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Die
Erfindung betrifft ein integriertes optisches Kanalwellenleitersystem
bzw. Kanalwellenleiterbauelement, das eine Wellenleiterstruktur
mit einer ersten, auf ein Substrat aufgebrachten Mantelschicht,
einer aus einer passiven und einer elektrooptischen lichtführenden
Schicht bestehenden lichtführenden
Kombinationsschicht und einer zweiten Mantelschicht aufweist.
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Ein ähnliches
integriertes optisches Kanalwellenleiterbauelement ist aus dem in
der Fachzeitschrift „Sensors
and Actuators B",
1996, Bde. 35–36, S.
234–240
veröffentlichen
Beitrag „Fabrication
and packaging of integrated chemo-optical sensors" (dt. „Herstellung
und Verpackung von integrierten chemo-optischen Sensoren") bekannt. In einem
dort beschriebenen Bauelement beeinflußt die Optimierung beispielsweise
der Empfindlichkeit des in einer Arbeitszone angeordneten Bauelements
stets die Funktion des Kanalbauelements außerhalb der Arbeitszone. Somit
ist die Optimierung nur eingeschränkt durchführbar, was die Empfindlichkeit
des Gesamtwellenleiterbauelements negativ beeinflußt. Die
Erfindung zielt unter anderem darauf ab, diese Einschränkung aufzuheben,
und befaßt
sich zu diesem Zweck mit einem wie in Anspruch 1 definierten, integrierten
optischen Kanalwellenleiterbauelement.
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Aufgrund
der Dickenreduzierung der aktiven lichtführenden Schicht auf Null wird
jegliche Beeinflussung des Kanalbauelements außerhalb der Arbeitszone vermieden.
Weil die Schichtdickenreduktion adiabatisch ausgeführt ist,
wird außerdem
der Verlust von Lichtleistung in dieser Zone vermieden oder zumindest
verringert, und es kann eine einfache und reproduzierbare Ankopplung
zwischen einer das Licht einspeisenden Lichtleitfaser und/oder einer
das Licht abführenden
Lichtleitfaser und dem optischen Kanalbauelement realisiert werden.
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Die
lichtführende
Kombinationsschicht umfaßt
eine aus ZnO bestehende, elektrooptische lichtführende Schicht und eine passive,
lichtführende Schicht
aus Si3N4, und die
elektroop tische lichtführende
Schicht weist einen adiabatischen Schichtdickenübergang auf, der ihre Schichtdicke
außerhalb der
Arbeitszone zumindest annähernd
auf Null reduziert.
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Da
hier die lichtführende
Schicht aus einer aktiven und einer passiven Schicht aufgebaut ist, kann
die Schichtdickenreduzierung auf Null der elektrooptischen Schicht
außerhalb
der aktiven Zone ohne Einschränkungen
durchgeführt
werden, da dort die passive lichtführende Schicht für die Lichtleitung verantwortlich
ist. Daher kann jede negative Beeinflussung des Kanalbauelements
vermieden werden, ohne dabei die Lichtleitung durch das Kanalbauelement
als solche einzuschränken.
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Umgekehrt
kann die passive lichtführende Schicht
mit einer adiabatischen Schichtdickenübergangszone versehen werden,
so daß die
Schichtdicke im Bereich der Arbeitszone schließlich auf Null reduziert wird,
und zudem kann der auf diese Weise freigemachte Raum mit dem aktiven
lichtführenden ZnO-Material
ausgefüllt
werden, wodurch die Empfindlichkeit gegen die angelegte Spannung
dort noch weiter optimiert werden kann.
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In
einer bevorzugten Anordnung ist die Schichtdicke der in einer Sensorfensterzone
angeordneten, passiven lichtführenden
Si3N4-Schicht zur Abtastung
mittels des abklingenden Feldausläufers des zu benutzenden Lichts
optimiert. Insbesondere ist das Bauelement als Sensor zur Messung
chemischer und/oder physikalischer Größen ausgeführt, die das von dem abklingenden
Feld des verwendeten Lichts sondierte Brechungsindexprofil beeinflussen. Speziell
an diesem Punkt des Meßvorgangs
wird das abklingende Feld des eingesetzten Lichts verwendet, und
die Empfindlichkeit gegenüber
der zu messenden Größe kann
durch Verlängern
der Sensorfenster gesteigert werden, beispielsweise indem die zweite Mantelschicht
auf einer größeren Länge entfernt wird.
Folglich benötigt
man zur Verbesserung der Empfindlichkeit keine besonderen Eigenschaften
des benutzten Lichts.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Schichtdicke mindestens einer der in der aktiven Zone vorhandenen
Mantelschichten auf eine solche Weise reduziert, daß aktive
Spannungsmodulation in dem aktiven lichtführenden Material maximale Wirkungen
hervorruft, ohne Intensitätsverluste
des benutzten Lichts durch ein darunterliegendes, elektrisch leitendes
Trägermaterial
und/oder eine lokal eingeführte
obere Elektrode zu verursachen. Die zweite Mantelschicht ist lokal
vollständig
bis auf die passive lichtführende
Schicht entfernt und bildet somit dort als solche ein Fenster für den Abtastvorgang.
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Dank
der Tatsache, daß in
diesen Anordnungen die Schichtdicke einer oder beider der vorzugsweise
aus SiO2 bestehenden Mantelschichten in
der aktiven Zone reduziert und bei dem Sensorfenster mindestens
annährend
auf Null abgesenkt ist, ist es möglich,
die Empfindlichkeit sowohl der Abtastung als auch der elektrischen
Spannungsmodulation zu steigern, ohne daß, über das gesamte Kanalbauelement
betrachtet, der Lichteinschluß reduziert
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführung weist
die passive lichtführende
Schicht eine adiabatische Übergangszone
auf, die zu einer Schichtdicke führt,
die an diesem Ort optimal an die Modenprofilgeometrie der das Licht
einspeisenden Lichtleitfaser angepaßt ist. Insbesondere ist die
Schichtdicke der passiven lichtführenden
Schicht lokal optimiert, um zwischen TE- und TM-polarisiertem Licht derart zu unterscheiden,
daß das
TE-Licht optimal eingekoppelt wird.
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Dies
kann durch Anpassen der Schichtdicke der passiven lichtführenden
Schicht an der Stelle, an der das Licht eingekoppelt wird, unter
minimalem Lichtverlust realisiert werden, ohne daß die Struktur der
Kanalanordnung außerhalb
dieser Zone angepaßt
werden muß.
Die Unterscheidung zwischen TE-polarisiertem Licht und TM-polarisiertem
Licht kann durch eine entsprechende Anpassung und eine entsprechende
Gestaltung der Geometrie der Dickenübergangszone realisiert werden,
wiederum ohne daß die
Schichtanordnung außerhalb
dieser Zone darüber
hinaus negativ beeinflußt
wird. Die Unterscheidung zwischen TE- und TM-polarisiertem Licht beim Einkoppeln
des Lichts in das Interferometer bietet den grundlegenden Vorteil,
daß der
gesamte Interferometer-Meßvorgang
ausschließlich
mit TE-polarisiertem Licht ausgeführt werden kann, wodurch die
Dispersion in dem zur Messung verwendeten Licht reduziert und ein
wesentlich eindeutigeres Interferometersignal erzeugt wird.
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In
einer weiteren Ausführung
ist ein vorzugsweise aus Si bestehendes Substrat mit einer V-förmigen Einkerbung ausgestattet,
die dazu dient, eine abnehmbare und/oder optisch regelbare Kopplung
einer optischen Eingangsfaser und/oder Ausgangsfaser an das lichtführende Kanalbauelement
zu realisieren. Eine Durchlaßöffnung,
die praktisch in der Handhabung ist und durch welche die Eingangs- und/oder
Ausgangsfaser einfach und mit einem hohen Grad an Präzision eingeführt und
in Position gebracht werden kann, wird erreicht, indem ein Teil
der nicht benutzen V-förmigen
Einkerbung verkehrt herum auf der bereits genannten V-förmigen Einkerbung angebracht
wird.
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Dank
der unter Verwendung von Ätzverfahren
sehr genau erzielbaren, exakten Abmessungen der V-förmigen Einkerbung
in dem Si kann die in diese Einkerbung eingebrachte Faser eine optimale
und gut reproduzierbare Einkopplung des Lichts von der Faser in
die fragliche Schicht des Kanalbauelements liefern. Dank des zuvor
erwähnten
adiabatischen Dickenübergangs
der lichtführenden
Schicht an diesem Ort kann die Dicke der Kanalschicht dort optimal
an die Eingangs- und/oder Ausgangsfaser angepaßt werden. Beide Eigenschaften
zusammengenommen ergeben, was Verläßlichkeit und reduzierte Lichtverluste
betrifft, eine optimale Ankopplung. Eine mit einer Faser (mit Anschlußfaser)
ausgestattete Lichtquelle, beispielsweise ein Gaslaser oder ein
Festkörperlaser
(wie z.B. ein Diodenlaser), kann daher zuverlässig an das Kanalbauelement
angekoppelt werden. Auf diese Weise läßt sich eine einfache, abnehmbare
Kopplung erzielen, die den Vorteil bietet, daß im Falle technischen Versagens
entweder der Laser oder das Wellenleiterbauelement ausgetauscht
werden kann. Andererseits kann eine dauerhafte Kopplung realisiert
werden; in diesem Falle können
Lichtverluste bzw. Schwankungen des Lichtverlusts oft noch weiter
reduziert werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Anordnung gemäß der Erfindung bildet ein
lichtführendes
Bauelement einen Bestandteil eines Mach-Zehnder-Interferometers.
Insbesondere ein ähnliches
Mach-Zehnder-Interferometer, das in seinen beiden Zweigen ein Sensorfenster
sowie einen mit Elektroden versehenen Modulator aufweist, wobei
eines der Sensorfenster gegen den Einfluß der zu messenden Größe abgeschirmt
ist.
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Aus
den US-Patentschriften 5,553,151 und 5,377,008 ist ein Mach-Zehnder-Interferometer
bekannt und umfaßt
stets zwei Zweige, wobei eine externe Größe in einem der Zweige über Brechungsindexvariationen
eine Phasenänderung
bewirkt. Diese Variationen können äußerst genau
gemessen werden, indem man das Licht, das sich hier ausgebreitet hat,
mit dem Licht vergleicht, das sich durch den Referenzzweig ausgebreitet
hat, der nicht von der Meßgröße beeinflußt werden
kann.
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Eine
praktikable Ausführung
eines Mach-Zehnder-Interferometers ist derart ausgeführt, daß zwei Ausgangssignale
in Gegenphase zueinander gebildet werden, deren Intensitäten durch
die vom Wert der Meßgröße bedingte
Phasenverschiebung bestimmt werden. Dies macht das Interferometer
weniger empfindlich gegen andere als die von der Meßgröße ausgehenden äußeren Einflüsse, und zwar
insbesondere dann, wenn ein solches Interferometer in einer elek trischen
Schaltung eingebaut ist, die dazu dient, die von der Meßgröße hervorgerufene Phasenverschiebung
aus der Situation abzuleiten, in der die gegenphasigen Signale identische
Intensitäten
aufweisen. Somit wird ein Signal erzeugt, das noch eindeutiger und
noch unempfindlicher gegen externe Störungen ist.
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Eine
praktikable Ausführung
einer elektrischen Schaltung zu diesem Zweck wird in den Ansprüchen 7 bis
9 formuliert. Die elektrische Schaltung ist insbesondere mit einem
Signalgenerator zum Aktivieren einer oder einiger Modulationselektrode(n)
in dem Bauelement, mit einem Schwellwertschalter zum Umwandeln des
modulierten analogen Ausgangssignals in ein digitales Signal und
mit einem digitalen Signalprozessor zur genauen Bestimmung des Werts
der Meßgröße aus dem
modulierten Ausgangssignal ausgestattet.
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Basierend
auf den Zeichnungen werden im nachfolgenden Text einige bevorzugte
Ausgestaltungen gemäß der Erfindung
beschrieben. Für
alle Figuren gilt, daß die
Schichtdicken in der Schichtstruktur auf eine Wellenlänge von
633 nm optimiert sind. Es zeigen:
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1:
ein bekanntes integriertes optisches Kanalwellenleiterbauelement,
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2:
ein ähnliches
Bauelement, wobei die elektrooptische lichtführende Schicht eine adiabatische
Schichtdickenübergangszone
aufweist,
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3:
ein ähnliches
Bauelement, wobei gemäß der Erfindung
eine der Mantelschichten eine adiabatische Schichtdickenübergangszone
aufweist,
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4:
eine bevorzugte Ausführung,
wobei die passive lichtführende
Schicht an einer Ausgangsseite des Bauelements eine adiabatische
Schichtdickenanpassung aufweist,
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5:
einen Querschnitt und eine Draufsicht des Faser-Chip-Verbinders,
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6:
eine bevorzugte Ausführung,
wobei mehrere Schichten eine adiabatische Schichtdickenübergangszone
aufweisen,
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7:
ein mit einem solchen Bauelement ausgestattetes Mach-Zehnder-Interferometer,
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8:
einen Querschnitt einer Wellenleiterstruktur, in dem das abklingende
Feld des dem Sensor zugrundeliegenden Lichts gezeigt ist,
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9:
einen Plan einer elektronischen Schaltung zum Erkennen von Interferometerausgangssignalen.
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Ein
integriertes optisches Kanalwellenleiterbauelement, wie es schematisch
in 1 dargestellt ist, umfaßt eine bekannte lichtführende Struktur
auf einem vorzugsweise aus Si bestehenden Substrat 2, wobei
die Struktur eine vorzugsweise aus SiO2 bestehende
erste Mantelschicht 4 mit einer Dicke von ca. 500 nm, eine
lichtführende
Kombinationsschicht 6, die hier aus einer vorzugsweise
aus Si3N4 bestehenden,
passiven lichtführenden
Schicht 8 mit einer Dicke von zum Beispiel ca. 20 nm und
aus einer elektrooptischen lichtführenden ZnO-Schicht 10 mit
einer Dicke von vorzugsweise ca. 500 nm besteht, und eine zweite
Mantelschicht 12, die vorzugsweise ebenfalls aus SiO2 mit einer Dicke von ca. 500 nm besteht,
aufweist. Hier umfaßt
das Bauelement eine erste Arbeitszone 14 mit einer in einer
Vertiefung 16 in der zweiten Mantelschicht angebrachten
Modulationselektrode 18 und eine zweite Arbeitszone 20 mit einem
Sensorfenster 22, das hier ebenfalls durch eine Vertiefung 24 in
der zweiten Mantelschicht gebildet wird. Die letztgenannte Vertiefung
kann, wie in der Figur gezeigt, bis zu der lichtführenden
Kombinationsschicht 6 reichen. Ein derartiges Schichtbauelement
ist zum Abtasten unter Verwendung des Sensorfensters 22 ebenso
geeignet, wie zur elektrooptischen Modulation unter Verwendung der
Modulationselektrode 18.
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In 2 weist
die aktive, elektrooptische lichtführende Schicht 10,
die ebenfalls aus ZnO besteht, und deren Schichtdicke zum Beispiel
500 nm beträgt,
außerhalb
der Arbeitszone 14 in einer Schichtdickenübergangszone 15 zu
beiden Seiten der Arbeitszone 14 eine adiabatische Schichtdickenreduktion 30 auf.
Der Schichtstapel enthält
hier außerdem
ein Substrat 2, eine erste Mantelschicht 4, eine
passive lichtführende
Schicht 8 und eine aktive lichtführende Schicht 10,
auf deren Oberseite sich eine zweite Mantelschicht 12 befindet,
die entweder, wie durch die gestrichelte Linie 13 gezeigt,
eine gleichförmige
Dicke aufweist, oder die sich, wie an der oberen rechten Seite gezeigt,
fortsetzen kann. Auf der zweiten Mantelschicht ist in der Arbeitszone 14 eine
Elektrode 18 angebracht. ZnO ist in besonderem Maße zur elektrischen
Spannungsmodulation geeignet, weil dieses Material sowohl eine hohe Empfindlichkeit
gegenüber
elektrischen Spannungsmodulationen als auch einen für eine lichtführende Schicht geeigneten
Brechungsindex aufweist. Die Schichtdickenreduktion geht so weit,
daß außerhalb der
adiabatischen Schichtdickenübergangszone 15 kein
ZnO mehr vorhanden ist und dort allein die passive lichtführende Schicht 8 für die Lichtleitung
sorgt (2 stimmt diesbezüglich nicht vollständig überein).
Vorzugsweise beginnen die Schichtdickenübergangszonen an den Rändern der
Arbeitszone, die auch von der Elektrode 18 festgelegt wird.
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Eine
bevorzugte Ausführung,
wie sie in 3 skizziert ist, zeigt neben
einer ersten Mantelschicht 4, die adiabatische Schichtdickenübergangszonen 32 aufweist,
ein Substrat 2, eine passive lichtführende Schicht 8,
vorzugsweise mit einer gleichförmigen
Dicke, und eine aktive lichtführende
Schicht 10, die gleichsam den Raum auffüllt, der durch das lokale Verschmälern der
ersten Mantelschicht geschaffen wurde. Es ist anzumerken, daß die Geometrie
einer optischen adiabatischen Schichtdickenübergangszone für eine lichtführende ZnO-Schicht sicherlich
nicht mit der Geometrie einer gleichartigen adiabatischen Schichtdickenübergangszone
für eine Mantelschicht
identisch ist. Unter anderem sind die Geometrie, das Abschrägungsprofil
und damit auch die Länge
der Übergangszone
vom Brechungsindex der betreffenden Schichten und vom Brechungsindex der
benachbarten Schichten abhängig.
Wie in 3 gezeigt, ist die ZnO-Schichtdicke ebenfalls
bis auf Null reduziert.
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4 zeigt
eine Ausführungsform,
in der eine passive lichtführende
Schicht 8 an einer Lichteingangsseite 34 in einer
adiabatischen Schichtdickenübergangszone 36 endet,
wodurch sich eine Schichtdicke von ungefähr 10 nm ergibt. Mittels dieser
Schichtdickenanpassung kann eine optimale Ankopplung an eine Eingangsfaser 38,
die einen Kern 35 und einen Mantel 37 aufweist,
realisiert werden. In diesem Fall schließt eine optimale Ankopplung
einerseits eine Ankopplung mit minimalem Lichtverlust ein, andererseits
aber sicherlich auch eine Ankopplung, die optimal zwischen TE-polarisiertem
und TM-polarisiertem, von der Ausgangsfaser eingespeistem Licht
unterscheidet. Auf diese Weise kann das Interferometer mit ausschließlich TE-polarisiertem
(oder TM-polarisiertem) Licht arbeiten, wodurch Meßsignale
mit höherer
Auflösung
erzeugt werden und sich die Signalverarbeitung vereinfacht.
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In 5 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer Kopplung zwischen Faser und Wellenleiterkanalbauelement skizziert;
gezeigt werden ein Querschnitt bzw. eine Draufsicht einer in einer
V-förmigen Einkerbung 40 eingekapselten
Faser 38. Die V-förmige
Einkerbung wird in dem Substrat 2 vorgenommen, und die
Faser wird dauerhaft angeordnet und mit einem weiteren Stück eines
Trägers 3 bedeckt,
bei dem es sich vorzugsweise um einen Teil derselben V- förmigen Einkerbung handelt,
die zuerst benutzt wurde. Die, falls nötig, entfernbare, jedoch im
Allgemeinen befestigte Faser ist an der Eingangsseite 42 optisch mit
dem Kanalwellenleiterbauelement 1 verbunden.
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In 6 ist
eine bevorzugte Ausführung skizziert,
bei der die erste passive lichtführende Schicht 8 sowie
die aktive lichtführende
Schicht 10 und beide Mantelschichten 4 und 12 eine
adiabatische Schichtdickenübergangszone
aufweisen. In dieser Ausführung
werden alle Vorteile der einzelnen Schichtdickenübergangszonen kombiniert und
können
unabhängig
voneinander optimiert werden. Falls dies von Vorteil sein sollte,
kann eine zusätzliche Schicht,
zum Beispiel eine (chemische) Trenn- oder Haftschicht, zwischen
den bereits erwähnten
Schichten eingebracht werden, zum Beispiel zwischen der passiven
und der aktiven lichtführenden
Schicht. In der dargestellten Ausführungsform sind ein Sensorfenster 22 und
eine Modulationselektrode 18 enthalten. Ein solcher integrierter
optischer Kanalwellenleiter kann zum Beispiel Bestandteil eines
Mach-Zehnder-Interferometerbauelements sein, wie es in 7 gezeigt
ist.
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Ein
Mach-Zehnder-Interferometer, wie das in 7 abgebildete,
ist beispielsweise aus den zuvor erwähnten US-Patentschriften bereits
wohlbekannt und umfaßt
eine Vorrichtung zur Lichtzufuhr – beispielsweise eine optische
Faser – sowie
einen Meßarm 44 und
einen Referenzarm 46, die beide jeweils mit einem Sensorfenster 22 bzw. 22' sowie jeweils mit
einer aktiven Zone ausgestattet sind, und wobei die aktiven Zonen
jeweils eine elektrische Spannungsmodulationselektrode 18 bzw. 18' aufweisen. Beide
Arme sind mit einem ersten Ausgang 50 und einem zweiten
Ausgang 52 an einen optischen Leistungsteiler bzw. -kombinierer,
bei dem es sich zum Beispiel um eine Y-förmige Verzweigung oder, wie hier
skizziert, um ein Multimode-Interferometer (MMI) handeln kann, angeschlossen.
Demgemäß wird ein fast
symmetrisches Bauelement realisiert, wodurch ein von externen Einflüssen wie
der Umgebungstemperatur und ähnlichen
Ursachen unabhängiges
Verhalten des Bauelements möglich
wird. Das Sensorfenster 22' im
Referenzarm 46 ist vorzugsweise gegen den Einfluß der zu
messenden externen Variable – z.B.
relative Feuchtigkeit, Zusammensetzung von Gasen und Flüssigkeiten,
Schwankungen des optischen Brechungsindex, Temperaturschwankungen etc. – abgeschirmt.
Bei der Verwendung eines derartigen Interferometers werden zwei
Signale erzeugt, die mit Ausnahme der von der zu messenden Größe bewirkten
Phasenverschiebung im Prinzip beide in gleichem Maße beeinflußt werden.
Daher ist die Messung einfach und sehr genau.
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Die
Messung kann mittels Laserlichts durchgeführt werden, das direkt oder über eine
Eingangsglasfaser eingekoppelt werden kann. Wie bereits erwähnt, ist
es gemäß der Erfindung
möglich,
beim Einkoppeln TE-polarisiertes Licht auszuwählen. Dank der zuvor erwähnten adiabatischen
Schichtdickenanpassungszone der lichtführenden Schicht und der ebenso
zuvor erwähnten
genauen optischen Eingangskopplung ist das Interferometer äußerst empfindlich.
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Bei
der Durchführung
von Messungen mit einem derartigen Interferometer würde man
normalerweise die Ausbreitung des Eingangslichts auf die Leitungsschicht
und den Bereich darum herum beschränken. Bei Verwendung der adiabatischen Schichtdickenanpassung
ist es gemäß der Erfindung möglich, Messungen
mit Hilfe des sogenannten abklingenden Ausläufers des benutzten Lichts
auszuführen.
Um dies zu verdeutlichen, zeigt 8, wie das
sich in dem Wellenleiterkanalbauelement ausbreitende Licht in einen
Mittelteil 60, der in der lichtführenden Schicht 6,
und in ein abklingendes Feld 62, das in einer Mantelschicht 12 vorliegt,
aufgeteilt ist. Weil die Schichtdicke der Mantelschicht 12 mittels einer
adiabatischen Schichtdickenzone bis herunter auf Null reduziert
wird, zeigt das abklingende Feld hier eine hohe Empfindlichkeit
gegen externe Einflüsse,
und auf diese Weise wird ein Fenster zum Abtasten gebildet. Weil
das Leistungsverhältnis
zwischen dem Mittelteil 60 und dem abklingenden Ausläufer 62 von
der Schichtdicke der lichtführenden
Schicht 6 abhängig
ist, ist es möglich,
beispielsweise mittels einer dem Sensorfenster vorausgehenden adiabatischen Schichtdickenübergangszone
der lichtführenden Schicht 6 in
dem Sensorfenster einen größeren Lichtanteil
in den abklingenden Ausläufer
zu leiten und somit eine noch höhere
Empfindlichkeit gegen externe Einflüsse zu erhalten.
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9 bildet
ein Funktionsdiagramm einer elektrischen Schaltung ab, mit der die
von der Meßgröße eingeprägte Phasenverschiebung
aus den Ausgangssignalen des Mach-Zehnder-Interferometers abgeleitet werden kann.
Die erzeugten optischen Ausgangssignale der Ausgangskanäle 50 und 52 werden
zunächst
mittels Photodetektoren 60 und 62 in elektrische
Signale umgewandelt und darauffolgend von dem Vorverstärker 64 verstärkt. Anschließend findet
unter Verwendung des Schwellwertschalters 66 die Signalerkennung
an demjenigen Punkt statt, an dem die gegenphasigen Ausgangssignale identische
Intensitäten
aufweisen. Der Vorteil dieses Erkennungsverfahrens liegt darin,
daß sie
durch gemeinsame Fluktuationen der Lichtleistung beider Ausgangskanäle 50 und 52 unabhängig von
der Herkunft dieser Fluktuationen nicht gestört wird. Daneben ist an dem
genannten Erkennungspunkt die Empfind lichkeit der Erkennung gegen
die eingeprägte
Phasenverschiebung maximal. Um eine eindeutige Erkennung zu ermöglichen,
wird während
eines Meßzyklus
mittels eines Phasenmodulators 18, beispielsweise wie der
zuvor genannten Modulationselektrode, eine in der Zeit periodische
Phasenverschiebung angewendet. Abhängig von der spezifischen Ausführungsform
können
im Verlaufe des Meßzyklus
ein oder mehrere Erkennungspunkte erhalten werden. Die Zeitabhängigkeit
dieser in der Zeit periodischen Phasenverschiebung ist linear; sie
wird realisiert, indem eine elektrische Spannung mit der gleichen
Zeitabhängigkeit
an den Phasenmodulator angelegt wird. In der bevorzugten Ausführung aus 7 wird
eine solche Spannung, allerdings mit gegenseitig entgegengesetzter
Polarität,
an die beiden Elektroden 18 und 18' angelegt. Ein elektrischer Signalformgenerator 68 sorgt
für das
Erzeugen und Bereitstellen der erwähnten Spannung(en). Der Spitze-Spitze-Wert
der erzeugten Spannungssignalform wird von einer digitalen Signalverarbeitungs-
und -steuereinheit 70 derart angepaßt, daß während jedes Meßzyklus
der zuvor genannte Erkennungspunkt mindestens einmal durchlaufen
wird. Das Zeitintervall zwischen dem Start des Meßzyklus
und dem Durchgang durch den Erkennungspunkt ist ein eindeutiges
und lineares Maß für die von
der Meßgröße eingeprägte Phasenverschiebung,
und durch Messung dieser Zeit kann die Phasenverschiebung ermittelt
werden. Die Abtastung des Erkennungspunkts läßt sich schnell abschließen, da
der Schwellwertschalter 66 den Durchgang durch den Erkennungspunkt
direkt in eine steile Flanke eines binären Signals umwandelt und damit
die Pulsdauer dieses Binärsignals
bestimmt ist. Die Pulsdauerkodierung ermöglicht eine einfache und in
hohem Maße
lineare Quantifizierung mittels eines digitalen Zeitintervallzählers 68.
Eine digitale Verarbeitungs- und Steuereinheit 70 führt auf
der Basis der quantifizierten Abtastzeiten die Rekonstruktion der
von der Meßgröße eingeprägten Phasenverschiebung
durch und liefert ein digitales Ausgangssignal. Die digitale Signalverarbeitungs-
und -steuereinheit 70 ist außerdem für die Synchronisation der Signalformerzeugung 72 mit dem
Zeitintervallzähler 68 verantwortlich.
Die digitale Signalverarbeitungs- und -steuereinheit 70 kann
optional außerdem
eine weitere abschließende
Verarbeitung der rekonstruierten Phasenverschiebung ausführen, beispielsweise
um die Meßgenauigkeit
zu steigern.