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DE68927644T2 - Verfahren zum optischen fühlen - Google Patents

Verfahren zum optischen fühlen

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DE68927644T2
DE68927644T2 DE68927644T DE68927644T DE68927644T2 DE 68927644 T2 DE68927644 T2 DE 68927644T2 DE 68927644 T DE68927644 T DE 68927644T DE 68927644 T DE68927644 T DE 68927644T DE 68927644 T2 DE68927644 T2 DE 68927644T2
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waveguide layer
environment
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superstrate
optical
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Nile Hartman
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Georgia Tech Research Institute
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Description

    GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auch optische Bauelemente und Methoden zum Fühlen von Eigenschaften einer Umgebung wie z.B. dem Vorhandensein einer Substanz in der Umgebung oder die Größe von Druck, magnetischen Feldern oder elektrischen Feldern.
    • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Entwicklung integrierter optischer Bauelemente hat sich in den letzten Jahren entfaltet, und diese Bauelemente zeigen Ansätze zur Verwendbarkeit als hochempfindliche Detektoren für Substanzen wie z.B. chemische oder biologische Stoffe in einer Umgebung. Die Bauelemente können auch andere Eigenschaften wie etwa Druck, magnetische Felder oder elektrische Felder messen. Eine Klasse dieser Bauelemente, die hier von Interesse ist, mißt eine durch die vermessene Eigenschaft bewirkte Änderung der Brechzahl. Das Licht, das zum Bestimmen der Änderung der Brechzahl benutzt wird, kann durch optische Fasern zum und vom Bauelement übertragen werden, und so können die Bauelemente passiver Natur sein, was für viele Anwendungsfälle vorteilhaft ist, z.B. beim Überwachen auf explosive Mischungen, entflammbare Stoffe oder toxische Substanzen, usw.. Die Bauelemente können sehr kleine Größe haben und an relativ unzugänglichen Stellen angeordnet werden. Die Bauelemente sind auch relativ billig in Massen herzustellen, und eine Mehrzahl von ihnen kann gemeinsam verwendet werden, um Messungen zu erhalten, die über einen weiten Bereich von Werten gehen sowie äußerst empfindlich sind.
  • Ein Beispiel des beschriebenen Bauelementes ist im US-Patent 4 515 430 von Johnson gezeigt, das einen integrierten optischen Wandler offenbart, von dem gesagt wird, er enthalte einen eingangsseitigen optischen Einmoden-Wellenleiter, der in einem einzigen Substrat gebildet ist und sich in optische Wellenleiterzweige verzweigt, die unterschiedliche physikalische Länge haben und sich zu einem ausgangsseitigen Einmoden- Wellenleiter wiedervereinigen. Bei Verwendung als Wandler sollen die optischen Weglängen der Wellenleiterzweige, so wird behauptet, abhängig von einer zu messenden physikalischen Größe sein. Das Patent stellt fest, daß der Wandler als ein temperaturfühlender Wandler verwendet werden kann oder daß er benutzt werden kann, um andere Parameter wie u. a. Druck, Materialspannung, elektrische oder magnetische Felder, elektromagnetische Strahlung oder chemische Aktivität zu fühlen, von denen entweder die Brechzahl oder die Länge der Wellenleiterzweige abhängig ist.
  • Trotz der aufgeführten möglichen Vorteile der früher vorgeschlagenen integrierten optischen Sensoren wie etwa dem im Johnsen-Patent beschriebenen Sensor, gibt es Nachteile, die deren praktische Anwendung begrenzen können. Da getrennte optische Wege für die einzelnen Zweige vorhanden sind, können Temperaturänderungen die Zweige in unterschiedlicher Weise beeinflussen, insbesondere wenn die Zweige unterschiedliche Längen haben, wie im Johnson-Patent angegeben. Daher können Temperaturänderungen beträchtliche Fehler einführen, wenn Eigenschaften wie etwa das Vorhandensein einer Substanz, eines Feldes, usw. gemessen werden sollen. Die beiden Arme können auch durch mechanische Störungen in unterschiedlicher Weise beeinflußt werden. Außerdem macht das Erfordernis der Einmoden-Operation wie bei Johnson die Herstellung des Bauelementes schwieriger und teurer.
  • Die US-A-4536088 offenbart einen mit einer Kohärentlichtquelle und Faseroptik gekoppelten Sensor, der Änderungen in der Interferenz zwischen Moden des Lichts in der Faser fühlt.
  • Die W089/07756 (zitiert unter Artikel 54(3)) offenbart eine optische Interferenzmethode, bei welcher polarisiertes Laserlicht in einen ebenen Wellenleiter gekoppelt wird und sich im Wellenleiter als geführte Welle ausbreitet, die zwei kohärente, orthogonal zueinander polarisierte Moden enthält, welche mit einer Probe am Wellenleiter in Wechselwirkung treten. Die Detektion einer Substanz in der Probe kann erfolgen, indem die zeitabhängige Phasendifferenz zwischen den orthogonal polarisierten Komponenten des Lichts bestimmt wird, das den Wellenleiter durchlaufen hat. Das Verfahren nach der W089/07756 erfordert orthogonal polarisierte Moden mit den dadurch bedingen Kosten der für die Quadraturmodulation benötigten Bauteile.
  • Die vorliegende Erfindung ist gerichtet auf optische Bauelemente und Verfahren zum Fühlen von Eigenschaften einer Umgebung mit verbesserter Stabilität und geringegen Kosten.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fühlen einer physikalischen Eigenschaft einer Umgebung vorgesehen, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer optischen Wellenleiterschicht zwischen Substrat- und Superstratschichten in der Umgebung, wobei die optische Wellenleiterschicht eine höhere Brechzahl als die Brechzahlen des Substrats und des Superstrats in der Umgebung aufweist und mindestens zwei verschiedene optische Moden leiten kann und wobei das Material der Superstratschicht derart ausgewählt ist, daß seine Brechzahl von der zu fühlenden physikalischen Eigenschaft abhängt; Einführen eines Lichtstrahls in die Wellenleiterschicht derart, daß sich mindestens zwei verschiedene Moden des Strahls, die die selbe Polarisation aufweisen, in der Wellenleiterschicht ausbreiten; und Erzeugen eines elektrischen Signals, das die Überlagerung der mindestens zwei verschiedenen Moden des Strahls repräsentiert, die sich in der Wellenleiterschicht ausgebreitet haben, und das bezeichnend für die physikalische Eigenschaft der Umgebung ist.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fühlen einer Substanz in einer Umgebung vorgesehen, umfassend die Schritte: Bereitstellen einer optischen Wellenleiterschicht auf einer Substratschicht, die eine Grenze mit einem benachbarten Bereich mit einer Brechzahl aufweist, die von der Substanz in der Umgebung abhängig ist; Einführen eines Lichtstrahls in die Wellenleiterschicht derart, daß sich mindestens zwei verschiedene Moden des Strahls, die die selbe Polarisation aufweisen, in der Wellenleiterschicht ausbreiten; und Erzeugen eines elektrischen Signals, das die Überlagerung der mindestens zwei verschiedenen Moden des Strahls repräsentiert, die sich in der Wellenleiterschicht ausgebreitet haben, und das bezeichnend für die Substanz ist.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Fühlen einer physikalischen Eigenschaft in einer Umgebung vorgesehen, umfassend: ein Substrat mit einer Brechzahl ns; eine Wellenleiterschicht mit einer zum Substrat benachbarten Oberfläche, wobei die Wellenleiterschicht eine Brechzahl nf hat, die größer als ns ist, und mindestens zwei optische Moden leiten kann; ein zur gegenüberliegenden Fläche der Wellenleiterschicht benachbartes Superstrat, das eine Brechzahl nc hat, die kleiner als nf ist und durch die Umgebung beeinflußbar ist; Mittel zum Einführen eines optischen Strahls in die Wellenleiterschicht derart, daß sich mindestens zwei verschiedene Moden des Strahls, die die selbe Polarisation aufweisen, in der Wellenleiterschicht ausbreiten; und Mittel zum Erfassen der Überlagerung der mindestens zwei Moden des Strahls, die sich durch den Wellenleiter ausgebreitet haben.
  • Die Vorrichtung nach dem dritten Aspekt der Erfindung kann ferner ein zweites, der gegenüberliegenden Fläche der Wellenleiterschicht benachbartes Superstrat aufweisen, das eine Brechzahl nc hat, die kleiner als nf ist und durch die Umgebung beeinflußt ist( wobei das Mittel zum Einführen eines optischen Strahls betätigbar ist, um jeweilige optische Strahlen in die mit dem ersterwähnten Superstrat und dem zweiten Superstrat verbundene Wellenleiterschicht einzuführen, so daß sich mindestens zwei Moden mit der selben Polarisation für jeden Strahl ausbreiten können; und ferner umfassend eine Schutzabdeckung auf einem der Superstrate, so daß eines der Superstrate vor einem Ausgesetztsein zu der Umgebung geschützt ist und das andere Superstrat der Umgebung ausgesetzt ist, und Mittel zum Ansprechen auf die kombinierten Ausgaben der jeweiligen optischen Strahlen zum Fühlen der Anwesenheit einer Substanz in der Umgebung.
  • Das Verfahren zum Fühlen einer Eigenschaft einer Umgebung kann die Schritte umfassen, daß ein optischer Wellenleiter in der Umgebung bereitgestellt wird und ein Lichtstrahl in den Wellenleiter eingeführt wird, derart, daß sich mindestens zwei Moden des Strahls im Wellenleiter ausbreiten, wobei die effektive Brechzahl für die Moden des Strahls durch die zu fühlende Eigenschaft beeinflußt ist. Ein weiterer Schritt der Erfindung enthält das Erzeugen eines elektrischen Signals, welches repräsentativ für das Überlagerungsprodukt der mindestens zwei Moden des Strahls ist, die sich durch den Wellenleiter ausgebreitet haben. Das Signal ist bezeichnend für die Eigenschaft der Umgebung.
  • In einer bevorzugten Form des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher das Verfahren zum Fühlen einer Substanz in der Umgebung angewandt wird, wird ein optischer Wellenleiter bereitgestellt, der eine Grenze mit einer Brechzahl hat, welche von der zu fühlenden Substanz in der Umgebung abhängt. Auch hier wird ein Lichtstrahl in den Wellenleiter eingeführt derart, daß sich mindestens zwei Moden des Strahls im Wellenleiter ausbreiten, und es wird ein elektrisches Signal erzeugt, das repräsentativ für das Überlagerungsprodukt der mindestens zwei Moden des Strahls ist, die sich durch den Wellenleiter ausgebreitet haben, wobei das Signal bezeichnend für die Substanz ist. In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine selektive Beschichtung an der Grenze vorgesehen, wobei die Beschichtung eine Brechzahl aufweist, die durch die zu fühlende Substanz beeinflußt wird. Gewünschtenfalls kann eine Mehrzahl der Beschichtungen an der Grenze vorgesehen werden, und die Beschichtungen können Brechzahlen haben, die durch die besagte Substanz beeinflußt werden, jedoch mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten. Alternativ können die Beschichtungen Brechzahlen haben, die durch verschiedene Substanzen beeinflußt werden.
  • Wie oben gezeigt, liefern die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren eine gute Empfindlichkeit und zeigen außerdem Stabilität in Umgebungen, wo Temperaturänderungen und/oder mechanische Störungen vorkommen. Die Vorrichtungen und Verfahren hiervon haben auch die weiter oben beschriebenen Vorteile integrierter optischer Bauelemente, welche passive Sensoren aufweisen, und können in schwierigen Umgebungen verwendet werden. Die vorliegende Erfindung hat den zusätzlichen Vorteil einer leichteren und weniger teuren Herstellung und kann kleiner als gegenwärtige Bauelemente gemacht werden.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird eine Fühlvorrichtung vorgesehen, die noch bessere Eigenschaften hinsichtlich der Temperaturstabilität aufweist. Bei dieser Ausführungsform wird ein Paar optischer Wellenleiterstücke (bei denen es sich um individuelle Wellenleiter oder Zweige einer Interferometer-Anordnung des Mach-Zehnder-Typs handeln kann) in der zu überwachenden Umgebung angeordnet. Auf jedem der Wellenleiterstücke ist eine Beschichtung vorgesehen, deren jede eine Brechzahl hat, die sich ändert, wenn sie der aufzuspürenden Substanz ausgesetzt wird. Auf einer der Beschichtungen ist eine Schutzabdeckung vorgesehen, so daß eine Beschichtung vor dem Ausgesetztsein der Umgebung geschützt ist und die andere Beschichtung der Umgebung ausgesetzt ist. Es sind Mittel zum Einführen optischer Strahlen in die optischen Wellenleiterstücke vorgesehen, und zum Fühlen der Substanz sind Mittel vorgesehen, die auf die kombinierten Strahlausgaben ansprechen. In einer Form dieser Ausführungsart enthalten die auf die kombinierten Strahlausgaben ansprechenden Mittel ein Mittel zur Substraktion der Ausgangsgrößen der optischen Wellenleiterstücke.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen deutlicher aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung hervor, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist ein teilweise in Blockform dargestelltes Diagramm einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzt werden kann.
  • Fig. 2 zeigt einen Teil der Ausführungsform nach Fig. 1 in einer Schnittansicht entsprechend den Pfeilen 2-2.
  • Fig. 3 zeigt einen Teil der Ausführungsform nach Fig. 1 in einer Schnittansicht entsprechend den Pfeilen 3-3.
  • Fig. 4 veranschaulicht die Natur des elektrischen Feldvektors einer optischen Welle, die sich in einer Wellenleiterschicht ausbreitet.
  • Fig. 5 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die eine Mehrzahl von Sensoren verwendet.
  • Fig. 6 veranschaulicht eine andere Ausführungsform der Erfindung, die eine Mehrzahl von Sensoren verwendet.
  • Fig. 7 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die eine Temperaturkorrekturtechnik in einem integrierten optischen Fühlgerät verwendet, das zwei Zweige hat.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die Fig. 1 zeigt eine Schemazeichnung einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die verwendet werden kann, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zu praktizieren. Es ist ein Substrat 110 vorgesehen, auf dem sich eine optische Wellenleiterschicht 120 befindet (siehe auch die Figuren 2 und 3). Das Substrat kann z.B. ein glasartiges Material wie etwa Quarzgut oder eine Lage aus einem Polymeer sein. Die Wellenleiterschicht 120 hat eine höhere Brechzahl als das Substrat. Die Wellenleiterschicht kann z.B. eine andere glasartige Schicht oder Polymerschicht sein. Die Wellenleiterschicht 120 kann auf das Substrat z.B. durch Kathodenzerstäubung (im Falle einer Glasschicht) oder durch Beschichten aus Lösungen (im Falle einer Polymerschicht) aufgebracht sein. Alternativ kann die Wellenleiterschicht im Substrat gebildet sein, etwa durch geeignete Dotierung seiner Oberfläche mit einem Dotierstoff, der die Brechzahl des Substratmaterials erhöht. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist über der Wellenleiterschicht eine Superstrat- oder Deckschicht 130 aufgebracht, die eine niedrigere Brechzahl als die Wellenleiterschicht hat. Die Superstratschicht 130 kann z.B. ein Polymer- oder ein organischer Farbstoffüberzug sein, der mit einer fluiden Umgebung (z.B. ein Gas, eine Flüssigkeit oder Dampf) in einer Weise reagiert, welche die Brechzahl dieser Superstratschicht ändert. Beispielsweise kann NH3-Dampf gefühlt werden, da er die Brechzahl eines organischen Farbstoffes erhöht. Es sei jedoch erwähnt, daß das überziehende Medium irgendeine Substanz sein kann, die eine niedrigere Brechzahl als die Wellenleiterschicht hat, z.B. Luft oder ein anderes Fluid, dessen Eigenschaften gemessen werden sollen.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform werden eine Kohärentlichtquelle wie z.B. eine Laserdiode 105 und eine optische Faser 107 verwendet, um Licht in die Wellenleiterschicht einzuführen derart, daß es sich darin in mindestens zwei Moden ausbreitet. Die Ausbreitungsmoden werden bestimmt durch die Wellenlänge des Lichts, die Dicke der Wellenleiterschicht und die Brechzahlen des Substrats 110 (ns), der Wellenleiterschicht 120 (nf) und der überziehenden Superstratschicht 130 (nc). Jeder geführte Modus zeigt eine effektive Brechzahl, wobei der Modus niedrigster Ordnung durch eine etwas höhere effektive Brechzahl ausgezeichnet ist als der Modus der nächsthöheren Ordnung [siehe z.B. P.K. Tien, "Light Waves In Thin Films And Integrated Optics", Applied Optics, Vol. 10, No. 11 (1971]. Um die Arbeitsweise dieser Ausführungsform der Erfindung zu verstehen, kann auf das Diagramm der Fig. 2 verwiesen werden. Man betrachte die Überlagerung, die zwischen dem Modus niedrigster Ordnung (durchgezogene Linie) und einem Modus höherer Ordnung (gestrichelte Linie) im Wellenleiter auftritt. Da der Modus höherer Ordnung näher an der Sperrgrenze liegt, ist er empfindlicher gegenüber dem Substrat. Das abklingende Feld des Modus niedrigster Ordnung wird vom Superstrat nicht so stark beeinflußt. [In dieser Hinsicht siehe Fig. 4, die das elektrische Feld für die nullte Ordnung (TE&sub0;) und die erste Ordnung (TE&sub1;) für die Ausbreitung dieser Moden in einem mittleren Bereich höchster Brechzahl zeigt, der zwischen dem oberen und dem unteren Bereich der niedrigeren Brechzahl liegt. Das Feld des Modus höherer Ordnung reicht weiter in die Bereiche niedrigerer Brechzahl, siehe Taylor et al., Proc. IEEE, 62, 1044 (1974).) Infolgedessen ändert sich die effektive Brechzahl des Modus mit Änderungen der Brechzahl des Superstrats. Daher können durch Überlagern des Wellenleitermodus niedrigster Ordnung mit einem Wellenleitermodus höherer Ordnung sehr kleine Änderungen in der Brechzahl des Superstrats detektiert werden. Da die verschiedenen Moden im selben Wellenleiter laufen, erfahren sie identische Temperatureinflüsse und mechanische Störungen im Wellenleiter. Das Ergebnis ist ein Interferometer, welches empfindlich ist, aber Stabilität in Umgebungen aufweist, die Temperaturänderungen und/oder mechanischen Störungen unterliegen.
  • Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 führt die beschriebene Überlagerung zu einem ausgangsseitigen Interferenzbild in Form horizontaler Streifen mit sinusförmig varuerender Intensität in der Vertikalrichtung. Wenn sich die Brechzahl des Superstrats ändert, ändert sich das Bild. Die Intensität eines Punktes (in Wirklichkeit eines kleinen Bereichs) auf dem Bild läßt sich beobachten unter Verwendung einer optischen Faser 145 (Fig. 1), die eine Apertur hat, welche vorzugsweise klein im Vergleich zur Periode des Interferenzmusters ist. Der Faserausgang wird auf einen Fotodetektor 150 gekoppelt, dessen Ausgangssignal sich daher mit der Brechzahl des Superstrats ändert und demgemäß bezeichnend für die gemessene Eigenschaft der Umgebung ist. Das Ausgangssignal des Fotodetektors kann auf ein geeignetes Aufzeichnungsgerät, eine Verarbeitungseinrichtung und/oder eine Steuerschaltung (nicht gezeigt) gegeben werden, im Einklang mit der jeweiligen Anwendungsart der Überwachung und/oder Steuerung, für welche die Vorrichtung benutzt wird [das gleiche gilt für andere dargestellte Ausführungsformen]. Natürlich können auch alternative Mittel zum Messen des Interferenzmusters angewandt werden, etwa wohlbekannte maschinelle Bildtechniken.
  • Die Empfindlichkeit des beschriebenen Typs von Vorrichtung kann durch folgendes Beispiel illustriert werden. In einem System, in welchem die Brechzahlen des Substrats und der Wellenleiterschicht na = 1,515000 bzw. nf = 1,600000 betragen, die Brechzahl nc des Superstrats den unten angegeben Wert hat und die Dicke des Wellenleiters 5 Mikron beträgt, wurde der Modus nullter Ordnung (niedrigste Ordnung) in seiner Überlagerung mit dem Modus sechster Ordnung berechnet, und die durch eine gegebene Änderung der Brechzahl des Superstrats hervorgerufene Änderung der relativen Phase wurde ausgerechnet. Die effektive Brechzahl für die beiden Moden neff (nullte Ordnung) und neff (sechste Ordnung) für zwei verschiedene Werte der Brechzahl nc des Superstrats ist wie folgt:
  • nc = 1,550000
  • neff (0-te Ordnung) = 1,598949
  • neff (6-te Ordnung) = 1,550453
  • nc = 1,550010
  • neff (0-te Ordnung) = 1,598949
  • neff (6-te Ordnung) = 1,550456
  • Bei diesem Beispiel für eine Superstrat-Brechzahldifferenz von 1x10&supmin;&sup5; ändert sich die effektive Brechzahl für den Modus nullter Ordnung in den ersten sechs Dezimalstellen nicht, während sich die effektive Brechzahl für den Modus sechster Ordnung um 3x10&supmin;&sup6; ändert. Nimmt man eine Wellenlänge im freien Raum von 0,6238x10&supmin;&sup4; cm und eine Weglänge von 2 cm an, dann beträgt die resultierende Phasenänderung ΔΦ, die sich durch den Unterschied der effektiven Brechzahl zwischen den Moden sechster Ordnung ergibt, 0,18π. Im Falle eines Interferometers ist die Ausgangsintensität x als Funktion der Phasendifferenz durch die nachstehende Gleichung beschrieben.
  • Ix = (Io/2)[1 + (COS(Φ + ΔΦ)],
  • wobei Io die maximale Ausgangsintensität ist. Für ΔΦ=0,18π ist ΔIx = 0,2610 für Φ = π/2. In der Praxis werden Phasendifferenzen von 0,064π leicht detektiert, und dies entspricht einer Brechzahländerung des Substrats von nur etwa 5 x 10&supmin;&sup6;. Bei Anwendung aktiver Detektionsmethoden, z.B. bei einer Detektion mittels Phasensynchronisierung, kann die Empfindlichkeit noch wesentlich erhöht werden.
  • Obwohl sich das Beispiel auf Interferenz zwischen zwei Moden bezieht, kann natürlich auch Interferenz zwischen weiteren Moden benutzt werden, die ebenfalls von der gemessenen Brechzahl abhängen. Ihre Einflüsse können empirisch bestimmt werden. Auch kann die Auswahl der Moden in die Konstruktion gelegt werden (wie weiter oben beschrieben) oder sie kann durch Anwendung geeigneter Modenauswahlfilterung modifiziert werden, wie weiter unten beschrieben.
  • Wie oben erwähnt, hat die beschriebene Ausführungsform verbesserte Temperaturstabilität, es sei jedoch erwähnt, daß große Temperaturausschläge den Verlust von Wellenleitermoden oder das Hinzukommen neuer Moden bewirken, welche die Sensorqualität beeinträchtigen könnten.
  • In der Fig. 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei welcher eine Mehrzahl von Wellenleitern mit zugeordneten Superstraten 130a und 130b (wie in Fig. 11 wobei jedoch nur zwei der Mehrzahl bezeichnet sind) auf demselben Substrat 110 gebildet sind. Licht wird aus einer Quelle wie z.B. einer oder mehreren Laserdioden 505 über optische Fasern 507a, 507b eingeführt. Ausgangsfasern 545a, 545b und Fotodetektoren 550a, 550b sind vorgesehen, wie oben in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. Die Superstrate können z.B. Materialien sein, deren Brechzahl empfindlich gegenüber verschiedenen Substanzen (oder Eigenschafen) sind oder unterschiedlichen Empfindlichkeitsgrad gegenüber derselben Substanz (oder Eigenschaft) haben. Wie oben können die Fotodetektor-Ausgangssignale gewünschtenfalls aufgezeichnet und/oder verarbeitet werden.
  • Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform, die eine Mehrzahl von Sensoren hat und eine einzige n-Moden-Wellenleiterschicht 620 auf einem Substrat 610 aufweist. Auf der Wellenleiterschicht sind Superstrate 630a, 630b, ... z.B. in Form chemisch selektiver Schichten (oder ausgewählt zur Detektion irgendeiner gewünschten Eigenschaft oder mit speziellen Empfindlichkeiten, wie oben erwähnt) aufgetragen oder anderweitig appliziert. Jeder Streifen definiert einen Interferometerkanal. Bei dieser Ausführungsform wird Licht aus einer Laserdiode 105 in die Wellenleiterschicht 620 eingeführt und durch eine Wellenleiterlinse 651 kollimiert. Ein Modenselektionsfilter 655 kann vorgesehen sein, um unerwünschte Moden zu unterdrücken. Wie an sich bekannt, kann zu diesem Zweck ein optisches Gitter benutzt werden (siehe z.B. R. Ulrich "Efficiency of Optical Grating Couplers", Journal of The Optical Society of America, Vol. 63, NO. 11, 1973). Wie in den vorherigen Ausführungsformen sind Fotodetektoren 650 vorgesehen. In einer Art dieser Ausführungsform kann jede Beschichtung eine andere Absorptionsfähigkeit, Absorption oder Reaktionsfreudigkeit gegenüber einer speziellen chemischen Spezies haben und am Ausgang des Mehrkanal-Interferometers ein räumlich getrenntes Phasenmuster hervorrufen, das repräsentativ für eine bestimmte chemische Spezies oder Klasse von Chemikalien ist. So kann beispielsweise durch Vergleich des Interferometerausgangs mit einer Bibliothek von Referenzstandards die chemische Klasse oder Spezies identifiziert werden. Auch können bei allen Ausführungsformen kleine Dickenänderungen von Dünnschichten als Brechzahländerungen gegenüber einem Leitstrahl erscheinen, so daß die Dicke einer Schicht überwacht werden kann.
  • Wie zuvor beschrieben, sind Probleme der Temperaturempfindlichkeit eines interferometrischen Sensors durch die beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren reduziert worden. Jedoch kann die Beschichtung selbst eine Temperaturabhängigkeit zeigen, die Fehler einführen könnte. Diese Effekt kann dadurch reduziert werden, daß man benachbarte Kanäle mit gleichen Beschichtungen verwendet, von denen der eine vor Wechselwirkung mit der lokalen Umgebung geschützt ist und der andere freiliegt. Dies ist z.B. in Fig. 7 gezeigt, worin gleiche Streifen 730a und 730b auf eine Wellenleiterschicht 720 aufgebracht sind, die sich auf einem Substrat 710 befindet. Der Streiten 730a ist durch die schützende Superstrat- oder Deckschicht 770 vor chemischer Wechselwirkung mit der Umgebung geschützt. Die Ausgangssignale aus den sich überlagernden optischen Strahlen unter den beiden Streifen können voneinander subtrahiert werden, um die Temperaturabhängigkeit der Schichtstreifen 730a und 730b zu beseitigen.

Claims (12)

1. Verfahren zum Fühlen einer physikalischen Eigenschaft einer Umgebung, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer optischen Wellenleiterschicht zwischen Substrat- (110) und Superstratschichten (130) in der Umgebung, wobei die optische Wellenleiterschicht (120) eine höhere Brechzahl als die Brechzahlen des Substrats und des Superstrats in der Umgebung aufweist, wobei die optische Wellenleiterschicht mindestens zwei verschiedene optische Moden leiten kann;
wobei das Material der Superstratschicht derart ausgewählt ist, daß seine Brechzahl von der zu fühlenden physikalischen Eigenschaft abhängt;
Einführen eines Lichtstrahls in die Wellenleiterschicht derart, daß sich mindestens zwei verschiedene Moden des Strahls, die die selbe Polarisation aufweisen, in der Wellenleiterschicht ausbreiten; und
Erzeugen eines elektrischen Signals, das die Überlagerung der mindestens zwei verschiedenen Moden des Strahls repräsentiert, die sich in der Wellenleiterschicht ausgebreitet haben;
wobei das Signal bezeichnend für die physikalische Eigenschaft der Umgebung ist.
2. Verfahren zum Fühlen einer Substanz in einer Umgebung, umfassend die Schritte:
Bereitstellen einer optische Wellenleiterschicht (120) auf einer Substratschicht (110), die eine Grenze mit einem benachbarten Bereich mit einer Brechzahl aufweist, die von der Substanz in der Umgebung abhängig ist;
Einfuhren eines Lichtstrahls in die Wellenleiterschicht derart, daß sich mindestens zwei verschiedene Moden des Strahls, die die selbe Polarisation aufweisen, in der Wellenleiterschicht (120) ausbreiten; und
Erzeugen eines elektrischen Signals, das die Überlagerung der mindestens zwei verschiedenen Moden des Strahls repräsentiert, die sich in der Wellenleiterschicht ausgebreitet haben;
wobei das Signal bezeichnend für die Substanz ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, des weiteren umfassend das Bereitstellen einer Beschichtung an der Grenze, wobei die Beschichtung eine Brechzahl aufweist, die durch die Substanz beeinflußt wird
4. Verfahren nach Anspruch 3, des weiteren umfassend das Bereitstellen einer Vielzahl von Beschichtungen an der Grenze, wobei die Beschichtungen Brechzahlen aufweisen, die durch die Substanz mit verschiedenen Empfindlichkeiten beeinflußt werden.
5. Vorrichtung zum Fühlen einer physikalischen Eigenschaft einer Umgebung, umfassend:
ein Substrat (110) mit einer Brechzahl ns; eine Wellenleiterschicht (120) mit einer zum Substrat benachbarten Oberfläche, wobei die Wellenleiterschicht eine Brechzahl nf hat, die größer als ns ist, und mindestens zwei optische Moden leiten kann;
ein zur gegenüberliegenden Fläche der Wellenleitersschicht benachbartes Superstrat (130), wobei das Superstrat eine Brechzahl nc hat, die kleiner als nf ist, wobei die Brechzahl des Superstrats durch die Umgebung beeinflußbar ist;
gekennzeichnet durch Mittel (105, 107) zum Einführen eines optischen Strahls in die Wellenleiterschicht derart, daß sich mindestens zwei verschiedene Moden des Strahls, die die selbe Polarisation aufweisen, in der Wellenleiterschicht ausbreiten; und
Mittel (150, 145) zum Erfassen der Überlagerung der mindestens zwei Moden des Strahls, die sich durch den Wellenleiter ausgebreitet haben.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 zum Fühlen einer Substanz in der Umgebung, wobei das Superstrat (130) ein Material umfaßt, dessen Brechzahl sich mit der Substanz ändert.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei das Mittel zum Einführen eines optischen Strahls in die Wellenleiterschicht (120) eine Quelle kohärenten Lichts (105) und optische Fasermittel (107) zum Einkoppeln des kohärenten Lichts in die Wellenleiterschicht (120) enthält.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei das Mittel zum Erfassen des Strahls, der von der Wellenleiterschicht (120) ausgegeben worden ist, einen Photodetektor (150) und weitere faseroptische Mittel (145) enthält, um den optischen Strahl, der von der Wellenleiterschicht ausgegeben wird, zu empfangen und den Strahl in den Photodetektor einzukoppeln.
9. Fühlsystem, umfassend eine Mehrzahl an Vorrichtungen zum Fühlen nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die jeweiligen Superstrate (130a, 130b) verschiedene Brechzahlen aufweisen.
10. Fühlsystem nach Anspruch 9, wobei die Substrate (110a, hob) ein gemeinsames Substrat umfassen und die Wellenleiterschichten eine gemeinsame Wellenleiterschicht umfassen.
11. Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner umfassend ein zweites der gegenüberliegenden Fläche der Wellenleiterschicht benachbartes Superstrat (730b), wobei das zweite Superstrat eine Brechzahl nc aufweist, die kleiner als nf ist, wobei die Brechzahl des zweiten Superstrats durch die Umgebung beeinflußt ist; und wobei das Mittel zum Einführen eines optischen Strahls betätigbar ist, um jeweilige optische Strahlen in die mit dem ersterwähnten Superstrat und dem zweiten Superstrat verbundene Wellenleiterschicht (720) einzuführen, so daß sich mindestens zwei Moden mit derselben Polarisation für jeden Strahl ausbreiten können; und ferner umfassend eine Schutzabdeckung (770) auf einem der Superstrate, so daß eines der Superstrate vor einem Ausgesetztsein zu der Umgebung geschützt ist und das andere Supersubstrat der Umgebung ausgesetzt ist; und Mittel zum Ansprechen auf die kombinierten Ausgaben der jeweiligen optischen Strahlen zum Fühlen der Anwesenheit einer Substanz in der Umgebung.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Mittel zum Ansprechen auf die kombinierten Ausgaben der jeweiligen optischen Strahlen ein Mittel zur Subtraktion der Ausgaben umfaßt.
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