeinsamen Wellenleiteraufbau mit geringer Größe angeordnet. Aufgrund dessen tendieren Umgebungstemperatur und mechanische Bedingungen dazu, den gesamten Sensor einheitlich zu beeinflussen. Somit ist im Gegensatz zu anderen Sensortypen und Aufbauten eine mechanische Konstruktion erforderlich, um Temperatur- und Schwingungsstabilität bereitzustellen.
Vorzugsweise wird die Herstellung der integrierten optischen Komponenten erreicht, indem eine einzelne Fabrikationstechnologie oder eine Reihe von kompatiblen Verfahren angewendet werden, so dass mehrere integrierte optische Komponenten in dem Sensor durch einen einzelnen Herstellungsvorgang hergestellt werden können. Somit ist die Auswahl der Materialien und der Herstellungsverfahren wichtig für ökonomische Gesichtspunkte dieser Sensorelemente. Zu gegenwärtigen Herstellungsverfahren gehören die Dünnfilmabscheidung, der Ionenaustausch, die Ionenimplantation und die Dampfabscheidung, wobei Fotolithografie und holografische Ätzprozesse angewendet werden. Gitter können beispielsweise hergestellt werden, indem Zwillingsstrahleninterferenzmuster verwendet werden, um Gitterätzmasken zu schaffen. Die Ätzmasken werden nach dem Ätzen entfernt, wobei die gewünschte Oberflächentopologie für das integrierte optische Gitter zurückbleibt.
Die vorliegende Erfindung stellt einen optischen Sensor bereit mit einer verbesserten Temperatur- und mechanischen Stabilität bereitzustellen, so dass zuverlässige Messungen bei einer Vielzahl von Umgebungsbedingungen erhalten werden können.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner einen integrierten optischen Sensor bereit, der eine hohe Sensorempfindlichkeit aufweist, der in einfacher Weise mit einer Eingangslichtquelle verbindbar ist und bei geringen Kosten herstellbar ist.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner einen Sensor bereit, der für eine Reihe von Umweltbedingungen einschließlich der Temperatur, der Feuchtigkeit und chemischer und biochemischer Zusammensetzungen beispielsweise empfindlich ist.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner verbesserte optische Strahlmanipulation und Signalverarbeitungsfähigkeiten bereit.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ferner einen hohen Grad an Integration optischer Komponenten in einem einzelnen Gerät, um die Stabilität und das Signal-zu-Rauschen-Verhältnis zu verbessern, und um eine Einzelprozesstechnologie anwenden zu können.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden detaillierten Beschreibung spezieller Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen erkennbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des interferometrischen Sensors der vorliegenden Erfindung.
1A ist eine perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen interferometrischen Sensors, wobei die Anwendung einer Dünnfilmlinse anstatt des integrierten optischen Biprismas aus 1 gezeigt ist.
1B ist eine perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen interferometrischen Sensors, wobei die Anwendung eines integrierten optischen Beugungsgitters anstelle des integrierten optischen Biprismas aus 1 gezeigt ist.
1C ist eine perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen interferometrischen Sensors, wobei die Anwendung eines akustooptischen Elements anstelle des Phasengitters aus 1 gezeigt ist.
1D ist eine perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen interferometrischen Sensors, wobei die Anwendung eines elektrooptischen Elements anstelle des Phasengitters aus 1 gezeigt ist.
1E ist eine perspektivische Ansicht eines Lichtdetektors zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung, wobei die Bereiche der Fotodetektorenarrays gezeigt sind, die Lichtstrahlen D₁, M₁ und S₂ empfangen.
2 ist eine perspektivische Teilansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen interferometrischen Sensors, wobei die Anwendung von Elementen mit totaler interner Reflektion und eines Fresnel-Reflektionselements anstelle des integrierten optischen Biprismas und des Phasengitters aus 1 gezeigt ist.
2A ist eine Querschnittsansicht der in 2 gezeigten Ausführungsform entlang der Linien 2a-2a aus 2, wobei eine Schnittansicht der integrierten optischen Elemente des interferometrischen Sensors gezeigt ist.
2B ist eine Querschnittsansicht der in 2 gezeigten Ausführungsform entlang der Linien 2b-2b aus 2, wobei eine Schnittansicht der integrierten optischen Elemente des interferometrischen Sensors dargestellt ist.
3 ist eine Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform entlang der Linien 3-3 aus 1, wobei eine Seitenansicht der integrierten optischen Elemente des interferometrischen Sensors gezeigt ist.
3A ist eine Querschnittsteilansicht einer Ausführungsform ähnlich zu jener, die in 1 gezeigt ist, entlang der Linien 3-3 aus 1, wobei der Austausch der Glasfaserschleife durch eine Laserdiode gezeigt ist.
3B ist eine Querschnittsteilansicht einer Ausführungsform ähnlich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform entlang der Linien 3-3 aus 1, wobei ein Prisma als Lichteinkopplungseinrichtung gezeigt ist.
3C ist eine Querschnittsteilansicht einer zu der in 1 gezeigten ähnlichen Ausführungsform entlang der Linien 3-3 aus 1, wobei die Lichteinkopplung durch direktes angrenzendes Einkoppeln gezeigt ist.
3D ist eine Querschnittsteilansicht einer Ausführungsform ähnlich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform entlang der Linien 3-3 aus 1, wobei ein Gitter als die Lichtauskopplungseinrichtung dargestellt ist.
3E ist eine Querschnittsteilansicht einer Ausführungsform ähnlich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform entlang der Linien 3-3 aus 1, wobei ein Prisma als die Lichtauskopplungseinrichtung gezeigt ist.
3F ist eine Querschnittsteilansicht einer Ausführungsform ähnlich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform entlang der Linien 3-3 aus 1, wobei die Lichtausgabe durch einen Spiegel mit totaler innerer Reflektion gezeigt ist.
4 ist ein grafische Darstellung des sinusförmigen Ausgangsmusters der Ausgangsstrahlen des Sensors der vorliegenden Erfindung, wobei die Amplitude der Strahlen als eine Funktion der Phasenverschiebung ΔF gezeigt ist.
5 ist eine perspektivische Ansicht einer integrierten Mehrsensorausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei zwei interferometrische Sensoren auf einem einzelnen Substrat angeordnet sind.
6 ist eine perspektivische Teilansicht der in 2 gezeigten Ausführungsform, wobei die Unterteilung des Signalarms gezeigt ist, um mehrere Detektionsteilgebiete zur Erfassung mehrerer Proben oder zur verbesserten Signalverarbeitung zu erzeugen.
7 zeigt einen interferometrischen Kontrollsensor und drei zusätzliche interferometrische Sensoren auf einer gemeinsamen Struktur, wobei die Ausgangsinterterenzmuster zweier der interferometrischen Sensoren unterschiedliche Längen für die umgebungssensitive selektive Überlagerung auf den Signalgebieten aufweisen, um damit unterschiedliche Empfindlichkeiten für die aus den beiden Signalgebieten entstehenden Signale zu erzeugen, und wobei das Ausgangsinterferenzmuster für einen weiteren der interferometrischen Sensoren eine unterschiedliche Konfiguration oder ein unterschiedliches Material für den Wellenleiter oder für das Substrat in dem Signalgebiet aufweist, um damit eine unterschiedliche vorbestimmte Konstantphase in dem aus dem Signalgebiet entstehenden Signal zu erzeugen.
8A ist eine Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform entlang der Linien 8A-8A aus 1, wobei in übertriebener Weise eine einzelne schützende Beschichtung gezeigt ist, die ein Referenzgebiet definiert.
8B ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform ähnlich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform entlang der Linien 8B-8B aus 1, wobei in übertriebener Weise eine einzelne selektive Überlagerung gezeigt ist, die ein Signalgebiet definiert.
8C ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform ähnlich zu der in 1 gezeigten Ausführungsform entlang der Linien 8C-8C aus 1, wobei in übertriebener Weise selektive Beschichtungen gezeigt sind, die ein Referenzgebiet und ein Signalgebiet definieren, und wobei das Referenzgebiet ferner einen Schutzüberzug erhalten hat.
Detaillierte Beschreibung
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines integrierten optischen interferometrischen Sensors zur Messung einer physikalischen Eigenschaft einer Umgebung, der der Sensor ausgesetzt ist, gezeigt, die allgemein durch Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist. Der Sensor 10 ist als im Wesentlichen rechteckig gezeigt, aber der Fachmann erkennt leicht, dass andere Konfigurationen abhängig von den Herstellungsverfahren, der letztlichen Ausführungsform des vollständigen Sensorssystems und anderen Gestaltungs- und Herstellungsreferenzen und Betrachtungen angewendet werden können. Der Sensor 10 umfasst eine Wellenleiterstruktur 12 (in den 8A–8C gezeigt), durch die ein Lichtstrahl geführt wird und die integrierte optische Elemente enthält, die, wie dies ausführlicher im Folgenden erläutert wird, den sich ausbreitenden Lichtstrahl in einer gewünschten Art und Weise manipulieren. Eine Lichtquelle 18 liefert einen Lichtstrahl 15, der in der Wellenleiterstruktur 12 geführt wird. Fotodetektorarrays 62 reagieren auf die Ausgangslichtstrahlen des Wellenleiters und erzeugen ein elektronisches Signal in Reaktion auf das erfasste Licht. Ein integriertes Strahlverarbeitungsgebiet 17 stellt die Wandlerfähigkeiten des Sensors bereit, indem die Lichtausbreitung durch die Wellenleiterstruktur 12 in Reaktion auf einen externen Umgebungsreiz oder Bedingung beendet wird, von der gewünscht wird, diese zu messen oder zu quantifizieren. Es kann eine schützende Abdeckung (nicht gezeigt) über allen anderen Gebieten des Sensors 10 vorgesehen sein, um sicherzustellen, dass lediglich das Strahlbearbeitungsgebiet 17 der Umgebung ausgesetzt ist.
Die Wellenleiterstruktur 12, die in einer Reihe von Querschnittsansichten in den 8A–8C gezeigt ist, umfasst einen ebenen Wellenleiter 22 und möglicherweise ein Substrat 20, eine oder mehrere selektive Deckschichten 55 und eine oder mehrere schützende Deckschichten 60. Das Substrat 20 umfasst eine Substratunterfläche 24 und eine Substrat-Wellenleitergrenzfläche 26. Die Substratunterseitenfläche 24 und die Substrat-Wellenleitergrenzfläche 26 liegen im Wesentliche in parallelen Ebenen. Der ebene Wellenleiter 22 ist ein dünner Film eines optisch durchlässigen Materials mit einer Wellenleiteroberfläche 28 und einer Substrat-Wellenleitergrenzfläche 26, wobei die Flächen 28 und 26 ebenso in im Wesentlichen parallelen Ebenen liegen. Das Substrat 20 weist ebenfalls ein optisch durchlässiges Material auf.
Der Brechungsindex des Wellenleiters 22 ist größer als der Brechungsindex des Substrats 20. Der Brechungsindexunterschied bewirkt, dass sich aufgrund der totalen inneren Reflektion des sich durch den Wellenleiter 22 ausbreitenden Lichts dieses den Welleleiter 22 nicht verlässt. Obwohl das Licht im Inneren total reflektiert wird, werden elektrische und magnetische Felder in dem Gebiet außerhalb und nahe an den Grenzen des Wellenleiters induziert. Diese induzierten Felder werden als "evaneszente Felder" bezeichnet.
Die Materialauswahl für die Wellenleiterstruktur 12 ist anwendungsspezifisch. Das Substrat 20 wird häufig aus Quarz enthaltenden Komponenten einschließlich Siliziumdioxid, das beispielsweise mit Bor dotiert ist, hergestellt. Der Wellenleiter 22 kann auf Gläsern und anderen transparenten dielektrischen Materialien einschließlich von Polymeren hergestellt werden. Die gläsrigen Materialien umfassen beispielsweise Siliziumnitrid oder mit Titan dotiertes Siliziumdioxid. Zu den Polymermaterialien gehören beispielsweise Polyimide.
Die ausgewählten Materialien müssen in der Lage sein, eine vorgeschriebene Brechungsindexdifferenz ΔN zwischen dem Substrat und dem Wellenleitermaterial bereitzustellen, wobei der Brechungsindex N des Wellenleiters größer als der des Substrats ist. Der Brechungsindex von Materialien, die häufig für Substrate für optische interferometrische Sensoren verwendet werden, liegt im Allgemeinen im Bereich von 1.4 bis 1.6. Der Brechungsindex des Wellenleiters ist typischerweise im Bereich von 1.4 bis 4. In einer bevorzugten Ausführungsform für einen Sensor zur Erfassung organischer Dämpfe kann das Substratmaterial ein Borosilikatglas des Typs BK7 sein mit einem N von 1.515, auf das eine Wellenleiterschicht aufgetragen wird mit einem Brechungsindex von 1.520 mit einem ΔN von 0.005.
Der Wellenleiter 22 kann auf das Substrat 20 als eine diskrete Schicht der Wellenleiterstruktur aufgetragen werden oder kann in dem Substrat 20 gebildet werden. In dem zuerst genannten Falle wird der Wellenleiter auf das Substrat 20 durch Verfahren aufgetragen, zu denen die chemische Dampfabscheidung (CVD), die Dünnfilmaufdampfung und das Vakuum-Sputtern gehören. Wenn der Wellenleiter 22 in dem Substrat 20 gebildet wird, können Verfahren einschließlich der Ionenimplantation und des Ionenaustauschs angewendet werden. Unter Anwendung eines dieser Prozesse kann der Brechungsindex des Bereichs des Substrats, der benachbart zu der oberen Wellenleiterfläche 28 des Substrats 20 liegt, bis zu einer vorbestimmten Tiefe von 0.1 bis 10 μm in das Substrat 20 erhöht werden, wobei die lokale chemische Zusammensetzung geändert wird. Wellenleiterdicken von 0.1 bis 10 μm sind durch diese Prozesse erreichbar. In der bevorzugten Ausführungsform für einen Sensor zur Erfassung organischer Dämpfe kann der Wellenleiter in einem BK7-Borsilikatsubstrat durch einen Ionenaustauschprozess gebildet werden, wobei Silberatome an die Stelle von Natrium oder Kaliumionen an der oberen Wellenleiterfläche 28 des Substrats 20 treten.
Die integrierten optischen Elemente des Sensors 10 umfassen ein integriertes optisches Lichteingangskopplungsgitter 32, einen integrierten optischen Lichtblock 34, ein integriertes optisches Biprisma 35 und ein integriertes optisches Phasengitter 36. Das Einkoppelgitter 32 koppelt Licht in den ebenen Wellenleiter 22 ein, so dass dieses sich in dem Wellenleiter entlang eines gewünschten Weges ausbreitet. Das Einkoppelgitter 32 und das integrierte optische Phasengitter 36 können Gitter sein, die auf der Oberfläche des ebenen Wellenleiters 22 liegen oder in diese eingebettet sind. Der sich ausbreitende Lichtstrahl wird effizient aufgeteilt, wenn dieser auf den Lichtblock 34 trifft, um damit zwei Lichtstrahlen zu definieren, wobei einer einen Referenzstrahl S₁ und der andere einen Signalstrahl S₂ repräsentiert. Die Lichtstrahlen S₁ und S₂ werden abgelenkt, wenn diese durch das Biprisma 35 hindurchtreten und dieses verlassen, um die Strahlen D₁ und D₂ zu erzeugen. Die Strahlen D₁ und D₂ treffen dann auf das Phasengitter 36. Das Phasengitter 36 fungiert als ein Strahlvereiniger und ist so aufgebaut, dass ein Teil jedes einfallenden Strahls, vorzugsweise 50 % durch das Gitter unbeeinflusst hindurchgeht und der Rest jedes Strahles gebeugt wird. Der Beugungswinkel ist so gewählt, dass der gebeugte Teil jedes einfallenden Strahls das Gitter parallel zu dem durchgelassenen oder unbeeinflussten Teil des anderen einfallenden Strahls verlässt. Auf diese Weise werden der durchgelassene Teil des Strahls D₁ und der gebeugte Teil des Strahls D₂ zu einem gemischten oder kombinierten Lichtstrahl M₁. Der Fachmann erkennt, dass der Strahl M₁ das Interferenzprodukt der Strahlen D₁ und D₂ enthält. In gleicher Weise bilden der durchgelassene Teil des Strahls D₂ und der gebeugte Teil des Strahls D₁ einen gemischten oder kombinierten Lichtstrahl M₂. Die Lichtstrahlen M₁ und M₂ können auch angesehen werden, als dass sie interferierende Teile des Referenzstrahls S₁ und des Signalstrahls S₂ enthalten, da die relativen Phasen dieser Strahlen sich in dem Biprisma 35 nicht ändern. Die Lichtstrahlen D₁ und D₂ beinhalten lediglich Licht des Referenzstrahls und des Signalstrahls S₁ und S₂, selbst wenn diese auf die Fotodetektorarrays 62 treffen.
Das Einkoppelgitter 32 ist im Wesentlichen an einem Eingangsende 38 der Wellenleiterstruktur 12 angeordnet. Wie zuvor kurz beschrieben ist, ist das Eingangskoppelgitter 32 eine integrierte optische Struktur, die auf dem ebenen Wellenleiter 22 angeordnet oder in diesen eingebettet ist, und eine vorbestimmte Tiefe auf oder in dem Wellenleiter 22 aufweist. Das Eingangskoppelgitter 32 besitzt die Funktion des Umleitens des einfallenden Lichts im Wesentlichen senkrecht zum Wellenleiter 22 und des Entfernens ungewünschter Moden, so dass eine einzelne Mode sich in dem Wellenleiter 22 ausbreitet. Die Lichtquelle und das Eingangsgitter wirken zusammen möglicherweise in Verbindung mit zwischengeschalteten strahlformenden Linsen (nicht gezeigt), um einen Strahl mit einer Breite von 100 μm bis zu Millimetern in den Wellenleiter 22 einzukoppeln.
Alternative Einrichtungen zum Einkoppeln des Lichtstrahls in den ebenen Wellenleiter 22 einschließlich von Prismen 27 oder direktes Einkoppeln durch Aneinanderstoßen, könnten anstelle des Einkoppelgitters 32 verwendet werden. Wie in 3B gezeigt ist, ist ein Prisma 27 ein Element mit dreieckigem Querschnitt, das aus einem Material aufgebaut ist, das einen größeren Brechungsindex als der Wellenleiter 22 aufweist. Das Prisma 27 lenkt den Lichtstrahl 15 in den Wellenleiter 22, indem der Strahl unter einem Winkel in Abhängigkeit von dem Brechungsindex des Prismas gebeugt wird. Wie in 3C gezeigt ist, wird das Einkoppeln durch Aneinanderstoßen so bewirkt, indem die Lichtquelle in direktem Kontakt mit dem Rand des Eingangsendes 38 des Wellenleiters 22 angeordnet wird oder indem der Lichtstrahl 15 durch eine zwischengeschaltete Transferlinse auf den Rand des Eingangsendes 38 des Wellenleiters 22 fokussiert wird.
In der in den 1 und 3 gezeigten Ausführungsform ist das Einkoppelgitter 32 so dargestellt, dass dieses in dem Wellenleiter 22 benachbart zu dem Eingangsende 38 ausgebildet ist. Die oben beschriebenen Herstellungsverfahren, die zur Bildung des Wellenleiters 22 verwendet werden, können angewendet werden, um das Einkoppelgitter 32 herzustellen; ebenso können andere Verfahren, die zur Erzeugung periodischer Störungen des Wellenleiters 22 oder dessen Brechungsindex N geeignet sind, angewendet werden. Wie in 3 gezeigt ist, ist das Gitter durch Erhebungen oder periodische Brechungsindexschwankungen 40 mit einer Periode P von 0.2 bis 1.5 μm und einer Höhe H von 0.2 bis 1.0 μm gekennzeichnet. Die Kopplungseffizient dieser Arten integrierter optischer Elemente liegt typischerweise im Bereich von 20–30 %.
Die Lichtquelle 18 liefert den Lichtstrahl 15, um den Sensor 10 mit optischer Energie zu versorgen. Die Lichtquelle 18 kann ein passives Element, etwa ein Stück einer optischen Faser 42 sein, wie dies in der Ausführungsform in 3 gezeigt ist. Das Glasfa serstück 42 ist so angeordnet, dass dieses mit der unteren Substratfläche 24 in optischer Verbindung ist, und von einem Epoxy 43 gehalten wird. Das Glasfaserstück 42 dient lediglich als eine Leitung für optische Energie und ist somit ein passives Element. Alternativ kann die Lichtquelle 18 ein aktives Element, etwa eine Laserdiode 44, sein, die in 3A gezeigt ist. Die Laserdiode 44 wird durch einen externen elektrische Strom durch die Leitung 47 versorgt, um den Lichtstrahl 15 zur Energieversorgung des Sensors 10 zu erzeugen. In einer weiteren Ausführungsform könnte die Lichtquelle 18 eine in dem Körper des Substrats 20 integrierte Laserdiode sein mit elektrischen Kontakten in Form von Drähten, die sich aus dem Sensor erstrecken, um eine Energieversorgung aus externen Einrichtungen zu ermöglichen, oder mittels elektrischer Kontakte, die auf den Sensor aufgedruckt sind, und die so angeordnet sind, dass diese in elektrischem Kontakt mit entsprechenden Kontakten einer externen Energiequelle sind. Wie für den Fachmann offensichtlich ist, muss das Substrat 20 für die Lichtfrequenz, die zur Versorgung des Sensors 10 gewünscht ist, transparent sein und dispersive und andere Eigenschaften aufweisen, die das Einkoppeln des Lichts in den ebenen Wellenleiter 22 nicht verhindern. In einer noch weiteren Ausführungsform kann die Lichtquelle direkt auf der oberen Fläche des Wellenleiters 22 hergestellt werden, wobei kein Einkoppelelement mehr notwendig ist. Für die Zwecke dieser Erfindung sind das Integrieren der Lichtquelle 18 in den ebenen Wellenleiter 22 oder das direkte Einkoppeln durch Angrenzen der Lichtquelle 18 an den ebenen Wellenleiter 22 äquivalent zu dem Gitter 32, den Prismen 27, der Linse, oder anderen Einrichtungen zum Einkoppeln eines Lichtstrahls 15 von einer Lichtquelle 18 in einen ebenen Wellenleiter 22, derart, dass nur eine Mode des Lichtstrahls 15 sich in dem ebenen Wellenleiter 22 ausbreitet.
Das integrierte optische Biprisma 35 ist an einem Lichtausgangsende 45 des Strahlverarbeitungsgebiets 17 angeordnet. Das Biprisma 35 empfängt die aus dem Lichtverarbeitungsgebiet 17 kommenden Lichtstrahlen und bewirkt, dass diese an dem Phasengitter 36 überlappen, so dass diese dort kombinieren und einen interferierenden Strahl erzeugen. Das Biprisma 35 ist ein Dünnfilmprisma, das als ein Volumenprisma wirkt, und die geführten Referenz- und Signalwellen zur Ablenkung und Überlappung bringt. Die Winkelabweichung der Strahlen f hängt von dem Brechungsindexunterschied zwischen dem Prismengebiet und dem unveränderten Wellenleiter und dem Schnittwinkel des Prismas α ab. Mit tatsächlichen Modenindexunterschieden von 0.1 bis 0.15 sind Abweichungen von zwei bis drei Grad möglich, wobei der Einzelmodenbetrieb beibehalten wird. Das Biprisma 35 ist schematisch in den 1 und 3 gezeigt. Das Biprisma 35 umfasst eine Einfallsfläche 46, durch die die Lichtstrahlen S₁ und S₂ durchtreten. Das Prisma umfasst ferner gegenüberliegende Flächen 48, die durch den Schnittwinkel α angewinkelt angeordnet sind. In einer bevorzugen Ausführungsform liegt der Schnittwinkel α im Bereich von 150–170 Grad und die Nachbarwinkel liegen im Bereich von 5 bis 15 Grad. Diese Winkelabmessungen hängen im Wesentlichen von den strukturellen Abmessungen des Sensors ab und können selbstverständlich außerhalb der zuvor erwähnten Bereiche liegen, wenn dies zur Anpassung an jene Abmessungen erforderlich ist. Alternative integrierte optische Strukturen können als eine Einrichtung zum Ablenken der Lichtstrahlen dienen und anstelle des Biprismas 35 verwendet werden, dazu gehören eine integrierte optische Linse 71, die in 1A gezeigt ist, oder ein integriertes Beugungsgitter 72, das in 1B dargestellt ist.
In 1 dient das Phasengitter 36 als ein Strahlvereiniger für die abgelenkten Referenz- und Signalstrahlen D₁ und D₂. Diese Art eines Gitters liefert eine einfach zu steuernde Beugungseffizienz und kann einfach durch fotolithografische Verfahren hergestellt werden, da die Gitterkonstante G typischerweise im Bereich von 1 bis 5 μm liegt. Die Gitterkonstante G hängt von dem Ablenkwinkel f, der von dem Biprisma erzeugt wird, der Wellenlänge des geführten Lichts I, und dem wirksamen Modusindex N_eff des Wellenleiters ab, der durch die folgende Gleichung berechnet wird:
wobei Q der Bragg-Winkel des Phasengitters und M = 1 ist. Wie aus 1 zu erkennen ist, muss zur Vereinigung eines abgelenkten Strahles mit dem Teil des anderen abgelenkten Strahls, der durch das Phasengitter gebeugt wird, der Prismaablenkwinkel f gleich dem Bragg-Winkel Q sein.
Um die Gesamtlänge des Sensors bei 50 mm oder darunter zu halten, wobei ein 2 mm breiter Strahl verwendet wird, sollte der Prismaablenkwinkel f ungefähr 2.8 Grad betragen. Somit sollte der Bragg-Winkel Q des Phasengitters ebenso 2.8 Grad betragen. Bei einer Betriebswellenlänge von 0.780 μm entspricht dies einer Gitterkonstanten G von 5.2 μm, wobei ein effektiver Wellenleitermodenbrechungsindex von 1.52 angenommen wird. Hinsichtlich der fotolithografischen Anforderung, die bei der Herstellung integrierter Optiken genutzt werden, sind dies relativ große Abmessungen und einfach zu reproduzieren.
In der Praxis kann gleichzeitig eine einzelne fotolithografische Maske zur Herstellung des Biprismas 35 und des Phasengitters 36 verwendet werden. Das Gitter kann als eine Oberflächenreliefstruktur oder als ein eingebettetes Gitter hergestellt werden. Da ferner der Gitterabstand grob ist, ist die Winkelselektivität des Gitters relativ groß, wodurch die Ausrichtung des geführten Strahls und des Gitters keine großen Schwierigkeiten bereitet. Anzumerken ist, dass, wie oben erläutert ist, eine integrierte optische Linse, ein integriertes optisches Beugungsgitter oder ein Element mit totaler innerer Reflektion anstelle des Biprismas verwendbar sind.
Ferner ist es auch informativ anzumerken, dass, während das Phasengitter 36 eine passive voll integrierte Einrichtung zur Strahlkombination bietet, andere Einrichtungen zum Erzeugen eines Ausgangsstrahls, die ein Kombinieren von Strahlteilen ermöglichen, verfügbar und anwendbar sind. Beispielsweise kann ein akustisch-optisches Element 75, das in 1C gezeigt ist, verwendet werden, um den Brechungsindex des Wellenleiters so zu variieren, dass eine Strahlkombination bewirkt wird. Das akustisch-optische Element 75 ist ein ebener Wellenleiter 22, das mit einem akustisch-optischen Material ausgebaut ist. Das Anlegen einer Steuerspannung 76 an das akustisch-optische Material errichtet ein Phasengitter an dem Wellenleiter. Der Vorteil des akustisch-optischen Elements 77 liegt darin, dass die Steuerspannung 76 variiert werden kann, woraus ein variierendes Phasengitter 77 resultiert, das sich über den Wellenleiter ausbreitet. Alternativ kann ein elektro-optisches Element 85 aufgebaut werden, indem eine piezoelektrische Schicht mit konventionellem Verfahren auf den Wellenleiter aufgetragen wird, wie dies in 1D gezeigt ist. Ineinandergreifende Wandler 88 können auf einer Oberfläche des Wellenleiters 22 abgeschieden werden und mit einer Steuerspannung 86 verbunden werden. Ein Variieren der Steuerspannung 86 erzeugt das Phasengitter in der Weise, dass eine Strahlvereinigung bewirkt wird.
Wie in 2 gezeigt ist, könnte die Kombination aus dem integrierten optischen Biprisma 35 und dem Phasengitter 36 durch eine Kombination eines Elements mit totaler innerer Reflektion 81 und einem Fresnel-Reflektionselement ersetzt werden. Die Elemen te mit totaler innerer Reflektion 81 werden durch keilförmige Hohlräume in dem Wellenleiter 22 erzeugt. Die Reflektionselemente 81 besitzen innere Flächen 81a und 81b und äußere Flächen 81c und 81d. Der durch die äußeren Flächen 81c und 81d am Scheitelpunkt 83 eines keilförmigen Hohlraums gebildete Winkel ist groß genug, so dass die geführten Wellen in dem Wellenleiter von den inneren Flächen 81a total reflektiert werden und auf ein Fresnel-Reflektionselement 82 treffen. Das Fresnel-Reflektionselement 82 besteht aus engen Streifen dünnerer und dickerer Wellenleitergebiete, die in 2B im Querschnitt gezeigt sind. Das Fresnel-Reflektionselement 82 wird verwendet, um Teile der geführten Wellen zu reflektieren und durchzulassen und um eine Strahlvereinigung der reflektierten und durchgelassenen Bereiche zu bewirken. Der vereinigte Strahl wird dann von den inneren Flächen 81B in Richtung des Lichtdetektors des Sensors reflektiert.
Das Strahlverarbeitungsgebiet 17 umfasst ein Referenzgebiet 52 und ein Signalgebiet 54. Die Gebiete 52 und 54 können definiert sein durch und bestehen aufgrund der Abscheidung einer oder mehrerer Schichten selektiver Deckschichten 55 und/oder einer oder mehrerer Schichten schützender Deckschichten 60 auf der oberen Fläche des Wellenleiters 22 an einer Kontaktgrenzfläche 56 in einem im Wesentlichen länglichen rechteckförmigen Abschnitt, wie dies in 1 gezeigt ist. Das Referenzgebiet und das Detektionsgebiet können ebenso definiert werden, indem das zum Aufbau der Wellenleiter verwendete Material variiert wird. Es können andere geometrische Formen als die in 1 gezeigten Rechtecke angewendet werden, wenn diese für die Anwendung des Sensors geeignet sind. Des Weiteren können das Referenzgebiet 52, das Signalgebiet 54 oder beide in mehrere Teilgebiete eingeteilt werden, in dem mehrere selektive Deckschichten auf der Wellenleiteroberfläche definiert werden. Wie auch immer die Formen gewählt werden, sollte das Strahlverarbeitungsgebiet 17 so gestaltet sein, dass der Referenzstrahl S₁ hauptsächlich aus dem Licht, das durch das Referenzgebiet 52 hindurchgeht, und der Signalstrahl S₂ hauptsächlich aus dem Licht, das durch das Signalgebiet 54 hindurchgeht, zusammengesetzt ist. Erwähnt werden sollte, dass die 8A–8C nicht maßstabsgemäß gezeichnet sind; die Dicke der Deckschichten 55 und 60 sind aus Darstellungsgründen übertrieben gezeigt. Typische Dicken der selektiven Deckschichten 55 liegen im Bereich einer einzelnen atomaren Schicht bis zu einem Bruchteil eines Millimeters.
Die selektiven Deckschichten 55 sind in optischem Kontakt zu dem Wellenleiter entlang der Kontaktgrenzfläche 56 angeordnet und beeinflussen die Lichtausbreitung durch eines der Gebiete 53 oder 54 relativ zur Lichtausbreitung durch das andere Gebiet. Die selektiven Deckschichten 55 dienen ferner dazu, um eine Änderung der Lichtausbreitung durch die Gebiete zu ändern oder um eine Änderung der Lichtausbreitung durch ein Gebiet zu verhindern. Wie zuvor kurz erläutert wurde, liefert der Unterschied in der Lichtausbreitung durch die Gebiete den Mechanismus, mittels dessen der Sensor funktioniert. Die sich geringfügig voneinander unterscheidenden Lichtstrahlen S₁ und S₂ werden später in dem Phasengitter 36 vereinigt, das dann die Lichtstrahlen M₁ und M₂ erzeugt, die interferierende Strahlen sind und deren Interpretation Information über die zu messende Umgebung liefert.
Die selektiven Deckschichten 55 können kleinere Brechungsindizes aufweisen als der Wellenleiter 22 oder sie können größere Brechungsindizes aufweisen als der Wellenleiter, wenn die selektive Deckschicht 55 ausreichend dünn im Vergleich zur Wellenleiterdicke ist, oder diese können auch Brechungsindizes aufweisen, die variabel sind, wenn diese der zu messenden Umgebung ausgesetzt sind. Beispielsweise kann eine lokale chemische Wechselwirkung, etwa als kovalente Bindung, als Wasserstoffbindungsabsorption oder Adsorption oder dergleichen zwischen einer chemischen Komponente der Umgebung und einer chemisch reagierenden selektiven Deckschicht 55 eine Änderung des Brechungsindex im Verhältnis zu der Konzentration oder der Stärke der Komponente der Umgebung führen. Die Änderung des Brechungsindex beeinflusst die Lichtausbreitung durch das von der selektiven Deckschicht bedeckten Gebiet. Die chemische Bindung zwischen der Umgebungssubstanz, die getestet wird, und der chemisch reagierenden selektiven Deckschicht 55 kann auch Änderungen in der Gesamtkonfiguration (für gewöhnlich der Dicke) der selektiven Deckschicht führen, wodurch die Lichtausbreitung durch das von der selektiven Deckschicht bedeckten Gebiet beeinflusst wird. Die Größe der Änderung der Lichtausbreitung durch das Gebiet kann zu der Konzentration der Umgebungskomponenten oder einer anderen Eigenschaft der Umgebung korreliert sein. In einer bevorzugten Ausführungsform für einen Ammoniakgassensor kann die selektive Deckschicht ein Dünnfilm aus Polyvinylalkohol sein, wobei ein Protonaustausch zwischen dem Ammoniakgas und dem Polyvinylalkoholfilm eine Änderung des Brechungsindex des Polyvinylalkoholfilms proportional zu der Konzentration des vorhandenen Ammoniaks bewirkt.
Wie in 8A gezeigt ist, kann die Umgebung selbst als eine selektive Deckschicht für das Erfassen einer physikalischen Eigenschaft der Umgebung dienen. In diesem Falle wird das Signalgebiet 54 durch einen Teil des Wellenleiters definiert, der keine selektive Materialbeschichtung erhält. Das Referenzgebiet 52 ist mit der schützenden Deckschicht 60 bedeckt, so dass dieses unbeeinflusst oder verschieden beeinflusst wird durch die Einwirkung der Umgebung. Hierbei tritt eine Wechselwirkung zwischen der oberen Wellenleiterfläche 28 und der Umgebung direkt auf. Ein Feuchtigkeitssensor, der auf die relative Feuchtigkeit reagiert, ist ein Beispiel, in der die Umgebungsfeuchtigkeit lokal mit der oberen Wellenleiterfläche 28 reagiert, wodurch eine lokale Änderung des Brechungsindex des Signalgebiets 54 bewirkt wird.
Ein spezielles in 8B gezeigtes Beispiel einer chemisch reagierenden Schicht zur Verwendung mit dem Sensor 10 ist ein Beispiel, in dem die selektive Deckschicht 55 eine Schicht aus Biomolekülen ist, die zur Haftung an der Wellenleiterfläche gezwungen werden, wo die Biomoleküle ein Element eines molekularen Bindungspaares werden. Es können beispielsweise Antigene, Antikörper, Enzyme, Lektine oder einreihige Nukleinsäure an das Signalgebiet 54 der Wellenleiterfläche gebunden sein. In diesem Falle sagt man, dass das Signalgebiet 54 funktionalisiert ist, um spezifische molekulare Bindungen hervorzubringen. Wenn eine Lösung, die das andere Element des Bindungspaares enthält, auf den Sensor einwirkt, ändert die spezielle molekulare Bindung zwischen dem Bindungspaar und Brechungsindex des Wellenleiters in dem Signalgebiet 54. Als Folge davon wird die Phase des Signalstrahls geändert und eine Vereinigung des Signalstrahls S₂ mit dem Referenzstrahl S₁ liefert Informationen hinsichtlich der Anwesenheit des zweiten Elements des Bindungspaares. In einer bevorzugten Ausführungsform zur Erfassung des Grippevirus A kann die selektive Deckschicht eine Schicht aus monoklonalen Antikörpern sein, die speziell für die NP-Proteine der Influenza A sind.
Da die selektive Deckschicht 55 selbst eine spontane Wirkung auf den Brechungsindex des Wellenleiters und auf die Lichtausbreitung, selbst ohne Einwirkung der Umgebung auf den Sensor, ausüben kann, kann es notwendig werden, den Wellenleiter zu normieren. Dies wird bewerkstelligt, wie in 8C gezeigt ist, durch Hinzufügen einer Schicht der speziellen selektiven Deckschicht 55 zu dem Referenzgebiet 52, und durch an schließendes Bedecken der selektiven Deckschicht 55, die auf das Referenzgebiet 52 aufgebracht ist, mit einer schützenden Deckschicht 60. Die schützende Deckschicht 60 bildet eine optisch unempfindliche Schicht, so dass, wenn der Sensor der Umgebung ausgesetzt wird, die Umgebung keine Wirkung auf den Brechungsindex der selektiven Deckschicht 55 ausübt, die das Referenzgebiet 52 definiert, oder keine Wirkung auf die Lichtausbreitung durch das Referenzgebiet 52 ausübt. Schützende Deckschichten können beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Polytetrafluoroethylen hergestellt sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Sensor 10 ausgebildet sein, um elektrische Felder in der Umgebung durch Bereitstellen einer selektiven Deckschicht 55 zu messen, deren Brechungsindex sich in Reaktion auf die angelegten elektrischen Felder ändert, oder durch Herstellen des planaren Wellenleiters 22 oder des Substrats 20 aus einem Material, das auf die angelegten elektrischen Felder reagiert. In ähnlicher Weise ist der Sensor ausgebildet, um die magnetischen Bedingungen oder mechanischen Kräfte in der Umgebung zu messen, indem eine selektive Deckschicht 55 oder indem der ebene Wellenleiter 22 oder das Substrat 20 aus einem Material aufgebaut sind, dessen Brechungsindizes sich in Reaktion auf das Einwirken jeweils eines magnetischen Feldes oder mechanischer Kräfte ändern. Materialien mit einem Brechungsindex, der sich in Reaktion auf die angelegten elektrischen Felder ändert, schließen beispielsweise Polyvinylden oder Lithiumniobat ein. Materialien mit einem Brechungsindex, der sich in Reaktion auf ein magnetisches Feld ändert, schließen beispielsweise Nickel-Polymerstrukturen mit ein. Materialien mit einem Brechungsindex, der sich in Reaktion auf eine mechanische Kraft ändert, schließen beispielsweise Polymere, etwa Polystyren oder Methylmethacrylat mit ein.
Wenn Licht in den ebenen Wellenleiter 22 durch das Einkoppelgitter 32 eingeführt wird und sich durch die Gebiete 52 und 54 ausbreitet, sieht das evanszente Feld des Signalstrahls S₂ das auf das Signalgebiete 54 aufgetragene selektive Material und als Folge davon wird die Phase des Signalstrahls S₂ geändert. Nach der Vereinigung (Ablenkung) mit dem ungeänderten oder anders geänderten Referenzstrahl S₁ mittels des Phasengitters 36 bildet sich die resultierende Phasenverschiebung als sinusförmige Intensitätsschwankung in beiden Ausgangsstrahlen M₁ und M₂ aufgrund der Interferenzwirkungen aus. Die Intensitäten der Ausgangsstrahlen M₁ und M₂ werden durch die folgenden Gleichungen für die Ausgangsstrahlintensität beschrieben:
Diese Gleichungen zeigen, dass die Größe der Änderung der Ausgangsstrahlintensitäten eine Funktion der Länge L des Strahlverarbeitungsgebiets 17 mal der Differenz der effektiven Brechungsindizes der Gebiete 52 und 54 ist. Somit ist für eine Änderung in der Umgebungsbedingung, die den Brechungsindex des Signalgebiets 54 ändert, die Empfindlichkeit des Sensors 10 direkt proportional zur Länge L.
Der integrierte optische Lichtblock 34 trägt dazu bei, die Wellenleitergebiete 52 und 54 als stärker unterscheidbar zu definieren, indem das Licht blockiert wird, das sich innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs entlang der Mitte des Wellenleiters aus parallel zu den Gebieten 52 und 54 entlang gegenüberliegender innerer Ränder der Gebiete 52 und 54 ausbreitet. Der Lichtblock 34 ist aus einem undurchsichtigen und lichtabsorbierenden Material aufgebaut und verhindert, dass sich Licht, das wieder in der Eigenschaft dem aus dem Signalgebiet 54 noch dem aus dem Referenzgebiet 52 kommenden Licht ähnelt, sich mit dem Licht der Lichtstrahlen S₁ und S₂ mischt, wodurch die Sensorempfindlichkeit verringert würde.
Wie zuvor beschrieben ist, laufen die Strahlen S₁ und S₂ durch das Biprisma 35 und werden gebrochen, was in einer bevorzugten Ausführungsform typischerweise bei einem Winkel von 2 bis 3 Grad stattfindet, wodurch bewirkt wird, dass sich die Strahlen an dem Phasengitter 36 überlappen, wo Teile der Strahlen vereinigt werden. Während die Strahlen M₁ und M₂ spezielle Informationen über die Brechungsindexänderung und über die Umgebung bereitstellen, sind die Strahlen D₁ und D₂ nützlich für das Anzeigen von Betriebsschwankungen des Sensors aufgrund von beispielsweise Schwankungen in der eingekoppelten Leistung oder thermisch hervorgerufener Änderungen im Ausgangssignal. Daher können die Strahlen D₁ und D₂ verwendet werden, um die Strahlen M₁ und M₂ zu normieren und um damit störende Auswirkungen, die durch Leistungsschwankungen oder thermische Änderungen hervorgerufen werden, zu eliminieren.
Der Lichtdetektor für den Sensor kann Fotodetektorarrays 62 aufweisen, die entlang von Teilen eines Randes 64 der Wellenleiterstruktur 12 angeordnet sind. Jedes Fotodetektorarray 62 definiert eine Lichtempfangsfläche 66, die zu der Wellenleiterstruktur 12 hinzeigt, so dass an jeder Fläche 66 angebrachte Licht erfassende Elemente 68 in optischer Verbindung zu den Ausgangsstrahlen angeordnet sind. Wie in 1 und detaillierter in 1E gezeigt ist, sind die lichterfassenden Elemente 68 der Fotodetektorarrays 62 ausgebildet, die Lichtausgangsstrahlen aufzunehmen, wobei ein Teil 68a eines Arrays den Lichtstrahl D₁ empfängt, ein zweiter Teil 68b des gleichen Arrays den Lichtstrahl M₁ empfängt, und ein dritter Teil 68c des gleichen Arrays den Lichtstrahl S₂ empfängt, während die Lichtstrahlen D₂, M₂ und S₁ durch die lichterfassenden Elemente 68 des anderen Arrays empfangen werden. Die lichterfassenden Elemente 68 können beispielsweise ein ladungsgekoppeltes Element (CCD) oder mehrere diskrete PIN-Dioden aufweisen.
Alternative Einrichtungen zum Ankoppeln des Ausgangsstrahls 16 an die Fotodetektorarrays 62, im Gegensatz zum Anbringen der Arrays entlang dem Ausgangsrand 64 der Wellenleiterstruktur 12, sind möglich. Die Fotodetektorarrays 62 können an den Ausgangsstrahl 16 mittels Auskoppelgitter 33, Prismen 37 oder Spiegel 50 mit totaler interner Reflektion angekoppelt werden. Wie in 3D gezeigt ist, ist das Auskoppelgitter 33 eine integrierte optische Struktur, die auf dem ebenen Wellenleiter 22 angebracht oder in diesen eingebettet ist, ähnlich zu dem oben beschriebenen Einkoppelgitter 32. Das Auskoppelgitter 33 führt die Ausgangsstrahlen 16 aus dem Wellenleiter 22 heraus, durch das Substrat 20 und aus der unteren Substratfläche 24 unter einem Winkel heraus, der von der Periode des Gitters und der Wellenlänge der Lichtquelle abhängt. Wie in 3E gezeigt ist, ist das Prisma 37 ein im Querschnitt dreieckiges Element, das aus einem Material aufgebaut ist mit einem größeren Brechungsindex als der Wellenleiter 22. Das Prisma 37 führt die Ausgangsstrahlen 16 aus dem Wellenleiter 22 unter einem Winkel heraus, der von dem Brechungsindex des Prismas abhängt. Wie in 3F gezeigt wird, kann der Spiegel 50 mit totaler interner Reflektion so aufgebaut sein, dass eine polierte Abschrägung 39 an dem Ausgangsrand 64 des Wellenleiters 22 vorgesehen wird. Der Spiegel 50 mit totaler interner Reflektion führt die Lichtstrahlen 16 aus dem Wellenleiter 22 durch das Substrat 20 und aus der unteren Substratfläche 24 heraus unter einem Winkel, der von dem Winkel der Abschrägung abhängt. Wie in 3F gezeigt ist, beträgt ein bevorzugter Winkel 45 Grad. Ein anderes Mittel zum Ankoppeln der Ausgangsstrahlen 16 an die Fotodetektorarrays 62 besteht darin, die Licht erfassenden Elemente 68 in den Wellenleiter 22 zu integrieren. Eine derartige Integration kann erreicht werden durch Hybridtechniken (beispielsweise durch bündiges Anbringen der Elemente mit dem Wellenleiter) oder durch monolithische Techniken (d.h. Herstellen des Detektors gleichzeitig mit dem Wellenleiter).
Wie zuvor beschrieben ist, ändern sich die grafisch in 4 gezeigten Intensitäten der Ausgangsstrahlen M₁ und M₂ sinusförmig, wenn sich die Differenz zwischen den effektiven Brechungsindizes der Gebiete 52 und 54 linear ändern. Änderungen der sinusförmigen Muster der Intensitäten der Ausgangsstrahlen M₁ und M₂ können mit der zu messenden Umgebungsbedingung korreliert sein. Das Ausgangssignal des Strahls M₁ ist mit 180 Grad phasenverschoben zu dem Ausgangsstrahl M₂ aufgrund der Energieerhaltung. Die wertvollste und am wenigsten vieldeutige Information wird durch eine sinusförmige Anzeige am Punkt mit der höchsten Steigung oder dem Quadraturpunkt geliefert. Um sicherzustellen, dass die Intensität einer der Ausgangsstrahlen M₁ und M₂ immer in der Nähe des Quadraturpunkts liegt, ist vorzugsweise dafür zu sorgen, dass das Ausgangssignal bei M₁ um 90 Grad phasenverschoben ist zu dem Ausgangsstrahl M₂. Dies kann erreicht werden, indem ein ¼-Wellenfilter zwischen der Wellenleiterstruktur 12 und einem der Fotodetektorarrays 62 vorgesehen wird oder indem eine integrierte optische Komponente eine Phasengitterstruktur in den Wellenleiter, beispielsweise entlang des Weges einer der Strahlen M₁ oder M₂, eingefügt wird.
Das Strahlverarbeitungsgebiet 17 kann auch in mehr als ein Referenzgebiet 52 und/oder mehr als ein Signalgebiet 54 unterteilt sein. Beispielsweise zeigt die in 5 dargestellte Ausführungsform zwei Referenzgebiete 52, die als Paare mit zwei entsprechenden Signalgebieten 54 eingeteilt sind. Alternativ zeigt 6 mehrere Signalgebiete 54a, 54b, 54c, 54d, die sich alle das gleiche Referenzgebiet 52 teilen. Die oben dargestellte Analyse trifft für jedes Referenz- und Signalgebietpaar zu. Der Vorteil mehrerer Referenz- und/oder Detektionsgebiete in dem gleichen Sensor 10 liegt darin, dass die Herstellungsparameter, etwa die Materialien (vorzugsweise entsprechend den Materialeigenschaften, etwa optische Eigenschaften oder chemische Eigenschaften gewählt), die verwendet werden, oder die Anordnung (beispielsweise Form und Größe), die für die Wellenleiterstruktur 12 verwendet wird, kann für jedes Paar unterschiedlich sein. Dies ermöglicht es, dass zusätzliche unterschiedliche Informationen mittels der Fotodetektorarrays 62 erfasst werden können und erlaubt das Detektieren mehrerer Umgebungswirkungen und/oder eine verbesserte Signalverarbeitung.
Ein Beispiel einer verbesserten Signalverarbeitung besteht darin, jedes der zwei Referenzgebiete 52 und der Signalgebiete 54 in 5 so herzustellen, dass diese im Wesentlichen die gleich physikalische Länge aufweisen, und jedes der Signalgebiete mit der gleichen umgebungssensitiven selektiven Deckschicht 55 zu behandeln. Durch entsprechende Auswahl für die Konfigurationen und/oder die Materialien des Wellenleiters 22 oder des jeweils den Referenzgebieten 52 und den Signalgebieten 54 unterliegendem Substrat 20 kann ein Fachmann bewirken, dass jedes der beiden Referenz-Signal-Paare eine unterschiedliche konstante Phasenvorverschiebung F₀ und eine vernachlässigbare Empfindlichkeitsdifferenz aufweist. Die unterschiedlichen Konstantphasen bedeuten, dass das ansonsten nahezu identische Ausgangssignal, das von jedem Referenz-Signalpaar erzeugt wird, einen unterschiedlichen Bereich seines sinusförmig variierenden Interferenzmusters auf seine Fotodetektorarrays 62 abbildet. Durch Bilden einer Konstantphase mit π/2 (90°) Different zueinander kann sichergestellt werden, dass immer zumindest eines der Ausgangssignale in die Nähe der Quadratur abgebildet wird, wodurch relativ unempfindliche Ausgabegebiete vermieden werden.
Ein weiteres Beispiel einer verbesserten Signalverarbeitung ist in 7 gezeigt. 7 zeigt intern total reflektierende Elemente 81 und ein Fresnelreflektionselement 82, das detaillierter in 2 dargestellt ist. Wie in 7 gezeigt ist, ist die Ausgestaltung der Umweltempfindlichen Beschichtung 55 auf den Signalgebieten der Referenz-Signalpaare I ₁ (I_1r und I_1s) und I₂ (I_2r und I_2s) als die ansonsten nahezu identische Umweltempfindliche Beschichtung 55 auf dem Signalgebiet des Referenz-Signalpaares I₃ (I_3r und I_3s). Wie durch die angeführten Ausgangsstrahlintensitätsgleichungen gegeben und in den Ausgangsinterferenzmustem für jedes Referenz-Signalpaar gezeigt ist (I_1rs, I_1sr, I_2rs, etc.), vervielfacht die längere selektive Beschichtung 55 die Sensorwirkung im Verhältnis zur der Beschichtung. Insbesondere ist erkennbar, dass ein Variieren der Länge der Beschichtung die Steigung des Ausgangsinterferenzmusters bei Quadratur ändert. Diese Steigung ist die Phasenänderung des Interferometers (bei Quadratur) pro Einheitsänderung des zu messenden Umwelteffekts, die allgemein als die Empfindlichkeit des Interferometers bezeichnet wird. Die Referenz-Signalpaare I₁ und I₂ mit der größeren Länge liefern Information mit hoher Auflösung, während das Referenz-Signalpaar mit der kleineren Länge I₃ Information mit geringerer Auflösung hinsichtlich der gleichen Umwelteinwirkung liefert. In der in 7 gezeigten Ausführungsform wird die 90° Konstantphasenverschiebungsdifferenz zwischen den hoch auflösenden Referenz-Signalpaaren I₁ (I_1r und I_1s) und I₂ (I_2r und I_2s) durch geeignete Unterschiede in den Konfigurationen oder den Materialien des planaren Wellenleiters 22 oder des Substrats 20, das unter diesen Sensorgebieten liegt, bewirkt, wie dies zuvor beschrieben ist, und somit wird sicher gestellt, dass zumindest eines der beiden Signalpaare in der Nähe der Quadratur liegt. Ähnlich kann durch geeignete Wahl der Konstruktionsparameter der Wellenleiterstruktur 12 die Konstantphasendifferenz zwischen Signalpaar I₃ und I₁ minimiert werden. Das Referenz-Signalpaar I₄ (I_4r und I_4s), das keiner Einwirkung unterliegt, liefert Kontrollinformation.
Anzumerken ist, dass die vorhergehenden Signalverarbeitungsverfahren für einen beliebigen Sensor mit sich in einem planaren Konstrukt ausbreitenden elektromagnetischen Wellen anwendbar sind. Ferner sind dies anwendbar, unabhängig von der Anzahl oder der Art der sich in dem planaren Konstrukt ausbreitenden Moden. Somit tiefem die hier vorgestellten verbesserten Signalverarbeitungstechniken Verbesserungen für planare Konstrukte mit Kanalwellenleitern, etwa Mach-Zehnder-Interferometersensoren (d.h., US 4515430 ) sowie für planare Konstrukte mit planaren Wellenleitern, etwa wie die interferometrischen Sensoren, die detailliert in den US Patenten US 4940328 oder US 5120131 offenbart sind.
Selbstverständlich sind die obigen Ausführungsformen lediglich anschaulicher Natur. Obwohl die vorliegende Erfindung detailliert mit Bezug zu bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass Variationen und Modifizierungen an diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der hierin beschriebenen und in den Ansprüchen definierten Erfindung abzuweichen.

Claims

Vorrichtung zum Erfassen einer Eigenschaft einer Umgebung, deren Einwirkung die Vorrichtung ausgesetzt ist, mit: a. einer Einrichtung zum Erzeugen eines Strahls kohärenter Strahlung; b. einem ebenen Wellenleiter; c. einer Einrichtung zum Einkoppeln des Strahls in den ebenen Wellenleiter; d. mindestens einem Referenzgebiet in dem ebenen Wellenleiter; e. mehreren Signalgebieten in dem ebenen Wellenleiter, wobei jedes Signalgebiet mit mindestens einem Referenzgebiet als Paar angeordnet ist; f. mehreren Strahlkombiniereinrichtungen zum paarweise Kombinieren von Lichtstrahlanteilen, die von mindestens einem der Referenzgebiete ausgehen, mit Lichtstrahlanteilen, die von den Signalgebieten ausgehen, wodurch mehrere Ausgangsstrahlen erzeugt werden, von denen mindestens einer jedem Paar aus Referenzgebiet/Signalgebiet zugeordnet ist; und g. einer Einrichtung zum Bestimmen einer Intensität mindestens eines der Ausgangsstrahlen, h. wobei mindestens ein Konstruktionsparameter der Vorrichtung für mindestens eines der Paare aus Referenzgebiet/Signalgebiet unterschiedlich ist, wodurch ein Unterschied zwischen zumindest zweien der Ausgangsstrahlen bewirkt wird.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Unterschied zwischen zumindest zweien der Ausgangsstrahlen das Ausgangsinterferenzmuster eines Ausgangsstrahles umfasst, das zu demjenigen Paar der mehreren Paare aus Referenzgebiet/Signalgebiet gehört, das eine unterschiedliche Steigung bei Quadratur im Vergleich zu dem Ausgangsinterferenzmuster mindestens eines weiteren Ausgangsstrahls aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Unterschied zwischen mindestens zweien der Ausgangsstrahlen eine konstante Phasenversatzdifferenz umfasst.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Konstruktionsparameter ausgewählt sind für eine ebene Aufbaukonfiguration und/oder für ebene Aufbaumaterialien.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner eine Auflage über dem ebenen Wellenleiter aufweist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Konstruktionsparameter ausgewählt sind aus einer Gruppe von Parametern für: eine ebene Aufbaukonfiguration, ebene Aufbaumaterialien, eine Auflagenkonfiguration und Auflagenmaterialien.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner ein Substrat aufweist, das mit dem ebenen Wellenleiter in Kontakt ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Konstruktionsparameter ausgewählt sind aus einer Gruppe von Parametern für. eine ebene Aufbaukonfiguration, ebene Aufbaumaterialien, eine Substratkonfiguration und Substratmaterialien.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die konstante Phasenversatzdifferenz ungefähr 90° beträgt.