DE4209672C1

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

Info

Publication number: DE4209672C1
Application number: DE4209672A
Authority: DE
Inventors: Axel 8920 Schongau De Mehnert; Peter Dr. 8012 Riemerling De Peuser; Nikolaus Peter 8000 Muenchen De Schmitt
Original assignee: Deutsche Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1992-03-25
Filing date: 1992-03-25
Publication date: 1993-07-08
Anticipated expiration: 2012-03-26

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Wellenlänge optischer Strahlung und hat sich dabei zur Aufgabe gesetzt, eine entsprechende Einrichtung zu schaffen, die wesentlich kompakter als bisher bekannte Spektrometer ist und damit leichter in optoelektrische Systeme integrierbar ist.

Die Erfindung geht von einer Einrichtung aus, wie sie in der älteren Anmeldung P 42 06 358.2 beschrieben ist. Die dort beschriebene Anordnung besteht aus mehreren übereinander angeordneten planaren Wellenleiter systemen, die zum Teil über Gitterkoppler zwischen den Ebenen optisch verbunden sind und zur Konzentration der Strahlung einer Vielzahl von Lichtquellen dienen. Dabei ist Grundsätzlich aus der DE 39 18 726 C1 bekannt, Gitter als integrale Bestandteile von Wellenleitern zu benutzen um Licht in diese ein- bzw. auszukoppeln.

Zur Bestimmung der Wellenlänge einer optischen Strahlung wird diese in einen ersten planaren Wellenleiter, z. B. über dessen Stirnfläche, einge koppelt und trifft dann auf eine Gitterstruktur mit definierter Gitter konstante. Je nach Wellenlänge des eingekoppelten Lichtes wird dieses unter einem entsprechenden Winkel aus der Ebene des Wellenleiters ausge koppelt. Parallel zum ersten planaren Wellenleiter sind nun ein oder mehrere zweite planare Wellenleiter angeordnet, die ebenfalls jeweils eine Gitterstruktur aufweisen, wobei diese so platziert und mit ent sprechenden Gitterkonstanten versehen sind, daß nur ein schmaler Bereich des durch die Gitterstruktur des ersten planaren Wellenleiters spektral zerlegten und in unterschiedliche Richtungen ausgekoppelten Lichtes auf sie trifft und in den jeweiligen zweiten planaren Wellenleiter einge koppelt wird. Das in den zweiten planaren Wellenleitern geführte Licht ist somit eng spektral begrenzt, so daß bei Auswertung der so erzeugten optischen Signale z. B. mittels an die zweiten planaren Wellenleiter gekoppelten Fotodioden entweder die spektrale Zusammensetzung des in den ersten Wellenleiter eingekoppelten Lichtes oder, bei monochromatischem Licht, dessen Wellenlänge bestimmt wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß beispielsweise zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode das in den ersten planaren Wellenleiter eingekoppelte Licht zumindest teilweise auf eine Gitterstruktur geführt und entsprechend der Gitterkonstanten unter einem vorgegebenem Winkel ausgekoppelt wird. Entspricht das einge koppelte Licht exakt der vorgegebenen Wellenlänge, so trifft das ausge koppelte Licht auf einen "blinden Fleck" der sich durch den Abstand zweier unterhalb der ersten Gitterstruktur angeordneter weiterer Gitter strukturen ergibt, die mit je einem zweiten planaren Wellenleiter ver bunden sind. Diese zweiten Gitterstrukturen sind winkelmäßig bzgl. der ersten Gitterstruktur so angeordnet, daß Licht einer größeren als der vorgegebenen Wellenlänge zumindest teilweise auf die eine der beiden zweiten Gitterstrukturen fällt und Licht einer kleineren Wellenlänge auf die andere Gitterstruktur. Erscheint also auf einem der zweiten planaren Wellenleiter ein Lichtsignal, so kann daraus ein Regelsignal zur Ver schiebung der abgestrahlten Wellenlänge der Lichtquelle erzeugt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht und Bestimmung der jeweils enthaltenen Wellenlängen und

Fig. 2 eine Anordnung zur Bestimmung der Abweichung einer monochroma tischen Strahlung von ihrer Sollwellenlänge.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird in einen ersten planaren Wellenleiter 11, der in einem ebenen Substrat 1 erzeugt wurde, ein Frequenzgemisch einer optischen Strahlung 6 eingekoppelt. Das derart eingekoppelte Licht trifft auf eine Gitterstruktur 12 mit definierter Gitterkonstanten und wird dort entsprechend seiner Wellenlänge in unter schiedliche Richtungen aus der Ebene des Wellenleiters 11 ausgekoppelt. Unterhalb des Wellenleiters 11 befinden sich nun mehrere, im gezeigten Fall drei parallel angeordnete zweite Wellenleiter 21, 31 und 41, die in entsprechenden Substraten 2, 3 und 4 erzeugt wurden. Die einzelnen Wellenleiter bzw. Substrate sind durch transparente Abstandsschichten 7, 8 und 9 voneinander getrennt und bilden einen kompakten Block, der lediglich zur besseren Darstellung auseinandergezogen gezeichnet wurde.

Das Licht einer ersten, durch unterschiedliche Pfeile dargestellten Wellenlänge wird nun unter einem ersten Winkel α₁ aus dem Gitter 12 abgelenkt und trifft den Wellenleiter 21 an einer Stelle, an der sich eine Gitterstruktur 22 zum Empfang dieses Lichtes und zur Einkopplung in den Wellenleiter 21 befindet. Ähnliches geschieht mit dem Licht anderer Wellenlängen, die unter dem Winkel α₂ bzw. α₃ aus dem Gitter 12 ausgekoppelt werden und auf eine Gitterstruktur 32 am Wellenleiter 31 bzw. 42 am Wellenleiter 41 treffen. Das jeweils aus den Wellenleitern 21, 31 und 41 ausgekoppelte Licht ist weitgehend monochromatisch, so daß über dessen Intensität die spektrale Zusammensetzung des eingekoppelten Lichtes 6 ermittelt werden bzw. festgestellt werden kann, ob die jeweilige Wellenlänge in dem Licht 6 vorhanden ist. Insbesondere ist eine räumliche Trennung der spektralen Anteile eines Frequenzgemisches möglich.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird von dem in einen planaren Wellenleiter 221 eingekoppelten, monochromatischen Licht 20, z. B. einer Laserdiode, ein Teil in einen, auf dem gleichen Substrat 201 befindlichen Wellenleiter 222 abgezweigt. Dieser mündet in eine Gitterstruktur 223 mit vorgegebener Gitterkonstanten. Besitzt das einge koppelte Licht exakt die vorgegebene Sollwellenlänge, so wird es am Gitter 223 und einem Winkel β₀ abgelenkt; weicht es davon ab, so wird es unter entsprechend anderen Winkeln z. B. β₁ bzw. β₂ abgelenkt. Nur im zweitgenannten Fall trifft das derart abgelenkte Licht auf Gitterstrukturen 231 oder 232, die zur Einkopplung des Lichtes in jeweils zugehörige planare Wellenleiter 233 bzw. 234 auf dem Substrat 202 gehören.

Die Dicke der zwischen den Substraten 201 und 202 befindlichen Abstands schicht 10 sowie der Abstand zwischen den beiden Gittern 231 und 232 ist so bemessen, daß Licht der Sollwellenlänge, welches am Gitter 223 unter dem Winkel β₀ ausgekoppelt wird auf einen "blinden Fleck" 230 des Substrates 202 trifft und somit kein oder ein nur geringes optisches Ausgangssignal in den Wellenleitern 233 oder 234 erzeugt.

An den stirnseitigen Ausgängen der Wellenleiter 233 bzw. 234 kann mittels Fotodioden die Intensität der austretenden Strahlung gemessen und damit bestimmt werden, wie gut die verwendete Lichtquelle, z. B. die Laserdiode, den geforderten Wellenlängenbereich einhält, bzw. in welcher Richtung sie davon abweicht. Aus den Ausgangssignalen der Fotodioden läßt sich dann ein Regelsignal zur spektralen Stabilisierung der Strahlungsquelle ableiten.

Claims

1. Einrichtung zur Bestimmung der Wellenlänge optischer Strahlung gekennzeichnet durch einen ersten planaren Wellenleiter (11; 222), in welchen die optische Strahlung (6; 20) eingekoppelt wird, wobei der Wellenleiter (11; 222) eine Gitterstruktur (12; 223) aufweist, mittels welcher zumindest ein Teil der im Wellenleiter (11; 222) geführten Strahlung aus der Ebene des Wellenleiters (11; 222) auskoppelbar ist, sowie durch mindestens einen zweiten planaren Wellenleiter (21, 31, 41; 233, 234) , der parallel zum ersten angeordnet ist und mindestens eine Gitterstruktur (22, 32, 42; 231, 232) zum Empfang der aus dem ersten Wellenleiter (11; 222) ausgekoppelten Strahlung und Einkopplung der Strahlung in den zweiten Wellenleiter (21, 21, 41; 233, 234) aufweist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstrukturen (22, 32, 42; 231, 232) mehrerer zweiter planarer Wellenleiter (21, 31, 41; 233, 234) in unterschiedlichen Strahlrich tungen (α₁, α₂, α₃; β₁, β₂) bzgl. der Gitterstruktur (12; 223) des ersten planaren Wellenleiters (11; 222) angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zweite planare Wellenleiter (21, 31, 41; 233, 234) eine, einer einzigen Wellenlänge zugeordnete Gitterstruktur (22, 32, 42; 231, 232) aufweist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß in einer parallelen Ebene zum ersten planaren Wellen leiter (222) zwei zweite planare Wellenleiter (233, 234) mit je einer Gitterstruktur (231, 232) angeordnet sind, wobei die Gitterstrukturen einen vorgegebenen Abstand und unterschiedliche Einkoppelwinkel (β₁, β₂) aufweisen.