DE69818461T2 - Einrichtung zum lesen von spektrallinien in einem optischen spektrum - Google Patents

Einrichtung zum lesen von spektrallinien in einem optischen spektrum Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lesen von Spektrallinien, die in einem optischen Spektrum enthalten sind.
  • Ihr Anwendungsgebiet ist insbesondere das der optischen Kommunikationen.
  • Die Erfindung betrifft ganz besonders die Lichtleitfasersensoren-Netzwerke ("networks").
  • Diese letzteren umfassen vor allem die Lichtleitfaser-Vertormungssensoren-Netzwerke, und sehr oft fotoinduzierte Bragg-Gitter ("Bragg gratings"), welche Transducer-Bauteile des Typs Vertormung (ja sogar des Typs Druck oder Temperatur) bilden.
  • Eine der ersten Netzwerk-Architekturen, die veröffentlicht wurden, verwendet eine optische Quelle, deren Spektrum breiter ist als das Spektralband, das die Spektren des Bragg-Gitters enthält und analysiert sequentiell die durch die verschiedenen Sensoren reflektierten Wellenlängen (Wellenlängen-Demultiplexing, dann Spektralanalyse der verschiedenen Signale).
  • Zu diesem Thema kann man die Dokumente (1) und (4) konsultieren, die wie die anderen in der Folge genannten Dokumente am Ende der vorliegenden Beschreibung aufgelistet sind.
  • Solche Sensorennetzwerke können der Überwachung einer Struktur in folgenden Bereichen dienen: Hochbau, Tiefbau, Transporte, Luftfahrt und Raumfahrt.
  • STAND DER TECHNIK
  • Man kennt in der integrierten Optik vier Demultiplexing-Techniken: eine erste Technik mit einem geätzten Gitter ("grating"), eine zweite Technik mit Mach-Zehnder-Interferometern, eine dritte Technik mit einem Gitter des Typs Mikroleiter oder PHASAR (für PHASe-ARray) und eine vierte Technik mit abgeglichenen bzw. ausgeglichenen Mach-Zehnder-Interterometern oder 100%-Kopplern mit einem fotoinduzierten Bragg-Gitter identischer Art in den beiden Zweigen ("ADD-DROP multiplexer").
  • Die erste Technik nützt die Beugung des Lichts durch ein konkaves geätztes Gitter (mit zirkularem oder planem Austrittsfeld) mit blaze-Bereich hoher Ordnung.
  • Die vertikale Ätzung ist möglich im Falle von Siliciumdioxid-auf-Silicium-Leitern und kann eine Tiefe von 25 μm erreichen.
  • Zu diesem Thema kann man das Dokument (6) konsultieren.
  • Das Demultiplexer-Bauteil besteht dann aus einer Eingangsfaser, verbunden mit einem Planarleiter, der das Licht in Richtung eines geätzten Beugungsgitters sendet.
  • Im Falle des Gitters mit zirkularem Austrittsfeld werden das einfallende Licht und das gebeugte Licht, refokussiert mit mehreren Eintrittswinkeln, auf dem Rowland-Kreis lokalisiert.
  • Im Falle des Gitters mit planem Feld (s. Dokument (6)) sind die verstreuten stigmatischen Wellenlängenpunkte auf einer zum reflektierten Strahl rechtwinkligen ausgerichtet.
  • Da das Gitter durch Reflexion funktioniert, ist es metallisiert.
  • Das Ätzprofil des Gitters kann durch ein Ellipsensystem bzw. eine Ellipsengruppe gebildet werden, wie das Dokument (7) lehrt.
  • Der gebeugte Strahl wird in Einmodenleiter refokussiert, die zum Beispiel einen Modendurchmesser von 9 μm und einen Abstand von 16 μm haben, wie das Dokument (6) lehrt, oder in Fotodioden, die eine Stab bzw. eine Anordnung bilden, wie das Dokument (5) lehrt.
  • Das Gitter funktioniert vorzugsweise mit einer hohen Beugungsordnung (die von 4 in dem Dokument (6) bis 50 in dem Dokument (5) geht), mit der Absicht, ein Demultiplexing von hoher Dichte zu realisieren (für die Telekommunikationen).
  • Die zweite Technik beruht auf der Serienschaltung von mehreren Interferometern des Typs Mach-Zehnder, die alle bezüglich ihrer optischen Wege unausgeglichen bzw. unsymmetrisch sind, mit einem charakteristischen Unausgeglichenheitswert.
  • Zu diesem Thema kann man das Dokument (8) konsultieren.
  • Für einen Demultiplexer mit vier Kanälen verwendet man zum Beispiel zwei Interferometer, deren Unausgeglichenheiten jeweils ΔL1 und ΔL2 = ΔL1 + λ/4N, und ein drittes Interferometer 2·ΔL1 (typisch der Größenordnung 50 μm bis 100 μm), um eine Trennung zwischen Kanälen von 7,5 nm bis 1550 nm zu erhalten, wobei N der effektive Index der Mode ist.
  • Die dritte Technik verwendet ein optisches Phasengitter ("optical phase-array"), das durch eine Gruppe von parallelen Einmoden-Phasenschieberleitern gebildet wird, die zwei plane Eingangs- und Ausgangsleiter durch zirkulare Schnittstellen bzw. Grenzflächen verbinden.
  • Zu diesem Thema kann man das Dokument (9) konsultieren.
  • Mit den anderen zirkularen Schnittstellen bzw. Grenzflächen der planen Leiter sind Eingangsleiter und Ausgangsleiter verbunden.
  • Das durch irgendeinen der Eingangsleiter eingespeiste Licht breitet sich in dem planen Eingangsleiter aus und deckt die Gesamtheit der an der Schnittstelle bzw. Grenzfläche befindlichen Phasenschieberleiter ab.
  • Von einem Phasenschieberleiter zum anderen gibt es einen konstanten Wellenlängenunterschied, so dass die den planen Ausgangsleiter verlassenden Lichtstrahlen interferieren, als wären sie durch ein schräges konkaves Beugungsgitter reflektiert worden.
  • Die durch die Phasenschieberleiter bewirkte Verschiebung des optischen Wegs erzeugt denselben Effekt wie eine Schrägstellung der Wellenfront in Bezug auf die Schnittstelle bzw. Grenzfläche.
  • Das PHASAR, das durch Transmission funktioniert, verhält sich also wie ein konkaves Beugungsgitter sehr hoher Ordnung (ungefähr 50 bis 100) und großer Multiplexing-Fähigkeit.
  • Zu diesem Thema kann man das Dokument (10) konsultieren.
  • Je größer die Anzahl der Phasenschieberleiter, um so besser die Spektralauflösung.
  • Zum Beispiel werden in dem Dokument (11) 60 Phasenschieberleiter verwendet.
  • Um die Polarisationsabhängigkeit dieser Schaltung aufzuheben, ist eine mögliche Lösung das Einfügen eines Halbwellenleiterplättchens inmitten der durch die Phasenschieberleiter gebildeten optischen Schaltung.
  • Die vierte Technik benutzt abgeglichene bzw. ausgeglichene Mach-Zehnder-Interferometer oder 100%-Koppler mit einem fotoinduzierten Bragg-Gitter von identischer Art in beiden Zweigen. Das Licht wird am Port 1 eingespeist und am Port 3 abgestrahlt (100% Kopplung), für alle Wellenlängen, die sich von der Bragg-Wellenlänge unterscheiden; das Licht mit der Bragg-Wellenlänge wird selektiv am Port 2 reflektiert. Zu diesem Thema kann man zum Beispiel das Dokument (29) konsultieren, dem die Angaben zu der Beschreibung der vierten Technik im vorliegenden Absatz entnommen wurden.
  • Drei Materialarten werden verwendet, um die Bauteile zu realisieren, die in den vier vorhergehenden Techniken benutzt wurden: Glas, Siliciumdioxid auf Silicium und Halbleiter des Typs InP.
  • Insbesondere wurden geätzte Gitter und PHASARs in integrierter Optik auf Silicium realisiert, während Demultiplexer mit Interferometern in integrierter Optik auf Silicum oder auf Glas realisiert wurden.
  • Die Bauteile, mit denen diese vier bekannten Techniken angewendet werden, sind nur Demultiplexer, die nur dazu dienen, verschiedene spektrale Beiträge zu trennen.
  • Diese Bauteile ermöglichen nicht, die Bragg-Wellenlängen mit der erwünschten Genauigkeit direkt zu bestimmen.
  • Außerdem erfordern diese Techniken einen Kompromiss zwischen Diaphonie ("cross talk") und besetztem Spektralraum.
  • Die Diaphonie, das heißt die Lichtkopplung zwischen den Ausgängen, muss minimiert werden, denn sie trägt dazu bei, die Wellenlängenmessungen zu verfälschen.
  • Es wird eine typische Diaphonie von –25 dB bis –30 dB gesucht und die spektrale Besetzung entsprechend deduziert.
  • Im Falle eines Beugungsgitters in integrierter Optik auf Silicium, wird die Lichtkopplung zwischen den Ausgängen durch die Diffusion in dem Leiter (aufgrund der Unvollkommenheit der Ätzung) und durch die Kopplung zwischen den Ausgangsleitern bewirkt, wenn diese zu nahe sind.
  • Zwischen den Zentren von zwei benachbarten Spektralkanälen, beträgt die typische Diaphonie ungefähr –20 dB bis –35 dB, während sie an der Schnittstelle der diesen Kanälen entsprechenden Übertagungsfunktionen nur noch –10 dB bis –15 dB beträgt (in der Mitte der Spektralpenode).
  • In diesem Fall ist also ein nicht durch einen Transducer besetzter spektraler Raum nötig, um das Minimum an notwendiger Diaphonie zu garantieren.
  • Diese typische Diaphonie wird erreicht mit einer spektralen Besetzung der Größenordnung 0,8 nm bei 2 nm Periode (s. die Dokumente (5) und (6)).
  • Die Charakteristika der Diaphonie und des besetzten Raums des PHASAR und des geätzten Gitters sind äquivalent.
  • Eine typische Diaphonie besser als –30 dB wird im Falle des Dokuments (11) für eine spektrale Besetzung von 0,8 nm und eine Perode von 2 nm mit 60 Phasenschieberleitern und einer Beugungsordnung gleich 60 erreicht.
  • Im Falle der Mach-Zehnder-Interferometer hängt die Diaphonie von der Anpassungsgenauigkeit der Trennungskoppler (3dB-Koppler) ab.
  • Zum Beispiel wird in dem Dokument (8) ein Demultiplexer beschrieben, der durch drei Interterometer gebildet wird, die durch drei 3,1 dB-Koppler (anstelle von 3 dB-Kopplern) gebildet werden und gekennzeichnet sind durch eine Diaphonie von ungefähr –20 dB.
  • In dem Dokument (4) wird auch ein Demultiplexer vorgeschlagen, der eine Kollimationsvorrichtung des zu analysierenden Lichts einschließt und eine Serie von Durchlassbandfiltern, in Kaskadenschaltung und Fotodetektoren zugeordnet.
  • Aus diesem Grund sind die Reproduzierbarkeit und die Zuverlässigkeit dieses Demultiplexers ungenügend für eine Anwendung in Mikrosystemen.
  • Zudem hängt die minimale Diaphonie, die man mit diesem Demultiplexer erzielen kann, von der Reflexion der verwendeten Durchlassbandfilter ab (die typisch Antireflex-Beschichtungen von –20 dB aufweisen) und hängen außerdem stark von der Polarisation des analysierten Lichts ab (die Filter sind auf 45° ausgerichtet).
  • Schließlich eignet sich ein solcher Multiplexer nicht für eine Serienfertigung, die den Bedürfnissen des Marktes für Industriesensoren entspricht.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung schlägt eine Lesevorrichtung (vorzugsweise integriert) der Spektrallinien vor, die in einem optischen Spektrum enthalten sind, wobei diese Vorrichtung Demultiplexing- und Messeinrichtungen (vorzugsweise integriert) umfasst und eine kleine Reaktionszeit (und ein großes Frequenzdurchlassband) aufweist, kostengünstig ist und eine optimierte "flexible" Herstellung ermöglicht.
  • Diese Lesevorrichtung ermöglicht dann, Mikrosysteme zur Verformungsmessung zu konzipieren, die in Echtzeit funktionieren, in einem breiten Frequenzbereich, der sich bis zu den Ultraschallfrequenzen erstreckt.
  • Das Funktionsprinzip dieser Lesevorrichtung nutzt Techniken, die für die optischen Telekommunikationen entwickelt wurden. Jedoch, im Gegensatz zu dem, was auf letzterem Gebiet gemacht wird, nutzt die vorliegende Erfindung nicht nur das Demultiplexing verschiedener Kanäle (die zum Beispiel verschiedenen Sensoren entsprechen), sondern ermöglicht auch das Messen der diesen Kanälen entsprechenden Wellenlängen.
  • Die vorliegende Erfindung löst das Problem der Konzeption einer Spektrallinien-Lesevorrichtung
    • – die eine große Multiplexingkapazität hat, um die simultane Beobachtung einer großen Anzahl von Transducern zu ermöglichen, typisch 8 oder mehr, mit einer sehr geringen Lichtkopplung (Diaphonie) zwischen ihren Ausgängen, typisch ungefähr –25 dB bis –30 dB,
    • – die ein sehr großes Frequenzdurchlassband hat, zum Beispiel ungefähr 100 kHz,
    • – die in ein Planarsubstrat integriert werden kann,
    • – die eine große Fertigungsflexibilität hat (denn sie ermöglicht die Anpassung der Abstimmungswellenlängen).
  • Genaugenommen hat die vorliegende Erfindung eine Lesevorrichtung für Spektrallinien zum Gegenstand, die in einem optischen Spektrum enthalten sind und jeweils in bestimmten Spektralbereichen fluktuieren können, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst:
    • – eine Wellenlängen-Demultiplexing-Einrichtung dieser Spektrallinien, wobei diese Demultiplexing-Einrichtung einen Eingang zum Empfangen des optischen Spektrums und Ausgänge zum Liefern der jeweiligen demultiplexten Spektrallinien hat,
    • – eine Einrichtung zum Messen – durch Filterung – der jeweiligen Wellenlängen der demultiplexierten Spektrallinien, für jede dieser Linien einen mit einem Filter versehenen Messkanal und einen Bezugskanal umfassend, und
    • – Fotodetektionseinrichtungen – für jede Spektrallinie – der jeweils durch den Mess- und den Bezugskanal übertragenen Lichtintensitäten, um die Wellenlänge dieser Linie bestimmen zu können, indem das Verhältnis der derart detektierten Intensitäten berechnet wird.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist also eine optische Vorrichtung, die auf einem planaren Substrat integriert werden kann und ermöglicht, eine Gruppe elektrischer Signale zu erhalten, die repräsentativ sind für Wellenlängen von Spektrallinien (wobei jede dieser Linien ausreichend von den benachbarten Spektrallinien getrennt ist).
  • Diese Spektrallinien können zum Beispiel von Reflexionen von Bragg-Gitter-Transducern stammen, fotoinduziert in einer empfindlichen optischen Monomodefaser, die Spannungen ausgesetzt ist oder Temperatur- und Druckschwankungen.
  • Noch allgemeiner können diese Spektrallinien von Transducern stammen, die Spektrallinien erzeugen, deren Positionen man bestimmen möchte.
  • Die Neuartigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht insbesondere auf der Tatsache, dass sie (vorzugsweise auf ein und demselben Substrat) einen Demultiplexingteil und einen Filtrier-Messteil umfasst.
  • Die Wellenlängen-Demultiplexingeinrichtung kann eine Demultiplexingeinrichtung mit geätztem Gitter oder mit Mikroleitergitter (oder PHASAR, schon weiter oben erwähnt) sein.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Demultiplexingeinrichtung:
    • – einen Energieseparator mit einem Eingang, dazu bestimmt das optische Spektrum zu empfangen, und einer Vielzahl von Ausgängen, fähig jeweils Anteile der Lichtenergie des optischen Spektrums zu liefern, und
    • – eine Vielzahl von wellenlängen-selektiven Lichtreflektoren, die jeweils mit den Ausgängen verbunden sind, wobei jeder wellenlängen-selektive Lichtreflektor ein Wellenlängen-Durchlassband hat, das den Spektralbereich enthält, der mit einer der Spektrallinien assoziiert ist und folglich nur diese Spektrallinie reflektiert, und jeder selektive Reflektor mit einem Lichtwellenleiter verbunden ist, der der Fortpflanzung bzw. Ausbreitung der durch diesen Reflektor reflektierten Spektrallinie dient.
  • Man kann einen Energieseparator bekannten Typs benutzen, zum Beispiel von der Art derjenigen, die durch die Firma Corning vertrieben werden. Dieser Energieseparator kann ein System von kaskadenförmigen, das heißt baumartigen Separatorverbindungen sein.
  • Jede Separatorverbindung kann vom Vielmodentyp sein, ist aber vorzugsweise vom Einmodentyp, insbesondere wenn das optische Spektrum, das demultiplexiert werden muss, durch eine optische Einmodenfaser übertragen wird, die mit dem Eingang der Vorrichtung verbunden ist.
  • Diese Separatorverbindungen können Koppler sein, zum Beispiel 3 dB-Koppler (so konzipiert, dass jeder ihrer beiden Ausgangskanäle die Hälfte der eintreffenden Lichtenergie transportiert).
  • Jedoch erfordert dies eine genaue Anpassung Kopplungslänge sowie des Zwischenraums zwischen den beiden gekoppelten Leitern in Abhängigkeit von der Wellenlänge.
  • Es ist daher in der vorliegenden Erfindung vorzuziehen, Y-förmige Separatorverbindungen zu benutzen. Diese Y-förmigen Verbindungen haben den Vorteil, achromatisch und unabhängig von der Polarisation zu sein.
  • Ein Vorteil der bevorzugten Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung beruht sowohl auf der sehr guten Wellenlängen-Abweisung, die eine sehr schwache Diaphonie gewährleiste, als auch auf der sehr großen Herstellungs-"Flexibilität".
  • In Bezug auf die in dem Dokument (4) beschriebene Vorrichtung hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, keine Kollimationseinrichtung zu benutzen, und sie ermöglicht die Integration aller ihrer Basisbauteile (Filter, Separatoren, ...), wobei das Licht in jedem Punkt der Vorrichtung geleitet wird.
  • Dies ermöglicht also, die weiter oben genannten Probleme zu lösen, nämlich mit einem großen Frequenzdurchlassband eine große Multiplexingkapazität mit sehr geringer Lichtkopplung zwischen Ausgängen zu erzielen (sehr schwache Diaphonie) und dabei bezüglich der Kosten, der Integration, der Robustheit und der Herstellungsflexibilität (Wellenlängenanpassung) den Bedürfnissen der instrumentellen Ausrüstung und der Sensoren zu entsprechen.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die selektiven Reflektoren Bragg-Gitter ("Brag gratings") umfassen. Diese Bragg-Gitter können fotoinduziert oder fotogeätzt sein.
  • Zudem können diese Bragg-Gitter Gitter mit variablen Perioden sein ("chirped gratings").
  • Man kann auch Gitter mit festen Perioden und maximaler (saturierter) Reflektivität verwenden, die man zum Beispiel durch Fotoinduktion unter einer sehr Fluenz erhält (um ihre Spektralempfindlichkeit zu vergrößern).
  • Die jeweils den Messkanälen zugeordneten Filter können Bragg-Gitter mit variabler Periode oder dielektrische Multischichtfilter sein, die untereinander verschieden sind, oder dielektrische Multischichtfilter, die untereinander gleich sind, oder Mach-Zehnder-Interterometer.
  • Die Demultiplexingeinrichtung und die Filtriermesseinrichtung können jeweils auf zwei Substraten integriert werden, die durch optische Fasern verbunden sind, welche dazu dienen, die demultiplexten Spektrallinien von der Demultiplexingeinrichtung zur Filtriermesseinrichtung zu übertragen.
  • Diese beiden Substrate können aus Glas oder aus Silicium sein, oder auch ein III-V-Halbleiter (wie zum Beispiel AsGa oder InP).
  • Jedoch sind die Demultiplexingeinrichtung und die Filtriermesseinrichtung vorzugsweise auf ein und demselben Substrat integriert, das aus Glas oder aus Silicium sein kann, oder auch ein III-V-Halbleiter.
  • Nach einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung, die sehr integriert ist, sind die Demultiplexingeinrichtung, die Filtriermesseinrichtung und die Fotodetektionseinrichtungen der Spektrallinien auf ein und demselben Substrat aus Silicium oder einem III-V-Halbleiter integriert.
  • Die Vorrichtung nach der Erfindung kann außerdem eine optische Faser umfassen, die optisch mit dem Eingang der Demultiplexingeinrichtung gekoppelt ist und die dazu dient, das optische Spektrum zu diesem Eingang zu übertragen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden Beschreibung von rein erläuternden und keinesfalls einschränkenden Ausführungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
  • die 1A bis 1D sind schematische Draufsichten von speziellen Ausführungsarten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine selbe Bragg-Gitter-Demultiplexingeinrichtung benutzt wird, wobei die 1B bis 1D diese Demultiplexingeinrichtung nur partiell zeigen,
  • die 2A bis 2D sind schematische Draufsichten von speziellen Ausführungsarten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine selbe Bragg-Gitter-Demultiplexingeinrichtung benutzt wird, wobei die 2B bis 2D diese Demultiplexingeinrichtung nur partiell zeigen,
  • die 3A bis 3D sind schematische Draufsichten von speziellen Ausführungsarten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der eine selbe Bragg-Gitter-Demultiplexingeinrichtung benutzt wird, wobei die 3B bis 3D diese Demultiplexingeinrichtung nur partiell zeigen,
  • die 4 zeigt das in der vorliegenden Erfindung benutzte Prinzip zur Bestimmung einer Wellenlänge mit Hilfe eines optischen Filters,
  • die 5 zeigt die Spektralempfindlichkeit dieses Filters, das einen linearen Teil aufweist,
  • die 6A bis 6D zeigen die Spektralempfindlichkeiten von diversen, in der vorliegenden Erfindung verwendbaren Filtern,
  • die 7 zeigt schematisch das in der Erfindung benutzte Spektraldemultiplexing-Prinzip,
  • die 8 zeigt ein Spektraldemultiplexing-Nomogramm,
  • die 9 ist eine schematische Draufsicht einer weiteren speziellen Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • die 10 ist eine schematische Ansicht eines Mikrosystems zur Messung von Verformungen oder Temperaturen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
  • die 11 und 12 zeigen schematisch zwei Demultiplexing-Möglichkeiten.
  • DETAILLIERTE DARSTELLUNG VON SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGSARTEN
  • In der Folge werden zwölf spezielle Ausführungsarten der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrachtet, die schematisch in der Draufsicht in den 1A bis 3D dargestellt sind.
  • Jede dieser Ausführungsarten dient der Bestimmung der Wellenlängen einer Vielzahl von Spektrallinien, zum Beispiel acht Spektrallinien, die ein optisches Spektrum bilden und jeweils in bestimmten Spektralbereichen fluktuieren können.
  • Jeder dieser speziellen Ausführungsarten umfasst:
    • – eine Wellenlängen-Demultiplexingeinrichtung DD dieser Spektrallinien, wobei diese Demultiplexingeinrichtung einen Eingang hat, der dazu dient, das optische Spektrum zu empfangen, und Ausgänge hat, die dazu dienen, jeweils die demultiplexten Spektrallinien zu liefern,
    • – eine Filtriermesseinrichtung DM der jeweiligen Wellenlängen der demultiplexten Spektrallinien, die für jede dieser Linien einen Messkanal VM mit einem Filter und einem Bezugskanal VR umfasst,
    • – Fotodetektionseinrichtungen MP für die jeweils durch die Mess- und die entsprechenden Bezugskanäle übertragenen Lichtintensitäten jeder Spekatrallinie, und
    • – eine externe optische Faser FE, die das Licht überträgt, das die verschiedenen Spektrallinien enthält und das optisch mit dem Eingang der Einrichtung DD gekoppelt ist.
  • Vorteilhafterweise sind die Einrichtungen DD und DM auf ein und demselben Substrat S integriert.
  • Die Demultiplexingeinrichtung DD kann gebildet werden durch:
    • – eine Folge von Einmoden-Y-Verbindungen, Bragg-Gittern zugeordnet (1A, 1B, 1C, 1D), oder
    • – ein geätztes Gitter (2A, 2B, 2C, 2D), oder
    • – ein PHASAR (3A, 3B, 3C, 3D), also drei spezielle Ausführungsarten.
  • Die Filtriermesseinrichtung DM kann umfassen:
    • – Bragg-Gitter mit variabler Periode, jedes einem Messkanal zugeordnet (1A, 2A, 3A), oder
    • – dielektrische Multischichtfilter, die für alle Messkanäle gleich sind (1B, 2B, 3B), oder
    • – dielektrische Multischichtfilter, die für alle Messkanäle verschieden sind (1C, 2C, 3C), oder
    • – Mach-Zehnder-Interferometer (1D, 2D, 3D), also vier spezielle Ausführungsarten.
  • Es handelt sich also um insgesamt 3 × 4 = 12 spezielle Ausführungsarten der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Drei anwendbare Herstellungstechniken sind die Integrierte-Optik-auf-Glas-Technik, die Integrierte-Optik-auf-Silium-Technik und die III-V-Halbleitertechnik (AsGa für die Wellenlängen um 0,8 μm und InP für die Wellenlängen um 1,3 μm).
  • Diese drei Techniken sind vorteilhaft, denn sie eignen sich gut für ein Herstellungsverfahren für kleine oder mittlere Serien, und die Substrate können fotoempfindlich gemacht werden (Glas, Silicium) oder fotoinduziert werden (III-V-Halbleiter).
  • Die Vorrichtungen der 1A bis 3D können in allen Techniken realisiert werden, mit Ausnahme der Vorrichtungen der 2A bis 2D, bei denen die Integrierte-Optik-auf-Glas-Technik nicht anwendbar ist.
  • Vorteilhafterweise sind alle dielektrischen Leiter, welche die Vorrichtungen der 1A bis 3D umfassen, für das optische Anregungsspektrum vom Einmodentyp.
  • Die externe Faser FE ist mit einer nicht dargestellten optischen Schaltung verschweißt oder verbunden, die eine oder mehrere empfindliche optische Fasern vereinigt. Sie bildet also die optische Schnittstelle mit dem äußeren Milieu (zugänglich für den Endbenutzer).
  • Vorteilhafterweise ist diese optische Faser FE vom Einmodentyp, für die Benutzungswellenlänge (typisch 1300 nm, 1550 nm oder auch 820 nm).
  • Die Verbindung Faser-Eingangsleiter der Einrichtung DD kann durch die Nuten- bzw. Rillentechnik ("V-groove") realisiert werden.
  • Zu diesem Thema beziehe man sich auf die Dokumente (15), (16), (18) und (19). Die Verbindung der Faser mit dem Leiter erfolgt im Allgemeinen durch Laserschweißung.
  • Diese Operation wird von mehreren Firmen ausgeführt, zum Beispiel der Firma Newport Co.
  • Vorteilhafterweise werden die Fotodetektionseinrichtungen MP durch eine Gruppe von Fotodioden oder eine Fotodiodenanordnung gebildet.
  • Es können Fotodiodenanordnungen wie die durch die Firma Centronics vertriebene verwendet werden.
  • Ein großes bzw. breites Frequenzdurchlassband (100 kHz) kann erreicht werden, indem man die Fotodioden als Fotoleiter arbeiten lässt und sie in eine elektronische Schaltung zum Beispiel des Transimpedanz-Typs integriert.
  • Alternativ, im Falle einer Integrierte-Optik-auf-Silicium-Technik, können die Fotodioden direkt in die Schaltung inkorporiert werden.
  • Zu diesem Thema kann man die Dokumente (15) und (16) konsultieren.
  • Wie man gesehen hat, dient die optische Faser FE als Schnittstelle zu der oder den Messfasern des Benutzers.
  • Ein Beispiel einer Messfaser ist eine empfindliche Faser, in der Bragg-Gitter für Transducer (Spannungen, Temperatur) fotoinduziert wurden.
  • Zu diesem Thema kann man sich auf die Dokumente (1), (2) und (3) beziehen.
  • Nach diesen Dokumenten schreibt sich die Gleichung des Spektralverhaltens eines in einer Faser induzierten Bragg-Gitters wie folgt: Δλ/λ = 0,78 × ε + 7,4 × 10–6 × ΔT – 5,18 × 10–6 × ΔP
  • In dieser Formel repräsentieren ε eine Mikroverformung und ΔT (in Grad) und ΔP (in MPa) entsprechen jeweils dem Temperaturunterschied und dem Druckunterschied.
  • Für alle Ausführungsarten betrachten wir zum Beispiel einen Verformungsmessbereich von 1000 με (eine Mikroverformung (με) entspricht einer relativen Verlängerung von 1 μm/m).
  • Der entsprechende Spektralabstand beträgt ungefähr 1 nm bei einer Arbeitswellenlänge von 1300 nm.
  • Ebenso beträgt der durch die Temperatur induzierte Spektralabstand für einen Temperaturbereich von 100°C 1 nm.
  • Der entsprechende Messbereich wird dann für jedes Messtransducer-Bragg-Gitter gleich 3 nm gewählt.
  • Zum Beispiel sind alle Transducer-Bragg-Gitter jeweils um 6 nm beabstandet, um eine Diaphonie von ungefähr –30 dB zu garantieren.
  • Für eine Anregungsquelle von ungefähr 48 nm Breite in halber Höhe entspricht dies einem Multiplexing von 8 Bragg-Transducern in der Messleitung.
  • In der Folge wird die Messtechnik der Wellenlängen mit Bezug auf die 4 und 5 erklärt.
  • Jede demultiplexte Spektrallinie wird zu dem Eingangszweig eines optischen Kopplers CO gesandt, der zwei Ausgangszweige hat, die jeweils einen Messkanal VM und einen Bezugskanal VR bilden.
  • Es handelt sich um einen optischen Koppler, dessen Separationsverhältnis stabil ist (insbesondere bezüglich der Temperatur).
  • Der Bezugskanal umfasst einen optischen Filter F (Wellenlängen-selektives Element) von bekannter Reaktion und mit einem starken Spektralübergang.
  • Zu diesem Thema kann man das Dokument (30) konsultieren.
  • Auf den Filter F folgt ein Fotodetektor P1, der ein elektrisches Signal s1 liefert, das repräsentativ ist für das durch diesen Filter gefilterte Licht.
  • Ein anderer Fotodetektor P2 schließt an den Bezugskanal an und liefert ein elektrisches Signal s2, das repräsentativ ist für das durch diesen übertragene Licht.
  • Aus Gründen der Spektrenabdeckung und der Transducer-Indentifizierung braucht man ebenso viele Paare von Fotodetektoren wie es zu beobachtende Spektrallinien gibt (und folglich typisch, Bragg-Transducer in der Messleitung).
  • Das Verhältnis s1/s2 kann elektronisch mit Hilfe einer analogen Karte CA bestimmt werden, die einen analogen Dividierer umfasst (mit zum Beispiel logarithmischen und antilogarithmischen Verstärkern) und einen Konformator, der ermöglicht, dieses Signal in ein Signal umzuwandeln, das proportional ist zu der gesuchten Wellenlänge.
  • Dieses Verhältnis kann auch digital durch einen Computer bestimmt werden, nach Umsetzung der Signale s1 und s2 in Digitalform mit Hilfe einer Analog-Digital-Erfassungskarte.
  • Die Spektrallinie eines Bragg-Transducers wird gut angenähert durch ein Gaußsches Profil, das zentriert ist auf eine Wellenlänge λi, die man messen will und mit einer charakteristischen Breite Δλ (und folglich in halber Höhe der Breite 2·(In2)1/2·Δλ).
  • Wenn für eine Wellenlänge λ nahe λi die Transmission des Filters sich A·(λ – λ0) schreibt, schreibt sich die Relation, welche die zentrale Wellenlänge λ der Spektrallinie mit dem Verhältnis s1/s2 verknüpft:
    Figure 00130001
    wo A und λ0 zwei charakteristische Parameter des Filters sind.
  • Man sieht also, dass man λi aus s1/s2 berechnen kann.
  • Die 5 stellt die Veränderungen der Transmission T(λ) des Filters dar, ausgedrückt zum Beispiel in Prozent, in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ.
  • Man hat die Spektralbreite Δ dargestellt, innerhalb der die λi-Spektrallinie variieren kann.
  • Der geradlinige Teil I von T(λ) ist im Wesentlichen in einer Geraden mit der Neigung A enthalten, welche die λ-Achse in λ0 schneidet.
  • Anschließend wird das Prinzip des Spektralfilterns für jeden der vier für die Filtriermesseinrichtung verwendbaren Filtertypen detailliert beschrieben.
  • Dabei wird Bezug genommen auf die 6A, 6B, 6C und 6D, die jeweils der Benutzung von Bragg-Gittern mit variablen Perioden, der Benutzung von für alle Messkanäle gleichen dielektrischen Multischichtfiltern, der Benutzung von für alle Messkanäle unterschiedlichen dielektrischen Multischichtfiltern und der Benutzung von Mach-Zehnder-Interterometern entsprechen.
  • In den 6A bis 6D sind die Variationen der diversen Spektralverhalten T (ausgedrückt in %) in Abhängigkeit von der Wellenlänge (ausgedrückt in nm) dargestellt.
  • Man sieht in diesen 6A bis 6D auch das Spektrum der Bragg-Gitter-Transducer, das die acht Spektrallinien enthält, deren Wellenlängen jeweils mit λ1 bis λ8 bezeichnet sind.
  • In der 6A sieht man die jeweiligen Spektralverhalten der acht Bragg-Messgitter, die jeweils mit T1 bis T8 bezeichnet sind und jeweils den Spektrallinien λ1 bis λ8 entsprechen, die man bestimmen will.
  • Diese Bragg-Messgitter haben jedes ein lineares Spektralverhalten um die Wellenlänge des entsprechenden Bragg-Transducers herum.
  • Man sieht in der 6B das allen gleichen dielektrischen Multischichtfiltern gemeinsame Spektralverhalten TS (Hochpassfilter in dem dargestellten Beispiel).
  • Man sieht in der 6C die jeweiligen Spektralverhalten t1 bis t8 der acht dielektrischen Multischichtfilter, zum Beispiel Hochpassfilter, mit den Spektrallinien λ1 bis λ8. Man sieht in der 6D das Spektralverhalten I des Mach-Zehnder-Interterometers, der dem Transducer zugeordnet ist, der die Spektrallinie der zentralen Wellenlänge λ1 liefert.
  • Das Spektralverhalten II des Mach-Zehnder-Interferometers, der dem Transducer zugeordnet ist, der die Spektrallinie der zentralen Wellenlänge λ2 liefert.
  • Die anderen Spektralverhalten, die jeweils den Wellenlängen λ3 bis λ8 entsprechen, sind nicht dargestellt.
  • Diese Interferometer haben Spektralperioden, die von einigen Nanometern bis einige zehn Nanometer gehen.
  • Die Demultiplexingeinrichtung DD, die Teil der Vorrichtung der 1A bis 1D ist, umfasst Energieseparationsverbindungen 2a, 2b, 2c, die kaskadenförmig geschaltet sind. Die Gesamtheit der Separationsverbindungen besitzen einen Eingang 4, der mit der Faser FE gekoppelt ist, sowie eine Vielzahl von Ausgängen 8, die fähig sind, jeweils Bruchteile der Lichtenergie des optischen Spektrums zu liefern.
  • Diese Separationsverbindungen sind vom Einmoden-Typ, wenn auch die Faser FE vom Einmoden-Typ ist.
  • In dem dargestellten Beispiel benutzt man, wenn man acht Spektrallinien separieren will, sieben kaskadenförmig geschaltete Separationsverbindungen (s. Dokument (13)), nämlich eine Bezugsverbindung 2a, zwei Bezugsverbindungen 2b und vier Bezugsverbindungen 2c.
  • Man verfügt also für die Gesamtheit dieser Separationsverbindungen über acht Ausgänge 8.
  • Man benutzt als Separationsverbindungen vorzugsweise Y-Verbindungen.
  • Eine Y-Verbindung wird gebildet durch einen Eingangsleiter und zwei Ausgangsleiter, die einen Winkel bilden (typisch einige Grad).
  • Man sieht in den 1A bis 1D, dass der Eingangszweig der Verbindung 2a optisch mit der optischen Faser FE gekoppelt ist und den Eingang 4 aller Verbindungen bildet.
  • Zwei Ausgangszweige dieser Verbindung 2a sind jeweils gekoppelt mit den Eingangszweigen der beiden Verbindungen 2b.
  • Jeder der Ausgangszweige dieser Verbindungen 2b ist selbst mit dem Eingangszweig von einer der vier Verbindungen 2c gekoppelt.
  • Die acht Ausgangszweige dieser Verbindungen 2c bilden die Ausgänge 8 aller Verbindungen und sind jeweils mit acht Bragg-Gittern 12 verbunden.
  • Jedes dieser Bragg-Gitter 12 bildet einen wellenlängen-selektiven Lichtreflektor.
  • Dieser Lichtreflektor hat ein Wellenlängen-Durchlassband, das den Spektralbereich enthält, in dem eine der acht Spektrallinien fluktuiert.
  • Das Bragg-Gitter reflektiert also nur diese Spektrallinie.
  • Jedes der Bragg-Gitter 12 ist nicht nur auf einer Seite mit einem der Ausgänge aller Verbindungen 2a, 2b, 2c gekoppelt, sondern auch noch mit derselben Seite mit einem optischen Wellenleiter 14 verbunden, der dazu bestimmt ist, das der demultiplexten, durch dieses Bragg-Gitter reflektierten Spektrallinie entspricht.
  • In Fall der 1A, 1B und 1C ist jeder Wellenleiter 14 mit dem Eingangszweig des entsprechenden Kopplers CO verbunden, der Teil der Messeinrichtung DM ist.
  • Im Fall der 1A trägt der Ausgangszweig VM dieses Kopplers ein Bragg-Gitter mit variabler Periode RB (als Filter dienend).
  • In dem Fall der 1B enden die Ausgangszweige VM bei gleichen dielektrischen Multischichtfiltern FU, wobei jeder Filter FU in dem dargestellten Beispiel mit jeweils zwei benachbarten Zweigen VM verbunden ist.
  • In dem Fall der 1C enden die Ausgangszweige VM bei unterschiedlichen dielektrischen Multischichtfiltern FU, wobei jeder Filter FU in dem dargestellten Beispiel mit jeweils zwei benachbarten Zweigen VM verbunden ist.
  • In dem Fall der 1D ist jeder Leiter 14 mit den beiden Eingangszweigen des entsprechenden Mach-Zehnder-Interterometers MZ verbunden und die beiden Ausgangszweige von diesem (den beiden Ausgangszweigen des Kopplers CO vergleichbar) enden jeweils bei den beiden zugeordneten Fotodioden (nicht dargestellt), die Teil der Einrichtungen MD sind.
  • Das Substrat S ist aus praktischen Gründen bezüglich der Herstellung der Y-Verbindungen und der Bragg-Gitter zum Beispiel aus Glas oder aus Silicium.
  • Es sei präzisiert, dass die Vertikal- und Horizontalmaßstäbe der 1A bis 1D verschieden sind.
  • Rein erläuternd und keinesfalls einschränkend kann man annehmen, dass die Bragg-Gitter 12 sich in einer selben Richtung D erstrecken und die Abmessung der 1A bis 1D in dieser Richtung ungefähr 70 mm beträgt, während die Abmessung in der zu der vorhergehenden senkrechten Richtung ungefähr 5 mm beträgt.
  • Es sei präzisiert, dass die Lichtenergie, die jede Y-Verbindung durch deren Eingangszweig erreicht, sich jeweils zur Hälfte in dem einem und dem anderen Ausgangszweig dieser Verbindung wiederfindet.
  • Hingegen gelangt von der Lichtenergie in einem Ausgangszweig einer Y-Verbindung nur die Hälfte in den Eingangszweig der nachfolgenden Verbindung. Der Rest dieser Energie wird in das Substrat S übertragen.
  • Zu diesem Thema kann man das Dokument (20) konsultieren.
  • Für den Demultiplexer mit acht Ausgangskanälen der 1A bis 1D beträgt der Prozentsatz an eintreffender Lichtenergie, die nach der Reflexion durch das entsprechende Demultiplexing-Bragg-Gitter 12 in jedem optischen Wellenleiter präsent ist, ungefähr 3 dieser eintreffenden Energie, wobei die Dämpfung also ungefähr –15 dB beträgt.
  • Die 7 zeigt schematisch das Funktionsprinzip der Wellenlängen-Demultiplexing-Einrichtung der 1A bis 1D.
  • Das Licht, das man analysieren will, enthält die acht Spektrallinien, deren Wellenlängen in der 7 jeweils mit λ1 bis λ8 bezeichnet sind.
  • Die Spektralbreite jeder dieser Linien beträgt zum Beispiel 0,1 nm.
  • In der 7 sind die Wellenlängen λ auf der Abszissenachse aufgetragen, in nm, während die Lichtleistungen P auf der Ordinatenachse aufgetragen sind, in dB.
  • Das Licht, das man demultiplexen will, wird zunächst hinsichtlich der Lichtenergie durch die Y-Verbindungen gleichgewichtig getrennt.
  • Zu diesem Thema kann man das Dokument (13) konsultieren.
  • Jeder der Ausgänge der Gesamtheit der Y-Verbindungen endet bei einem Demultiplexing-Bragg-Gitter, das als Breitband-Reflektor dient.
  • Man sieht in der 7 die jeweiligen Spektraltransferfunktionen F(λi) der acht Bragg-Gitter (i = 1 bis 8), von denen jedes den Spektralevolutionsbereich einer Spektrallinie (Spektralbreite von ungefähr 0,1 nm) des optischen Spektrums der eintreffenden Lichtenergie enthält.
  • Zum Beispiel beträgt die Sektralbreite (bei –3 dB) ungefähr 3 nm für jede Transferfunktion.
  • Man sieht auch das Anregungsspektrum SE der Bragg-Gitter-Transducer, deren Spektralbreite ungefähr 50 nm beträgt.
  • Die Überschneidung der durch zwei benachbarte Spektraltransfertunktionen abgegrenzten Bereiche ist sehr gering.
  • Die Bragg-Gitter können fotoinduziert oder fotogeätzt sein.
  • In dem Fall der Anwendung einer Fotoätz- oder Fotoinduktionstechnik können diese Gitter Gitter mit variablen Peroden ("chirped gratings" genannt) sein.
  • Die Gitter mit variablen Perioden können als eine Gesamtheit von Gittern mit benachbarten Wellenlängen sein, in Reihe angeordnet.
  • In dem Fall der Anwendung einer Fotoinduktionstechnik können die Gitter fotoinduziert sein, unter sehr starker Fluenz, um ihr Spektralverhalten zu sättigen.
  • Im Fall der 2A bis 2D wird die Demultiplexingeinrichtung durch einen schon weiter oben erwähnten Demultiplexer mit geätztem Gitter gebildet (s. auch die Dokumente (5), (6) und (7)).
  • In dem dargestellten Beispiel handelt es sich um ein Beugungsgitter mit planem Feld 20, versehen mit einem Eingangsleiter 22, der mit der Faser FE gekoppelt ist, und Ausgangsleitern 24, deren Anzahl derjenigen der Spektrallinien entspricht (8 in den betrachteten Beispielen).
  • Wie in dem Fall der 1A bis 1D ist jeder Ausgangsleiter 24 mit der Filtriermesseinrichtung DM verbunden und folglich mit einem Koppler CO (Fall der 2A bis 2C) oder mit einem Interferometer MZ (Fall der 2D).
  • In dem Fall der 3A bis 3D wird die Demultiplexingeinrichtung durch einen schon weiter oben erwähnten Demultiplexer mit Mikroleitern oder PHASAR 26 gebildet (s. auch die Dokumente (9), (10) und (11)).
  • Bei dem dargestellten Beispiel handelt es sich um ein 1×N-PHASAR, mit N = 8, da man davon ausgeht, dass 8 Spektrallinien demultiplext werden müssen.
  • In den 3A bis 3D sieht man den planen Eingangsleiter 28 und den planen Ausgangsleiter 30 dieses PHASAR.
  • Diese planen Leiter 28 und 30 sind durch ein System von Phasenschiebern 32 verbunden und der plane Eingangsleiter ist mit einem Eingangsleiter 34 gekoppelt, der seinerseits mit der Faser FE gekoppelt ist, während der plane Ausgangsleiter mit N(= 8) Ausgangsleitern gekoppelt ist.
  • Man sieht auch das Halbwellenlängenplättchen 37, mit dem das System 32 ausgestattet ist (beispielsweise und nicht einschränkend).
  • Wie im Fall der 1A bis 1D ist jeder Ausgangsleiter 36 mit der Filtiermesseinrichtung DM verbunden und folglich mit einem Koppler CO (Fall der 3A bis 3C) oder mit einem Mach-Zehnder-Interterometer MZ (Fall der 3D).
  • Betrachten wir nun die Empfindlichkeit der Messung der Wellenlängen der Spektrallinien.
  • Die Energieverluste jeder der Vorrichtungen der 1A bis 3D können kompensiert werden durch die Tatsache, dass die gesamte Energie jeder Spektrallinie analysiert wird, im Gegensatz zu einer Messung durch ein selektives Element zum Beispiel des Typs Fabry-Perot, das jede Spektrallinie abtastet (s. Dokument (3)).
  • Berücksichtigen bzw. betrachten wir einen optischen Gesamtverlust von 30 dB für eine Vorrichtung (Verbindungsverluste eingeschlossen).
  • Die meisten der Superlumineszenz-Dauerlichtquellen emittieren typisch einige mW über einige zehn nm Spektralbreite.
  • Dies entspricht einer Anregungs-Spektraldichte von ungefähr 1 mW/10 nm, also 10 μW/Å.
  • Da die typische Spektralbreite eines Transducer-Bragg-Gitters bekanntlich ungefähr 0,1 nm beträgt, beträgt die durch die externe optische Faser FE gelieferte Leistung ungefähr –20 dBm (10 μW).
  • Die in Höhe der Fotodetektorenanordnung analysierte Leistung beträgt also –40 dBm.
  • 1) In dem Fall eines Filterns durch Bragg-Gitter mit variablen Perioden (1A, 2A, 3A) kann die Neigung ungefähr 20% pro nm betragen, was eine typische Resolution von einigen 10 Mikroverformungen (με) definiert.
  • Das Umwandlungsgesetz ist, wo I1 die Lichtintensität des Messkanals ist und I2 die Lichtintensität des Bezugskanals.
  • 2) In dem Fall des einzigen dielektrischen Multischichtfilters (1B, 2B, 3B) gewährleistet ein Spektralübergangsfilter des Hochpass- oder Niederpasstyps eine Neigung 2,5% pro nm.
  • Die Gesamtspektralbreite für acht Transducer beträgt ungefähr 3 × 8 = 24 nm.
  • Die Auflösung liegt dann in der Größenordnung von einigen hundert με für jeden Transducer (s. das Dokument (30)).
  • Das Umwandlungsgesetz ist mit dem identisch das weiter ober für den Fall 1 angegeben wurde.
  • 3) Im Fall der 1C, 2C, 3C können die dielektrischen Multischichtfilter vom Typ Fabry-Perot mit Niederpass-Spektraltransmission sein, was einen Neigung von ungefähr 20% bis 25% pro nm gewährleistet.
  • Die erhaltene Verformungsgenauigkeit bei der Messung eines einzigen Transducers beträgt dann einige zehn με.
  • Das Umwandlungsgesetz ist mit dem identisch, das weiter oben für den Fall 1) angegeben wurde.
  • 4) im Fall der 1D, 2D, 3D wird ein Mach-Zehnder-Interferometer mit einem Zweiglängenunterschied von ungefähr 100 μm durch eine typische Spektralperiode von 10 nm charakterisiert (bei einer Wellenlänge des UV-nahen Typs).
  • Über 3 nm Spektralevolution entspricht die Neigung ungefähr 20% pro nm.
  • Die Verformungsgenauigkeit entspricht also derjenigen, die man mit dem Fall 3) erhält, das heißt einige zehn με.
  • Das Umwandlungsgesetz ist diesmal
    Figure 00190001
    wo I1 und I2 die beiden Intensitäten sind, die jeweils von Ausgangszweigen des Interferometers stammen.
  • Die Ausführungsarten, welche die stärksten Empfindlichkeiten gewährleisten, sind die Fälle 1), 3) un 4).
  • Die "flexibelste" Ausführungsart bezüglich spektraler Anpassung entspricht dem Fall 1), während die in technischer Hinsicht einfachste dem Fall 2) entspricht, auf Kosten einer geringeren Messempfindlichkeit.
  • Betrachten wir nun die Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Um die optischen Verluste durch Krümmungen zu minimieren, betragen die Krümmungsradien der dielektrischen Leiter der Vorrichtung typisch einige cm.
  • Die Separation der Leiter erfordert ziemlich große Wechselwirkungslängen (ungefähr 3 cm bei 8 Ausgängen).
  • Daher beträgt zum Beispiel die Nutzlänge der einen Bragg-Gitter-Demultiplexer umfassenden Vorrichtung ungefähr 7 cm bei einer Breite von 5 mm (tatsächlich hat die Vorrichtung in der Praxis, um sie besser handhaben zu können, eine Breite von ungefähr 1 cm), während die Nutzlänge und -breite der Vorrichtungen mit einem Demultiplexer mit geätztem Gitter oder Phasengitter jeweils 7 cm und 4 cm betragen.
  • Betrachten wir nun die Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einem Glassubstrat.
  • Die Integrationstechnik auf einem solchen Substrat ist gut angepasst an die Herstellung der Vorrichtungen der 1A bis 1D.
  • Die benutzte Technik ist die des thermischen Austauschs von Ionen des Typs Na+, K+ oder Cs+, eventuelle unterstützt durch ein elektrisches Feld.
  • Das Prinzip dieser Technik besteht darin, alkalische Ionen, zum Beispiel Natrium-Ionen Na+, schon vorhanden in dem Glas, auszutauschen gegen andere Ionen des Typs Ag+ oder T1+, welche die Wirkung haben, die Brechzahl des Glases lokal zu erhöhen.
  • Diese Technik ist gut bekannt und man kann zu diesem Thema die Dokumente (13) und (14) konsultieren.
  • Die optischen Verluste, zurückzuführen auf die Faser-Leiter-Verbindung und auf die Dämpfung in dem Leiter, wurden beträchtlich reduziert dank der Technik der vergrabenen Leiter.
  • Diese Technik besteht dann, einen ersten Dotierstoff unter der Wirkung eines elektrischen Feldes in das Substrat diffundieren zu lassen.
  • Derart erhält man Leiter, die gekennzeichnet sind durch quasi-zirkulare Dotierquerschnitte und durch eine Mode, die der einer Einmodenfaser entspricht (es herrscht Optimierung der modalen Überdeckung) und die längenbezogene Dämpfungen aufweist, die viel geringer sind aufgrund des Fehlens der Oberflächendiffusion.
  • Diese Dämpfungen sind typisch kleiner als 0,1 dB/cm.
  • Betrachten wir nun die Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einem Siliciumsubstrat.
  • Die SiO2-auf-Si-Techniken (leitende Schichten aus SiO2, SiON und Si3N4) sind ebenfalls sehr gut zur Herstellung einer solchen Vorrichtung geeignet.
  • Die in diesem Fall benutzten Techniken beruhen auf einer Abscheidung des Typs CVD oder einer Abscheidung mittels Flammenhydrolyse und einem reaktiven Ionenätzen zur Realisierung der Muster.
  • Zum Thema CVD kann man die Dokumente (15) und (16) konsultieren.
  • Bezüglich der Abscheidung mittels Flammenhydrolyse kann man das Dokument (17) konsultieren.
  • Betrachten wir nun das Beispiel der Technik zur Herstellung der Siliciumdioxid-auf-Silicium-Leiter.
  • Zu diesem Thema wird Bezug auf das Dokument (15) genommen.
  • In diesem Fall ist das optische Substrat eine Siliciumdioxidschicht von ausreichender Dicke, um das Licht von dem Silicium zu isolieren (Dicke 6 μm für eine Wellenlänge von 0,8 μm und von 12 μm für eine Wellenlänge von ungefähr 1,3 μm oder 1,55 μm).
  • Die leitende Schicht ist zum Beispiel eine Phosphor-dotierte Siliciumdioxidschicht, deren Dicke 2 μm bis 5 μm beträgt, je nach Wellenlänge, und die Deckschicht, oder Superstrat, entspricht bezüglich der Brechzahl dem Substrat und hat eine Dicke von ungefähr 6 μm bis 10 μm.
  • Ein großer Vorteil der auf Silicium integrierten Optik ist die Möglichkeit, simultan U-förmige oder V-förmige Nuten bzw. Rillen zu ätzen, für die Anbringung der optischen Einmodenfasern.
  • Zu diesem Thema kann man die Dokumente (15), (18) und (19) konsultieren.
  • Ein weiterer Vorteil der auf Silicium integrierten Optik beruht auf der Kontrolle der Neigung der Ätzflanken, um die Stöneflexionen am Ende der optischen Leiter zu begrenzen, denn diese Stöneflexionen verursachen Diaphonie.
  • Die Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einem III-V-Halbleitersubstrat (zum Beispiel AsGA oder InP) ist der OIS-Technik ähnlich. Es handelt sich typisch um Schichten von 1 μm Dicke aus InP, InGaAsP oder InP, erzeugt mittels Epitaxie durch Molekularstrahlen (MBE) und geätzt mittels reaktivem Ionenätzen (RIE).
  • Zu diesem Thema kann man das Dokument (33) konsultieren.
  • Im Falle einer Demultiplexingeinrichtung mit Separationsübergängen und Bragg-Gitter hat man gesehen, dass die Separationsverbindungen vorzugsweise Y-Verbindungen waren.
  • Das von einer Y-Verbindung kommende Licht ist gleichmäßig auf beide an diese Verbindung anschließenden Zweige verteilt.
  • Umgekehrt wird das in einem der beiden Zweige übertragene Licht nur zu Hälfte in den Empfangsleiter eingekoppelt, da das restliche Licht in das Substrat ausgekoppelt wird (s. Dokument (20)).
  • Bei einem Demultiplexer mit 8 Kanälen beträgt der bei der Detektionsfotodioden-Anordnung eintreffende Teil des Lichts (reflektiert durch das Demultiplexing-Bragg-Gitter) ungefähr 3% der eintreffenden Energie (Dämpfung von –15 dB).
  • Betrachten wir nun die Herstellung der Demultiplexing-Bragg-Gitter.
  • Wie schon weiter oben erwähnt, können diese Gitter fotogeätzt oder fotoinduziert sein.
  • Fotoinduzierte Gitter mit variablen Perioden sind in den Dokumenten (25) und (26) beschrieben.
  • Betrachten wir die 8, in der die Transferfunktion A des Bragg-Gitters dargestellt ist, das der betreffenden Spektrallinie und der Transferfunktion B eines dem vorhergehenden benachbarten Bragg-Gitters entspricht.
  • In diesem Nomogramm sind die Wellenlängen λ auf der Abszissenachse aufgetragen, in nm, während die Lichtleistungen P auf der Ordinatenachse aufgetragen sind, in dB.
  • Man sieht auch die Spektralevolutionszone C der betreffenden Spektrallinie (zum Beispiel beträgt diese ungefähr 1 nm, was einer Maximalbelastung von 1000 με entspricht).
  • In der 8 beträgt die Diaphonie x ungefähr –30 dB bis –40 dB und die Wellenlängenintervalle Δλ1, Δλ2, Δλ3, Δλ4 betragen jeweils 3 nm, 1 nm, 1 nm, 1 nm.
  • Man hat für jede der Spektrallinien einen Demulitiplexing-Spektralbreite von ungefähr 3 nm gewählt (definiert mit –3 dB), unter Berücksichtigung einer Genauigkeitsspanne bei der Herstellung durch Fotoindzierung sowie einer thermischen Abweichung von ±50°C um die Umgebungstemperatur herum.
  • Der nützliche Spektralraum beträgt dann ungefähr 50%.
  • In dem Fall, wo der Messbereich 10000 με beträgt (das heißt 10 nm Wellenlängenevolution), beträgt der Gesamtbereich dann 12 nm und der besetzte Spektralraum beträgt 80%.
  • Die Diaphonie hängt von der Anpassung an das Ende der optischen Leiter ab, wo die Bragg-Gitter ausgebildet sind.
  • Typisch kann im Fall der Technik, die Silicium verwendet, eine Diaphonie von –40 dB erreicht werden, indem man jedem Leiter, der ein Bragg-Gitter aufweist, mit einem bezüglich der Achse dieses Gitters schrägen Ende versieht, so dass das Licht, das nicht selektiv durch die Gitter reflektiert wird, in das Substrat übergeht, auf dem sie ausgebildet sind.
  • Im Fall der das Glas benutzenden Technik kann man, damit das nicht selektiv reflektierte Licht in das Substrat übergeht, Mikrolöcher längs einer zum Leiter nicht senkrechten Achse vorsehen.
  • Zwei Techniken sind anwendbar, um die Demultiplexing-Bragg-Gitter und die Messungs-Bragg-Gitter auf dem planen Substrat zu realisieren.
  • Die erste Technik ist die Fotoätzung, die in dem Dokument (21) beschrieben wird.
  • Diese Technik profitiert von der Variation des effektiven Index, induziert längs des Leiters durch mechanisches Gravieren des Superstrats nahe des Kerns (in eine Tiefe von 1 μm bis 2 μm).
  • Eine sehr dünne Schicht aus fotoempfindlichem Harz (Photoresist) von ungefähr 70 nm Dicke wird auf das Substrat aufgebracht, zum Beispiel mittels Schleuder ("spin coating"), um eine gute Ätzauflösung zu erhalten.
  • Diese Photoresistschicht wird anschließend im sichtbaren oder UV-nahen Bereich mittels eine Argonlasers mit 457,9 nm mit Interferenzmustern belichtet, die von optischen Anordnungen stammen, die denen ähnlich sind, die zur Fotoindzierung von Bragg-Gittern verwendet werden (zum Beispiel, wie das Dokument (21) lehrt).
  • Zu diesem Thema kann man die Dokumente (22) bis (28) konsultieren.
  • Nach der Entwicklung wird das Glas einer reaktiven Ionenätzung unterzogen, zum Beispiel mittels eines Argonstrahls in einer Trifluormethan-Atmosphäre.
  • Eine Aluminiumschicht mit der Dicke 80 nm und einer höheren Brechzahl als der des Siliciumdioxids wird generell über geätzten Zone abgeschieden, um die Beugungseffizienz des Gitters zu erhöhen, indem das Feld der Grundmode auf die geätzte Zone konzentriert wird.
  • Die zweite Technik ist die der Fotoinduzierung.
  • Zu diesem Thema kann man die Dokumente (22) bis (28) konsultieren.
  • In dem Fall des Germanium-dotierten Siliciumdioxids schließt das Herstellungsverfahren des Glases ein Tempern bzw. Glühen ein, welches das Glas wenig fotoempfindlich macht, indem die Strukturdefekte eliminiert werden.
  • Die Hydrogenisierungstechnik (bei der das Glases unter Wasserstoffatmosphäre geglüht wird oder bei Umgebungstemperatur einem Druck von mehreren Megapascal ausgesetzt wird), oder die Flammenhärtungs- bzw. -abschrecktechnik, mit der man die Fotoempfindlichkeit der Glas- oder Siliciumdioxid-auf Silicium-Substrate wesentlich erhöhen kann.
  • Zu diesem Thema kann man die Dokumente (22), (23) und (24) konsultieren.
  • Die bevorzugte Technik der Fotoinduzierung der Bragg-Gitter ist die Technik der Phasenmaske, denn sie eignet sich gut für die multiplen Induzierungen in einem Substrat gemäß den traditionellen Fotolithographieverfahren.
  • Die Theorie dieser Technik wird in zahlreichen Grund- bzw. Grundlagenwerken beschrieben (s. zum Beispiel das Dokument (12) S. 64).
  • Bei seiner Anwendung stellt man eine Maske her, die sich in Form einer Platte aus geschmolzenem Siliciumdioxid präsentiert (zum Beispiel von der Art derjenigen, die von der Firma CORNING unter der Referenz Corning 7940 vertrieben werden), in die Rillen eingeätzt worden sind.
  • Diese Rillen sind periodisch, mit der Periode d = λB/N (wo λB die Wellenlänge repräsentiert und N den effektiven Index der geleiteten Grundmode), und haben eine derartige Tiefe, dass eine Phasenmodulation von n mit der Bestrahlungswellenlänge stattfindet, wie das Dokument (25) lehrt.
  • Der Laserbelichtungsstrahl kann von einem ionisierten Argonlaser stammen, der mit 488 nm emittiert und dessen Frequenz verdoppelt wurde (im Innern des Laserresonators), um mit 244 nm im UV-Bereich abzustrahlen, oder auch von einem YAG-Nd-Laser, dessen Frequenz vervierfacht wurde, um mit 266 nm abzustrahlen.
  • Man kann auch einen Excimerlaser des Typs KrF verwenden (der mit 249 nm abstrahlt).
  • Der Laserstrahl wird dann hauptsächlich gemäß zwei Ordnungen gebeugt (–1 und 1), von denen jede ungefähr 35% Energie repräsentiert, während die nullte Ordnung (die in der Praxis auf das Minimum reduziert werde muss) weniger als 5% Energie repräsentiert.
  • Die beiden von jeder Ordnung stammenden kohärenten Wellen erzeugen dann ein Interferenzschema der Periode A, welches das Wellenlängengitter λB = 2·N·Λ = N·d erzeugt, wo N der effektive Index der geleiteten Grundmode ist.
  • Die Periode des Gitters ist unabhängig von der Belichtungswellenlänge (was das Verfahren anwendbar macht bei Quellen mit kleiner Kohärenzwellenlänge wie etwa ein KrF-Excimerlaser).
  • Die Gitter mit variablen Perioden erhält man vorzugsweise durch eine Folge von mehreren Phasengittern mit konstanter Teilung.
  • Zu diesem Thema kann man das Dokument (26) konsultieren.
  • Solche Phasenmasken, um ein einziges Gitter zu realisieren, sind im Handel erhältlich (zum Beispiel durch die Firmen LASIRIS, NORTHERN PHOTONICS, QPS TECHN.).
  • Die Belichtungsmaske des Bauteils wird durch mehrere dieser auf den zu belichtenden Leitern verteilten Masken gebildet.
  • Diese Maske wird auf dem Bauteil positioniert und das Ganze (Maske und Bauteil) kann unter dem Laserstrahl längsverschoben werden durch Mikroverschiebungseinrichtungen (Schrittmotor).
  • Die typische Länge eines Gitters mit variablen Perioden beträgt ungefähr 5 mm bis 10 mm.
  • Eine größere Wellenlängenanpassungsflexibilität kann vorgesehen werden, indem man das Zweiwellen-Interterometrieverfahren anwendet, beschrieben in den Dokumenten (27) und (28).
  • Nach diesem anderen Verfahren kann der Strahl von einem Farbstofflaser stammen, dessen Frequenz verdoppelt wurde und der gepumpt wird durch einen Excimerlaser des CdC1-Typs.
  • Zu diesem Thema kann man das Dokument (28) konsultieren.
  • Dieses andere Verfahren hat den Vorteil, die genaue Anpassung der Bragg-Abstimmungswellenlängen zu ermöglichen, ohne das Interferometer zu modifizieren, indem man die Belichtungswellenlänge geringfügig anpasst (von 230 nm bis 255 nm).
  • Betrachten wir nun die Herstellung der Filtriermesseinrichtung.
  • Im Fall der fotoinduzierten Bragg-Gitter mit variabler Periode handelt es sich um geneigte Spektralfunktionsgitter, wie beschrieben in dem Dokument (26).
  • Das Herstellungsverfahren ist bezüglich der Realisierung der Demultiplexing-Bragg-Gitter mit dem identisch, das vorhergehend beschrieben wurde.
  • In dem Fall eines einzigen dielektrischen Multischichtfilters scheidet man zur Herstellung eines solchen Filters eine Photoresistschicht auf dem Substrat ab, vorzugsweise durch Zerstäuben ("electro-spray") und man benutzt eine Maske, um eine entblößte Zone zu entwickeln.
  • Nach Abscheidung der dielektrischen Multischichten (typisch aus Si und SiO2) wird die Photoresistschicht aufgelöst unter Mitnahme der restlichen Abscheidung ("lift-off"-Technik) Bezüglich der unterschiedlichen dielektrischen Multischichtfilter beträgt die gesamte Spektralbreite ungefähr das Dreifache der Nutzbreite, um der thermischen Abweichung der Spektralfunktion Rechnung zu tragen.
  • Das Herstellungsverfahren entspricht dem, das in Bezug auf den einzigen dielektrischen Multischichtfilter beschrieben wurde und das ebenso oft wiederholt wird, als es Messkanäle gibt.
  • In Bezug auf die Mach-Zehnder-Interferometer wird die Spektralperiode eines solchen Interferometers auf gleiche Weise angepasst, um eine Spektralbreite zu garantieren, die ungefähr das Dreifache der Nutzbreite beträgt.
  • Um 1300 nm herum beträgt die Spektralperiode ungefähr 11 nm bei einem Längenungleichgewicht von 50 nm zwischen den beiden Armen jedes Interferometers.
  • Vorteilhafterweise wird ein Interterometer durch eine Y-Verbindung und einen ab- bzw. ausgeglichenen Koppler (3 dB) gebildet, was ermöglicht, die Lichtenergie in zwei Schritten zu trennen, ohne optische Verluste, im Gegensatz zu zwei Y-Verbindungen.
  • Betrachten wir nun Anwendungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Eine solche Vorrichtung ermöglicht, mehrere Spektrallinien zu demultiplexen und ihre Wellenlängenverschiebungen in mehrere elektrische Signale umzusetzen.
  • Festzustellen ist, dass eine solche Vorrichtung aus einem einzigen Substrat realisiert werden kann (indem man die Demultiplexingeinrichtung mit der Filtriermesseinrichtung verbindet, vorzugsweise mittels Einmodenleitern (s. die 1A bis 3D)).
  • Jedoch kann eine solche Vorrichtung zwei Substrate umfassen, wie die 9 schematisch zeigt.
  • In dieser 9 sieht man ein erstes Substrat 40, auf dem die Demultiplexingeinrichtung DD realisiert ist, und ein zweites Substrat 42, auf dem die Filtriermesseinrichtung DM realisiert ist.
  • Diese Substrate 40 und 42 sind optisch miteinander verbunden durch optische Verbindungsfasern 44 (8 Fasern in dem Fall, wo acht Spektrallinien demultiplexiert werden müssen).
  • In der 9 sieht man auch die externe optische Faser FE, welche die zu demultiplexierenden Spektrallinien der auf dem Substrat 40 ausgebildeten Demultiplexingeinrichtung zuführen.
  • Die 10 zeigt schematisch ein optisches Mikrosystem, bestimmt zu Messung der Verformungen oder Temperaturen mit Hilfe von Transducern mit fotoinduzierten Bragg-Gittern.
  • Dieses Mikrosystem umfasst eine optische Quelle 46 mit breitem Spektralband (die eine Superfluoreszenz-Quelle mit Erbium-dotierter Faser sein oder eine Superlumineszenz-Diode).
  • Diese Quelle 46 wird durch geeignete Einrichtungen 48 mit elektrischem Strom versorgt.
  • Das Mikrosystem umfasst auch einen abgeglichenen bzw. ausgeglichenen Koppler mit vier Kanälen 50 (50% Transmission auf den zwei Ausgangskanälen).
  • Die Quelle 46 ist mit einem Eingangsarm des Kopplers 50 verbunden.
  • Der andere Eingangsarm dieses Kopplers 50 ist mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 52 verbunden.
  • Einer der beiden Ausgangsarme des Kopplers 50 bleibt frei, während der andere Ausgangsarm dieses Kopplers 50 mit einem der Enden einer empfindlichen optischen Einmodenfaser 54 verbunden ist, in der mehrere Transducer-Bragg-Gitter 56 fotoinduziert werden sind.
  • Das andere Ende der Faser 54 ist schräg abgeschnitten.
  • Festzustellen ist, dass das optische Spektrum einer Superlumineszenz-Diode ein Gaußsches Aussehen hat, mit einer Spektralbreite von typisch ungefähr 30 nm bis 50 nm.
  • Man sieht in der 10 auch eine Fotodiodenanordnung 58, die gekoppelt ist mit der zu der Vorrichtung 52 gehörenden Filtriermesseinrichtung und die Teil dieser Vorrichtung 52 ist.
  • Diese Fotodiodenanordnung 58 ist elektrisch verbunden mit elektronischen Verarbeitungseinrichtungen 60, die ermöglichen, die Wellenlängen der Spektrallinien zu berechnen, die den Tranducern 54 entsprechen.
  • Es sei präzisiert, dass man ein planes Substrat aus Silicium oder aus III-V-Halbleiter verwenden kann, das ausreichend groß ist, um nicht nur die erfindungsgemäße Vorrichtung 52 zu integrieren (einschließlich der Fotodiodenanordnung 58), sondern auch eine Superlumineszenz-Diode sowie einen Koppler 50.
  • Die Multischichtfilter sowie die Bragg-Gitter, welche die Vorrichtung 52 umfassen kann, sind gekennzeichnet durch eine thermische Abweichung von ungefähr 0,01 nm/°C, die der thermischen Abweichung eines Transducer-Bragg-Gitters entspricht.
  • Wenn also alle Bragg-Gitter (in der Faser fotoinduzierte Transducer-Gitter und Gitter der erfindungsgemäßen Vorrichtung) dieselbe Temperatur haben, kompensieren sich die Spektralverschiebungen genau und es ist keine Temperaturkorrektur nötig.
  • Wenn jedoch die Spannungs-Transducer-Bragg-Gitter und die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht dieselbe Temperatur haben, ist es möglich, eine Temperaturbezugsgitter vorzusehen, das den Spannungen nicht unterliegt.
  • Das Mikrosystem der 10 dient der Echtzeit-Überwachung – mit breitem Durchlassband (100 kHz) – von mehreren Spannungen oder mehreren Drücken, die auf die empfindliche Faser wirken, die in eine Struktur inkorporiert ist, zum Beispiel aus Verbundmaterial.
  • Dieses Mikrosystem kann auch benutzt werden, um Echtzeit-Temperaturmessungen durchzuführen.
  • Es wird auch bei den Telekommunikationen benutzt, um mehrere Kanäle zu demultiplexen und eine wellenlängencodierte Information zu messen.
  • Ein anderes Ausführungsbeispiel besteht in der Verbindung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Lasersensoren-Gitter zu verbinden, wie beschrieben in dem Dokument (32).
  • Diese Anwendung ist derjenigen ähnlich, die mit Bezug auf die 10 beschrieben wurde, wobei aber jeder Bragg-Tranducer ersetzt wurde durch einen Lasersensor, gebildet durch eine optische Faser, dotiert mit Seltenerden-Ionen (typisch mit Dr3+-Ionen) und zwei Bragg-Gitter, von denen eines ein Transducer ist und das andere den Laserresonator schließt.
  • Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist das Demultiplexing und das Messen von mehreren Wellenlängen (Spektrophotometrie-Anwendung), zum Beispiel für die wellenlängenmodulierten Telekommunikationen.
  • Der robuste und vorzugsweise integrierte Charakter dieser Vorrichtung (einige Zentimeter lang bzw. breit und wenige Millimetern dick) prädestiniert sie für den Einbau in ein Mikrosystem, das man in eine zu überwachende Struktur inkorporieren kann (zum Beispiel zwischen zwei Lagen bzw. Schichten Verbundmaterial).
  • Eine erfindungskonforme Vorrichtung (unabhängig vom benutzten Demultiplexing-Typ) kann sehr unabhängig gemacht werden von der Polarisierung des analysierten Lichts, was für den Benutzer einen zusätzlichen Vorteil hinsichtlich der Einfachheit der Anwendung bildet (da es nicht mehr nötig ist, Fasern mit Polarisations-Aufrechterhaltung zu verwenden).
  • Zudem, im dem Fall, wo das Demultiplexing Y-Verbindungen und fotoinduzierte Bragg-Gitter benutzt, macht die große "Flexibilität" der Herstellung der Vorrichtung diese besonders attraktiv für eine instrumentelle Ausrüstung mit multisektoriellen Sensoren aufgrund einer leichten Anpassung der Bragg-Abstimmungswellenlängen dieser fotoinduzierten Gitter und aufgrund der Unabhängigkeit des Energieseparationsverhaltens der Y-Verbindungen von den benutzten Wellenlängen.
  • Kehren wir zu der 1A zurück. Das zum Beispiel von den in einer Messleitung enthaltenen Sensoren stammende Licht, das von einer optischen Faser FE geleitet wird, durchläuft einen Energieseparator, der an jedem seiner Ausgänge (beispielsweise) 8 Signale mit derselben Spektralcharakteristik liefert. Jeder Ausgang entspricht einem Arm einer Wellenlängen-Separationsverbindung, die mit Reflexion arbeitet und die gefilterte Energie in einen Leiter 14 zurücksendet. In jeder dieser Verbindungen wird ein Bragg-Gitter 12 fotoinduziert, das einen Wellenlängenbereich von den anderen trennt (s. 7) und die Spektraldemultiplexingfunktion für jeden der Sensoren gewährleistet, die in der Messleitung vorhanden sind. Diese Separationsverbindung kann auf zwei Arten realisiert werden.
  • Die erste Lösung benutzt eine Y-Verbindung mit einem Bragg-Gitter 12 (vorzugsweise mit 100% Reflexion), fotoinduziert in dem Eingangszweig (s. die 11, wo die Verbindung mit J bezeichnet ist). Diese Lösung ist vorteilhaft in dem Sinne, dass die Leiteigenschaften der Y-Verbindungen sehr wenig empfindlich sind für die Polarisation und die Wellenlänge des Lichts. So kann eine einzige Maske realisiert werden, um das Bauteil herzustellen, was die Herstellung sehr flexibel macht, denn es werden nur die Wellenlängen der Bragg-Gitter angepasst, um den Demultiplexer zu realisieren. Hingegen impliziert diese Y-Verbindung einen optischen Verlust von 6 dB während der Filteroperation (das heißt, dass das Signal von dem Ausgang 8 in den Leiter 14 geht.
  • Eine zweite Lösung, die ermöglicht, diesen Nachteil zu beseitigen, besteht dann, simultan jedes Bragg-Gitter 12 (vorzugsweise mit 100% Reflexion) in den beiden Arme eines Kopplers CO zu induzieren, um einen gitterunterstützten Koppler zu erhalten (s. 12). Ein solcher Koppler wird vorzugsweise so gewählt, dass er eine kleine Kopplungskonstante C hat, so dass über die Kopplungslänge CC (das heißt C – LC = π/2) eine einzige Überlagerung bzw.
  • Interferenz beobachtet bzw. eingehalten wird, um seine Wellenlängen- und Polarisationsabhängigkeit zu minimieren. Das Prinzip eines gitterunterstützten Kopplers ist dann das folgende. Die Kopplungslänge, das Kopplungsintervall und die Charakteristika der Leiter des Kopplers werden so gewählt, dass man einen Gesamttransfer der Energie des Ports I zum gekoppelten Port III erzielt, also 100%. Bei Vorhandensein eines in beiden Zweigen fotoinduzierten Gitters (das mit Reflexion arbeitet) durchlaufen die durch das Bragg-Gitter reflektierten Wellenlängen den Koppler in umgekehrter Richtung und werden zum Port II reflektiert (als würden sie von dem zum Port II symmetrischen Port IV kommen). Es gibt dann eine "Extraktion" der Signale, deren Wellenlängen der charakteristischen Wellenlänge des fotoinduzierten Bragg-Gitters entspricht. Dieses Verhalten wird in dem Dokument (34) beschrieben.
  • In den beiden Fällen (Y-Verbindung oder 100% Bragg-Gitter-unterstützter Koppler) sind die Enden der Leiter III (11) und III und IV (12) schräg durchstochen (was in den 11 und 12 durch ovale E symbolisiert wird), um die Fresnel-Reflexionen zu unterdrücken, die Diaphonie-Quellen sind.
  • Die in der vorliegenden Erfindung genannten Dokumente sind die folgenden:
    • (1) W. W. Morey, UNITED TECHNOLOGY CORPORATION (USA), Distributed multiplexed optical fiber Bragg grating sensor arrangement – s. auch US-A-4,996,419
    • (2) D. R. Lyons and S. M. Reich, GUMMAN AEROSPACE CORPORATION (USA), Optical elektronic multiplexing reflections sensor system – s. auch US-A-5,191,458
    • (3) P. Ferdinand et al., Mine Operating Accurate Stability Control with Optical fiber sensing and Bragg grating technology: the BRITE-EURAM STABILOS Project, OFS'94, 11–13 Okt. 1994, Glasgow – s. auch J. Lightwave Technol., Vol. 13, Nr. 7, 1995, Seiten 1303–1313
    • (4) J. R. Dunphy and K. P. Falkowich, UNITED TECHNOLOGY CORPORATION (USA), Multiplexed Bragg gratings sensors – voir aussi US-A-5,426,297
    • (5) P. C. Clemens, G. Heise, R. Marz, H. Michel, A. Reichelt und H. W. Schneider, 8-Channel optical demultiplexer realized as SiO2/Si flat-field spectrograph, IEEE Phot. Tech. Lett., Vol. 6, Nr. 9, 1994, Seiten 1109–1111
    • (6) G. Grand, G. Palumbo, A. Fournier und P. Labeye, Gitter mit blaze-Bereich mit sehr vertikalem Profil aus Siliciumdioxid auf Silicium – Multiplexing-Anwendung für optische Kommunikationen, Journées Nationales d'Optique Guidée, Besançon, 1994, Seiten 4–6
    • (7) P. Gidon, J. P. Jadot und S. Valette, Multiplexer-Demultiplexer mit einem elliptischen konkaven Gitter und realisiert in Integrierter Optik EP-A-0275795 – s. auch US-A-4,786,133
    • (8) B. H. Verbeek, C. H. Henry, N. A. Olsson, N. A. Orlowsky, R. F. Kazarinow and B. H. Johnson, Integrated four-channel Mach-Zehnder Multi/demultiplexer fabricated with phosphorous doped SiO2 waveguides on Si, J. Of Lightwave Technol., Vol. 6, Nr. 6, 1988, Seiten 1011– 1015
    • (9) H. Takahashi, K. Oda, H. Toba and Y. Inoue, Transmission characteristics of arrayed waveguide N×N wavelength multiplexer, J. Of Lightwave Technol., Vol. 13, Nr. 3, 1995, Seiten 447–455
    • (10) K. Okamoto, K. Moriwaki and S. Suzuki, Fabrication of 64×64 arrayed-waveguide grating multiplexer on silicon, Electron. Lett., Vol. 31, Nr. 3, 1995, Seiten 184–186
    • (11) V. Delisle, G. Grand, A. Fournier and P. Mottier, Reduced-size low-crosstalk PECVD silcia PHASAR using widened continuous bends, 8th european conference on integrated optics, ECIO'97, Stockholm, 1997
    • (12) J. W. Goodman, Introduction to Fournier Optics, Mc Graw-hill
    • (13) S. Honkanen, Ion-exchanged glass waveguide devices for optical communications, Glass integrated optics and optical fiber devices, S. Iraj Najafi Ed., SPIE Vol. CR53, 1994, Seiten 159–179
    • (14) L. Roß, Integrated optical components in substrate glasses, Glastech. Ber., Vol. 62, 1989, Seiten 285–297
    • (15) S. Valette et al., Si-based integrated Optics Technologies, Solid State Tech., 1989, Seiten 69–74
    • (16) S. Valette, S. Renard, J. P. Jadot, P. Gidon and C. Erbeia, Silicon-based Integrated Optics Technology for Optical Sensor Applications, Sensors and Act. A, 1990, Seiten 1087–1091
    • (17) Y. Ohmori, Passive and aktive silica waveguides on silicon, Proc. ECOC 93, Montreux, Seiten 19–26
    • (18) W. Hunziker et al., Self-aligned flip-chip OEIC packaging technologies, Proc. ECOC 93, Montreux, Seiten 84–91
    • (19) G. Grand et al., New method for low-cost and efficient optical connection between singlemode fibres and silica guides, Electron. Lett., Vol. 27, Nr. 1, 1991, Seiten 16–17
    • (20) M. Izutsu, Y. Nakai and T. Sueta, Operation mechanism of the single-mode optical waveguide Y junction, Opt. Lett. Vol. 7, Nr. 3, 1982, Seiten 136–138
    • (21) C. J. Rowe, I. Bennion and D. C. J. Reid, High-Reflectivity surface-relief gratings in singlemode optical fibres, IEE Proc. J., Vol. 134, Nr. 3, 19987, Seiten 197–202
    • (22) B. J. Ainslie, G. D. Maxwell and D. L. Williams, Photosensitive glass integrated optical devices, Glass integrated optics and optical fiber devices, S. Iraj Najafi ed., SPIE Vol CR53, 1994, Seiten 235–249
    • (23) G. D. Maxwell, R. Kashyap and B. J. Ainslie, UV written 1.5 μm reflection filters in single mode planar silica guides, Electron. Lett., Vol. 28, Nr. 22, 1992, Seiten 2107–2108
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    • (25) K. O. Hill, B. Malo, F. Bilodeau, D. C. Johnson and J. Albert, Bragg gratings fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask, Appl. Phys. Lett., Vol. 62, Nr. 10, 1993, Seiten 1035–1037
    • (26) R. Kashyap, P. F. McKee, R. J. Campell and D. L. Williams, novel method of producing all fibre photo-induced chirped gratings, Electron. Lett., Vol. 30, Nr. 12 ,1994, Seiten 996–997
    • (27) M. C. Farries, K. Sugden, D. C. J. Reid, I. Bennion, A. Molony and M. J. Goodwin, Very broad reflection bandwith (44 nm) chirped fibre gratings and narrow bandpass filters produced by the use of an amplitude mask, Electron. Lett., Vol. 30, Nr. 11, 1994, Seiten 891–892
    • (28) G. Meltz, W. W. Morey and W. H. Glenn, Formation of Bragg gratings in optical fibers by a transverse holographic method, Opt. Lett., Vol. 14, Nr. 15, 1989, Seiten 823–825
    • (29) R. Kashyap, G. D. Maxwell and B. J. Ainslie, Laser trimmed four-port bandpass filter fabricated in single-mode photosensitive Ge-doped planar waveguide, IEEE Photon. Technol. Lett., Vol. 5, 1993, Seiten 191–194
    • (30) S. M. Melle, K. Liu and R. M. Measures, A passive wavelength demodulation system for guided-wave Bragg grating sensors, IEEE Phot. Tech. Lett, Vol. 4, Nr. 5, 1992, Seiten 516– 518
    • (31) M. A. Davis and A. D. Kersey, All-fibre Bragg grating strain-sensor demodulation technique using a wavelength division coupler, Electron. Lett. Vol. 30, Nr. 1, 1994, Seiten 75–77
    • (32) G. A. Ball, W. W. Morey and P. K. Chao, Single and multipoint fiber laser sensors, IEEE Phot. Tech. Lett, Vol. 5, Nr. 2, 1993, Seiten 267–270
    • (33) R. Mestric, M. Renaud, B. Martin and f. Gaborit, Up to 16 Channel Phased-array wavelength demultiplexers on InP with 20 dB crosstalk, Proc. ECIO, Stockholm 1997, Seiten 264–267
    • (34) Ingolf Baumann et al., Compact all-fiber add-drop multiplexer unsing fiber Bragg gratings, IEEE Phot. Tech. Lett, Vol. 8, Nr. 10, 1996, Seiten 1331–1333.

Claims (16)

  1. Vorrichtung zum Lesen von Spektrallinien, die in einem optischen Spektrum enthalten sind und jeweils in bestimmten Spektralbereichen fluktuieren können, wobei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass sie umfasst: – eine Wellenlängen-Demultiplexing-Einrichtung (DD) dieser Spektrallinien, wobei diese Demultiplexing-Einrichtung einen Eingang (4) zum Empfangen des optischen Spektrums und Ausgänge (14) zum Liefern der jeweiligen demultiplexierten Spektrallinien hat, – eine Einrichtung (DM) zum Messen – durch Filterung – der jeweiligen Wellenlängen der demultiplexierten Spektrallinien, für jede dieser Linien einen mit einem Filter versehenen Messkanal (VM) und einem Bezugskanal (VR) umfassend, und – Fotodetektionseinrichtungen (MP) – für jede Spektrallinie – der jeweils durch den Mess- und den Bezugskanal übertragenen Lichtintensitäten, um die Wellenlänge dieser Linie bestimmen zu können, indem das Verhältnis der derart detektierten Intensitäten berechnet wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Demultiplexing-Einrichtung (DD) eine Demultiplexing-Einrichtung mit geätztem Gitter (20) ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Demultiplexing-Einrichtung (DD) eine Demultiplexing-Einrichtung mit Mikroleitergitter (26) ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Demultiplexing-Einrichtung (DD) umfasst: – einen Energieseparator (2a, 2b, 2c) mit einem Eingang (4), dazu bestimmt das optische Spektrum zu empfangen, und einer Vielzahl von Ausgängen (8), fähig jeweils Anteile der Lichtenergie des optischen Spektrums zu liefern, und – eine Vielzahl von wellenlängen-selektiven Lichtreflektoren (12), die jeweils mit den Ausgängen (8) verbunden sind, wobei jeder wellenlängen-selektive Lichtreflektor ein Wellenlängen-Durchlassband hat, das den Spektralbereich enthält, der mit einer der Linien assoziiert ist und folglich nur diese Linie reflektiert, und jeder selektive Reflektor mit einem Lichtwellenleiter (14) verbunden ist, der der Fortpflanzung bzw. Ausbreitung der durch diesen Reflektor reflektierten Linie dient.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der der Energieseparator ein kaskadenförmiges System von Separationsverbindungen (2a, 2b, 2c) ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, bei der die selektiven Reflektoren Bragg-Gitter umfassen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Bragg-Gitter (12) fotoinduziert oder fotogeätzt sind und Gitter mit variablen Perioden oder festen Perioden sind, mit einer maximalen Reflektivität und einem durch Fotoinduktion mit sehr starker Fluenz verbreiterten Spektralverhalten.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Filter jedes Messkanals ein Bragg-Gitter (RB) mit variabler Periode (RB) ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die den Messkanälen jeweils zugeordneten Filter (FM) Filter mit untereinander verschiedenen dielektrischen Multischichten sind.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die den Messkanälen jeweils zugeordneten Filter (FU) Filter mit untereinander gleichen dielektrischen Multischichten sind.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Filter jedes Messkanals ein Zehnder-Interferometer (MZ) ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Demultiplexing-Einrichtung (DD) und die Filterungs-Messeinrichtung (DM) jeweils auf zwei Substraten (40, 42) integriert sind, die durch optische Fasern (44) miteinander verbunden sind, die dazu dienen, die demultiplexierten Linien von der Demultiplexing-Einrichtung zu der Filterungs-Messeinrichtung zu übertragen.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Demultiplexing-Einrichtung (DD) und die Filterungs-Messeinrichtung (DM) auf einem selben Substrat (S) integriert sind.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 und 13, bei der jedes Substrat (S, 40, 42) durch Glas oder Silicium oder einen III-V-Halbleiter gebildet wird.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Demultiplexing-Einrichtung (DD), die Filterungs-Messeinrichtung (DM) und die Fotodetektionseinrichtungen (MP) auf einem selben Silicium- oder III-V-Halbleiter-Substrat integriert sind.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, das außerdem eine optische Faser (FE) umfasst, die optische mit dem Eingang (4) der Demultiplexing-Einrichtung (DD) gekoppelt ist und dazu dient, das optische Spektrum zu diesem Eingang zu übertragen.
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