DE69201726T2

DE69201726T2 - Optisch integrierte, interferometrische messvorrichtung.

Info

Publication number: DE69201726T2
Application number: DE69201726T
Authority: DE
Inventors: Pierre Gidon; Serge Valette
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1991-05-21
Filing date: 1992-05-20
Publication date: 1995-10-19
Anticipated expiration: 2012-05-21
Also published as: CA2102593A1; FR2676808A1; EP0585333A1; DE69201726D1; JPH06507711A; FR2676808B1; EP0585333B1; WO1992020990A1

Description

Die vorliegende Erfindung hat eine Meßvorrichtung des interferometrischen Typs zur Messung einer Charakteristik eines Objekts zum Gegenstand, dazu bestimmt, in integrierten Optikstrukturen zu funktionieren. Diese Vorrichtung ermöglicht insbesondere, die Verschiebung eines sich bewegenden Körpers zu messen, sowie die Fortbewegungsrichtung dieses sich bewegenden Körpers festzustellen; sie ermöglicht auch die Messung des Brechungsindex einer Flüssigkeit oder eines Gases.
Die Erfindung kann auf all den Gebieten angewandt werden, in denen man sich für die von einem bewegten Körper durchlaufene Distanz interessiert sowie für die Bewegungsrichtung dieses Körpers, insbesondere auf den Gebieten der Raumfahrt, der Luftfahrt und der Seefahrt, in der Robotik oder für die Lauf- bzw. Montagebänder einer großen Anzahl Objekte (Automobile, elektrische Haushaltgeräte, Nahrungsmittelverarbeitung bzw. -verpackung, ...) und generell für die räumliche Meßtechnik.
Sie findet auch Anwendung auf all den Gebieten, in denen man den Brechungsindex eines Fluids wissen will. Insbesondere die Messung des Brechungsindex eines Gases kann ermöglichen, die Art dieses Gases und seine Konzentration festzustellen; dies ist besonders vorteilhaft im Falle eines mit anderen Gasen vermischten gefährlichen oder giftigen Gases. Ebenso kann die Messung des Brechungsindex einer Flüssigkeit ermöglichen, ihre Art und ihre Dichte zu bestimmen, was zu Parametern wie dem ph-Wert, der Verdünnung oder der Konzentration führt.
Die seit einigen Jahren entwickelten Techniken der Verarbeitung und/oder Fernübertragung von Information nutzen die Übertragung durch Lichtwellen in Lichtleitern mit flacher Struktur. Diese Leiter werden gebildet durch eine leitende Schicht, eingefügt zwischen zwei Medien, die Brechungsindizes haben, die niedriger sind als der der leitenden Schicht; dabei bildet im allgemeinen die Luft eines der beiden Medien.
Jedem optischen Leiter ordnet man einen effektiven Index ne=c/v zu, wo v die Phasengeschwindigkeit des Lichts in der leitenden Schicht darstellt und c die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum. Der Wert des effektiven Index hängt ab vom Wert der verschiedenen Indizes der Schichten, die diesen Leiter bilden, sowie von deren Dicken. Daraus resultiert, in integrierter Optik, daß die Geschwindigkeit einer Lichtwelle entweder modifiziert werden kann durch Indexveränderungen der verschiedenen vorhandenen Schichten, oder durch Veränderung ihrer Dicke.
Die gegenwärtig verwendeten Bewegungssensoren sowie die Meßvorrichtungen des Brechungsindex von Flüssigkeiten in integrierter Optik sind die Interferometer des Typs Michelson oder des Typs Mack Zehnder; sie basieren auf der Analyse eines Interferenzsystems aus einem Referenzstrahl und einem Meßstrahl, in den das zu untersuchende Objekt hineingestellt wird. Die Interferenzstreifen sind entweder repräsentativ für die Bewegung und die Bewegungsrichtung des sich bewegenden Objekts oder für den Brechungsindex der zu untersuchenden Flüssigkeit.
Das Dokument FR-A-2 613 826 beschreibt einen Bewegungssensor in integrierter Optik des Typs Michelson-Interferometer. Dieser Sensorentyp weist eine gewisse Anzahl Nachteile auf. Insbesondere muß man, um zugleich die Größe und die Richtung der Verschiebung des bewegten Körpers zu messen, über zwei möglichst um π/2 phasenverschobene Interferenzstreifensystem verfügen.
Dies ist technisch nicht leicht zu verwirklichen, vor allem, wenn man einen vollständig passiven Sensor wünscht. In Anbetracht dieser Komplexität verwenden die integrierten Bewegungssensoren alle eine aktive Phasenverschiebungsregelung zwischen den beiden Interferenzstreifensystemen.
In dem Dokument FR-A-2 613 826 wird die Phasenverschiebung von π/2 dynamisch geregelt durch Ausrichtung des Meßstrahls, reflektiert durch den mit dem Objekt fest verbundenen Spiegel. Diese Einstellung erfolgt ein für allemal, was die Zahl der Anwendungen dieses Sensors begrenzt. Es ist nämlich erforderlich, daß der fest mit dem Objekt verbundene Spiegel sich immer senkrecht zum einfallenden Meßlichtstrahl bewegt.
Bei anderen bekannten integrierten Bewegungssensoren wird die Phasenverschiebung des Referenzzweigs aktiv gemacht durch Verwendung eines thermischen Phasenschiebers oder eines Phasenschiebers eines anderen Typs.
Das Dokument WO-90/11484 beschreibt auch einen Bewegungssensor in integrierter Optik, bei dem ein aktiver Phasenschieber im Meßzweig verwendet wird, was eine elektrische Steuerung in der optischen Schaltung erforderlich macht.
Der Nachteil all dieser bekannten Bewegungssensoren in integrierter Optik ist, daß ein aktives Bauteil eingeschaltet ist, das Energie verbraucht und dessen Zeitverhalten Probleme verursachen kann. Ein thermischer Phasenschieber kann insbesondere Abweichungen beim gelieferten Lichtsignal aufweisen sowie eine zu große Ansprechzeit.
Um die durch Verwendung eines aktiven Bauteils in dem Interferenzsystem verursachten Nachteile zu beseitigen, könnte man ein passives Phasenverschiebungssystem um π/2 zwischen den beiden Interferenzsystemen vorsehen. Leider, eine Phasenverschiebung von π/2, auf Grund der Qualität der integrierten optischen Komponenten, deren Randgeradheit niemals besser als 40 bis 50nm ist, was eine Phasenverschiebung in der Größenordnung von 60º darstellt bei den Konfigurationen mit Spiegeln und bei den Vorrichtungen mit Mikroleitern.
Zusammengefaßt weisen alle gegenwärtig bekannten Bewegungssensoren in integrierter Optik Probleme der begrenzten Anwendbarkeit, der hohen Kosten oder der Komplexität auf. Außerdem ist die Genauigkeit bei der Messung oft ungenügend.
Die Erfindung hat vor allem auch einen integrierten optischen Bewegungssensors des Interferometertyps zum Gegenstand, der die Beseitigung dieser Nachteile ermöglicht.
Man kennt außerdem durch das Dokument DE-A-3911474 ein integriertes optisches Interferometer mit Mikroleitern.
Bei den integrierten optischen Vorrichtungen zur Messung des Brechungsindex eines Fluids verwendet man auch eine aktive Regelung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Interferenzsystemen (s. zu diesem Zweck das Dokument FR-A- 2 638 847). Die Herstellungs- und Verwendungsprobleme dieses Phasenverschiebungstyps sind dieselben wie diejenigen der integrierten Bewegungssensoren.
Die Erfindung hat auch noch eine integrierte optische Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex eines Fluids zum Gegenstand, die ermöglicht, die Nachteile von denen der vorhergehenden Technik zu beseitigen.
Generell hat die Erfindung eine Interferometrie- Meßvorrichtung einer Charakteristik eines Objekts in integrierter Optik zum Gegenstand, umfassend eine Lichtquelle zum Emittieren eines Eingangslichtbündels, Mikroleiter-Trenneinrichtungen, um das Eingangslichtbündel aufzuteilen in einen Bezugsstrahl und einen Eintritts-Meßstrahl, einen ersten optischen Mikroleiter, um den Eintritts-Meßstrahl zum Objekt zu leiten, einen zweiten optischen Mikroleiter, um den Bezugsstrahl zu leiten, einen dritten optischen Mikroleiter, um den vom Objekt ausgehenden Meßstrahl zu leiten, Interferenzeinrichtungen, die Mikroleiter benützen, um den Bezugsstrahl und den vom Objekt ausgehenden Meßstrahl zu interferieren und wenigstens zwei Interferenzsignale zu bilden, phasenverschoben, nur auf passive Weise, wenigstens zwei Detektoren, um diese Interferenzsignale zu detektieren und zwei für diese Interferenzsignale repräsentative phasenverschobene elektrische Signale zu liefern, wobei die Trenneinrichtungen, der erste, zweite und dritte Mikroleiter und die Interferenzeinrichtungen jeweils ausgebildet sind in einer integrierten Leiterstruktur auf einem Substrat, die Interferenzeinrichtungen mit passiver Phasenverschiebung außerdem gebildet werden durch eine Einrichtung, ausgewählt zwischen den Young-Spalten und einem Koppler mit wenigstens drei Kanälen.
Wenn man die Young-Spalten als Interferenzmittel nutzt, verwendet man wenigstens zwei Detektoren, und wenn man einen Koppler mit wenigsten drei Kanälen als Interferenzmittel nutzt, verwendet man entweder zwei Detektoren, wobei jedem Endkanal ein Detektor zugeordnet ist, oder drei Detektoren, mit einem Detektor für jeden Kanal.
Mit den Young-Spalten erhält man ein einziges Interferenz-System mit mehreren Streifen und man detektiert dieses System in zwei verschiedenen Zonen, mit wenigstens zwei Detektoren, was zu zwei phasenverschobenen elektrischen Signalen führt, repräsentativ für dieses einzige Interferenzsystem.
Mit einem Koppler mit drei (oder mehr) Kanälen, erhält man zwei (oder mehr) phasenverschobene Interferenzsysteme, die man mit wenigstens zwei Detektoren detektiert.
Die Detektoren können in das Substrat integriert sein oder unabhängig vom Substrat sein. Sie können durch unabhängige Photodioden gebildet werden oder, besser, aus Mehrfach- bzw. Multiplex-Photodioden, vor allem doppelt oder dreifach, je nach Art der verwendeten Interferenzeinrichtungen.
Die Verwendung von Multiplex-Photodioden ermöglicht eine gute Kontrolle des mit l bezeichneten Abstands, der zwei Detektoren trennt, wobei von diesem Abstand die Phasenverschiebung zwischen den beiden detektierten Interferenzsystem abhängt, wenn die Interferenzeinrichtungen Young-Spalten sind.
Wenn man Multiplex-Photodioden verwendet und insbesondere Young-Spalten als Interferenzeinrichtungen, müssen diese Photodioden bezüglich der Interferenzeinrichtungen genau positioniert werden, so daß sie die Interferenzsignale optimal detektieren. Außerdem hängt die Phasenverschiebung zwischen den beiden durch die Detektoren gelieferten Signale auch von dem Abstand ab, der die Interferenzeinrichtungen und die Detektoren trennt.
Ebenso ist es möglich, um die Positionierung dieser Detektoren zu vereinfachen, das oder die Interferenzsignale in Höhe des integrierten optischen Systems zu kanalisieren durch Einfügung von Absorbern zwischen die Detektoren und die Interferenzeinrichtungen. Dank dieser Absorber kann der Abstand, der zwei Detektoren trennt, und die Länge der aktiven Zone dieser Detektoren beliebig sein.
Das oder die detektierten Interferenzsysteme werden nämlich in diesem Fall einzig durch den Abstand bestimmt, der die Absorber trennt von den Ausgängen der Mikroleiter der Interferenzeinrichtungen. Dieser Abstand kann genau gesteuert werden, denn die Mikroleiter und die Absorber werden durch Masken mit einer Überdeckung besser als 1um positioniert.
Vorteilhafterweise werden die Interferenzeinrichtungen so angeordnet, daß die Detektoren zwei um π/2 phasenverschobene Signale liefern. Es liefern nämlich die Young-Spalten die erwünschte Phasenverschiebung und der Dreikanäle-Koppler eine π/2- Phasenverschiebung nur nach einer weiter unten beschriebenen Bearbeitung der detektierten Signale durch Subtraktion.
Erfindungsgemäß können die Trenneinrichtungen gebildet werden durch einen Koppler mit zwei, drei oder mehr Kanälen oder durch eine Y-Verbindung.
Eine Y-Verbindung wird gebildet durch Mikroleiter, die in der Draufsicht ein Y definieren.
Ein Zweikanäle-Koppler wird gebildet durch zwei Mikroleiter, umfassend einen angrenzenden Teil, dessen Länge, Kopplungslänge genannt, definiert wird durch den Kopplungskoeffizienten.
Um diese beiden Mikroleiter zu koppeln, muß der Abstand, der die beiden Längsachsen der Mikroleiter trennt, kleiner als 10um sein, damit die seitlichen abklingenden Wellen in Wechselwirkung stehen können. In der Praxis wird dieser zwischen 1 und 5um gewählt.
Die Kopplungs- oder Wechselwirkungslänge der beiden Mikroleiter kann enthalten sein zwischen 50um und 1 cm. Um annähernd eine 50/50-Verteilung des Lichts auf jeden der Mikroleiter zu erhalten, verwendet man im allgemeinen Wechselwirkungslängen von 1 bis 5mm. Eine Y-Verbindung verteilt ihrerseits automatisch die Lichtstrahlen 50/50 auf jeden der Zweige des Y.
Ein Dreikanäle-Koppler wird gebildet durch drei Mikroleiter, angeordet in derselben Richtung. Die Kopplungslänge zwischen dem zentralen Mikroleiter und den beiden jeweils seitlichen Mikroleitern legt die Verteilung der Lichtstrahlen in jedem der seitlichen Mikroleiter fest.
Bei einem Dreikanäle-Koppler wird das Licht vorteilhafterweise in den zentralen Mikroleiter eingespeist, um in den beiden seitlichen Mikroleitern eine identische Verteilung zu erhalten. Außerdem muß der Abstand, der den zentralen Mikroleiter von den seitlichen Mikroleitern trennt, kleiner sein als 10um und in der Praxis zwischen 1 und 5um gewählt werden. Außerdem kann die Wechselwirkungslänge mit jedem seitlichen Mikroleiter variieren von 50um bis 1cm, je nach Form des gewählten Kopplers.
Für eine identische Verteilung verwendet man im allgemeinen eine Kopplungslänge von 1 bis 5mm.
Ein Dreikanäle-Koppler wie die Y-Verbindung ermöglicht, in den beiden seitlichen Kanälen einen gleichen Lichtanteil zu haben, wenn der Eintritt des Lichts über den zentralen Kanal erfolgt.
Außerdem führen die Y-Verbindungen keine Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtbündeln ein, die in den beiden Zweigen des Y übertragen werden, während die Zweikanäle-Koppler eine Phasenverschiebung genau gleich π einführen.
Die Einspeisung des vom Objekt kommenden Lichtbündels in den dritten Mikroleiter kann durch eine Linse erfolgen, die einerseits zwischen den Ausgang des ersten Mikroleiters und den Eingang des dritten Mikroleiters und andererseits das zu untersuchende Objekt eingefügt wird.
Um eine völlige Unabhängigkeit zwischen dem auf dem Objekt ankommenden Einfall-Meßbündel und dem vom Objekt ausgehenden Retour-Meßbündel zu gewährleisten, sind die Achsen des ersten und des dritten Mikroleiters jeweils an ihrem Austrittsende und ihren Eintrittsende um wenigsten 20um beabstandet und die optische Achse der Linse verläuft abstandsgleich zwischen den Achsen dieser beiden Mikroleiter.
Die Verwendung eines Hinweg-Meßkanals und einen unterschiedlichen Rückweg-Meßkanals ermöglicht, die Lichtrückkehr zu der Lichtquelle zu vermeiden und somit ihre Stabilität zu erhöhen.
Es ist jedoch möglich, das vom Objekt ausgehende Lichtbündel am Ausgang des ersten Mikroleiters zurückzugewinnen. In diesem Fall müssen das Ausgangsende des ersten Mikroleiters und das Eingangsende des dritten Mikroleiters gekoppelt werden entsprechend dem Prinzip eines Kopplers mit zwei oder drei Kanälen. Außerdem muß die optische Achse der vor dem Objekt angebrachten Linse zusammenfallen mit der Längsachse des ersten Mikroleiters.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung kann auf einem beliebigen Leiter-Strukturtyp hergestellt werden. Insbesondere kann sie hergestellt werden aus Glas, aus Lithiumniobat, aus Multischicht-Halbleiterstrukturen wie z.B. III-V- oder II-VI- Strukturen.
Zum Beispiel kann man eine der folgenden Strukturen verwenden:
- Glas/Glas dotiert durch Ionenaustausch/SiO&sub2;,
- LiNbO&sub3;/LiNbO&sub3; dotiert durch Diffusion von Titan/LiNbO&sub3;,
in diesen beiden ersten Fällen verschmilzt die Pufferschicht mit dem Substrat,
- Si/SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;/SiO&sub2;,
- Si/SiO&sub2;/SiOxNy/SiO&sub2; mit 0< x< 2 und 0< y< 4/3,
- Si/SiO&sub2;/SiO&sub2; dotiert/SiO&sub2;, wobei die Dotierstoffe der Leiterschicht derartig sind, daß diese einen höheren Brechungsindex aufweist als die angrenzenden Schichten, wie z.B. Phosphor, Germanium, Titan oder Stickstoff.
Es ist außerdem möglich, die Leiterschicht aus Si&sub3;N&sub4; durch Aluminium zu ersetzen und/oder das als Pufferschicht und als obere Schicht der leitenden Struktur verwendete Siliciumdioxid durch einen Dotierstoff zu ersetzen, der den Brechungsindex des Siliciumdioxids verändert, wie z.B. das Fluor, oder auch durch einen Dotierstoff, der den Brechungsindex des Siliciumdioxids erhöht. Selbstverständlich muß die Leiterschicht immer einen höheren Brechungsungsindex aufweisen als die Pufferschicht und als die zugeordnete obere Schicht.
Um in allen Fälle Monomode-Lichtbündel zu erhalten und jedes Störlicht zu vermeiden, ist es möglich, räumliche Filter zu verwenden am Eingang des ersten, zweiten und dritten Mikroleiters und am Ausgang des ersten Mikroleiters.
Diese räumlichen Filter werden gebildet durch einen optischen Mikroleiter, der getragen wird durch das Substrat und der entsprechend einer zu der Oberfläche des Substrats parallelen Ebene wenigstens einen gebogenen Teil und zwei Lichtabsorber aufweist, angeordnet in derselben Ebene, beiderseits des gebogenen Teils des Mikroleiters.
Erfindungsgemäß können die verschiedenen Absorber der Meßvorrichtung, ebenso die der räumlichen Filter wie die als Ausgang der Interferenzeinrichtungen verwendeten, entweder hergestellt werden aus Polymerisaten wie z.B. photosensiblen Harzen oder farbstoffdotierten Polymerisaten (PMMA z.B.), oder aus absorbierenden Halbleitern wie z.B. Si, CdTe, GaAs entsprechend den Anwendungswellenlängen, oder aus einem Metall wie z.B. Aluminium, Chrom oder Gold. Die verwendbaren Materialien sind vor allem die des französischen Patents Nº 90 073 049, angemeldet am 13. Juni 1990 auf den Namen des Anmelders.
Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden, beispielhaften und keinesfalls einschränkenden Beschreibung hervor, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1 stellt schematisch als Draufsicht eine erste Ausführungsart eines erfindungsgemäßen integrierten Bewegungssensors dar,
- die Figur 2 stellt perspektivisch eine erste Variante des Sensors der Figur 1 dar,
- die Figur 3 ist eine Schnittansicht der Figur 2 entsprechend der Linie III-III,
- die Figur 4 ist eine Schnittansicht einer zweiten Variante des Bewegungsensors der Figur 1,
- die Figur 5 zeigt perspektivisch eine dritte Variante des Sensors der Figur 1,
- die Figur 6 ist eine Schnittansicht der Figur 5 entsprechend der Richtung VI-VI,
- die Figur 7 ist eine Schnittansicht einer vierten Variante des Bewegungssensors der Figur 1,
- die Figur 8 stellt schematisch als Draufsicht eine erfindungskonforme integrierte Brechungsindex-Meßvorrichtung dar,
- die Figur 9 zeigt eine Variante der Meßvorrichtung der Figur 8,
- die Figur 10 zeigt schematisch als Draufsicht eine zweite Ausführungsart eines erfindungskonformen integrierten Bewegungssensors,
- die Figur 11 zeigt einen vergrößerten Teil der Figur 9 in Höhe der Lichteinspeisungslinse, und
- die Figur 12 stellt schematisch als Draufsicht eine dritte Ausführungsart eines erfindungskonformen integrierten Bewegungssenors dar.
Der in Figur 1 dargestellte Bewegungssensor umfaßt eine Leiterstruktur 10 von parallel flacher Form, deren Eintrittsfläche E und Austrittsfläche S genau parallel sind, und deren Detektionsfläche D genau rechtwinklig ist zu den Eintritts- und Austrittsflächen. Dies wird z.B. erreicht durch Spaltung eines monokristallinen Substrats.
Der Senor umfaßt an seinem Eingang E eine vor allem monochromatische Lichtquelle 12 des Laserdiodentyps. Dieser Lichtstrahl wird aufgenommen durch einen ersten Mikroleiter 14, dessen Eingangs- und Ausgangsenden jeweils bündig sind mit dem Eingang E und dem Ausgang S der Leiterstuktur. Der Mikroleiter 14 verläuft parallel zur Detektionsfläche D der Struktur und ist dazu bestimmt, den eintreffenden Meßstrahl zu leiten.
Der Sensor umfaßt außerdem einen zweiten Mikroleiter 16 und einen dritten Mikroleiter 18, jeweils dazu bestimmt, den Referenzstrahl zu leiten und den zu untersuchenden Meßstrahl, vom dem von der Stuktur 10 entfernten Objekt O kommend.
Die Mikroleiter 16 und 18 sind derart angeordnet, daß sie in Höhe ihres Eingangs mit dem Mikroleiter 14 Zweikanäle- Koppler 20 bzw. 22 bilden.
Zu diesem Zweck umfaßt jeder der Mikroleiter 16 und 18 einen dem Mikroleiter 14 benachbarten Teil.
Der Abstand, der den Mikroleiter 14 in Höhe der Kopplung 20 vom Mikroleiter 16 trennt, und der Abstand, der den Mikroleiter 14 in Höhe der Kopplung 22 von Mikroleiter 18 trennt, werden gewählt aus dem Bereich von 1 bis 10um und vorzugsweise von 1 bis 5um, und die Wechselwirkungslänge für jeden Koppler 20 und 22, gemessen in der Richtung des Mikroleiters 14, wird gewählt aus dem Bereich von 1 bis 10mm (typisch von 1 bis 5mm). Die Herstellung und die Funktionsweise der Zweikanäle-Koppler sind dem Fachmann wohlbekannt.
Außerdem sind die Mikroleiter 16 und 18 mit ihrem Ausgang in der fiktiven Ebene DM innerhalb der Leiterstruktur angeordnet, um eine optische Interferenzvorrichtung 24 des Young- Spalten-Typs zu bilden.
Zu diesem Zweck sind die Ausgänge der Mikroleiter 16 und 18 quasi parallel; die Achse jedes Mikroleiters kann einen Winkel von 0 bis 20º bilden in bezug auf die Richtung X, senkrecht zu der in der Detektionsebene D der Struktur enthaltenen Richtung Y.
Aus Gründen der Vereinfachung der Berechnungen werden die Ausgangsachsen der Mikroleiter 16 und 18 parallel zu dieser Richtung X gewählt und man hat den diese beiden Achsen trennenden Abstand mit 2yo bezeichnet.
Wie in Figur 1 dargestellt, ist die Ebene DM, die die Ausgangsenden der Mikroleiter 16 und 18 enthält, parallel zur Detektionsebene D der Struktur.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht beschränkt auf den in Figur 1 dargestellten Leiterstrukturtyp 10. Es ist nämlich möglich, eine Struktur zu verwenden, bei der die Detektionsfläche D zusammenfällt mit der Eingangsfläche E; die Formen der Mikroleiter 16 und 18 werden dann modifiziert.
Um die Einspeisung des Lichts ausschließlich in den Mikroleiter 14 sicherzustellen, ist das Eintrittsende 16a des Mikroleiters 16 vom Mikroleiter 14 entfernt und vorteilhafterweise von der Quelle 12 beabstandet. Ebenso ist das Eintrittsende 18a des Mikroleiters 18 vom Mikroleiter 14 entfernt und vorteilhafterweise von der Fläche S beabstandet.
Eine Linse 26 sichert die Kollimation des aus dem Mikroleiter 14 in Richtung des zu untersuchenden Objekts austretenden Lichtsstrahls, und umgekehrt die Fokussierung des vom Objekt ausgehenden Lichts in Richtung Austrittsende des Mikroleiters 14.
Das Objekt O kann ein selbst reflektierendes Objekt sein oder auch ein nichtreflektierendes Objekt, an dem man einen Spiegel befestigt hat; das vom Objekt ausgehende Licht ist also reflektiert.
Dank der Koppler 20 und 22 mit einer Verteilung von annähernd 50/50 erhält man am Ausgang der Mikroleiter 16 und 18 Referenz- und Meßstrahlen, die den Young-Gesetzen entsprechend brechen und interferieren in einer Interferenzzone 28 innerhalb der Leiterstruktur; das Interferenzsignal ist in erster Annäherung sinusförmig.
Man ordnet in dieser Interferenzzone mit einem Abstand Z zu der Austritts- oder Brechungsebene DM der Mikroleiter der Struktur zwei Photodioden D1 und D2 der Länge d an, getrennt durch einen Zwischenraum 1. Diese Dioden sind hier an die Leiterstruktur angefügt, könnten aber in diese Struktur integriert sein (Figur 8).
Man detektiert so zwei Zonen des Interferenzsystems und kann zeigen, daß für Z, d und l, entsprechend gewählt, jeder Detektor ein Sigal erhält, das in bezug auf das andere um π/2 phasenverschoben ist.
Wenn a die Amplitude der durch die Mikroleiter gebeugten optischen Wellentypen ist, zeigt man, daß die durch die Detektoren D1 und D2 gelieferten elektrischen Intensitäten, mit I1 bzw. I2 bezeichnet, proportional sind zu:
mit a1 und a2 für die Proportion der Leuchtstärke am Ausgang des Mikroleiters 16 bez. 18, λ für die Wellenlänge des durch die Quelle emittierten Strahls, Ψo für die Phasenverschiebung zwischen den beiden elektrischen Interferenzsignalen, emittiert durch die Photodioden, Y1 für die Ordinate des Beginns der Detektionszone des Detektors D1 entsprechend der Y-Achse in der Ebene D der Detektoren (mit einem in der Ebene D vorzugsweise zwischen D1 und D2 angenommenen Nullpunkt), wobei l, d, Z und yo die vorher angegebenen Bedeutungen haben.
Die Berechnungen werden durchgeführt entsprechend der Fraunhoferschen Beugungstherorie (théorie de la diffraction en régime de Fraunhofer), die aussagt, daß die elektromagnetische Feldstärke in der Beobachtungsebene die Fourier-Transformierte der elektromagnetischen Feldstärke in der Beugungsebene ist (hier in der Ausgangsebene DM der Mikroleiter).
Die beiden Signale I1 und I2 sind folglich phasenverschoben um
ΔΨ= [4π(d+1)yo] / λZ
Man kann folglich d, l, yo und Z so wählen, daß ΔΨ= (2k+1)π/2.
Man muß auch aufpassen, daß der Kontrast der Interferenzstreifen nicht null wird und daß der Ausdruck sin(2πdyo/λZ) folglich ungleich 0 ist.
Vorteilhafterweise ist es wünschenswert, daß dieser Ausdruck Maximum ist und daß folglich
(2πdyo/λ) = (2k'+1)π/2
mit k' kleinstmöglich und 1≤< d.
k und k' sind Ganzzahlen ≤ 0, mit k≠k'.
In der Praxis zeigt sich, daß mit Z=1000um, y0=5um und λ=0,5um, d nicht kleiner sein kann als ein Wert dm=λZ/8yo, oder dm=12,5um.
Es gibt mehrere Lösungen, die dieser letzteren Relation gehorchen.
Beispiel 1: k=1, k'=0, was zu d=25um und l=12,5um führt.
Beispiel 2: k=3 und k'=1, was zu d=75um und l=12,5um führt.
Dieses Beispiel 2 führt zu einem sehr viel schwächeren Streifenkontrast als dem, den man im Beispiel 1 erhält.
In Figur 2 ist eine erste Variante des in Figur 1 dargestellten Sensors dargestellt, und in Figur 3 ist ein Schnitt entsprechend der Richtung III-III des Sensors der Figur 2 dargestellt.
Dieser Sensor unterscheidet sich einerseits von dem vorhergehend beschriebenen durch die Einfügung von Absorbern 30 zwischen die Detektoren D1 und D2 und das Ausgangsende der Mikroleiter 16 und 18. Diese Absorber 30 sind integrierender Bestandteil der integrierten Stuktur 10 und werden vorteilhafterweise aus Metall hergestellt.
Insgesamt sind drei Absorber vorhanden, die das Interferenzsystem in Richtung der beiden Detektoren D1 bzw. D2 leiten.
Unter diesen Bedingungen werden Z, l und d vorgegeben durch die Position und die Abmessungen der Absorber 30 und die Detektoren können einen beliebigen Abstand und beliebige Längsabmessungen haben. In diesem Fall ist Z der Abstand, der die Ebene DM und die Eingangsebene der Absorber trennt, d ist der Abstand zwischen den Absorbern in Höhe ihrer Eingänge und l die Breite des zentralen Absorbers in Höhe seines Eingangs.
Erfindungsgemäß kann die Leiterstruktur 10 des Sensors der Erfindung verschiedene Varianten aufweisen, dargestellt in den Figuren 2 bis 7. Die Figuren 2 bis 4 beziehen sich auf Strukturen mit schwacher Indexdifferenz (< 0,02) und die Figuren 5 bis 7 beziehen sich auf Strukturen mit starker Tndexdifferenz (> 0,1).
Üblicherweise umfaßt die Leiterstuktur 10 ein Halbleitersubstrat 32, das eine Pufferschlcht 34, eine Leitschicht 36 und eine Oberschicht oder Superstrat 38 umfaßt. Die Leitschicht 36 hat einen höheren Brechungsindex als die Schichten 34 und 38.
Beispielsweise besteht das Substrat 32 aus monokristallinem Silicium und wird hergestellt durch Spalten eines Siliciumblocks, die Pufferschicht 34 ist aus nichtabsichtlich dotiertem Siliciumdioxid, die Schicht 36 wird erzeugt aus dotiertem Siliciumdioxid mit Dotierstoffen wie Phosphor, Germanium, Titan oder Stickstoff, die ihren Brechungsindex erhöhen (Figuren 2 bis 4), oder aus Siliciumnitrid oder aus Aluminiumoxid (Figuren 5 bis 7), und die Oberschicht 38 wird hergestellt aus nichtabsichtlich dotiertem Siliciumdioxid. Diese Schicht 38 wurde aus Gründen der Klarheit der Darstellung in Figur 2 weggelassen, bedeckt aber generell die gesamte Struktur des Typs OIS2.
Für eine Monomode-Leiterstruktur (Figuren 2 bis 4) des Typs Si/SiO&sub2;/SiO&sub2; dotiert/SiO&sub2;, mit OIS2 bezeichnet, hat die Leitschicht 36 ein Dicke, die von 0,5 bis 8um geht. Die Schichten 34 und 38 haben eine Dicke von 4 bis 15um, um eine gute Isolierung des Lichts der Leitschicht in bezug auf das Substrat und die Luft zu gewährleisten.
In der Konfiguration des Typs Si/SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4;/SiO&sub2;, bezeichnet OIS1, hat die Siliciumnitridschicht 36 eine Dicke von 50 bis 250nm und zum Beispiel 165nm, die Pufferschicht eine Dicke von 2 bis 10um und die Oberschicht 38 eine Dicke von 1 bis 5um.
Die Schichten 34, 36 und 38 werden jeweils erzeugt mittels CVD oder PECVD.
Bei den OIS2-Leiterstrukturen der Figuren 2 bis 4 wird die Leitschicht 36 aus dotiertem Siliciumdioxid so geätzt, daß sie die Form und die Abmessungen der Mikroleiter 14, 16 und 18 definiert. In den Figuren 3 und 4 ist die Grenze des Mikroleiters 18 strichpunktiert dargestellt.
Bei den OIS1-Leiterstrukturen der Figuren 5 bis 7 ist es die Oberschicht 38 aus nichtdotiertem Siliciumdioxid, die entsprechend dem erwünschten Mikroleiter-Muster geätzt wird.
Die Leiterstruktur 10 kann außerdem eine geätzte absorbierende Schicht 39 umfassen, die insbesondere die Absorber 30 bildet. Diese Absorber sind vor allem aus Metall hergestellt.
Die erfindungsgemäße OIS2-Leiterstruktur, dargestellt in den Figuren 2 bis 4, wird hergestellt indem man nacheinander die Pufferschicht 34 und die Leitschicht 36 abscheidet, dann die Schicht 36 den erwünschten Mustern entsprechend ätzt (ganz oder teilweise), um die Mikroleiter zu bilden. Dann kann man auf zwei Arten die Absorber herstellen:
a) - Abscheiden der absorbierenden Schicht 39 (im allgemeinen metallisch), diese dann z.B. chemisch ätzen, um die Absorber 30 zu bilden. Abscheiden des Superstrats 38 auf der gesamten Struktur (Figur 3). Diese Methode ist selbstverständlich anwendbar, wenn die Abscheidung des Superstrats 38 erfolgen kann ohne Verschlechterung der Absorptionsschicht 39. Dies ist vor allem mit den PECVD-Abscheidungen möglich. Diese Schicht 39 ist typischerweise eine Metallschicht mit einer Dicke von 5 bis 15nm.
Anstatt eine Absorptionsschicht 39 auf der Gesamtheit der Struktur abzuscheiden und dann z.B. chemisch zu ätzen, ist es möglich, die dem Fachmann wohlbekannte "Lift off"-Technik anzuwenden.
b) - Abscheiden des Superstrats 38 auf der gesamten Struktur. Ätzen des Superstrats 38, ganz oder teilweise, entsprechen der erwünschten Form der Absorber 30. Abscheiden der Absorptionsschicht 39 und diese dann entsprechend der Form der Absorber 30 (Figur 4) ätzen.
Eine Verkleidungsschicht 40 kann eventuell vorgesehen werden, um die Metallschicht 39 der Absorber zu schützen. Diese Schicht 40 wird erzeugt aus einem Material mit einem realen Brechungsindex, der kleiner oder gleich ist wie der der Oberschicht 38. Sie weist eine Dicke von 8 bis 15um auf.
Bei einer Schicht 38 aus Siliciumdioxid verwendet man für die Schicht 40 insbesondere einen Optik-Kleber oder ein Siliciumdioxid-Gel.
Die Leiterstrukturen mit großer Indexdifferenz des Typs OIS1, dargestellt in den Figuren 5 und 6, werden hergestellt, indem man nacheinander die Pufferschicht 34, die Leitschicht 36 und dann die Absorptionsschicht 39 abscheidet, die man ganz ätzt entsprechend den erwünschten Mustern, um unter anderem die Absorber 30 zu bilden.
Diese Schicht 39 ist typischerweise eine Metallschicht von 100 bis 500nm.
Anschließend scheidet man die Oberschicht 38 ab, unter Bedingungen, die die Absorptionsschicht nicht zerstören, und ätzt diese dann teilweise oder ganz, um die Mikroleiter zu bilden. Diese Schicht 38 kann über den Absorbern geätzt werden oder nicht.
Die Leiterstruktur mit großer Indexdifferenz, dargestellt in Figur 7, unterscheidet sich von den in den Figuren 5 und 6 dargestellten durch die Abscheidung der Oberschicht 38 direkt nach der Abscheidung der Leitschicht, sodann die Teil- oder Ganzätzung dieser Schicht 38 entsprechend den erwünschten Mustern, um die Mikroleiter zu bilden und die Form der Absorber 30 zu definieren.
Nach Abscheidung und Ätzung der Absorptionsschicht scheidet man eventuell eine neue Schicht 40 eines Dielektrikums mit einem realen Brechungsindex höchstens gleich dem der Schicht 38 ab.
Wenn man eine Fernmessung durchführen will, indem man eine von der Leiterstruktur beabstandete und mit dieser durch Monomode-Fasern gekoppelte monochromatische Quelle 12 verwendet, ist es vorzuziehen, die OIS2-Leiterstruktur zu verwenden (Figuren 2 bis 4), um einen hohen Kopplungskoeffizienten zu erzielen.
In Figur 8 ist eine erfindungskonforme Meßvorrichtung des Brechungsindex eines Fluids dargestellt. Bei einer solchen Vorrichtung ist das zu untersuchende Objekt stationär und nicht beweglich wie bei einem Bewegungssensor.
Bei dieser Ausführungsart gibt es eine Meßzone 42, die in Kontakt ist mit dem Fluid, dessen Index man messen will. Ein Planspiegel 44, hinter der Meßzone 42 angeordnet, wirft den Meßstrahl zurück, via Zone 42 und Linse 26, in den Mikroleiter 14. Die Meßzone, der Spiegel und die Linse sind in das Substrat integriert und werden erzeugt durch lokale Modifikation des effektiven Index der geleiteten Schwingungsart; es gibt keinen Lichtaustritt aus der Leiterstruktur.
Insbesondere die Linse 26 und die Meßzone 42 werden durch lokales Ätzen der Oberschicht 38 hergestellt, während der Spiegel 44 durch tiefes lokales Ätzen der Schichten 38, 36 und 34 erzeugt wird. Die Linse kann vom Fresnel-Typ sein oder mit Indexsprung bzw. Stufenprofil. Die Meßzone 42 ist nicht geschützt.
Mehr Details bezüglich der Herstellung dieser Brechungsindex-Meßvorrichtung findet man in den Dokument FR-A- 2 638 847.
Diese Meßvorrichtung unterscheidet sich außerdem bezüglich der Bewegungssensoren durch die Tatsache, daß die Mikroleiter 14 und 16 unter sich eine Y-Verbindung 46 definieren, wobei die Achse des Fußes des Y sich in der Verlängerung der Lichtquelle 12 befindet.
Die Verwendung einer Y-Verbindung ermöglicht eine 50/50-Verteilung der Leuchtstärke zwischen dem Mikroleiter 14 und dem Mikroleiter 16.
Selbstverständlich wäre es möglich, diese Meßvorrichtung mit einem Zweikanäle-Koppler 20 auszustatten, wie dargestellt in Figur 1, oder mit einem Dreikanäle-Koppler.
Außerdem sind bei dieser Ausführungsart die Detektoren D1 und D2 in die Leiterstruktur 10 integriert. Diese Integration kann hergestellt werden wie beschrieben in dem Dokument FR-A- 2 578 986.
Vorteilhafterweise kann die Kombination Linse- Reflexionsspiegel 26-44 ersetzt werden durch einen einzigen sphärischen oder parabolischen Reflexionsspiegel 44a, wie dargestellt in Figur 9. Dies ist quasi obligatiorisch bei den Strukturen mit kleiner Indexdifferenz, wo die Herstellung einer Linse mit einem vernünftigen Öffnungswinkel sehr schwierig ist.
Es ist außerdem möglich, die Linse 26 wegzulassen und die Wechselwirkungszone 42 am Ausgangsende des Mikroleiters 14 zu bilden, ohne Superstrat in dieser Zone 42, insbesondere bei den OIS2-Strukturen.
Die Strukturen mit kleiner Indexdifferenz, z.B. des OIS2-Typs, ermöglichen das Detektieren der Brechungsindizes N wie z.B. N< Ng mit Ng als Brechungsindex des Materials der Leitschicht, z.B. N< 1,45 bis 1,50 für das Siliciumdioxid.
Bei den Strukturen mit großer Indexdifferenz, z.B. des OIS2-Typs, können die detektierbaren Indexwerte N 1,8 bis 1,9 erreichen im Falle einer Leitschicht aus Si&sub3;N&sub4;, deren Index nahe bei 2 liegt.
In der Figur 10 ist eine weitere Ausführungsart eines erfindungsgemäßen Bewegungssensors dargestellt. Dieser Sensor unterscheidet sich in bezug auf den in den Figuren 1 und 2 dargestellten durch die Verwendung einer Y-Verbindung 46 zur Verteilung des eintreffenden Lichts auf die beiden Mikroleitern 14 und 16 und durch die Verwendung von zwei unterschiedlichen Kanälen für das eintreffende Meßbündel und das durch das Objekt O reflektierte Meßbündel.
Dazu müssen der Ausgang des Mikroleiters 14 und der Eingang des Mikroleiters 16 voneinander beabstandet sein; der Abstand ist wenigstens größer als 10um, um jede Kopplung zwischen diesen beiden Mikroleitern zu vermeiden. Außerdem muß die optische Achse der Linse 26 zusammenfallen mit der Geraden Y, zwischen den Mikroleitern 14 und 18 verlaufend, abstandsgleich zu den Ausgangsachsen dieser Mikroleiter.
Somit wird, wie dargestellt in der Figur 11, das durch den Mikroleiter 14 austretende Licht kollimatisiert durch die Linse 26, dann reflektiert durch das Objekt O, um durch die Linse 26 auf den Eingang des Mikroleiters 18 fokussiert zu werden.
Bei einer Brennweite der Linse von 1 bis 5mm muß die Distanz L, die die Achsen der beiden Mikroleiter 14 und 18 trennt, enthalten sein in dem von 20 bis 50um gehenden Bereich, und der Winkel T, enthalten zwischen der Geraden Y und dem aus dem Mikroleiter 14 austretenden, am meisten gebrochenen Lichtstrahl 48 muß zwischen 0,2 und 1º gewählt werden, damit die eintreffenden Bündel und die durch das Objekt reflektierten Meßbündel jeweils durch die Mikroleiter 14 und 18 übertragen werden.
Diese Anordnung kann selbstverständlich für eine Brechungsindex-Meßvorrichtung vorgesehen werden.
Um jedes Störlicht zu vermeiden und Monomode- Meßlichtbündel zu erhalten, werden am Eingang des Mikroleiters 14 (genauer vor der Y-Verbindung), am Ausgang des Mikroleiters 14 und am Eingang des Mikroleiters 18 räumliche Filter 50 vorgesehen.
Diese räumlichen Filter 50 werden in der zur Oberfläche des Substrats parallelen Ebene (Ebene der Figur 10) gebildet durch einen gebogenen Mikroleiterteil 52, längs dem sich die beiden Lichtabsorber 54 und 56 erstrecken. Diese Absorber weisen vorteilhafterweise auf ihrer dem Mikroleiter zugekehrten Seite unregelmäßig beabstandete und/oder gegeneinander versetzte Zähne auf, so daß keine geometrische Symetrie besteht in bezug auf die Längsachse des Mikroleiters. Der Teil 52 weist insbesondere die Form eines S auf.
Mehr Details über diese räumlichen Filter kann man in der vorhergehend erwähnten französischen Patentanmeldung EN 90 073049 finden.
Die Absorber 54 und 56 werden aus demselben Material hergestellt wie die optischen Masken 30. Somit, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung zugleich räumliche Filter 50 und Absorber 30 am Ausgang der Mikroleiter 16 und 18 umfaßt, können diese Filter und Absorber simultan in derselben Absorptionsschicht realisiert werden entsprechend dem vorhergehend mit Bezug auf die Figuren 2 bis 7 beschriebenen Prinzip.
Anstatt als Eingang des Sensors der Figur 10 eine Y- Verbindung zu verwenden, ist es selbstverständlich möglich, einen Zweikanäle-Koppler 20 zu verwenden, wie beschrieben mit Bezug auf die Figur 1, oder einen Dreikanäle-Koppler.
Außerdem umfaßt die in Figur 10 dargestellte Ausführungsart Absorber 30 am Ausgang der Mikroleiter 16 und 18, aber es ist selbstverständlich möglich, sie nicht zu verwenden, wie dargestellt in der Figur 1.
In Figur 12 ist eine weitere Ausführungsart eines erfindungskonformen Bewegungssensors dargestellt. Dieser Bewegungssensor unterscheidet sich ganz wesentlich von den vorhergehend beschriebenen durch die Verwendung eines Dreikanäle- Kopplers 58 anstatt der Young-Spalten, um das Bezugs- und das Meßlichtbündel zu interferieren.
Dieser Dreikanäle-Koppler 58 umfaßt einen zentralen Mikroleiter 60, senkrecht zur Detektionsfläche D der Leiterstruktur 10 ausgerichtet und zwischen den Mikroleitern 16 und 18 angeordnet.
In der Kopplungszone sind die Mikroleiter 16 und 18 dem Mikroleiter 60 benachbart und der Abstand, der den Mikroleiter 60 jeweils von den Mikroleitern 16 und 18 trennt, ist enthalten zwischen 1 und 10um und vorzugsweise zwischen 1 und 5um.
Für eine identische Verteilung der Leuchtstärke zwischen dem Mikroleiter 60 und dem Mikroleiter 16 einerseits und dem Mikroleiter 60 und dem Mikroleiter 18 andererseits verwendet man eine Kopplungszone von 1 bis 5mm.
In Höhe der Detektionsfläche D sind die Mikroleiter 16, 60 und 18 sehr voneinander beabstandet, mit einem Abstand von wenigstens mehr als 10um und typisch in der Größenordnung von 20 bis 50um, um jede Kopplung zu vermeiden.
Der Mikroleiter 60 wird gleichzeitig mit den Mikroleitern 16 und 18 hergestellt und auf dieselbe Weise.
Diesem Dreikanäle-Koppler 58 sind drei Detektoren Da, Db, Dc zugeordnet, angeordnet jeweils gegenüber Ausgängen der Mikroleiter 16, 60 und 18.
Die Detektoren Da, Db und Dc erzeugen jeweils ein elektrisches Signal der Stärke Ia, Ib und Ic, repräsentativ für das hinter der Detektionsfläche gebildete Interferenzsignal und den anschließend angegebenen Gleichungen genügend.
- Ia = A + BcosΨ + CsinΨ
- Ib = 1 - (Ia+Ic)
- Ic = A + BcosΨ - CsinΨ
In diesen Gleichungen sind A, B und C Teilungskoeffizienten des Lichts, abhängig von der Geometrie des Kopplers, und Ψ ist die Phasenverschiebung zwischen der Meßbündel und dem Bezugsbündel.
Wenn man Ia-Ic ausführt, erhält man 2CsinΨ, während Ia+Ic 2A+2BcosΨ gibt und Ib=a-(2A+2BcosΨ).
Man erhält also dank der Eigenschaften des Dreikanäle-Kopplers zwei um 90º phasenverschobene Streifensysteme (Phasenverschiebung von π/2).
Bei dieser Struktur sind Ia+Ic und Ia-Ic immer um π/2 phasenverschoben, während bei den Vorrichtungen mit Young-Spalten die Phasenverschiebung in Abhängigkeit von den technologischen Fehlern π/2 ± &epsi; beträgt, wobei &epsi; in den meisten Fällen kleiner als 10º ist.
Anstatt einen Dreikanäle-Koppler zu verwenden, um das Bezugsbündel und das Meßbündel zu interferieren, ist es möglich, einen Koppler mit 4, ja sogar 5 Kanälen zu verwenden. Die Herstellung und die Funktionsweise von Multikanal-Kopplern sind dem Fachmann wohlbekannt.
Bei der Ausführungart der Figur 12 ist die Position der Detektoren aufgrund der Verwendung eines Dreikanäle-Kopplers nicht mehr kritisch; es ist also nicht mehr erforderlich, Absorber 30 zu verwenden, wie mit Bezug auf die Figur 2 beschrieben; die Detektoren Da, Db und Dc sind jeweils am Ausgang der Mikroleiter 16, 60 und 18 angeordnet.
Bei der Ausführungsart der Figur 12 verwendet man eine Y-Eingangsverbindung 46 zur Verteilung des eintreffenden Lichts zwischen dem Mikroleiter 14 und dem Mikroleiter 16, und eine Entkopplung des Eintreff-Meßkanals und des Retour-Meßkanals, wie beschrieben mit Bezug auf die Figur 10.
Es ist jedoch möglich, als Eingang einen Koppler 20 mit zwei Kanälen zu wählen, wie dargestellt in Figur 1, oder mit drei Kanälen und am Ausgang des Sensors einen Koppler 22 mit wenigstens zwei Kanälen. Außerdem ist es möglich, am Eingang und am Ausgang der Mikroleiter 14, 16 und 18 räumliche Filter zu verwenden, wie beschrieben mit Bezug auf die Figur 10.
Schließlich ist es möglich, einen Dreikanäle-Koppler zu verwenden als Interferenzeinrichtung für eine Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex eines Fluids, wie z.B. dargestellt in Figur 8.

Claims

1. Optisch integrierte, interferometrische Meßvorrichtung einer Charakteristik eines Objekts, umfassend eine Lichtquelle (12) zum Emittieren eines Eingangslichtbündels, Mikroleiter- Trenneinrichtungen (20, 46), um das Eingangslichtbündel aufzuteilen in einen Bezugsstrahl und einen Eintritts-Meßstrahl, einen ersten optischen Mikroleiter (14), und den Eintritts- Meßstrahl zum Objekt zu leiten, einen zweiten optischen Mikroleiter (16), um den Bezugsstrahl zu leiten, einen dritten optischen Mikroleiter (18), um den aus dem Objekt (O) austretenden Meßstrahl zu leiten, Interferenzeinrichtungen (24, 58), die Mikroleiter verwenden, um den Bezugsstrahls und den aus dem Objekt austretenden Meßstrahl zu interferieren und wenigstens zwei Interferenzsignale zu bilden, phasenverschoben, nur auf passive Weise, wenigstens zwei Detektoren (D1, D2, Da, Db, Dc), um diese Interferenzsignale zu detektieren und zwei für diese Interferenzsignale repräsentative phasenverschobene elektrische Signale zu liefern, wobei die Trenneinrichtungen (20,46), der erste, zweite und dritte Mikroleiter (14, 16, 18) und die Interferenzeinrichtungen (24, 58) jeweils ausgebildet werden in einer integrierten Leiterstruktur auf einem Substrat (32), wobei die Passiv-Phasenverschiebungs-Interferenzeinrichtungen außerdem gebildet wird durch eine Einrichtung, gewählt zwischen den Young- Spalten (24) und einem Koppler mit wenigstens drei Wegen (58).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtmasken (30) vorgesehen sind zwischen den Interferenzeinrichtungen und den Detektoren, um die Interferenzsignale räumlich zu begrenzen, wobei diese Masken auf dem Substrat integriert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trenneinrichtungen gebildet werden durch Einrichtung, gewählt zwischen einem Koppler mit wenigstens zwei Wegen und einer Y-Verbindung (46).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Richtkoppler mit wenigstens zwei Wegen (22) den Ausgang des ersten Mikroleiters und den Eingang des dritten Mikroleiters koppelt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferenzeinrichtungen so angeordnet sind, daß die Detektoren zwei um π/2 phasenverschobene Signale liefern.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein räumliches Filter (50) vorgesehen ist als Eingang des ersten Mikroleiters.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß räumliche Filter (50) vorgesehen sind als Eingang des dritten Mikroleiters und als Ausgang des ersten Mikroleiters.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisches Fokussierungelement (26) vorgesehen ist als Ausgang des ersten Mikroleiters und als Eingang des dritten Mikroleiters.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Messung der von einem bewegliches Objekt durchlaufenen Distanz und zur Bestimmung der Bewegungsrichtung dieses mobilen Objekts, dadurch gekennzeichnet, daß ein fest mit dem beweglichen Objekt verbundener Reflexionsspiegel vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Messung eines Brechungsindex eines Fluids, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wechselwirkungszone (42) der Leitstruktur dazu vorgesehen ist, in Kontakt zu sein mit dem Fluid, und dadurch, daß ein auf dem Substrat integrierter Spiegel (44) vorgesehen ist als Ausgang der Wechselwirkungszone, um den Lichtstrahl zu reflektieren, der die genannte Zone in Richtung Eingang des dritten Mikroleiters durchquert.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstruktur, gestapelt auf dem Substrat, eine Pufferschicht (34), eine Leitschicht (36), eine Oberschicht (38) umfaßt, und eine lichtabsorbierende Schicht (39), wobei die Leitschicht einen größeren Brechungsindex hat als die Puffer- und die Oberschicht und die Ober- oder die Leitschicht geätzt werden zur Festlegung der Form der Mikroleiter, der Interferenz einrichtungen und der Trenneinrichtungen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dielektrikum (40) vorgesehen ist auf den Mikroleitern und der Absorptionsschicht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat ein Silizium ist, die Pufferschicht und die Oberschicht aus Siliziumdioxid sind, nichtdotiert oder dotiert mit Dotierstoffen, die seinen Brechungsindex verkleinern, die Leitschicht ein Material ist, ausgewählt unter dem Siliziumdioxid, dotiert mit einem seinen Brechungsindex vergrößernden Dotierstoff, dem Siliziumnitrid oder dem Aluminiumoxid, und die Absorptionsschicht aus einem reflektierenden Metall ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlichen Filter gebildet werden durch einen optischen Mikroleiter, enthalten auf dem Substrat und, in einer zur Oberfläche des Substrats parallelen Ebene, wenigstens einen gebogenen Teil (52) aufweisend und zwei Lichtabsorber (54, 56), angeordnet in ein und derselben Ebene, beiderseits des gebogenen Teils des Mikroleiters.