DE69603454T2

DE69603454T2 - Interferometrische detektionsvorrichtung

Info

Publication number: DE69603454T2
Application number: DE69603454T
Authority: DE
Inventors: Pierre Benech; Hakon C/O Schneider Electric Sa Helmers
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1996-01-29
Publication date: 2000-05-04
Anticipated expiration: 2016-01-30
Also published as: WO1996025656A1; FR2730563B1; EP0809797A1; JPH11500220A; DE69603454D1; FR2730563A1; US5867267A; DK0809797T3; JP3638610B2; EP0809797B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Detektoreinrichtung zur Eigenschaftsbestimmung eines Mediums durch Interferometrie, die in integrierter Optik ausgeführt ist und - eingebracht in ein Substrat - einen Eingangs-Mikro-Wellenleiter, der über ein Eingangsende mit Mitteln zur Aussendung eines Lichtstrahls verbunden ist, Umformmittel zur Umformung des genannten Strahls in mindestens einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl, Mittel zur Zusammenführung des Referenzstrahls und des Meßstrahls sowie zur Bereitstellung von Interferenzsignalen, Detektormittel, die mit einem Ausgangsende eines die Interferenzsignale übertragenden Ausgangs-Mikro-Wellenleiters verbunden sind, sowie einen Bereich zur Einwirkung des zu untersuchenden Mediums auf den Meßstrahl umfaßt.
Es ist bekannt, Interferometer zum Nachweis des Vorhandenseins oder zur Bestimmung der Konzentration von Gasen zu verwenden. Eine bekannte Einrichtung (Artikel "Gas sensor based on an integrated optical interferometer", de A, BRANDENBURG et al., in SPIE, vol, 1510 Chemical and Medical Senors, 1991) mit einem Mach-Zehnder-Interferometer in integrierter Optik ist in Fig. 1 dargestellt. Das Interferometer umfaßt ein Substrat 1, in das ein Eingangs-Mikro-Wellenleiter 2 eingebracht ist. Der Eingangs-Mikro-Wellenleiter 2 wird in einer ersten Y-Verzweigung in zwei Strecken, und zwar eine Referenzstrecke 3 und eine Meßstrecke 4 aufgeteilt. Die beiden Strecken werden in einer zweiten Y-Verzweigung zu einem Ausgangs-Mikro-Wellenleiter 5 zusammengeführt. Ein Bereich 6 zur Einwirkung des zu analysierenden Gases bedeckt einen Teil der Meßstrecke 4. Dieser Einwirkbereich ist beispielsweise mit einem Film überzogen, der in der Lage ist, ein bestimmtes Gas zu absorbieren, und dessen Brechzahl sich in Abhängigkeit von der absorbierten Gasmenge ändert. Ein in den Eingang des Mikro-Wellenleiters 2 eingekoppelter Eingangs-Lichtstrahl 7 wird in zwei Strahlen aufgeteilt, von denen ein Strahl über die Referenzstrecke in den Ausgangs-Mikro-Wellenleiter geführt und der über die Meßstrecke übertragene andere Strahl eine Phasenverschiebung erfährt, die von der Änderung der Brechzahl des absorbierenden Films abhängt. Der Referenzstrahl und der Meßstrahl interferieren in der zweiten Y- Verzweigung, und das so gebildete, am Ausgang des Mikro-Wellenleiters 5 erfaßte Interferenzsignal ist ein Abbild der zu analysierenden Gaseigenschaft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die eine höhere Ansprechempfindlichkeit aufweist und gleichzeitig in integrierter Optik einfach herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Umformmittel einen Flach- Wellenleiter umfassen, der zwischen dem Eingangs-Mikro-Wellenleiter und dem Ausgangs- Mikro-Wellenleiter angeordnet ist, so daß die Lichtkopplung zwischen jedem Mikro- Wellenleiter und dem Flach-Wellenleiter durch optischen Tunneleffekt erfolgt, und mindestens einen, gegenüber dem Medium unempfindlichen ersten Bereich sowie einen, den Einwirkbereich des Mediums bildenden zweiten Bereich umfaßt. Die Form der einzelnen Bereiche kann beliebig sein.
Der Flach-Wellenleiter wird durch zwei parallel zum Eingangs- bzw. Ausgangs-Mikro- Wellenleiter verlaufende Seiten begrenzt, wobei jede dieser Seiten in räumlicher Nähe zu einem Zwischenabschnitt eines jeweils zugeordneten Mikro-Wellenleiters angeordnet ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung umfaßt der Einwirkbereich eine auf das Substrat aufgebrachte Deckschicht, die gegenüber dem zu analysierenden Medium empfindlich ist.
Nach einer ersten Ausführungsvariante sind der Eingangs- und der Ausgangs-Mikro- Wellenleiter parallel zueinander angeordnet und der Einwirkbereich als Parallelogramm mit zwei parallel zu den Mikro-Wellenleitern verlaufenden Seiten ausgebildet.
Nach einer zweiten Variante ist der Einwirkbereich in Form eines Dreiecks mit einer auf der, dem Eingangs-Mikro-Wellenleiter zugeordneten Seite des Flach-Wellenleiters liegenden Seite sowie einer gegenüberliegenden, auf der dem Ausgangs-Mikro-Wellenleiter zugeordneten Seite des Flach-Wellenleiters liegenden Spitze ausgeführt.
Mehrere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer Vorteile und Merkmale näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1, eine Einrichtung bekannter Art;
Fig. 2, eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung;
Fig. 3 und 4 zwei besondere Ausgestaltungen des Flach-Wellenleiters der Einrichtung aus Fig. 2 in einem Zweiwellen-Interferometer;
Fig. 5 die Amplituden-Phasenverschiebung-Charakteristik der Einrichtungen aus Fig. 3 und 4;
Fig. 6 und 7 drei besondere Ausgestaltungen des Flach-Wellenleiters der Einrichtung aus Fig. 2 in einem Mehrwellen-Interferometer;
Fig. 8 bis 10 die Amplituden- Phasenverschiebung-Charakteristik der Einrichtungen aus Fig. 7 und 9.
Die Einrichtung aus Fig. 2 ist in integrierter Optik in ein Substrat 1 eingebracht. Wie bei den Einrichtungen bekannter Art ist ein Eingangsende eines Eingangs-Mikro-Wellenleiters 2 mit einer Lichtquelle 8 verbunden. Eine solche Lichtquelle kann als Laserdiode ausgebildet sein, die entweder direkt auf dem Substrat 1 befestigt oder über eine Lichtleitfaser mit dem Eingang des Mikro-Wellenleiters 2 verbunden ist. Das Ausgangsende eines Ausgangs-Mikro- Wellenleiters 5 ist mit einem Photodetektor 9 verbunden. Die Mikro-Wellenleiter 2 und 5 sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet, und zwischen den Mikro-Wellenleitern 2 und 5 ist ein, durch einen Flach-Wellenleiter 10 gebildeter Übergangsbereich ausgebildet, derart daß zwischen dem Eingangs-Mikro-Wellenleiter 2 und dem Flach-Wellenleiter 10 bzw. zwischen dem Flach-Wellenleiter 10 und dem Ausgangs-Mikro-Wellenleiter 5 eine Lichteinkopplung durch optischen Tunneleffekt erfolgt, der auch als gestörte Totalreflexion bezeichnet wird.
Ein erster, an die Lichtquelle 8 angeschlossener Eingangsabschnitt 2a des Mikro-Wellenleiters 2 dient zur Stabilisierung der Grundmode des Mikro-Wellenleiters. In einem sich anschließenden, in räumlicher Nähe zum Übergangsbereich 10 angeordneten Zwischenabschnitt 2b des Mikro-Wellenleiters 2 wird das Licht durch optischen Tunneleffekt in den Bereich 10 eingekoppelt. Die Einkopplung ist verhältnismäßig schwach und gewährleistet so eine homogene Lichtverteilung im Bereich 10. Der nicht eingekoppelte Lichtanteil tritt über einen dritten Ausgangsabschnitt 2c des Mikro-Wellenleiters 2 aus der Einrichtung aus. Ein Referenz-Photodetektor 11 ist an den Ausgang des Mikro-Wellenleiters 2 angeschlossen. Das so gemessene Referenzsignal kann einer Verarbeitungsschaltung zugeführt werden, um durch Signalschwankungen der Lichtquelle 8 verursachte Abweichungen der vom Photodetektor 9 erfaßten Meßwerte des Interferenzsignals zu korrigieren.
Der Übergangsbereich 10 ist in mindestens zwei Bereiche 10a und 10b unterteilt. Ein erster Bereich 10a dient als Referenzbereich. Der zweite Bereich 10b bildet einen Einwirkbereich des zu analysierenden Mediums. Er ist mit einer Deckschicht versehen, deren Brechzahl und/oder Dicke sich bei Einwirkung des genannten Mediums ändert. Diese Änderung führt wiederum zu einer Änderung der Ausbreitungskonstante der Lichtwelle in dem optischen Medium, das durch den unter der Deckschicht liegenden Abschnitt des Flach-Wellenleiters gebildet wird.
Nach dem Durchqueren des Bereichs 10 wird das Licht durch optischen Tunneleffekt in einen in räumlicher Nähe angeordneten Zwischenabschnitt 5a des Ausgangs-Mikro-Wellenleiters 5 eingekoppelt. Der Abschnitt 5a bildet so einen Kopplungs- und Interferenzbereich, in dem sich die Interferenzsignale bilden, die sich aus der Summe der vom Abschnitt 2b stammenden und durch die Bereiche 10a bzw. 10b geführten Lichtstrahlen ergeben. Es kommt also zu einer Interferenz zwischen den durch den Bereich 10a geführten Referenz-Lichtstrahlen und den in Abhängigkeit vom zu analysierenden Medium um ein bestimmtes Maß phasenverschobenen Meß-Lichtstrahlen. Dies geht insbesondere aus Fig. 3 hervor, in der einige Lichtstrahlen dargestellt sind. Die Interferenzsignale werden über einen Ausgangsabschnitt 5b des Mikro- Wellenleiters 5 dem Photodetektor 9 zugeführt.
Die geometrische Form des Referenzbereich 10a bzw. des Einwirkbereichs 10b kann beliebig sein. In Fig. 2 sind sie durch eine vollkommen willkürlich gezogene Linie 10c voneinander getrennt. Nach einer in Fig. 2 gezeigten vorzugsweisen Ausgestaltung ist der Übergangsbereich 10 trapezförmig ausgebildet. Er umfaßt eine in räumlicher Nähe zum Abschnitt 2b und parallel zu diesem verlaufende kurze Grundseite 12 sowie eine lange Grundseite 13 in räumlicher Nähe des Abschnitts 5a des Ausgangs-Mikro-Wellenleiters 5. In Fig. 2 handelt es sich um ein rechtwinkliges Trapez, dessen geneigter Schenkel 14 auf der Seite der Ausgangsenden der Mikro-Wellenleiter 2 und 5 angeordnet ist.
Die Herstellung einer solchen Einrichtung ist sehr einfach und leicht reproduzierbar. Eine Standardeinrichtung umfaßt in der Basisversion die Mikro-Wellenleiter 2 und 5 und den Flach-Wellenleiter 10 sowie gegebenenfalls die Lichtquelle 8 und die Photodetektoren 9 und 11. Eine solche Einrichtung eignet sich für die Serienfertigung und kann durch einfaches Aufbringen einer auf das zu analysierende Medium abgestimmten Deckschicht mit beliebiger geometrischer Form an die jeweiligen Bedürfnisse angepaßt werden. Der Referenzbereich 10a kann gegebenenfalls ebenfalls mit einem beliebigen, gegenüber dem zu analysierenden Medium unempfindlichen Material abgedeckt werden.
Bei den Varianten gemäß Fig. 3 und 4 hat der Einwirkbereich die Form eines Parallelogramms mit zwei auf der kurzen Grundseite 12 bzw. der langen Grundseite 13 des den Übergangsbereich bildenden rechtwinkligen Trapezes liegenden Seiten. Die übrigen Seiten des Parallelogramms verlaufen parallel zum geneigten Schenkel 14 des Trapezes. In Fig. 3 ist der Einwirkbereich in der Mitte des Bereichs 10 angeordnet. Der Referenzbereich 10a wird in diesem Fall durch den, über dem Bereich 10b liegenden verbleibenden Teil des Bereichs 10 gebildet. In Fig. 4 ist der Bereich 10b im oberen Teil des Bereichs 10 angeordnet. In beiden Fällen handelt es sich bei dem so gebildeten Interferometer um ein Zweiwellen-Interferometer, dessen Übertragungscharakteristik dem in Fig. 5 gezeigten Verlauf entspricht. Die Kurve zeigt die Intensität I der Interferenzsignale in Abhängigkeit von der durch den Einwirkbereich 10b bewirkten Phasenverschiebung Æ zwischen dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl. Eine solche Kurve folgt dem Verlauf
I = Io (1 + cos ) (1),
wobei Io der Intensität des Signals ohne Phasenverschiebung entspricht. Die Phasenverschiebung kann proportional zur Brechzahl n der Deckschicht des Einwirkbereichs 10b verlaufen, die wiederum in Abhängigkeit vom zu analysierenden Medium unterschiedlich sein kann. Ein solche Charakteristik eignet sich für große Meßbereiche. Die Breite des Einwirkbereichs 10b im Verhältnis zum Referenzbereich 10a bestimmt die Lichtstärkeverteilung zwischen diesen beiden Bereichen, wodurch der Kontrast des Interferometers optimiert werden kann.
Bei den Varianten gemäß Fig. 6, 7 und 9 hat der Einwirkbereich 10b die Form eines Dreiecks mit einer auf der kurzen Grundseite 12 des Trapezes liegenden Seite und einer gegenüberliegenden Spitze 15 auf der langen Grundseite des Trapezes. In Fig. 6 und 7 sind die genannte Seite des Dreiecks und die kurze Grundseite 12 gleich lang, während in Fig. 9 die genannte Seite kürzer ist als die kurze Grundseite 12. In Fig. 6 liegt die Spitze 15 im Mittelabschnitt der langen Grundseite 13. In den Fig. 7 und 9 liegt eine zweite Seite des Dreiecks auf dem geneigten Schenkel 14 des Trapezes.
Die in Fig. 8 gezeigte Übertragungscharakteristik der Varianten nach Fig. 6 und 7 entspricht:
I = Io (1 - cos )/ 2 (2).
Eine solche Charakteristik eignet sich eher zur eindeutigen Niveaubestimmung, wobei oberhalb des Schwingungsniveaus ein bestimmtes Intensitätsniveau einem bestimmten Phasenverschiebungsniveau entspricht.
Fig. 10 zeigt die Übertragungscharakteristik der Variante gemäß Fig. 9, die zwischen den Charakteristiken von Fig. 5 und Fig. 8 liegt.
In allen drei Varianten gemäß den Fig. 6, 7 und 9 handelt es sich bei den beschriebenen Interferometern um Mehrwellen-Interferometer.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten besonderen geometrischen Formen beschränkt, sondern gilt für alle geometrischen Formen des Übergangsbereichs und der Trennlinien zwischen dem Einwirkbereich 10b und dem Referenzbereich 10a. Insbesondere der Bereich 10 kann in mehrere Meßaufnahme- und mehrere Referenzbereiche unterteilt sein.
Die Amplituden-Phasenverschiebung-Charakteristik des Interferometers ergibt sich also aus der geometrischen Form der auf der Oberfläche der Einrichtung aufgebrachten Schichten. Dabei kann sie der Charakteristik eines Resonators, eines Zweiwellen-Interferometers oder jeder beliebigen Zwischenform entsprechen.
Bei einem Zweiwellen-Interferometer bekannter, beispielsweise gemäß Fig. 1 ausgeführter Art kann das Aufbringen einer absorbierenden Deckschicht auf den Einwirkbereich 6 eine Unsymmetrie der Interferometerzweige zur Folge haben und so den Kontrast des Meßsignals beeinträchtigen. Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Einrichtung tritt dieses Problem durch die freie Wahl der Geometrie des Einwirkbereichs nicht auf.
Darüber hinaus kann ein großer Einwirkbereich 10b vorgesehen werden, wodurch die Empfindlichkeit des Interferometers gegenüber einer gegebenenfalls inhomogenen Zusammensetzung der Deckschicht über dem Einwirkbereich sinkt.
Des weiteren enthält die erfindungsgemäße Einrichtung im Gegensatz zu bekannten Fabry- Pérot-Interferometern keine Reflektorelemente, die in integrierter Optik schwierig herzustellen sind. Sie enthält im Gegensatz zu einer bekannten Einrichtung gemäß Fig. 1 auch keine gekrümmten Wellenleiter, die Probleme bei bestimmten Technologien der integrierten Optik aufwerfen. Daraus resultiert eine einfache Herstellung, wodurch wiederum die Herstellungskosten für einen solchen Meßsensor gesenkt werden können.
Die Einrichtung bietet selbstverständlich alle allgemeinen Vorteile der integrierten Optik, insbesondere die Unempfindlichkeit gegenüber Schwingungen, kompakte Abmessungen, leichte Temperaturausregelung, Möglichkeit der Serienfertigung und Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern.
Die oben beschriebene Einrichtung kann zur Herstellung physikalischer, chemischer oder biologischer Meßsensoren verwendet werden, bei denen das zu analysierende Medium mit der auf dem Einwirkbereich aufgebrachten Deckschicht in Kontakt gerät. Sie kann allgemeiner überall dort eingesetzt werden, wo eine Abhängigkeit zwischen einem äußeren Medium und Licht hergestellt werden soll.

Claims

1. Detektoreinrichtung zur Eigenschaftsbestimmung eines Mediums durch Interferometrie, die in integrierter Optik ausgeführt ist und - eingebracht in ein Substrat (1) - einen Eingangs-Mikro-Wellenleiter (2), der über ein Eingangsende mit Mitteln (8) zur Aussendung eines Lichtstrahls verbunden ist, Umformmittel (10a, 10b) zur Umformung des genannten Strahls in mindestens einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl, Mittel (5a) zur Zusammenführung des Referenzstrahls und des Meßstrahls sowie zur Bereitstellung von Interferenzsignalen, Detektormittel (9), die mit einem Ausgangsende eines die Interferenzsignale übertragenden Ausgangs-Mikro-Wellenleiters (5) verbunden sind, sowie einen Bereich (10b) zur Einwirkung des zu untersuchenden Mediums auf den Meßstrahl umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Umformmittel einen Flach-Wellenleiter (10) umfassen, der zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangs-Mikro-Wellenleiter (2, 5) angeordnet ist, so daß die Lichteinkopplung zwischen jedem Mikro-Wellenleiter und dem Flach-Wellenleiter durch optischen Tunneleffekt erfolgt, und mindestens einen, gegenüber dem Medium unempfindlichen ersten Bereich (10a) sowie einen, den Einwirkbereich des Mediums bildenden zweiten Bereich (10b) umfaßt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einwirkbereich eine auf das Substrat (1) aufgebrachte Deckschicht umfaßt, die gegenüber dem zu analysierenden Medium empfindlich ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Brechzahl der Deckschicht in Abhängigkeit von der zu analysierenden Eigenschaft des Mediums ändert.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dicke der Deckschicht in Abhängigkeit von der zu analysierenden Eigenschaft des Mediums ändert.

5. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Flach-Wellenleiter (10) durch zwei parallel zum Eingangs- bzw. Ausgangs-Mikro- Wellenleiter (2, 5) verlaufende Seiten (12, 13) begrenzt wird, wobei jede dieser Seiten in räumlicher Nähe zu einem Zwischenabschnitt (2b, 5a) eines jeweils zugeordneten Mikro- Wellenleiters angeordnet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Ausgangs-Mikro- Wellenleiter (5) zugeordnete Seite (13) des Flach-Wellenleiters länger ist als die dem Eingangs-Mikro-Wellenleiter (2) zugeordnete Seite (12) des Flach-Wellenleiters.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangs- und der Ausgangs-Mikro-Wellenleiter (2, 5) parallel zueinander angeordnet sind und der Einwirkbereich (10b) als Parallelogramm mit zwei parallel zu den Mikro- Wellenleitern (2, 5) verlaufenden Seiten ausgebildet ist.

8. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einwirkbereich (10b) in Form eines Dreiecks mit einer auf der, dem Eingangs-Mikro- Wellenleiter (2) zugeordneten Seite (12) des Flach-Wellenleiters (10) liegenden Seite sowie einer gegenüberliegenden, auf der dem Ausgangs-Mikro-Wellenleiter (5) zugeordneten Seite (13) des Flach-Wellenleiters (10) liegenden Spitze (15) ausgeführt ist.

9. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einem Ausgangsende des Eingangs-Mikro-Wellenleiters (2) verbundene Detektormittel (11) zur Erfassung eines Referenz-Lichtsignals umfaßt.