DD249772A1 - Integriert-optischer temperatursensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Sensor fuer optische Temperaturmessung mit einer aus streifenfoermigen Lichtwellenleitern in einem ebenen Substrat bestehenden Interferometerstruktur, die zumindest teilweise von einem Overlay bedeckt ist. Angestrebt wurde ein integriert-optischer Temperatursensor mit einfacher Wellenleiterstruktur und hoher Messempfindlichkeit. Die Loesung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemaess dadurch, dass streifenfoermige Lichtwellenleiter ein Interferometer bilden, dessen einer Arm mit einer gegenueber den Lichtwellenleitern hoeherbrechenden Schicht (Overlay) bedeckt ist, deren Schichtdicke im Bereich der Arbeitslichtwellenlaenge liegt. Das Schichtdicken-Brechzahlprodukt des Overlays ist so gewaehlt, dass die Arbeitswellenlaenge genau die Grenzwellenlaenge fuer eine sich nur im Overlay ausbreitende Lichtwelle (Modus) ist und dass das Overlay-Material im Vergleich zum Lichtwellenleiter deutlich unterschiedliche thermooptische Koeffizienten aufweist.
Description
einer gegenüber den Lichtwellenleitern höherbrechenden Schicht (Overlay) bedeckt ist, deren Schichtdicke im Bereich der Arbeitswellenlänge liegt. Es ist vorteilhaft, wenn das Schichtdickenbrechzahlenprodukt des overlays so gewählt ist, daß die Arbeitswellenlänge genau die Grenzwellenlänge für eine sich nur im overlay ausbreitende Lichtwelle (Modus) ist und daß das overlay-Material im Vergleich zum Lichtwellenleiter stark unterschiedliche thermooptische Koeffizienten aufweist. Das Interferometer ist demgegenüber Temperaturänderungen maximal sensibilisiert. Dieser Sensibilisierungseffekt soll nun ausführlicher erläutert werden.
Bei einem ursprünglich symmetrischen Interferometer wird ein Afm auf einer Länge L mit einem overlay bedeckt. Dadurch werden die Phasenkonstanten der Lichtwellen im bedeckten und im unbedeckten Interferometerarm (/J1 bzw. ß2) unterschiedlich {ß^ - ßi =£ 0), und es ergibt sich am Interferometerausgang eine Phasendifferenz δ 0 zwischen den beiden Interferometerarmen, die sich nach
δ 0 = (/3, - ft) L (1)
berechnet. Die Änderung dieser Phasendifferenz bei Temperaturänderung um ΔΤ ergibt sich zu
Δ (δ 0) = (/3, - (S2) — ΔΤ + L ΔΤ (2)
dT dT
Die Sensibilisierung wird somit durch zwei Effekte bestimmt. Aufgrund der durch das overlay erzeugten Interferometerasymmetrie führt die Wärmeausdehnung des Materials immerzu einer Änderung der Phasendifferenz bei Temperaturänderung (I.Term in Gl. [2]), die dann am Interferometerausgang in einer periodischen Änderung der Ausgangslichtleistung resultiert, wobei die Größe der Temperaturdifferenz AT2„für das Durchlaufen einer Periode des Ausgangssignals ein Maß für die Empfindlichkeit darstellt. Da jedoch die Interferometerasymmetrie (ßi - /J2) vergleichsweise gering ist, ist der hierdurch erzielte Sensoreffekt in etwa vergleichbar mit dem bei einem schwach geometrisch unsymmetrischen Interferometer (Applied Physics Letters, vol. 14 [1982] p. 135), d.h. ΔΤ2ΐ7 « 100...200K.
Wesentlich höhere Empfindlichkeiten lassen sich über den zweiten Term in Gl. (2) realisieren. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß bei geeigneter Wahl von Brechzahl und Schichtdicke des overlays relativ geringe Brechzahländerungen, im gegebenen Fall hervorgerufen durch Temperaturänderung über den thermooptischen Koeffizienten
y — — · (n-Brechzahl),zu drastischen Änderungen der Phasenkonstanten ßi führen (große
~ -Werte).
Dieser Fall liegt dann vor, wenn die Arbeitswellenlänge genau die Grenzwellenlänge für eine sich nur im overlay ausbreitende Lichtwelle (Modus) mit dem Lichtwellenleiter als Substrat ist. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch nachträglich durchgeführte Beschichtungen die Größen (ß{— /32) sowie
(jedoch nicht vollständig unabhängig voneinander) und damit die Sensorenempfindlichkeiten korrigiert werden können.
Das Wesen der Erfindung soll an'einem in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Fig. 1 zeigt die prinzipielle Abhängigkeit der Phasenkonstante eines mit einem overlay beschichteten planaren Wellenleiters in Abhängigkeit vom Brechzahl-Schichtdickenprodukt des overlay-Materials. Wie heraus ersichtlich ist, erhält man
durch die Beschichtung im allgemeinen eine andere Phasenkonstante /3-, als im unbeschichteten Wellenleiter ß2. Außerdem existieren Bereiche des Brechzahl-Schichtdickenproduktes (n · d)r, in denen geringfügige Änderungen der Brechzahl (oder der Schichtdicke) zu einer merklichen Änderung der Phasenkonstanten ß-, führen. Die Umsetzung dieser Eigenschaften in einen Temperatursensor ist in Fig. 2 dargestellt. Ein Arm eines ursprünglich symmetrischen Mach-Zehnder-Interferometers, bestehend aus einmodigen Streifenwellenleitern 1 wird mit einem overlay 2 bedeckt, dessen Brechzahl-Schichtdickenprodukt in dem ebengenannten empfindlichen Bereich (n · d)r liegt. Das Material des overlays und das Wellenleitermaterial sollen stark unterschiedliche thermooptische Koeffizienten besitzen, so daß die temperaturbedingten Brechzahländerungen des overlays (oder aber-des Wellenleiters) entsprechend Fig. 1 zu deutlichen Änderungen der Phasenkonstanten ^1 führen. Die daraus resultierenden temperaturabhängigen Änderungen der Phasendifferenz zwischen den beiden Interferometerarmen werden am Ausgang in eine periodische Intensitätsänderung umgesetzt, die photoelektrisch registriert und elektronisch ausgewertet werden kann. Als overlay-Materialien kommen solche Halbleiter wie Si und GaAs in Betracht, die beide über hohe thermooptische Koeffizienten verfugen. In Verbindung mit Wellenleiterstrukturen in LiNbO3, die durch Titaneindiffusion hergestellt werden, sind auch overlays aus dem leicht höherbrechenden TiO2 interessant. Durch die großen thermooptischen Koeffizienten des LiNbO3 im Vergleich zu feinkristallinen gesputterten TiO2-Schichten ergibt sich prinzipiell der gleiche Sensoreffekt (zu Fig. 1 analoge Abhängigkeit ß-\ von der Wellenleiterbrechzahl). Die Empfindlichkeit wird durch Variation der overlay-Dicke in sehr weiten Grenzen zwischen AT217 = 400 K und AT2n. < 1 K eingestellt, wobei für die Einstellung maximale Empfindlichkeit (ΔΤ2ΐ < 1 K) gefordert ist, eine vorgegebene Schichtdicke mit einer Genauigkeit von = 1 % zu realisieren. Der erfindungsgemäße Sensor hat jedoch den Vorteil gegenüber nahezu allen bisherigen Lösungen, daß eine nachträgliche Korrektur der Empfindlichkeit durchgeführt werden kann
Neben der in Fig.2 abgebildeten Ausführungsform sind andere, z.B. als Mickelson-Interferometer, möglich.
Claims (4)
1. Integriert-optischer Temperatursensor auf der Basis von einmodigen streifenförmigen Lichtwellenleitern, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Lichtwellenleiter ein Interferometer bilden, dessen einer Arm mit einer gegenüber den Lichtwellenleitern, höherbrechenden Schicht (overlay) bedeckt ist, deren Schichtdicke im Bereich der Arbeitslichtwellenlänge liegt.
2. Integriert-optischer Sensor nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schichtdicken-Brechzahlprodukt des overlays so gewählt ist, daß die Arbeitswellenlänge genau die Grenzwellenlänge für eine sich nur im overlay ausbreitende Lichtwelle (Modus) ist und daß das overlay-Material im Vergleich zum Lichtwellenleiter deutlich unterschiedliche thermooptische Koeffizienten aufweist.
3. Integriert-optischer Sensor nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Overlay aus Sj oder GaAs besteht.
4. Integriert-optischer Sensor nach Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter durch Titaneindiffusion in LiNbO3 hergestellt ist und das overlay aus einerfeinkristallinen TiO2-Schicht besteht.
Hierzu 2 Seiten Zeichnungen
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Sensor für optische Temperaturmessung auf der Basis von streifenförmigen Lichtwellenleitern in einem ebenen Substrat, die als Interferometerstruktur angeordnet und zumindest in einem Teil mit einem sensibilisierenden Belag (Overlay) bedeckt sind. Der Sensor ist in optischen Signalübertragungssystemen mit einmodigen Lichtwellenleitern einsetzbar, wenn z.B. Temperaturen auf nichtelektrischem Wege in einer Umgebung starker elektromagnetischer Störfelder bzw. mit hoher Explosionsgefahr gemessen werden sollen.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Zur optischen Temperaturmessung werden faseroptische Sensoren mit sehr unterschiedlichen Wirkprinzipien eingesetzt. So werden z. B. die temperaturabhängige Fotolumineszenz fester Materialien (DE-OS 3036682, EP 0006530), die temperaturabhängige Brechzahländerung von Flüssigkeiten (DE-OS 2941677) sowie die Absorptionsänderung°in Halbleitern ausgenutzt (IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-18 [1982] p. 676). Sehr hohe Empfindlichkeiten werden mit interferometrischenfaseroptischenTemperatursensoren erreicht (Applied Opties, vol. 18 [1979] p. 1445). Derartige faseroptische Sensoren sind allerdings z.T. nicht genügend stabil, relativ voluminös und erfordern oft einen hohen manuellen Fertigungsaufwand. Demgegenüber wird erwartet, daß integriert-optische Sensoren, die als Lichtwellenleiterstrukturen in bzw. auf ebenen transparenten Substraten realisiert werden, kompakter und stabiler sind. Aus der Literatur sind erste integriertoptische Temperatursensoren als Labormuster bekannt. Sie besitzen sämtlich eine asymmetrische interferometerstruktur, da die auf einem Substrat in unmittelbarer Nähe angeordneten Interferometerarme praktisch immer der gleichen (zu messenden) Temperatur ausgesetzt sind (im Gegensatz zu den faseroptischen interferometrischen Sensoren, wo nur ein Interferometerarm der zu messenden Temperatur ausgesetzt wird). In Applied Physics Lettes vol.41 (1982) p. 135 wird ein asymmetrisches Mach-Zehnder-Interferometer, hergestellt durch Titaneindiffusion in LiNbO3, zur Temperaturmessung verwendet. Trotz hohen Strukturierungsaufwandes ist die erreichte Empfindlichkeit sehr gering. Wesentlich höhere Empfindlichkeiten werden durch transversale Ankopplung eines integriert-optischen Resonators an einen Streifenwellehleiter (IEEE Journal of Quantum Electronics vol. QE-21 [1985] p,332) sowie durch deutliche Vergrößerung der Interferometerasymmetrie (Applied Opties, vol. [1985] p. 2483) erreicht. In beiden Fällen ist die zu realisierende Lichtwellenleiterstruktur kompliziert und insbesondere im ersten Fall die erreichte Modulationstiefe des optischen Ausgangssignals gering.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist ein integriert-optischer Temperatursensor, der einerseits eine einfache Wellenleiterstruktur besitzt, andererseits jedoch eine hohe Meßempfindlichkeit aufweist.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen integriert-optischen Temperatursensor zu schaffen, der trotz einfacher Wellenleiterstruktur eine hohe Meßempfindlichkeit aufweist und im Gegensatz zu allen bisher bekannten Lösungen den Vorteil bietet, die Empfindlichkeit nach Beendigung der Wellenleiterherstellung auf den gewünschten Wert einzustellen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein integriert-optischer Temperatursensor auf der Basis von einmodigen streifenförmigen Lichtwellenleitern vorgeschlagen, welcher erfindungsgemäß als Interferometer ausgebildet ist, bei dem zumindest ein Arm mit
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD29105486A DD249772A1 (de) | 1986-06-06 | 1986-06-06 | Integriert-optischer temperatursensor |
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| DD29105486A DD249772A1 (de) | 1986-06-06 | 1986-06-06 | Integriert-optischer temperatursensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| DD249772A1 true DD249772A1 (de) | 1987-09-16 |
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ID=5579733
Family Applications (1)
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| DD29105486A DD249772A1 (de) | 1986-06-06 | 1986-06-06 | Integriert-optischer temperatursensor |
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| Country | Link |
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| DD (1) | DD249772A1 (de) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4940302A (en) * | 1989-03-13 | 1990-07-10 | The Boeing Company | Integrated optics waveguides with large phase shifts |
| US4950074A (en) * | 1988-05-02 | 1990-08-21 | IOT Entwicklungsgesellshaft fur Integrierte Optik-Technologie mbH | Method of determining the refractive index of a substance and apparatus thereof |
-
1986
- 1986-06-06 DD DD29105486A patent/DD249772A1/de not_active IP Right Cessation
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| US4940302A (en) * | 1989-03-13 | 1990-07-10 | The Boeing Company | Integrated optics waveguides with large phase shifts |
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