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DE4138221C1 - Integrated optical sensor for absolute measurement of gaseous refractive indices - has several measurement regions each covered by film sensitive to specific gas, transducer, and wave guide - Google Patents

Integrated optical sensor for absolute measurement of gaseous refractive indices - has several measurement regions each covered by film sensitive to specific gas, transducer, and wave guide

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DE4138221C1
DE4138221C1 DE4138221A DE4138221A DE4138221C1 DE 4138221 C1 DE4138221 C1 DE 4138221C1 DE 4138221 A DE4138221 A DE 4138221A DE 4138221 A DE4138221 A DE 4138221A DE 4138221 C1 DE4138221 C1 DE 4138221C1
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DE
Germany
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waveguide
measuring
gas
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optical waveguide
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Vladimir Dr. Hinkov
Iliyana 7815 Kirchzarten De Hinkov
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Abstract

The optical sensor has several similar measurement regions (M1-M3) on a single lithium niobate substrate body (2), each with a film (16-18) with specific sensitivity to a defined gas, and an electroacoustic transducer. At least one film also extends over a section of optical waveguide (4) with a no proton exchange layer and which serves as a reference region (R1) for deriving a correction signal. The measurement and reference regions are arranged in sequence along the optical waveguide. Guide layers (13, 13') in the substrate on either side of the waveguide form a monomode acoustic waveguide extending in the direction of propagation of acoustic waves at least over the measurement and reference regions. USE/ADVANTAGE - Sensor can simultaneously determine absolute refractive indices of several gases with extremely high accuracy.

Description

Die Erfindung betrifft einen integriert-optischen Sensor zur absoluten Brechzahlbestimmung mit einem Substratkörper aus Lithiumniobat, in dem ein monomodiger, doppelbrechender opti­ scher Wellenleiter vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Stirnflächen des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche in Richtung einer der Schnittachsen des geschnittenen Li­ thiumniobatkristalles erstreckt und der auf einem Teil seiner Länge mit einer dünnen, zur Füh­ rung einer Mode nicht ausreichend dicken Schicht aus protonenausgetauschtem Lithi­ umniobad versehen ist, die von einer mit einem Meßgas beaufschlagbaren, einen Meßbereich bildenden gassensitiven Schicht bedeckt ist, sowie mit einem dem Meßbereich vorgelagerten, in der Oberfläche integrierten elektro-akustischen Wandler zur TM/TE-Modenkonversion, wobei die Eintrittsstirnfläche des Wellenleiters mit linear in der ordentlichen oder in der außerordentli­ chen Polarisationsrichtung polarisierter Laserstrahlung und ein Lichtdetektor mit den in Trans­ mission von der Austrittsendfläche des Wellenleiters abgestrahlten Meßlicht beaufschlagbar ist.The invention relates to an integrated optical sensor for absolute refractive index determination a substrate body made of lithium niobate, in which a single-mode, birefringent opti shear waveguide is provided, which is between two end faces of the substrate body along its surface towards one of the cutting axes of the cut Li Thium niobate crystal stretches and which is on a part of its length with a thin a layer of proton-exchanged lithi that is not sufficiently thick Umniobad is provided by a measuring range to which a measuring gas can be applied forming gas-sensitive layer is covered, as well as with an upstream of the measuring range, electro-acoustic transducer for TM / TE mode conversion integrated in the surface, whereby the entrance face of the waveguide with linear in the ordinary or in the extraordinary Chen polarization direction of polarized laser radiation and a light detector with the in Trans mission can be acted upon by the exit end surface of the waveguide emitted measuring light.

Ein solcher integriert-optischer Sensor, der es gestattet, den absoluten Brechungsindex eines Meßgases zu bestimmen, ist bekannt (DE 39 29 340 A1). Die dünne protonenausgetauschte Schicht bewirkt eine Verlagerung der parallel zur Oberfläche des Lithiumniobat-Kristalles polari­ sierten Mode in Richtung des Substrates und eine Verlagerung des Linienschwerpunktes der außerordentlichen Mode, in die das Meßgas enthaltende, gassensitive Schicht hinein. Durch die Erzeugung der akustischen Oberflächenwellen mittels elektro-akustischen Wandlers kann in dem Wellenleiter geführtes ordentlich polarisiertes Licht in außerordentlich polarisiertes Licht überführt werden, das mit dem Lichtdetektor nachgewiesen wird. Der Wirkungsgrad der Um­ wandlung ist abhängig von der Frequenz der Oberflächenwellen, aus der schließlich auf den absoluten Brechungsindex des Meßgases und damit seine Konzentration geschlossen werden kann. Such an integrated optical sensor, which allows the absolute refractive index of a Determining measuring gas is known (DE 39 29 340 A1). The thin proton exchanged Layer causes a shift of the polar, parallel to the surface of the lithium niobate crystal based fashion in the direction of the substrate and a shift in the center of gravity of the extraordinary fashion, into the gas-sensitive layer containing the measuring gas. By the generation of surface acoustic waves by means of electro-acoustic transducers can be done in properly polarized light guided in the waveguide into extremely polarized light transferred, which is detected with the light detector. The efficiency of the order conversion is dependent on the frequency of the surface waves, from which ultimately on the absolute refractive index of the sample gas and thus its concentration can be closed can.  

Dieser Sensor ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß bereits kleine Schwankungen in der Wellenlänge des versorgenden Lasers und/oder Temperaturänderungen das Meßergebnis verfälschen und die erreichbare Genauigkeit bei der Brechzahlbestimmung stark begrenzen können. Außerdem bleibt bei diesem Sensor die Bestimmung der Brechzahl je nach gewählter gassensitiver Schicht auf ein bestimmtes Gas beschränkt.However, this sensor has the disadvantage that even small fluctuations in the Wavelength of the supplying laser and / or temperature changes the measurement result falsify and severely limit the achievable accuracy when determining the refractive index can. With this sensor, the determination of the refractive index remains depending on the selected one gas-sensitive layer limited to a certain gas.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen integriert optischen Sensor zu schaf­ fen, der es gestattet, gleichzeitig die absoluten Brechzahlen von mehreren Gasen mit größt­ möglicher Genauigkeit zu bestimmen.The object of the invention is therefore to create an integrated optical sensor which allows the absolute refractive indices of several gases to be to determine possible accuracy.

Die Aufgabe wird bei einem integriert-optischen Sensor der eingangs genannten Art erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß auf ein und demselben Substratkörper mehrere Meßbe­ reiche vorgesehen sind, denen jeweils eine gassensitive Schicht spezifischer Empfindlichkeit zugeordnet ist, und daß wenigstens eine der gassensitiven Schichten sich außerdem über einen Abschnitt des Wellenleiters erstreckt, der keine protonenausgetauschte Schicht aufweist und der als Referenzbereich zur Gewinnung eines Korrektursignals dient, und daß beiderseits des optischen Wellenleiters ein monomode ausgebildeter akustischer Wellenleiter in die Ober­ fläche des Substratkörpers eingebracht ist, der sich zumindest über die Meßbereiche und den Referenzbereich erstreckt und im Abstand parallel zum optischen Wellenleiter geführt ist.The task is invented with an integrated optical sensor of the type mentioned at the beginning solved according to the invention in that on one and the same substrate body several Meßbe rich are provided, each with a gas-sensitive layer of specific sensitivity is assigned, and that at least one of the gas-sensitive layers also over extends a portion of the waveguide that does not have a proton exchanged layer and which serves as a reference area for obtaining a correction signal, and that on both sides of the optical waveguide a monomode acoustic waveguide in the upper Surface of the substrate body is introduced, which is at least over the measuring ranges and Extends reference range and is guided at a distance parallel to the optical waveguide.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet neben einer deutlichen Verbesserung der Genauigkeit bei der Brechzahlbestimmung durch Berücksichtigung eines Referenzsignales den Vorteil, daß gleichzeitig die Brechzahlen von mehreren Gasen erfaßt werden können, ohne daß eine ent­ sprechende Anzahl von integriert-optischen Sensoren, wie sie Stand der Technik sind, neben­ einander angeordnet werden müßte. Dadurch, daß mehrere Meßbereiche auf ein und demsel­ ben Substratkörper plaziert sind, kann das Verfahren der Mustererkennung angewendet wer­ den, um Querempfindlichkeiten auszuschalten.In addition to a significant improvement in accuracy, the solution according to the invention offers the refractive index determination by taking into account a reference signal the advantage that the refractive indices of several gases can be recorded at the same time without ent speaking number of integrated optical sensors, as they are state of the art, in addition should be arranged to each other. Because several measuring ranges on one and the same If substrate bodies are placed, the method of pattern recognition can be used to switch off cross-sensitivities.

Eine Ausgestaltungsform der Erfindung sieht vor, daß die Meßbereiche und der Referenz­ bereich entlang des optischen Wellenleiters hintereinander angeordnet sind und jedem der Meßbereiche und dem Referenzbereich jeweils ein Elektrodenpaar zugeordnet ist, wobei die mit einer Spannung beaufschlagbaren Elektroden jeweils zwischen optischem und aku­ stischem Wellenleiter auf der Oberfläche des Substratkörpers plaziert sind. One embodiment of the invention provides that the measuring ranges and the reference region along the optical waveguide are arranged one behind the other and each of the Measuring ranges and the reference range is assigned a pair of electrodes, the electrodes with a voltage between optical and acu static waveguide are placed on the surface of the substrate body.  

Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sich der optische Wellenleiter im eingangsstirnflächenseitigen Bereich der Oberfläche des Substratkörpers in zwei optische Wellenleiter verzweigt, die in Form von zwei parallelgeschalteten Kanälen zur Ausgangsstirnfläche geführt sind, und daß jedem dieser Kanäle wenigstens ein Meß- und ein Referenzbereich zugeordnet ist, wobei jeder Kanal einen elektro-akustischen Wandler und ein akustisches Wellenleiterpaar aufweist und ausgangsseitig an jeden Kanal ein Lichtdetektor an­ koppelbar ist. Bei dieser Ausführungsform werden zwar zwei Lichtdetektoren benötigt, aber im Vergleich zur Ausführungsform mit hintereinander angeordneten Meßbereichen treten keine oder zumindest weniger unmittelbare Grenzflächen zwischen den einzelnen Meßbereichen auf, die zu gewissen Streuungen führen können.Another embodiment of the invention is characterized in that the optical Waveguide in the region of the surface of the substrate body on the input face side two optical waveguides branched out in the form of two channels connected in parallel Output end face are guided, and that each of these channels at least one measuring and one Reference range is assigned, with each channel an electro-acoustic transducer and a acoustic waveguide pair and on the output side to each channel a light detector can be coupled. In this embodiment, two light detectors are required, but in There is no comparison to the embodiment with measuring ranges arranged one behind the other or at least less immediate interfaces between the individual measuring ranges, that can lead to certain variations.

Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.Special embodiments of the invention are the subject of further dependent claims.

So ist es beispielsweise möglich, anstelle eines elektro-akustischen Wandlers und zugeord­ neter akustischer Wellenleiter zur Modenkonversion elektro-optische Modenkonverter vorzuse­ hen, wovon wenigstens zwei Modenkonverter zwei Meßbereiche und ein Modenkonverter den Referenzbereich bilden.So it is possible, for example, instead of an electro-acoustic transducer and assigned neter acoustic waveguide for mode conversion, electro-optical mode converter hen, of which at least two mode converters have two measuring ranges and one mode converter Form reference area.

Die Erfindung soll nachstehend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen.In the following, the invention is intended to be based on several exemplary embodiments and an associated one Drawing will be explained in more detail. Show in the drawing.

Fig. 1a eine schematische Ansicht eines integriert-optischen Sensors mit akusto-opti­ scher Modenkonversion und hintereinander angeordneten Meßbereichen zur gleichzeitigen Erfassung der Brechzahlen dreier Gase, FIG. 1a is a schematic view of an integrated optical sensor with acousto-optic shear mode conversion and successively arranged measuring areas for simultaneous detection of the refractive indices of three gases,

Fig. 1b einen ersten Querschnitt dieses Sensors mit Schnitt durch einen der Meßbe­ reiche, FIG. 1b is a first cross-section of this sensor with a section through one of the Meßbe rich,

Fig. 1c einen zweiten Querschnitt dieses Sensors mit Schnitt durch den Referenzbe­ reich, Fig. 1c reaching a second cross section of this sensor with a section through the Referenzbe,

Fig. 2a eine schematische Ansicht eines integriert-optischen Sensors mit hintereinander angeordneten elektro-optischen Modenkonvertern zur gleichzeitigen Erfassung der Brechzahlen zweier Gase, Fig. 2a shows a schematic view of an integrated optical sensor having successively arranged electrooptical mode converters for the simultaneous detection of the refractive indices of two gases,

Fig. 2b eine erste mögliche Elektrodenanordnung der elektro-optischen Modenkonverter gem. Fig. 2a, FIG. 2b shows a first possible arrangement of the electrode electro-optical mode converter gem. Fig. 2a,

Fig. 2c eine zweite mögliche Elektrodenanordnung der elektro-optischen Moden­ konverter gem. Fig. 2a, Fig. 2c a second possible electrode arrangement of the electro-optical mode converter acc. Fig. 2a,

Fig. 2d einen Querschnitt dieses Sensors, Fig. 2d shows a cross section of this sensor,

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines integriert-optischen Sensors, bei dem die Meßbereiche zur gleichzeitigen Erfassung der Brechzahlen zweier Gase nebeneinander in zwei parallelen Kanälen angeordnet sind und die Moden­ konversion elektro-akustisch erfolgt,Carried Fig. 3 is a schematic view of an integrated optical sensor in which the measuring ranges for the simultaneous detection of the refractive indices of two gases are arranged side by side in two parallel channels and the electro-acoustic conversion modes,

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines integriert-optischen Sensors, bei dem die Meßbereiche zur gleichzeitigen Erfassung der Brechzahlen zweier Gase wie in Fig. 3 nebeneinander in zwei parallelen Kanälen angeordnet sind, die Modenkonversion jedoch elektro-optisch erfolgt. Fig. 4 is a schematic view of an integrated-optical sensor, in which the measuring ranges for the simultaneous detection of the refractive indices of two gases are arranged side by side in two parallel channels as in Fig. 3, but the mode conversion is carried out electro-optically.

Die sich auf ein erstes Ausführungsbeispiel beziehenden Fig. 1a-1c zeigen einen integriert- optischen Sensor 1 mit einem Substratkörper 2. Der Substratkörper 2 in Form eines Lithium­ niobat-Kristalles ist dabei derart geschnitten, daß die Z-Achse parallel zu dessen Oberfläche 3 verläuft und die X-Achse als Normale auf dieser steht. In den Substratkörper 2 ist von der Ober­ fläche 3 her durch Titaneindiffusion ein im wesentlichen halbzylindrisch ausgebildeter doppel­ brechender optischer Wellenleiter 4 eingebracht und zwar so, daß dieser sich parallel zur Y-Achse geradlinig von einer Eingangsstirnfläche 5 zu einer Ausgangsstirnfläche 6 des Substrat­ körpers 2 erstreckt. Der einige cm lange optische Wellenleiter 4 ist zur Oberfläche 3 hin von ei­ ner Fläche 7 begrenzt. In den obersten Schichten des Substratkörpers 2 und unterhalb der Be­ grenzungsfläche 7 ist eine bandförmige protonenausgetauschte Schicht 8 vorgesehen. Diese Schicht 8, die eine Dicke zwischen 50 und 350 nm aufweist und demzufolge im Gegensatz zum optischen Wellenleiter 4 nicht zur Führung ei­ ner eigenständigen Mode ausreicht, überlappt die Begrenzungsfläche 7 seitlich und erstreckt sich über einen Teil der Länge des optischen Wellenleiters 4 und zwar über drei hintereinander angeordnete Meßbereiche M1, M2 und M3. Die protonenausgetauschte Schicht 8 hat die Wir­ kung, das Feld einer TE-Mode in Richtung Oberfläche 3 zu ziehen und die TE-Mode gegenüber Brechzahländerungen im darüberliegenden Bereich empfindlich zu machen. Die TM-Mode hin­ gegen wird von der Oberfläche 3 aus gesehen weggedrückt, so daß diese Mode unempfindlich auf solche Änderungen reagiert. Beiderseits des optischen Wellenleiters 4 sind auf der Oberflä­ che 3 des Substratkörpers 2 in Y-Richtung jeweils nacheinander vier streifenförmig ausgebil­ dete Metallelektroden 9-12 und 9′-12′ vorgesehen, die in Y-Richtung ca. 1 cm lang und in Z-Richtung ca. 20-30 µm breit sind. Während drei der vier Elektrodenpaare, nämlich die Paare 9, 9′ und 10, 10′ sowie 11, 11′ jeweils den Meßbereichen M1, M2, M3 zugeordnet und der proto­ nenausgetauschten Schicht 8 unmittelbar benachbart angeordnet sind, diese jedoch nicht überdecken, befindet sich das vierte Elektrodenpaar 12, 12′ außerhalb des von der Schicht 8 gebildeten Bandes. Jenseits der Metallelektroden 9-12 und 9′-12′ und parallel zum optischen Wellenleiter 4 erstrecken sich jeweils in die Oberfläche 3 des Substratkörpers 2 eingebrachte akustische Führungsschichten 13 bzw. 13′, die zusammen einen akustischen Wellenleiter bilden. Der wie der optische Wellenleiter 4 monomode ausgelegte und beispielsweise durch Titaneindiffusion erzeugte akustische Wellenleiter mit den Führungsschichten 13, 13′ ragt ein­ gangsseitig in den keine protonenausgetauschte Schicht aufweisenden vorderen Bereich der Oberfläche 3 hinein und ist dort mit einer parabolischen Ausweitung 14 bzw. 14′ versehen. Die Anordnung und Ausbildung des akustischen Wellenleiters erlaubt den Einsatz eines verhältnismäßig breiten interdigitalen elektro-akustischen Wandlers 15 zur Anregung akusti­ scher Oberflächenwellen, was sich günstig auf die Anpassung an den Ausgangswiderstand ei­ nes Generators auswirkt. Der im vorderen Bereich der Oberfläche 3 angeordnete elektro-aku­ stische Wandler 15 verfügt über fingerartige, in der Oberfläche 3 in Z-Richtung liegende inein­ andergreifende Kontaktstreifenpaare, die mit einer Hochfrequenz beaufschlagbar sind. Den Meßbereichen M1, M2 und M3 und damit den Elektrodenpaaren 9, 9′ und 10, 10′ sowie ge­ meinsam den Elektrodenpaaren 11, 11′ und 12, 12′ ist jeweils eine gassensitive Schicht 16, 17 und 18 zugeordnet. Diese gassensitiven Schichten 16, 17 und 18 sind auf den Substratkörper 2 aufgetragen und bedecken jeweils einen Ab­ schnitt der protonenausgetauschten Schicht 8 und im Falle der Schicht 18 auch direkt einen Abschnitt des optischen Wellenleiters 4, des weiteren das entsprechende Elektrodenpaar 9, 9′ bzw. 10, 10′ bzw. 11, 11′ und 12, 12′ sowie einen Abschnitt der akustischen Wellenleiter 13, 13′. Jede der Schichten 16, 17 und 18 hat dabei eine spezifische Empfindlichkeit gegenüber einem bestimmten Gas, die sich darin äußert, daß die Brechzahl der Schicht sich nach der Absorption von diesem Gas ändert. Als sensitive Schichten 16, 17 und 18 können z. B. organisch modifi­ zierte Gläser, sogenannte ORMOSILE, angewendet werden. Auf dem Substratkörper 2 befin­ den sich außerdem noch zwei Absorber 19, 20 für die akustischen Oberflächenwellen und ein Polarisator 21. Dabei ist der eine Absorber 19 im vorderen Bereich der Oberfläche 3 zwischen Eingangsstirnfläche 5 und elektro-akustischem Wandler 15 und der andere Absorber 20 im hinteren Bereich der Oberfläche 3 zwischen den Enden der akustischen Wellenleiter 13, 13′ und der Ausgangsstirnfläche 6 angeordnet. Die Absorber 19 und 20 verhindern, daß die akusti­ schen Oberflächenwellen an den Stirnflächen 5 und 6 reflektiert werden und es zu einer uner­ wünschten Interferenz dieser Wellen kommt. Der Polarisator 21 ist zwischen dem Absorber 20 und der Ausgangsstirnfläche 6 im Bereich des optischen Wellenleiters 4 plaziert.The relating to a first embodiment of FIGS. 1a-1c show a integriert- optical sensor 1 with a substrate body 2. The substrate body 2 in the form of a lithium niobate crystal is cut in such a way that the Z axis runs parallel to its surface 3 and the X axis is normal to it. In the substrate body 2 , an essentially semi-cylindrical double-refractive optical waveguide 4 is introduced from the upper surface 3 by titanium diffusion, in such a way that it extends parallel to the Y axis in a straight line from an input end face 5 to an output end face 6 of the substrate body 2 . The few cm long optical waveguide 4 is bounded towards the surface 3 by a surface 7 . In the uppermost layers of the substrate body 2 and below the loading interface 7 , a band-shaped proton-exchanged layer 8 is provided. This layer 8 , which has a thickness between 50 and 350 nm and consequently, in contrast to the optical waveguide 4, is not sufficient for guiding an independent mode, the boundary surface 7 overlaps laterally and extends over part of the length of the optical waveguide 4 , specifically three measuring ranges M1, M2 and M3 arranged one behind the other. The proton-exchanged layer 8 has the effect of pulling the field of a TE mode towards the surface 3 and making the TE mode sensitive to changes in the refractive index in the area above. The TM mode, however, is pushed away from the surface 3 , so that this mode is insensitive to such changes. On both sides of the optical waveguide 4 , four strip-shaped metal electrodes 9 - 12 and 9 '- 12 ' are provided in succession on the surface 3 of the substrate body 2 in the Y direction, which are approximately 1 cm long in the Y direction and in Z- Are about 20-30 µm wide. While three of the four pairs of electrodes, namely the pairs 9 , 9 'and 10 , 10 ' and 11 , 11 'are each assigned to the measuring ranges M1, M2, M3 and the proton-exchanged layer 8 are arranged immediately adjacent, but do not overlap, is located the fourth pair of electrodes 12 , 12 'outside the band formed by the layer 8 . Beyond the metal electrodes 9 - 12 and 9 '- 12 ' and parallel to the optical waveguide 4 each extend into the surface 3 of the substrate body 2 introduced acoustic guide layers 13 and 13 ', which together form an acoustic waveguide. The designed like the optical waveguide 4 monomode and generated for example by titanium diffusion acoustic waveguide with the guide layers 13 , 13 'protrudes on the aisle side into the non-proton-exchanged layer having the front area of the surface 3 and is provided there with a parabolic extension 14 and 14 ' . The arrangement and design of the acoustic waveguide allows the use of a relatively wide interdigital electro-acoustic transducer 15 to excite surface acoustic waves, which has a favorable effect on the adaptation to the output resistance of a generator. The arranged in the front area of the surface 3 electro-acoustic transducer 15 has finger-like, lying in the surface 3 in the Z direction interlocking contact strip pairs which can be acted upon by a high frequency. The measuring ranges M1, M2 and M3 and thus the electrode pairs 9 , 9 'and 10 , 10 ' and ge together the electrode pairs 11 , 11 'and 12 , 12 ' are each assigned a gas-sensitive layer 16 , 17 and 18 . These gas-sensitive layers 16 , 17 and 18 are applied to the substrate body 2 and each cover a section of the proton-exchanged layer 8 and in the case of the layer 18 also a section of the optical waveguide 4 , furthermore the corresponding pair of electrodes 9 , 9 'or 10 , 10 'and 11 , 11 ' and 12 , 12 'and a portion of the acoustic waveguide 13 , 13 '. Each of the layers 16 , 17 and 18 has a specific sensitivity to a specific gas, which manifests itself in the fact that the refractive index of the layer changes after the absorption of this gas. As sensitive layers 16 , 17 and 18 z. B. organically modified glasses, so-called ORMOSILE, are used. On the substrate body 2 are also two absorbers 19 , 20 for the surface acoustic waves and a polarizer 21st The one absorber 19 is arranged in the front area of the surface 3 between the input end face 5 and the electro-acoustic transducer 15 and the other absorber 20 in the rear area of the surface 3 between the ends of the acoustic waveguides 13 , 13 'and the output end face 6 . The absorbers 19 and 20 prevent the acoustic surface waves from the end faces 5 and 6 are reflected and there is an undesirable interference of these waves. The polarizer 21 is placed between the absorber 20 and the output end face 6 in the region of the optical waveguide 4 .

Der integriert-optische Sensor 1 funktioniert auf folgende Weise.The integrated optical sensor 1 works in the following way.

Ein Halbleiterlaser 22 sendet monochromatisches Laserlicht aus, beispielsweise der Wel­ lenlänge 0,84 µm. Das Laserlicht wird sodann mittels Lichtleitfaser 23 in den optischen Wel­ lenleiter 4 über dessen Eingangsfläche 24 eingekoppelt, wo es für den Fall, daß sich der Wel­ lenleiter 4 im Substratkörper 2 entlang der Y-Schnitt-Achse des geschnittenen Lithiumniobat- Kristalles erstreckt, eine ordentlich polarisierte Mode (TM-Mode) anregt. Gleichzeitig wird mit dem interdigitalen elektro-akustischen Wandler 15 eine akustische Oberflächenwelle erzeugt. Durch die akustische Oberflächenwelle wird die TM-Mode mehr oder weniger in eine außeror­ dentlich polarisierte Mode (TE-Mode) umgewandelt. Die Umwandlung weist eine maximale Ef­ fektivität auf, wenn die akustische Frequenz fa die Bedingung fa = (Va/Lo) · | nTM-nTE | erfüllt.A semiconductor laser 22 emits monochromatic laser light, for example a wavelength of 0.84 μm. The laser light is then coupled by means of optical fiber 23 into the optical waveguide 4 via its input surface 24 , where it extends properly in the event that the waveguide 4 extends in the substrate body 2 along the Y-section axis of the cut lithium niobate crystal stimulates polarized mode (TM mode). At the same time, the interdigital electro-acoustic transducer 15 generates an acoustic surface wave. Due to the surface acoustic wave, the TM mode is more or less converted into an extraordinarily polarized mode (TE mode). The conversion has a maximum effectiveness when the acoustic frequency f a the condition f a = (V a / L o ) · | n TM -n TE | Fulfills.

Dabei ist mit Va die Phasengeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen, mit Lo die op­ tische Wellenlänge des eingespeisten Laserlichtes und mit nTM bzw. nTE die effektive Brech­ zahl des Wellenleiters 4 für die TM- bzw. TE-Mode bezeichnet. Die verbleibende Intensität der nicht umgewandelten TM-Mode wird vom Polarisator 21 absorbiert, so daß nur die TE-Mode den optischen Wellenleiter 4 über seine Ausgangsfläche 25 verläßt. Die TE-Mode wird schließlich über eine Lichtleitfaser 26 einem Detektor, beispielsweise einer Photodi­ ode 27, zugeführt. Mit dem Detektorsignal wird eine in der Zeichnung nicht dargestellte Steuer- und Auswerteelektronik beaufschlagt, die ihrerseits ein Steuersignal für den Hochfrequenzge­ nerator erzeugt, der schließlich den elektro-akustischen Wandler 15 speist. Wesentlich ist nun, daß in jedem der den Metallelektrodenpaaren 9, 9′, 10, 10′ und 11, 11′ zugeordneten Meßbe­ reiche M1, M2 und M3 der Absolutwert der Differenz der die Wellenleiterdoppelbrechung beeinflussenden Brechzahlen | nTM-nTE | durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an das jeweilige Elektrodenpaar auf einen voneinander abweichenden und damit unterscheidbaren Wert eingestellt wird, bzw. auf einen solchen Wert sich automatisch einstellt, wenn die gassensitiven Schichten 16, 17 und 18 unterschiedliche Brechzahlen aufweisen. Da dann gemäß angegebener Gleichung für jeden ein­ zelnen der Meßbereiche M1, M2 und M3 eine andere akustische Frequenz fa für eine effektive TM/TE-Modenkonversion notwendig ist, können diese Bereiche beim Meßvorgang nacheinan­ der mit kurzen akustischen Pulsen, beispielsweise von 1-2 µs Dauer, also quasi gleichzeitig, mit der entsprechenden akustischen Frequenz abgefragt werden. Mit anderen Worten, wird der Sensor 1 verschiedenen Gasen ausgesetzt, für welche die sensitiven Schichten 16, 17 und 18 empfindlich sind, werden sich die Brechzahlen der entsprechenden Schichten 16, 17 und 18 nach erfolgter Gasabsorption ändern. Das führt zu einer Änderung von nTE im jeweiligen Meß­ bereich M1, M2, M3, was dort eine Änderung der Wellenleiterdoppelbrechung mit sich bringt und eine Verschiebung der akustischen Frequenz gemäß angegebener Gleichung zur Folge hat. Die Größe der jeweiligen Verschiebung der akustischen Frequenz ist dabei ein Maß für die Kon­ zentration des entsprechenden Gases.V a denotes the phase velocity of the surface acoustic waves, L o denotes the optical wavelength of the laser light fed in, and n TM or n TE denotes the effective refractive index of the waveguide 4 for the TM or TE mode. The remaining intensity of the non-converted TM mode is absorbed by the polarizer 21 , so that only the TE mode leaves the optical waveguide 4 via its output surface 25 . The TE mode is finally fed via an optical fiber 26 to a detector, for example a photodiode 27 . With the detector signal is applied to a control and evaluation electronics, not shown in the drawing, which in turn generates a control signal for the high frequency generator, which finally feeds the electro-acoustic transducer 15 . It is now essential that in each of the metal electrode pairs 9 , 9 ', 10 , 10 ' and 11 , 11 'assigned measuring ranges M1, M2 and M3 the absolute value of the difference in the refractive indices influencing the waveguide birefringence | n TM -n TE | by applying a corresponding voltage to the respective pair of electrodes to a value that differs from one another and thus can be distinguished, or is automatically set to such a value if the gas-sensitive layers 16 , 17 and 18 have different refractive indices. Since then according to the given equation for each one of the measuring ranges M1, M2 and M3 a different acoustic frequency f a is necessary for an effective TM / TE mode conversion, these ranges can be used in succession during the measuring process with short acoustic pulses, for example of 1-2 µs duration, that is to say quasi simultaneously, with the corresponding acoustic frequency. In other words, if the sensor 1 is exposed to various gases for which the sensitive layers 16 , 17 and 18 are sensitive, the refractive indices of the corresponding layers 16 , 17 and 18 will change after gas absorption has taken place. This leads to a change of n TE in the respective measuring range M1, M2, M3, which results in a change in the waveguide birefringence and a shift in the acoustic frequency in accordance with the given equation. The size of the respective shift of the acoustic frequency is a measure of the concentration of the corresponding gas.

Da der optische Wellenleiter 4 im Bereich des Elektrodenpaares 12, 12′ mit keiner proto­ nenausgetauschten Schicht 8 versehen ist, kommt es während des Meßvorganges auch zu keiner Änderung der Doppelbrechung in diesem Bereich, so daß dieser als Referenzbereich R1 genutzt werden kann. Eine Verschiebung der akustischen Frequenz für die TM/TE-Konversion im Referenzbereich R1 ist allein auf Wellenlängenfluktuation des Lasers 22 und Temperatur­ schwankungen zurückzuführen, wie dies zusätzlich auch in den vorgeschalteten, den Elektro­ denpaaren 9, 9′, 10, 10′ und 11, 11′ zugeordneten Meßbereichen M1, M2, M3 der Fall ist. Durch Subtraktion der Referenzfrequenzverschiebung von den Frequenzverschiebungen in den einzelnen Meßbereichen M1, M2, M3 werden schließlich ent­ sprechend korrigierte Meßsignale gewonnen. Diese Art Referenzbildung erlaubt eine sehr große Empfindlichkeit des Sensors 1, da dem Referenzbereich R1 und den Meßbereichen M1, M2, und M3 ein und derselbe optische Wellenleiter 4 angehört.Since the optical waveguide 4 in the area of the pair of electrodes 12 , 12 'is not provided with a proto-exchanged layer 8 , there is no change in the birefringence in this area during the measurement process, so that this can be used as a reference area R1. A shift in the acoustic frequency for the TM / TE conversion in the reference range R1 is solely due to the wavelength fluctuation of the laser 22 and temperature fluctuations, as is also the case in the upstream pairs 9 , 9 ', 10 , 10 ' and 11 , 11 'assigned measuring ranges M1, M2, M3 is the case. By subtracting the reference frequency shift from the frequency shifts in the individual measuring ranges M1, M2, M3, corrected measurement signals are finally obtained accordingly. This type of reference formation allows a very high sensitivity of the sensor 1 , since one and the same optical waveguide 4 belongs to the reference area R1 and the measuring areas M1, M2, and M3.

Die sich auf ein zweites Ausführungsbeispiel beziehenden Fig. 2a bis 2d zeigen einen inte­ griert-optischen Sensor 28 mit einem Substratkörper 29. In den Substratkörper 29 in Gestalt ei­ nes Lithiumniobat-Kristalles ist wie im ersten Ausführungsbeispiel von der Oberfläche her durch Titaneindiffusion ein optischer Wellenleiter 30 eingebracht, der sich geradlinig von einer Ein­ gangsstirnfläche 31 zu einer Ausgangsstirnfläche 32 des Substratkörpers 29 erstreckt. Auch hier ist auf einem Teil der Länge des optischen Wellenleiters 30, der nur die fundamentalen TE- und TM-Moden zu führen vermag, eine dünne protonenausgetauschte Schicht 33 bzw. 34 vor­ gesehen. Die protonenausgetauschte Schicht 33 bzw. 34 hat die gleichen Eigenschaften und die gleiche Wirkung bezüglich der optischen Moden, wie in der bereits beschriebenen Ausfüh­ rung. Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel ist jedoch kein elektro-akustischer Wandler und demzufolge auch kein akustischer Wellenleiter vorgesehen. Statt mit einer elektro-akusti­ schen wird hierbei mit einer elektro-optischen TM/TE-Modenkonversion gearbeitet. Zu diesem Zwecke trägt der Substratkörper 28 auf seiner Oberfläche 35 drei hintereinandergeschaltete elektro-optische TM/TE-Modenkonverter 36, 37, 38, wovon die Modenkonverter 36,37 jeweils einen Meßbereich M4, M5 und der Modenkonverter 38 einen Referenzbereich R2 bilden. Im gewählten Beispiel sind auf der Kristalloberfläche 35 zwei gassensitive Schichten 39, 40 aufge­ tragen, die jeweils für ein spezielles Gas empfindlich sind. Dabei ist die gassensitive Schicht 39 dem Modenkonverter 36 zugeordnet und in ihrer Breite der Länge der bandförmig ausgebilde­ ten protonenausgetauschten Schicht 33 angepaßt. Die gassensitive Schicht 40 dagegen ist sowohl dem Bereich des Modenkonverters 37 als auch dem Bereich des Modenkonverters 38 zugeordnet, d. h. die gassensitive Schicht 40 überdeckt einerseits die protonenausgetauschte Schicht 34 des Modenkonverters 37 und zum anderen in der gleichen Länge direkt den opti­ schen Wellenleiter 30 im Bereich des Modenkonverters 38, der keine protonenausgetauschte Schicht aufweist und zur Bildung des Referenzsignales herangezogen wird. Zu den Modenkon­ vertern 36, 37, 38 gehörig sind des weiteren Metallelektrodenpaare 41, 41′, 42, 42′, 43, 43′, 44, 44′ und 45, 45′, die sich entlang des Optischen Wellenleiters 30 erstrecken und auf den gassensitiven Schichten 39, 40 angeordnet sind, wobei sich interdigitale Elektro­ denpaare 41, 41′, 42, 42′ und 43, 43′ und rechteckförmige Elektrodenpaare 44, 44′ und 45, 45′, die mit einer Rechteckseite parallel zum Wellenleiter 30 verlaufen, abwechseln, in der Weise, daß den Moden­ konvertern 36 und 37 wenigstens jeweils ein interdigitales und ein parallel verlaufendes Elektro­ denpaar 41, 41′ und 44, 44′ bzw. 42, 42′ und 45, 45′ und dem Modenkonverter 38 ein interdigi­ tales Elektrodenpaar 43, 43′ zugeordnet sind. Die Elektroden 41, 42 und 43 sind mit einer Spannung V1, die Elektroden 44 und 45 mit einer Gleichspannung V2 beaufschlagbar. Die Elektroden 41′-45′ liegen auf Massepotential. Während Fig. 2b die Elek­ trodenanordnung zeigt, wie sie bei Verwendung eines Lithiumniobad-Kristalles im X-Schnitt als Substratkörper 29 hergestellt ist, ist in Fig. 2c die Anordnung von Elektrodenpaaren 46, 46′-50, 50′ für den Fall dargestellt, daß mit einem Lithiumniobad-Kristall im Z-Schnitt als Substratkörper 29 gearbeitet wird. Beide Elektrodenanordnungen unterscheiden sich lediglich dadurch, daß im ersten Fall die Elektroden der interdigitalen Elektrodenpaare 41, 41′, 42, 42′ und 43, 43′ finger­ artig ineinander greifen, während sich im zweiten Fall die Elektroden der interdigitalen Elektrodenpaare 46, 46′, 47, 47′ und 48, 48′ kammartig gegenüberstehen. Im übrigen ist auch beim zweiten Ausführungsbeispiel zwischen dem als Referenzbereich R2 dienenden Modenkonverter 38 und der Ausgangsstirnseite 32 des Substratkörpers 29 im Bereich des op­ tischen Wellenleiters 30 ein Polarisator 51 vorgesehen. Ebenso sind wie beim ersten Ausführungsbeispiel die Laserdiode 22, Lichtleitfasern 23 und 26 sowie die Photodiode 27 an­ geordnet.The relating to a second embodiment of Fig. 2a to 2d show an inte grated-optical sensor 28 with a substrate body 29. In the substrate body 29 in the form of a lithium niobate crystal, as in the first exemplary embodiment, an optical waveguide 30 is introduced from the surface by titanium diffusion, which extends in a straight line from an input end surface 31 to an output end surface 32 of the substrate body 29 . Here too, a thin proton-exchanged layer 33 and 34 is seen over part of the length of the optical waveguide 30 , which is only able to guide the fundamental TE and TM modes. The proton-exchanged layer 33 or 34 has the same properties and the same effect with regard to the optical modes as in the embodiment already described. Deviating from the first exemplary embodiment, however, no electro-acoustic transducer and therefore no acoustic waveguide are provided. Instead of an electro-acoustic, an electro-optical TM / TE mode conversion is used. For this purpose, carries the substrate body 28 connected in series on its surface 35 three electro-optical TM / TE mode converter 36, 37, 38, of which the mode converter 36,37 each have a range M4, M5 and the mode converter 38 form a reference region R2. In the selected example, two gas-sensitive layers 39 , 40 are applied to the crystal surface 35 , each of which is sensitive to a special gas. The gas-sensitive layer 39 is assigned to the mode converter 36 and its width is adapted to the length of the band-shaped proton-exchanged layer 33 . The gas-sensitive layer 40, on the other hand, is assigned to both the area of the mode converter 37 and the area of the mode converter 38 , ie the gas-sensitive layer 40 covers the proton-exchanged layer 34 of the mode converter 37 on the one hand and the optical waveguide 30 in the area in the same length on the other hand mode converter 38 , which has no proton-exchanged layer and is used to form the reference signal. To Modenkon vertern 36 , 37 , 38 are further metal electrode pairs 41 , 41 ', 42 , 42 ', 43 , 43 ', 44 , 44 ' and 45 , 45 ', which extend along the optical waveguide 30 and on the gas-sensitive layers 39 , 40 are arranged, with interdigital electrode pairs 41 , 41 ', 42 , 42 ' and 43 , 43 'and rectangular electrode pairs 44 , 44 ' and 45 , 45 ', which run parallel to the waveguide 30 with a rectangular side, alternate in such a way that the modes converters 36 and 37 at least one interdigital and one parallel electrode pair den 41 , 41 'and 44 , 44 ' and 42 , 42 'and 45 , 45 ' and the mode converter 38 an interdigi tales Electrode pair 43 , 43 'are assigned. The electrodes 41 , 42 and 43 can be supplied with a voltage V 1 , the electrodes 44 and 45 with a direct voltage V 2 . The electrodes 41 '- 45 ' are at ground potential. . While Figure 2b, the Elek trodenanordnung shows, as a lithium niobate-crystal in X-section made using as the substrate body 29 is shown in Fig 2c, the array of pairs of electrodes 46,. 46 '- 50, 50' for the case, that a Z-cut lithium niobad crystal is used as the substrate body 29 . The two electrode arrangements differ only in that in the first case the electrodes of the interdigital electrode pairs 41 , 41 ', 42 , 42 ' and 43 , 43 'interlock like fingers, while in the second case the electrodes of the interdigital electrode pairs 46 , 46 ', 47 , 47 'and 48 , 48 ' face like a comb. Incidentally, a polarizer 51 is also provided in the second embodiment between the mode converter 38 serving as the reference area R2 and the output end face 32 of the substrate body 29 in the area of the optical waveguide 30 . Just as in the first embodiment, the laser diode 22 , optical fibers 23 and 26 and the photodiode 27 are arranged.

Die Funktionsweise des integriert-optischen Sensors 28 ist analog der des Sensors 1 ein­ schließlich der Referenzsignalbildung zur Korrektur der Meßsignale, wobei hierbei die in­ terdigitalen Elektrodenpaare 41, 41′, 42, 42′ und 43, 43′ bzw. 46, 46′, 47, 47′, 48, 48′ die für die Phasenanpassung notwendige periodische Brechzahlmodulation elektro-optisch erzeugen und die parallelen Elektrodenpaare 44, 44′, 45, 45′ bzw. 49, 49′, 50, 50′ beim Anlegen einer Gleich­ spannung V2 die Doppelbrechung im entsprechenden Bereich des Wellenleiters 30 elektroop­ tisch ändern können. D.h., wird angenommen, daß sich im Ergebnis einer Gasabsorption die Brechzahl einer sensitiven Schicht, beispielsweise der Schicht 39, ändert, so sind die Bedingungen für eine maximale Modenkonversion nicht mehr erfüllt, und es wird weniger Leistung z. B. von der TM- zur TE-Mode übertragen. Mit dem Anlegen einer Gleichspannung V2 an das entsprechende parallele Elektrodenpaar 44, 44′ kann die Doppel­ brechung des Wellenleiters 30 so verschoben werden, daß wieder ein maximaler Konversions­ grad erreicht wird. Die Größe der dazu notwendigen Gleichspannung, die über die in der Zeich­ nung nicht dargestellte Steuer- und Auswerteelektronik variiert werden kann, ist ein Maß für die Brechzahländerung in den gassensitiven Schichten und somit für die Gaskonzentration. Mit Hilfe dieses Sensors 28 kann gleichzeitig die absolute Brechzahl zweier Gase bestimmt wer­ den. Selbstverständlich ist es denkbar, mehr als drei Modenkonverter mit entsprechend zuge­ ordneten gassensitiven Schichten hintereinander zu schalten, so daß auch mehr als zwei Gase gleichzeitig erfaßbar sind.The mode of operation of the integrated optical sensor 28 is analogous to that of sensor 1 , finally forming the reference signal for correcting the measurement signals, in which case the digital pairs 41 , 41 ', 42 , 42 ' and 43 , 43 'and 46 , 46 ', 47 , 47 ', 48 , 48 ' generate the periodic refractive index modulation necessary for the phase adjustment electro-optically and the parallel electrode pairs 44 , 44 ', 45 , 45 ' and 49 , 49 ', 50 , 50 ' when applying a DC voltage V2 can change the birefringence in the corresponding area of the waveguide 30 electro-optically. That is, if it is assumed that the refractive index of a sensitive layer, for example layer 39 , changes as a result of gas absorption, the conditions for a maximum mode conversion are no longer met, and less power is achieved, for example. B. from the TM to TE mode. With the application of a DC voltage V2 to the corresponding parallel pair of electrodes 44 , 44 ', the double refraction of the waveguide 30 can be shifted so that a maximum degree of conversion is again achieved. The size of the DC voltage required for this, which can be varied via the control and evaluation electronics (not shown in the drawing), is a measure of the change in the refractive index in the gas-sensitive layers and thus of the gas concentration. With the help of this sensor 28 , the absolute refractive index of two gases can be determined at the same time. Of course, it is conceivable to connect more than three mode converters with appropriately assigned gas-sensitive layers in series, so that more than two gases can be detected simultaneously.

Während bei den bisher beschriebenen Sensoren 1 und 28 die Modenkonverter bzw. Meß­ bereiche und der Referenzbereich entlang des optischen Wellenleiters 4 bzw. 30 hinterein­ ander, d. h. in einem einzigen Meß- und Referenzkanal angeordnet sind, ist es auch möglich, Sensoren mit zwei nebeneinanderliegenden Kanälen zu realisieren, wovon jeder Kanal einen oder mehrere Meßbereiche und wenigstens einen Referenzbereich aufweist.While in the previously described sensors 1 and 28 the mode converter or measuring areas and the reference area along the optical waveguide 4 or 30 are arranged one behind the other, ie in a single measuring and reference channel, it is also possible to use sensors with two adjacent channels to realize, of which each channel has one or more measuring ranges and at least one reference range.

Fig. 3 zeigt ein solches Ausführungsbeispiel mit einem Sensor 52, bei dem auf ein und demsel­ ben Substratkörper 53 zwei Kanäle nebeneinander angeordnet sind, in dem in der Nähe der Eingangsstirnfläche 54 des Substratkörpers 53 zusammengeführte und ansonsten bis zur Aus­ gangsstirnseite 55 parallel geführte optische Wellenleiter 56, 57 durch Titandiffusion in die Oberfläche eingebracht sind. Jedem dieser optischen Wellenleiter 56, 57 ist ein elektro-akusti­ scher Wandler 58 bzw. 59 und diesem ein akustisches Wellenleiterpaar 60, 60′ bzw. 61, 61′ zu­ geordnet, die bezüglich des optischen Wellenleiters 56 bzw. 57, wie im ersten Ausführungsbei­ spiel beschrieben, angeordnet sind. Die akustischen Wellenleiter 60, 60′ bzw. 61, 61′ erstrecken sich dabei jeweils entlang eines als Meßbereich M6 bzw. M7 dienenden Abschnittes des optischen Wellenleiters 56 bzw. 57, der mit einer protonenausgetauschten Schicht 62 bzw. 63 versehen ist und entlang eines Abschnittes des optischen Wellenleiters 56 bzw. 57, der keine protonenausgetauschte Schicht trägt und als Referenzbereich R3 bzw. R4 genutzt wird. 64 und 65 bezeichnen gassensitive Schichten spezifischer Empfindlichkeit, die jeweils dem Meßbereich M6 bzw. M7 und Referenzbereich R3 bzw. R4 zugeordnet sind. Auf dem Substratkörper 53 befinden sich außerdem noch zwei Absorber 66, 67 für die akustischen Oberflächenwellen, wobei der Absor­ ber 66 den elektro-akustischen Wandlern 58, 59 vorgelagert und der Absorber 67 den akusti­ schen Wellenleiterpaaren 60, 60′ und 61, 61′ nachgelagert ist. Die Absorber 66 und 67 wie auch je ein zwischen Absorber 67 und der Ausgangsstirnfläche 55 im Bereich des optischen Wellen­ leiters 56 bzw. 57 plazierter Polarisator 68 bzw. 69 erfüllen die nämlichen Aufgaben, wie sie be­ reits zum ersten Ausführungsbeispiel erläutert wurden. Im Unterschied zu diesem ersten Bei­ spiel sind hier zwei Detektoren 70 und 71 erforderlich, die jeweils über eine Lichtleitfaser 72, 73 an der Ausgangsstirnfläche 55 an den entsprechend zugeordneten optischen Wellenleiter 56 bzw. 57 angekoppelt sind. Fig. 3 shows such an embodiment with a sensor 52 , in which two channels are arranged side by side on one and the same substrate body 53 , in the near the input end face 54 of the substrate body 53 merged and otherwise guided up to the output end face 55 parallel optical waveguide 56 , 57 are introduced into the surface by titanium diffusion. Each of these optical waveguides 56 , 57 is an electro-acoustic transducer 58 or 59 and this is an acoustic waveguide pair 60 , 60 'or 61 , 61 ' assigned to the optical waveguide 56 or 57 , as in the first embodiment game described, are arranged. The acoustic waveguides 60 , 60 'and 61 , 61 ' each extend along a section of the optical waveguide 56 or 57 serving as the measuring range M6 or M7, which is provided with a proton-exchanged layer 62 or 63 and along a section of the optical waveguide 56 or 57 , which does not carry a proton-exchanged layer and is used as a reference area R3 or R4. 64 and 65 denote gas-sensitive layers of specific sensitivity, which are each assigned to the measuring range M6 or M7 and reference range R3 or R4. On the substrate body 53 there are also two absorbers 66 , 67 for the surface acoustic waves, with the absorber 66 upstream of the electro-acoustic transducers 58 , 59 and the absorber 67 downstream of the acoustic pairs 60 , 60 'and 61 , 61 ' is. The absorbers 66 and 67 as well as one between absorber 67 and the output end face 55 in the area of the optical waveguide 56 and 57 placed polarizer 68 and 69 fulfill the same tasks as already explained for the first embodiment. In contrast to this first example, two detectors 70 and 71 are required here, each of which is coupled via an optical fiber 72 , 73 at the output end face 55 to the correspondingly assigned optical waveguide 56 and 57, respectively.

Es kann auch nur mit einem Detektor gearbeitet werden. Die Signalauswertung erfolgt dann entweder im Zeitmultiplex oder mit lock-in-Technik, wobei im zweiten Fall die akustischen Oberflächenwellen mit einer niedrigen Frequenz gechopped werden, um amplitudenmodulierte optische Ausgangssignale zu erzeugen.It is also possible to work with only one detector. The signal is then evaluated either in time-division multiplex or with lock-in technology, in the second case the acoustic Surface waves are chopped at a low frequency to be amplitude modulated to generate optical output signals.

Für den beschriebenen Fall, daß jeder der parallelen Kanäle nur einen Meßbereich M6, M7 auf­ weist, sind die im ersten Ausführungsbeispiel zwischen optischen und akustischen Wellenlei­ tern angeordneten Elektrodenpaare entbehrlich, andernfalls, d. h. wenn jeder dieser Kanäle mit mehreren Meßbereichen versehen ist, sind diese mit einer Spannung beaufschlagbaren Elek­ trodenpaare selbstverständlich vorzusehen.For the described case that each of the parallel channels has only one measuring range M6, M7 points, are in the first embodiment between optical and acoustic waveguide tern electrode pairs dispensable, otherwise, d. H. if each of these channels with is provided with several measuring ranges, these are supplied with a voltage of course to provide trode pairs.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Sensor 74, bei dem gleichfalls zwei Kanäle mit je einem Meß- und Referenzbereich M8, R5 bzw. M9, R6 nebeneinanderliegend auf ein und dem­ selben Substratkörper 75 angeordnet sind. Statt einer elektro-akustischen Modenkonversion mittels elektro-akustischer Wandler und akustischer Wellenleiter sind hierbei jedoch elektro-op­ tische Modenkonverter 76, 77, 78 und 79 vorgesehen, wobei die Modenkonverter 76 und 78 jeweils die Meßbereiche M8 und M9 und die Modenkonverter 77 und 79 die Referenzbereiche R5 und R6 bilden und den hintereinanderliegenden Meß- und Referenzbereichen eines Kanals jeweils eine gassensitive Schicht 80 bzw. 81 spezifischer Empfindlichkeit zugeordnet ist. Die mit 82 und 83 bezeichneten optischen Wellenleiter sind wie im Beispiel gem. Fig. 3 angeordnet, im Bereich der Modenkonverter 76 und 78 mit einer protonenausgetauschten Schicht 84 bzw. 85 und zwischen Referenzbereich R5 bzw. R6 und Ausgangsstirnfläche 88 mit einem Polarisator 86 bzw. 87 versehen. FIG. 4 shows an exemplary embodiment with a sensor 74 , in which two channels, each with a measuring and reference range M8, R5 or M9, R6, are arranged side by side on one and the same substrate body 75 . Instead of an electro-acoustic mode conversion by means of electro-acoustic transducers and acoustic waveguides, however, electro-op table mode converters 76 , 77 , 78 and 79 are provided, the mode converters 76 and 78 each measuring ranges M8 and M9 and the mode converters 77 and 79 Form reference areas R5 and R6 and a gas-sensitive layer 80 or 81 of specific sensitivity is assigned to the successive measuring and reference areas of a channel. The designated with 82 and 83 optical waveguides are gem as in the example. Fig arranged. 3, provided in the area of the mode converter 76 and 78 with a proton-exchanged layer 84 and 85 and between the reference area R5 and R6, respectively and output end face 88 with a polarizer 86 and 87, respectively.

Obgleich die Sensoren 52 und 74 jeweils zwei Detektoren 70, 71 erfordern, hat diese Aus­ führungsform mit zwei nebeneinanderliegenden Kanälen den Vorteil, daß keine unmittelbaren Grenzflächen zwischen den einzelnen Meßbereichen auftreten, die zu gewissen Streuungen führen können. Außerdem kann die Herstellung derartiger Sensoren technologisch günstiger sein. Darüber hinaus bietet diese Ausführungsform den Vorteil, daß die Meßwerterfassung für beide Meßbereiche absolut gleichzeitig erfolgen kann.Although the sensors 52 and 74 each require two detectors 70 , 71 , this embodiment with two adjacent channels has the advantage that there are no immediate interfaces between the individual measuring ranges, which can lead to certain scattering. In addition, the production of such sensors can be technologically more favorable. In addition, this embodiment offers the advantage that the measurement value acquisition can take place absolutely simultaneously for both measurement ranges.

Claims (9)

1. Integriert-optischer Sensor zur absoluten Brechzahlbestimmung mit einem Sub­ stratkörper aus Lithiumniobat, in dem ein monomodiger, doppelbrechender, opti­ scher Wellenleiter vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Stirnflächen des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche in Richtung einer der Schnittachsen des geschnittenen Lithiumniobat-Kristalles erstreckt und der auf einem Teil seiner Länge mit einer dünnen, zur Führung einer Mode nicht ausreichend dicken Schicht aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat versehen ist, die von einer mit einem Meßgas beaufschlagbaren, einen Meßbereich bildenden gassensitiven Schicht be­ deckt ist, sowie mit einem dem Meßbereich vorgelagerten, in der Oberfläche inte­ grierten elektro-akustischen Wandler zur TM/TE-Modenkonversion, wobei die Ein­ trittsstirnfläche des Wellenleiters mit linear in der ordentlichen oder in der außeror­ dentlichen Polarisationsrichtung polarisierter Laserstrahlung und ein Lichtdetektor mit dem in Transmission von der Austrittsendfläche des Wellenleiters abgestrahlten Meßlicht beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf ein und demselben Substratkörper (2; 29) mehrere derartige Meßbereiche (M1, M2, M3; M4, M5) vorgesehen sind, denen jeweils eine gassensitive Schicht (16, 17, 18; 39, 40) mit für ein bestimmtes Gas spezifischer Empfindlichkeit zugeordnet ist, und daß wenigstens eine der gassensitiven Schichten (18; 40) sich außerdem über einen Abschnitt des Wellenleiters (4; 30) erstreckt, der keine protonenausgetauschte Schicht aufweist und der als Referenzbereich (R1; R2) zur Gewinnung eines Korrektursignals dient, und daß die Meßbereiche (M1, M2, M3; M4, M5) und der Referenzbereich (R1; R2) entlang des optischen Wellenleiters (4; 30) hintereinander angeordnet sind und daß beiderseits des optischen Wel­ lenleiters (4) in die Oberfläche des Substratkörpers (2) je eine Führungsschicht (13, 13') eingebracht ist, die zusammen einen monomoden akustischen Wellen­ leiter bilden und die sich in Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen zumindest über die Meßbereiche (M1, M2, M3) und den Referenzbereich (R1) erstrecken und im Abstand sowie parallel zum optischen Wellen­ leiter (4) angeordnet sind.1. Integrated optical sensor for absolute refractive index determination with a substrate made of lithium niobate, in which a monomodal, birefringent, optical waveguide is provided, which extends between two end faces of the substrate body along its surface in the direction of one of the cutting axes of the cut lithium niobate crystal and which is provided over a part of its length with a thin layer of proton-exchanged lithium niobate, which is not sufficiently thick for guiding a mode, which is covered by a gas-sensitive layer which can be acted upon with a measuring gas and forms a measuring area, and with a layer in front of the measuring area the surface integrated electro-acoustic transducer for TM / TE mode conversion, the one end face of the waveguide with linearly polarized in the ordinary or in the extraordinary polarization laser radiation and a light detector with the transmission in d he exit end surface of the waveguide radiated measuring light can be acted on, characterized in that on one and the same substrate body ( 2 ; 29 ) several such measuring ranges (M1, M2, M3; M4, M5) are provided, each of which is assigned a gas-sensitive layer ( 16 , 17 , 18 ; 39 , 40 ) with sensitivity specific to a certain gas, and that at least one of the gas-sensitive layers ( 18 ; 40 ) also extends over a section of the waveguide ( 4 ; 30 ) which has no proton-exchanged layer and which serves as a reference region (R1; R2) for obtaining a correction signal, and that the measuring ranges (M1, M2, M3; M4, M5) and the reference area (R1; R2) along the optical waveguide ( 4 ; 30 ) are arranged one behind the other and that on both sides of the optical waveguide ( 4 ) into the surface of the substrate body ( 2 ) each have a guide layer ( 13, 13 ') is introduced, which together form a monomode acoustic wave guide and which extends in the direction of propagation of the acoustic waves at least over the measuring ranges (M1, M2, M3) and the reference range (R1) stretch and at a distance and parallel to the optical waveguide ( 4 ) are arranged. 2. Integriert-optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Meßbereiche (M1, M2, M3, M4, M5) und auch dem Referenzbereich (R1) jeweils ein mit einer Spannung beaufschlagbares Elektrodenpaar (9, 9', 10, 10', 11, 11', 12, 12') zugeordnet ist, und daß die mit einer Spannung beaufschlagbaren Elektroden (9 bis 12 und 9' bis 12') der Elektrodenpaare jeweils zwischen optischem Wellenleiter (4) und Führungs­ schicht (13 bzw. 13′) auf der Oberfläche des Substratkörpers (2) plaziert sind.2. Integrated optical sensor according to claim 1, characterized in that each of the measuring ranges (M1, M2, M3, M4, M5) and also the reference range (R1) each have a pair of electrodes ( 9, 9 ', 10, 10) 10 ', 11, 11 ', 12, 12 ') is assigned, and that the electrodes ( 9 to 12 and 9 ' to 12 ') of which the voltage can be applied to the electrode pairs are each between the optical waveguide ( 4 ) and the guide layer ( 13 or 13 ') are placed on the surface of the substrate body ( 2 ). 3. Integriert-optischer Sensor zur absoluten Brechzahlbestimmung mit einem Sub­ stratkörper aus Lithiumniobat, in dem ein monomodiger, doppelbrechender, opti­ scher Wellenleiter vorgesehen ist, der sich zwischen zwei Stirnflächen des Substratkörpers entlang dessen Oberfläche in Richtung einer der Schnittachsen des geschnittenen Lithiumniobat-Kristalles erstreckt und der auf einem Teil seiner Länge mit einer dünnen, zur Führung einer Mode nicht ausreichend dicken Schicht aus protonenausgetauschtem Lithiumniobat versehen ist die von einer mit einem Meßgas beaufschlagbaren, einen Meßbereich bildenden gassensitiven Schicht be­ deckt ist, sowie mit einem dem Meßbereich vorgelagerten, in der Oberfläche inte­ grierten elektro-akustischen Wandler zur TM/TE-Modenkonversion, wobei die Ein­ trittsstirnfläche des Wellenleiters mit linear in der ordentlichen oder in der außer­ ordentlichen Polarisationsrichtung polarisierter Laserstrahlung und ein Lichtdetektor mit dem in Transmission von der Austrittsendfläche des Wellenleiters abgestrahlten Meßlicht beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß sich der optische Wellenleiter im eingangsstirnflächenseitigen Be­ reich der Oberfläche des Substratkörpers (53; 75) in wenigstens zwei optische Wellenleiter (56, 57; 82, 83) verzweigt, die in Form von parallelgeschalteten Kanälen zur Ausgangsstirnfläche (55; 88) geführt sind, und daß jedem dieser Kanäle wenig­ stens ein Meß- und genau ein Referenzbereich (M6, R3 bzw. M7, R4; M8, R5 bzw. M9, R6) zugeordnet ist, daß jedem Meßbereich jeweils eine gassensitive Schicht (64, 65; 80, 81) mit für ein bestimmtes Gas spezifischer Empfindlichkeit zugeordnet ist, daß auf jedem Kanal eine der gassensitiven Schichten (64, 65; 80, 81) sich außerdem über einen Abschnitt des Wellenleiters erstreckt, der keine protonenausgetauschte Schicht aufweist und somit als Referenzbereich (R3, R4; R5, R6) zur Gewinnung eines Korrektursignals dient, daß jeder Kanal einen elektroakustischen Wandler (58, 59) auf­ weist und daß beiderseits des optischen Wellenleiters (56 bzw. 57) eines jeden Ka­ nales in die Oberfläche des Substratkörpers (53) je eine Führungsschicht (60, 60' bzw. 61, 61') eingebracht ist, die jeweils paarweise einen monomoden akustischen Wellenleiter bilden und die sich in Ausbreitungsrichtung der akustischen Wellen zumindest über die Meßbereiche (M6 bzw. M7) und den Referenzbereich (R3 bzw. R4) erstrecken und im Abstand sowie parallel zum opti­ schen Wellenleiter (56 bzw. 57) angeordnet sind, und daß ausgangsseitig an jeden Kanal ein Lichtdetektor (70, 71) ankoppelbar ist.3. Integrated optical sensor for absolute refractive index determination with a substrate made of lithium niobate, in which a monomodal, birefringent, optical waveguide is provided, which extends between two end faces of the substrate body along its surface in the direction of one of the cutting axes of the cut lithium niobate crystal and which is provided over a part of its length with a thin layer of proton-exchanged lithium niobate which is not sufficiently thick to guide a fashion and which is covered by a gas-sensitive layer which can be acted upon with a measuring gas and forms a measuring range, and with a layer upstream of the measuring range in which Surface integrated electro-acoustic transducer for TM / TE mode conversion, the entrance face of the waveguide with linearly polarized in the ordinary or in the extraordinary direction of polarization and a light detector with the transmission in de r exit end surface of the waveguide radiated measuring light can be acted upon, characterized in that the optical waveguide is located in the region of the input face on the surface of the surface of the substrate body ( 53; 75 ) branches into at least two optical waveguides ( 56, 57; 82, 83 ), which are guided in the form of parallel channels to the output end face ( 55; 88 ), and that each of these channels has at least one measuring and exactly one reference range (M6 , R3 or M7, R4; M8, R5 or M9, R6) is assigned that each measuring range is assigned a gas-sensitive layer ( 64, 65; 80, 81 ) with sensitivity specific to a certain gas, that on each channel one of the gas-sensitive layers ( 64, 65; 80, 81 ) also extends over a section of the waveguide that does not have a proton-exchanged layer and thus serves as a reference region (R3, R4; R5, R6) for obtaining a correction signal that each channel has one electroacoustic transducer ( 58, 59 ) and that on both sides of the optical waveguide ( 56 or 57 ) of each channel in the surface of the substrate body ( 53 ) each have a guide layer ( 60, 60 'or 61, 61 ') racht, which form a monomode acoustic waveguide in pairs and which extend in the direction of propagation of the acoustic waves at least over the measuring ranges (M6 or M7) and the reference range (R3 or R4) and at a distance and parallel to the optical waveguide ( 56 or 57 ) are arranged, and that on the output side a light detector ( 70, 71 ) can be coupled. 4. Integriert-optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsschichten (13, 13') an ihrem dem elektro-akustischen Wandler (15) zugewandten Ende mit einer parabolischen Aufweitung (14, 14′) versehen sind. 4. Integrated optical sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the guide layers ( 13, 13 ') at their end facing the electro-acoustic transducer ( 15 ) are provided with a parabolic widening ( 14, 14 ') . 5. Integriert-optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substratkörper (2; 53) einerseits zwischen Eingangsstirnfläche (5; 54) und elektro-akustischem Wandler (15; 58, 59) und andererseits zwischen Füh­ rungsschichten (13, 13′; 60, 60′, 61, 61′) und Ausgangsstirnfläche (6; 55) ein Ab­ sorber (19 bzw. 20; 66 bzw. 67) für die akustischen Oberflächenwellen vorgesehen ist.5. Integrated optical sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that on the substrate body ( 2 ; 53 ) on the one hand between the input end face ( 5 ; 54 ) and electro-acoustic transducer ( 15 ; 58 , 59 ) and on the other hand between Füh tion layers ( 13 , 13 '; 60 , 60 ', 61 , 61 ') and output end face ( 6 ; 55 ) from an absorber ( 19 or 20 ; 66 or 67 ) is provided for the surface acoustic waves. 6. Integriert-optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substratkörper (2; 53) im Bereich des optischen Wellenleiters (4; 56, 57) an dessen ausgangsstirnflächenseitigem Ende ein Polarisator (21; 68, 69) pla­ ziert ist.6. Integrated optical sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that on the substrate body ( 2 ; 53 ) in the region of the optical waveguide ( 4 ; 56 , 57 ) at its end face end a polarizer ( 21 ; 68 , 69 ) is placed. 7. Integriert-optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des elektro-akustischen Wandlers mit zugeordneten Führungsschich­ ten zur Modenkonversion elektro-optische Modenkonverter (36, 37, 38) vorgesehen sind, wovon wenigstens zwei Modenkonverter (36, 37), wenigstens zwei Meßbereichen (M4, M5) und ein Modenkonverter (38) dem Referenzbereich (R2) zugeordnet sind. 7. Integrated optical sensor according to claim 1, characterized in that instead of the electro-acoustic transducer with associated guide layers th for mode conversion electro-optical mode converter ( 36 , 37 , 38 ) are provided, of which at least two mode converters ( 36 , 37 ), at least two measuring ranges (M4, M5) and a mode converter ( 38 ) are assigned to the reference range (R2). 8. Integriert-optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der elektroakustischen Wandler und zugeordneter Führungsschichten zur Modenkonversion elektro-optische Modenkonverter (76 bis 79) vorgesehen sind, wovon in jedem Kanal wenigstens ein Modenkonverter (76 bzw. 78) wenigstens einem Meßbereich (M8 bzw. M9) und ein Modenkonverter (77 bzw. 79) dem Referenzbe­ reich (R5 bzw. R6) zugeordnet sind.8. Integrated optical sensor according to claim 3, characterized in that instead of the electroacoustic transducer and associated guide layers for mode conversion electro-optical mode converter ( 76 to 79 ) are provided, of which in each channel at least one mode converter ( 76 or 78 ) at least one Measuring range (M8 or M9) and a mode converter ( 77 or 79 ) are assigned to the reference range (R5 or R6). 9. Integriert-optischer Sensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-optischen Modenkonverter (36, 37, 38; 76 bis 79) Metallelek­ trodenpaare (41, 41′ bis 45, 45′) aufweisen, die sich entlang des optischen Wel­ lenleiters (30; 82, 83) erstrecken und jeweils auf der gassensitiven Schicht (39, 40; 80, 81) angeordnet sind, wobei sich, interdigitale Elektrodenpaare (41, 41′, 42, 42′, 43, 43′) und rechteckförmige Elektrodenpaare (44, 44′, 45, 45′), die mit einer Rechteckseite parallel zum optischen Wellenleiter (30; 82, 83) verlaufen, abwech­ seln, derart, daß den die Meßbereiche (M4, M5; M8, M9) bildenden Modenkonver­ tern (36, 37; 76, 78) wenigstens jeweils ein interdigitales und ein parallel verlaufen­ des Elektrodenpaar und dem den Referenzbereich (R2; R5, R6) bildenden Moden­ konverter (38; 77, 79) ein interdigitales Elektrodenpaar zugeordnet sind, wobei die interdigitalen Elektroden (41, 42, 43) elektrisch miteinander verbunden und mit derselben Spannung (V₁), die parallelen Elektroden (44, 45) jeweils mit einer Gleichspannung (V₂) beaufschlagbar sind.9. Integrated optical sensor according to claim 7 or 8, characterized in that the electro-optical mode converter ( 36 , 37 , 38 ; 76 to 79 ) Metallelek trodenpaare ( 41 , 41 'to 45 , 45 ') having along of the optical Wel lenleiters ( 30 ; 82 , 83 ) and each arranged on the gas-sensitive layer ( 39 , 40 ; 80 , 81 ), wherein, interdigital electrode pairs ( 41 , 41 ', 42 , 42 ', 43 , 43 ' ) and rectangular pairs of electrodes ( 44 , 44 ', 45 , 45 '), which run parallel to the optical waveguide ( 30 ; 82 , 83 ) with a rectangular side, alternate in such a way that the measuring ranges (M4, M5; M8, M9 ) forming mode converters ( 36 , 37 ; 76 , 78 ) are each assigned at least one interdigital and one parallel to the electrode pair and the mode converter ( 38; 77, 79 ) forming the reference area (R2; R5, R6) , an interdigital electrode pair, the interdigital electrodes ( 41, 42, 43 ) electris ch connected to each other and with the same voltage (V₁), the parallel electrodes ( 44, 45 ) each with a DC voltage (V₂) can be applied.
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DE3929340A1 (en) * 1989-09-04 1991-03-14 Fraunhofer Ges Forschung Integrated optical gas refractive index sensor - with lithium niobate crystal with proton exchanged niobate and gas sensitive layer on waveguide on cut axis

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