DE4103914C2 - Interferometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferometer.

Aus der US-A-4,744,661 ist ein integriert-optisches Inter­ ferometer mit einer Laserlichtquelle, einem Strahlteiler bzw. Strahlvereiniger, Meß- und Referenzarmen sowie Wellenleitern zum Führen des Lichtes hin zum Strahlteiler und Zurückführen des Lichtes hin zu Photodetektoren bekannt, wobei einem Refe­ renzarm ein Phasenmodulator zugeordnet ist.

Aus der DE-36 09 507 A1 ist ein faseroptisches Mach-Zehnder- Interferometer mit zwei lichtleitenden Fasern bekannt, die mit einer kohärenten Lichtquelle verbunden sind. Nach Ände­ rung der Länge des optischen Pfades in eine Lichtfaser werden die Phasenwinkel für die Lichtwellen in den Fasern miteinan­ der verglichen und ein entsprechendes Ausgangssignal wird rückgekoppelt. Bei diesem Interferometer gibt es nur einen Meßarm und einen Referenzarm.

Aus der US-A-4,865,453 ist ein integriert-optisches Inter­ ferometer mit Meßarmen und Referenzarmen bekannt, wobei eine Phasendifferenz in einem der Meßarme erzeugt wird.

Aus der DE-AS-11 54 646 ist ein Interferometer zur kontinu­ ierlichen Längenmessen in einem über die Kohärenzlänge hin­ ausgehenden Meßbereich bekannt. Es handelt sich dabei um ein optisches System mit komplexem Aufbau.

Aus der GB-2 009 396 A ist ein interferometrischer Lasergyro­ meter bekannt, der eine Laserquelle, eine Spule aus einer Mo­ nomodenfaser und einen Detektor aufweist, um das Licht zu er­ fassen, das aus der Faser und einem Richtkoppler austritt, die durch Wellenleiter auf einem integriert-elektrooptischen Substrat ausgebildet sind.

Aus der DE 36 15 916 A1 ist ein Lasergyroskop mit passivem Ringresonator bekannt, das eine Halbleiter-Laserdiode auf­ weist, deren Ausgang in einen Verzweigungswellenleiter gekop­ pelt wird. Der Laserausgang wird zwischen den Resonanz­ frequenzen der beiden Fortpflanzungsrichtungen im Ring umge­ schaltet. Auch hier fehlt ein zweiter Referenzarm.

Ein Michelson-Interferometer, welches integriert-optisch auf­ gebaut ist, ist in der DE-OS 38 25 606 beschrieben. Dieses Interferometer besteht aus einer monochromatischen Laser­ lichtquelle, einem Strahlteiler, einem Referenzspiegel und einem Meßspiegel sowie Lichtleitfasern zum Führen des Lichtes hin zum Strahlteiler und zur Rückführung des das Meßsignal tragenden Lichts zu einem Detektor. Dabei ist der Strahltei­ ler durch einen integriert-optischen, symmetrischen Koppler in einem Glassubstrat gebildet, in dem durch strukturierten Ionenaustausch erzeugte Wellenleiter angeordnet sind, die zum einen den Meßarm und zum anderen den Referenzarm des In­ terferometers bilden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Interfe­ rometer so auszugestalten, daß es auf einfache und sichere Weise optische Weglängenänderungen mit hoher Auflösung und richtungsbestimmt nachweisen kann.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit Hilfe der Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausfüh­ rungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Interferometers können somit sehr exakt hoch auflösende Positionsmessungen sowie Brech­ zahländerungen im Meßobjekt festgestellt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können durch die Kombination von Zählverfahren und Einseitenbandmo­ dulation auch große Weglängenänderungen richtungsbestimmt schnell angezeigt werden (Zählverfahren) und der genaue Wert der optischen Weglängenänderung bzw. Brechzahländerung kann erkannt werden (Einseitenbandverfahren).

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der bei­ liegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines integriert-opti­ schen Michelson-Interferometers;

Fig. 2 das Schaltschema der Auswertelektronik;

Fig. 3 eine Variante eines Michelson-Interferometers mit direkter Beleuchtung;

Fig. 4 eine Variante eines Michelson-Interferometers mit passivem Phasenmodulator;

Fig. 5 ein Michelson-Interferometer mit Bragg-Reflektoren;

Fig. 6 ein Interferometer als Gassensor;

Fig. 7 ein Michelson-Interferometer mit Auskoppelgitter in Seitenansicht;

Fig. 8 ein Michelson-Interferometer mit Auskoppelgitter in Draufsicht;

Fig. 9 ein Refraktometer in Seitenansicht;

Fig. 10 ein Refraktometer in Draufsicht;

Fig. 11 ein Doppel-Mach-Zehnder-Interferometer als Sen­ sor;

Fig. 12 ein Doppel-Mach-Zehnder-Interferometer zur Weg­ messung in Seitenansicht;

Fig. 13 ein Doppel-Mach-Zehnder-Interferometer zur Weg­ messung in Draufsicht.

Im folgenden wird zunächst ganz allgemein ein Ausführungsbei­ spiel eines erfindungsgemäßen Michelson-Interferometers be­ schrieben. Bei diesem Interferometer sind im Glassubstrat mehrere Strahlteiler vorgesehen, so daß sich ein gemeinsamer Arm als Meßarm und zwei Arme als Referenzarme ergeben. In dem gemeinsamen Arm wird beispielsweise das Licht eines Helium- Neon-Lasers über einen Wellenleiter, vorzugsweise eine Glas­ faser, eingekoppelt. Hinter der Einkoppelstelle teilt sich der Meßarm in zwei auf die Referenzarme zulaufende Wellenlei­ terstrukturen auf, die im weiteren Verlauf wieder zusammenge­ führt werden. Somit ergeben sich zwei Y-förmige Weichen, in denen das Licht aufgeteilt bzw. zusammengeführt wird. Es ent­ stehen somit zwei Richtkoppler (3 dB), die als Strahlteiler dienen. Das reflektierte Licht der Referenzspiegel, die z. B. aus auf die Wellenleiterendflächen aufgedampftem Aluminium bestehen, interferiert mit dem vom Objektspiegel zurückgewor­ fenen Licht. Die Interferenzsignale werden über an die Stirn­ flächen gekoppelte Mehrmodenfasern zwei Detektoren zugeführt. Ein thermo-optischer Modulator auf einem der beiden Refe­ renzarme ermöglicht die Einstellung von 90° Phasendifferenz zwischen beiden Referenzarmen, womit eine schnelle Vorwärts- /Rückwärts-Erkennung erfolgt. Zur Einstellung einer 90°-Pha­ senverschiebung in dem Referenzarm bieten sich mehrere Metho­ den an. Eine Methode besteht darin, den thermo-optischen Mo­ dulator gleichspannungsmäßig anzusteuern. Bei einer anderen passiven Methode werden die Eigenschaften des Wellenleiters durch gezieltes Aufbringen von Schichten, sogenannten Over­ layern, beeinflußt. Das geschieht durch Auftragen von ge­ eigneten Substanzen, wie z. B. Klebstoffen, oder durch Auf­ dampfen bzw. Aufsputtern von z. B. Siliciumoxidschichten. Hierdurch wird bereits bei der Herstellung des Chips die ge­ wünschte Phasenverschiebung eingestellt. Bei einer weiteren passiven Methode wird eine dünne Schicht über dem Wellenlei­ ter abgetragen, um die Eigenschaften des Wellenleiters zu be­ einflussen. Desweiteren können die Eigenschaften des Wellen­ leiters durch Dimensionierung (Breite, Dichte) beeinflußt werden.

Die so manipulierten Signale werden von den Detektoren zur Auswertung der später beschriebenen Auswertelektronik zuge­ führt. Dabei werden zwei Auswertungsverfahren parallel be­ trieben. Das "Streifenzählen" mit orthogonalen Detektorsigna­ len ist mit einer Phasenmessung durch optischen Überlage­ rungsempfang kombiniert. Wegänderungen mit einer Auflösung entsprechend einem Bruchteil der Wellenlänge (λ/n) und Rich­ tungserkennung werden mit dem Quadratursignal und dem Zähl­ verfahren ermittelt. Hochauflösende (z. B. λ/100) Phasen­ detektion wird mit der Einseitenbandmodulation durchgeführt.

Um schnelle Bewegungen des Objektspiegels erfassen zu können, werden die Extrema eines Detektorsignals gezählt. Dieser Zählmodus entspricht dem Ringezählen bei einem Interferome­ ter. Bei einem klassischen Aufbau ist die Bewegungsrichtung durch das Zusammen- oder Auseinanderlaufen der Ringe bzw. durch den Signalverlauf zweier um 1/2-Ringbreite versetzte Detektoren zu erkennen. Bei dem integriert-optischen Aufbau sind einmodige Wellenleiter eingesetzt und es gibt nur eine Intensitätsmodulation. Die oben genannte passive Meßmethode mit Richtungserkennung wird durch den einen Referenzarm er­ zielt, der um 90° phasenverschoben gegenüber dem anderen ist. Ein Detektorsignal liefert die Zählimpulse für den Zähler, das zweite Detektorsignal ist orthogonal dazu und bestimmt die Zählrichtung, die sich aus der Bewegungsrichtung des Meß­ spiegels ergibt.

Die hochauflösende Auswertung der Spiegelposition erfolgt mittels Einseitenbandmodulation über den thermo-optischen Mo­ dulator im Meßarm des Interferometers. Durch das optische Überlagerungsverfahren wird die optische Phasendrehung, die proportional zur Abstandsänderung ist, in eine niederfre­ quente elektrische Phasendrehung umgewandelt. Die mit einem kommerziellen Phasenmeßgerät ermittelte Phase kann auf etwa 1° gemessen werden. Dies entspricht einer Auflösung in der Abstandsänderung von etwa 1 nm je nach Wellenlänge.

Es wird nun genauer auf das Zählverfahren eingegangen.

Eine schnelle Vor-/Rückwärtserkennung (Richtungsdiskriminie­ rung) und Meßwerterfassung wird mit dem Zählverfahren er­ zielt. Vorausgesetzt wird, daß die Detektorsignale um 90° phasenverschoben zueinander sind. Auf dem integriert-opti­ schen Chip werden direkt zwei Detektorsignale erzeugt. Um de­ ren Leistungskurve auf 90° Phasendifferenz zueinander zu bringen, wird ein thermo-optischer Modulator, z. B. mit einer Gleichleistung, betrieben. Mit einem Oszilloskop wird die Phasendifferenz eingeregelt. Die somit orthogonal eingestell­ ten Detektorsignale dienen zur Vor-/Rückerkennung bzw. Rich­ tungsdiskriminierung. Das Richtungssignal wird als TTL-Signal an den Zähler übergeben. Das Signal eines Detektors wird in Form von Nadelimpulsen auf den Zähler gegeben. Ohne Einsei­ tenbandmodulation ist diese Ausführungsform ausreichend. Wird der Phasenschieber im oberen Referenzarm durch die oben ange­ gebene passive Abstimmung ersetzt, so ist der interferometri­ sche Sensor, wie bereits erwähnt, ganz ohne elektrische Zu­ leitung zu betreiben.

Für die höhere Auflösung wird der Phasenschieber im Meßarm über einen Funktionsgenerator und Verstärker angesteuert. Die Modulation geschieht in diesem Fall mit einer Frequenz von 1 kHz. Da der Phasenschieber auf dem Meßarm des Interferometers liegt, wirkt sich die Phasenmodulation auf beide Referenzarme gleich aus. Der Zähler folgt dieser kHz-Modulation problem­ los. Dabei werden stetig in Bruchteilen der Wellenlänge (λ/n) entsprechenden Einheiten entsprechend der 2π-Phasenmodulation für das Einseitenbandverfahren auf und ab gezählt. Somit springen die letzten Digits der Anzeige des Zählers und sind mit dem Auge nicht ablesbar. Für die Meßwertdarstellung auf der digitalen Anzeige mit z. B. λ/n Auflösung werden die unteren Digits getriggert von dem Funktionsgenerator in einen Speicher geschrieben. Somit ist die Anzeige an eine defi­ nierte Phase des dynamischen Phasenschiebers im Meßarm gekop­ pelt.

In der Auswertungseinheit wird die Bewegungsrichtung des Meß­ spiegels zusätzlich mit Leuchtdioden angezeigt, die an der Vor-/Rückerkennung angeschlossen sind. Dieses Signal erlaubt, in einfacher Weise Schwingungsamplitudenmessungen durchzufüh­ ren, indem es auf das Gate eines Zählers gegeben wird.

Bei Einseitenbandverfahren transferiert die phasenmodulierte Einseitenbanddetektion Amplitude und Phase eines optischen Signals linear in eine niederfrequente Amplitude und Phase, die getrennt voneinander gemessen werden. Bei einer ausrei­ chenden Einseitenbandmodulation gibt es eine strenge Fre­ quenzversetzung. Dem optischen Träger wird eine Modulation aufgeprägt, so daß ein Seitenband gerade verschwindet. Damit ist es möglich, die optische Phase in eine einfacher meßbare elektrische Phase umzuwandeln.

Da die Phasenverschiebung eines thermo-optischen Modulators nicht linear mit dem Regelsignal zusammenhängt, ist die Mög­ lichkeit einer elektrischen Phasennachstellung im Meßarm des Interferometers nicht realisiert. Nachteilig wirken sich auch die 2π-Diskontinuitäten auf den Regler aus. Da es sich hier um leistungsgesteuerte thermo-optische Modulatoren handelt, ist eine Phasennachführung zu träge und die im Chip einge­ brachte thermische Belastung wäre abhängig von der Meßphase. Aus den oben genannten Gründen ist eine Auswertung der Pha­ senbeziehung zwischen Meß- und Referenzarm so konzeptioniert, daß der Einseitenbandmodulator stetig mit der gleichen An­ steuerfunktion durchläuft, den Zählmodus des Interferometers nicht stört und aufgrund der mit jeder Modulationsperiode konstanten elektrischen Leistung das Interferometer im ther­ mischen Gleichgewicht beläßt. Das Phasenmeßgerät vergleicht die Phase des Lichts im Meßarm mit dem des Referenzarms und zeigt dieses digital an.

Das Einseitenbandverfahren erfordert bei der angestrebten Meßgenauigkeit eine exakte Einstellung des Phasenhubs. Bei thermo-optischen Phasenmodulatoren muß die Modulatorkennlinie in die Ansteuerfunktion mit eingerechnet werden.

Bei der Einseitenbandunterdrückung gibt es analoge und digi­ tale Modulationsfunktionen. Auf analoge Weise läßt sich die Einseitenbandmodulation durch eine sägezahnförmige Ansteue­ rung des Modulators bewerkstelligen. Das eine Seitenband läßt sich damit vollständig unterdrücken. Mit einem dem Detektor nachgeschalteten Bandpaßfilter wird die zugehörige Frequenz ausgefiltert. Ist die Einseitenbandunterdrückung nicht voll­ ständig, so verringert dies die Genauigkeit der Phasenmes­ sung. Bei diesem analogen Verfahren muß der Spitzenphasenhub sehr genau eingehalten werden, um eine ausreichend hohe Ein­ seitenbandunterdrückung einzuhalten und damit eine hohe Ge­ nauigkeit zu erzielen.

Diese sägezahnförmige Modulationsfunktion kann aber auch durch eine treppenförmige digitale Modulationsfunktion mit einer 2π-Phasendrehung innerhalb einer Periode ersetzt wer­ den. Digitale Ansteuerfunktionen haben den Vorteil, mit Pro­ zessorsteuerungen realisierbar zu sein.

Darüberhinaus gibt es digitale Modulationsfunktionen, die mä­ anderförmig um eine Sägezahnkurve verlaufen und somit Abwei­ chungen des Spitzenphasenhubs vom Optimalwert tolerieren. Diese Funktion ist deutlich unempfindlicher gegenüber Abwei­ chungen vom optimalen Funktionsverlauf.

In der Auswertelektronik sind die Modulationsspannungen der einzelnen Stufen einstellbar, die dann alternierend auf den Phasenmodulator geschaltet werden. Die Wiederholfrequenz be­ trägt dabei 1 kHz. Eine freie Einstellbarkeit der Ansteuer­ stufen für die thermo-optischen Modulatoren geschieht entwe­ der durch einen Potentiometerabgleich für jede Stufe und den entsprechenden Phasenhub oder durch einen Prozessor mit D/A- Wandler und software-gesteuerter Stufenfunktion. Damit wird man dem Verhalten des thermo-optischen Modulators gerecht. Zum einen ist die optische Phasendrehung proportional zur eingespeisten elektrischen Leistung und damit proportional zum Quadrat der angelegten Spannung, zum anderen kann der Wi­ derstand der Heizelektrode temperaturunabhängig sein. Mit einstellbaren Stufen können geeignet vorverzerrte Signale des Funktionsgenerators herangezogen werden.

Im folgenden werden die in den Figuren gezeigten Ausführungs­ beispiele im einzelnen beschrieben.

Die Ausführungsform des Interferometers nach Fig. 1 weist ein Glassubstrat 1 auf. Auf die Stirnseite 2 des Substrats 1 sind drei Lichtleitfasern 3, 4 und 5 angekoppelt, z. B. aufgeklebt, wobei die Lichtleitfaser 4 als Einkoppelfaser für das von ei­ nem Laser stammende Licht dient und die Lichtleitfasern 3 und 5 zu je einem Photodetektor führen. Im Substrat 1 wird das Licht in Wellenleitern 6, 7 und 8 geführt, die durch einen feldunterstützten Kalium-Ionenaustausch hergestellt wurden. Der Ionenaustausch wird mit einem unterstützenden elektri­ schen Feld von z. B. 50 V/mm und bei einer Temperatur von 450°C durchgeführt. Der Ionenaustausch mit typischen Aus­ tauschzeiten von 10 sec verläuft ladungskontrolliert, um eine reproduzierbare Wellenleiterherstellung zu gewährlei­ sten. Die Streifenwellenleiter sind für den einwelligen Be­ trieb bei der Wellenlänge = 0,633 µm ausgelegt. Der Wellen­ leiter 7 teilt sich bei 9 in zwei Arme, die sich bei 10 und 11 den Wellenleitern 6 und 8 nähern und bei 12 wieder zusam­ mengeführt werden. Der Meßarm 7₁ des Wellenleiters 7 endet an der Stirnfläche 13 des Substrats 1 vor einer Gradienten- Indexlinse 14, die direkt auf die Endfläche des Meßarms 7₁ geklebt ist, um das Licht zu kollimieren. Im Abstand von der Linse ist der Objektspiegel 15 aufgestellt. Die Wellenleiter 6 und 8 nähern sich bei 10 und 11 dem Wellenleiter 7. Die Re­ ferenzarme 6₁ und 8₁ der Wellenleiter 6 und 8 enden an der Stirnfläche 13 des Substrats 1 vor auf die Stirnfläche 13 aufgedampften Referenzspiegeln 16 und 17. Das vom Laser kom­ mende, durch die Lichtleitfaser 4 in den Wellenleiter 7 ein­ gekoppelte Licht wird in den beiden Richtkopplern 10 und 11 geteilt. Das reflektierte Licht der Referenzspiegel 16 und 17 interferiert mit dem vom Objektspiegel zurückgeworfenen Licht. Die Interferenzsignale werden über die an die Stirn­ fläche gekoppelten Mehrmodenfasern den beiden Photodetektoren zugeführt. Ein thermo-optischer Modulator 18 auf dem Refe­ renzarm 6₁ ermöglicht die Einstellung von 90° Phasendifferenz zwischen den beiden Referenzarmen 6₁ und 8₁, womit eine schnelle Vorwärts-/Rückwärts-Erkennung erfolgen kann. Auf dem Meßarm 7₁ ist in Höhe des thermo-optischen Modulators 18 ein weiterer thermo-optischer Modulator 19 für hochauflösende Messungen mittels Phasenmodulation und Einseitenbanddetektion aufgebracht. Die Heizelektroden der thermo-optischen Modula­ toren 18 und 19 bestehen aus einer 400 nm dicken, aufge­ dampften Aluminiumschicht. Die Elektroden werden photolitho­ graphisch strukturiert mit einer Leiterbreite von 4 µm, einer Länge von 7 mm und einem Abstand von 6 µm zueinander.

Die von den Lichtleitphasern 3 und 5 den Photodetektoren 20 und 21 zugeführten Signale werden mit Hilfe einer Auswert­ elektronik, die in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, weiter verarbeitet. Beide Detektorsignale werden in den Verstärkern 22 und 23 vorverstärkt und auf je einen Impulsformer 24, 25 (Schmitt-Trigger) gegeben, in denen die ankommenden Signale in Rechteckimpulse umgeformt werden. In einem Richtungsdis­ kriminator 27 wird das Signal von einem der beiden Impulsfor­ mer 24, 25 in Nadelimpulse umgewandelt und auf einen Zähler 28 gegeben. Durch Vergleich der Signale der beiden Impulsfor­ mer 24, 25 bestimmt der Richtungsdiskriminator 27, ob es sich bei der Verschiebung des Spiegels um eine Vor- oder Rückbewe­ gung handelt, und gibt ein Signal V/R an den Zähler 28.

Für die höhere Auflösung wird der thermo-optische Modulator 19 über einen Funktionsgenerator 29 und einen nachgeschalte­ ten Verstärker 30 angesteuert. Da der Modulator 19 auf dem Meßarm 7₁ des Interferometers liegt, wirkt sich die Phasenmo­ dulation auf beide Referenzarme 6₁, 8₁ gleich aus. Die Modu­ lation geschieht in diesem Falle mit einer Frequenz von 1 kHz, der der Zähler 28 problemlos folgen kann. Dabei wird stetig λ/n Einheiten entsprechend der 2π-Phasenmodulation für das Einseitenbandverfahren auf- und abgezählt.

Für die Meßwertdarstellung auf einer digitalen Anzeige 31 mit λ/n Auflösung werden die beiden unteren Digits getriggert vor dem Funktionsgenerator 29 in einen Speicher 32 geschrieben. Somit ist die Anzeige an eine definierte Phase des dynami­ schen Phasenschiebers, d. h. des thermo-optischen Modulators, 19 gekoppelt. Die Frequenzversetzung im Meßarm 7₁ geschieht mit Hilfe des thermo-optischen Modulators 19 mittels Einsei­ tenbandmodulation. Die Modulation erfolgt derart, daß in dem erzeugten Spektrum um die Trägerfrequenz herum von einem Sei­ tenbandpaar eines verschwindet. Dabei gibt es für die Einsei­ tenbandunterdrückung analoge und digitale Modulationsfunk­ tionen. Auf analoge Weise läßt sich die Einseitenbandmodula­ tion durch eine sägezahnförmige Ansteuerung des Modulators 19 bewerkstelligen. Ein Seitenband läßt sich damit vollständig unterdrücken. Mit einem dem Detektor 21 nachgeschalteten Bandpaßfilter 33 wird die zugehörige Frequenz ausgefiltert.

Die sägezahnförmige Modulationsfunktion kann aber auch durch eine treppenförmige digitale Modulationsfunktion mit einer 2π-Phasendrehung innerhalb einer Periode ersetzt werden.

In der Auswertelektronik sind die Modulationsspannungen der einzelnen Stufen einstellbar, die dann alternierend auf den Phasenmodulator 19 geschaltet werden. Die Wiederholfrequenz beträgt dabei 1 kHz. Ein Phasenmeßgerät 34, das ebenfalls mit dem Funktionsgenerator 29 verbunden ist, vergleicht die Phase des Lichts im Meßarm 7₁ mit der des Referenzarms 8₁ und zeigt diese digital in der Anzeigeeinrichtung 35 an.

Die in Fig. 2 dargestellte Regelung 36 dient bei dem Einsei­ tenbandverfahren dazu, exakte Rechteckimpulse zu erzeugen, indem sie die Impulsformer bzw. Verstärker nachregelt.

Die Anzeige 31 zeigt somit richtungsbestimmt die Veränderung des optischen Wegs in λ/n Genauigkeit an, während die An­ zeige 35 den genauen Zwischenwert hinzufügt. Durch einen Mi­ kroprozessor können die beiden Anzeigen 31 und 35 zu einer einzigen Anzeige kombiniert werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn auf dem Meßarm 7₁ ein Fenster ausgebildet ist, das eine Schicht trägt, welche chemisch beeinflußbar ist. Hierdurch gelingt der direkte Nachweis bestimmter Gase. Eine derartige Anordnung ist zwar bei einem Mach-Zehnder-Interferometer schon bekannt, bei dieser Vorrichtung besteht jedoch der Nachteil, daß nicht zu sehen ist, ob der Brechungsindex zu- oder abnimmt. Mit Hilfe des beschriebenen Aufbaus des Inter­ ferometers ist es jedoch möglich, auch dies genau zu bestim­ men.

Fig. 3 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Interferome­ ters. Im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 1 sind eine Lichtquelle 50 und die Photodetektoren 21, 21 direkt an der Stirnseite 2 des Substrats 1 angebracht.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 erfolgt die Einstellung der Phasendifferenz zwischen den beiden Referenzarmen 6₁, 8₁ passiv durch eine auf den Referenzarm 6₁ aufgebrachte trans­ parente Schicht 51. Hierfür kommen z. B. aufgedampfte oder aufgesputterte anorganische Schichten, wie SiO₂, MgF₂, ebenso in Frage wie Polymere. Den gleichen Effekt erzielt man durch Abtragen einer definierten Schicht 51 über dem Referenzarm 6₁.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Michel­ son-Interferometers, bei dem statt der stirnseitigen Spiegel 16, 17 an den Referenzarmen 6₁, 8₁ sogenannte Bragg-Gitter 52, 53, wie sie z. B. auch in Laserdioden Verwendung finden, auf die Referenzarme 6₁, 8₁ aufgebracht sind. Die gewünschte Phasendifferenz zwischen den Referenzarmen 6₁, 8₁ wird hier­ bei über die unterschiedlichen Positionen der Bragg-Gitter 52, 53 und damit über die unterschiedliche Länge der Refe­ renzarme 6₁, 8₁ eingestellt.

Eine unterschiedliche optische Länge der beiden Referenzarme 6₁, 8₁ läßt sich, wie in Fig. 6 schematisch dargestellt, auch über eine unterschiedliche Breite der Referenzarme 6₁, 8₁ er­ reichen. Der Referenzarm 6₁ ist in dem Beispiel von Fig. 6 breiter als der Referenzarm 8₁. Da der für die Lichtausbrei­ tung im Wellenleiter maßgebliche effektive Brechungsindex von der Breite der Wellenleiter abhängt, haben die beiden Re­ ferenzarme 6₁, 8₁ trotz gleicher geometrischer Längen unter­ schiedliche optische Längen. Fig. 6 zeigt außerdem die Ver­ wendung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen In­ terferometers vom Michelson-Typ als Sensor, z. B. für Gas. Die geometrische Länge des Meßarms 7₁ bleibt hier konstant. Der bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendete Re­ flektor am Ende des Meßarms 7₁ ist ein feststehendes Bragg- Gitter 55 auf dem Meßarm 7₁ ersetzt. Eine auf den Meßarm 7₁ aufgebrachte Sensorschicht 54 verändert je nach Konzentration eines zu messenden Gases oder einer zu messenden Flüssigkeit ihren Brechungsindex und verursacht somit eine Änderung der optischen Weglänge im Meßarm 7₁, die detektiert wird.

Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform für ein In­ terferometer vom Michelson-Typ. Die Laser-Lichtquelle 50 wird über eine Gradientenindexlinse 56 (sog. GRIN-Linse) in den Wellenleiter 7 eingekoppelt. Die Photodetektoren 20, 21 sind in diesem Fall nicht an der Stirnseite 2 des Substrats 1 an­ geklebt, sondern flächig auf die Wellenleiter 6, 8 aufge­ bracht. Die Auskopplung des Lichts in die von dem Substrat 1 und dem Reflektor 15 begrenzte Meßstrecke erfolgt hier nicht über eine stirnseitig angebrachte Kollimatoroptik 14, sondern mit Hilfe eines planaren fokussierenden Gitters 57. Dieses Gitter 57, das z. B. aus TiO₂ gebildet ist, formt das aus dem Meßarm 7₁ austretende Licht in ein kollimiertes Lichtbündel um, das nach Reflexion am Meßspiegel 15 über das gleiche Git­ ter 57 wieder in den Meßarm 7₁ eingekoppelt wird.

Fig. 9 und 10 zeigen eine Anwendung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometers als Refraktometer, mit dem der Brechungsindex der umgebenden Luft gemessen werden kann. Die geometrische Länge der Meßstrecke, die aus dem Meßarm 7₁, der Kollimatorlinse 14, einer Luftstrecke und einem festen Endspiegel 58 besteht, bleibt konstant. Der Endspiegel 58 er­ streckt sich über die Enden der Reflektorarme 6₁ und 8₁. Eine Änderung des Brechungsindex der Luft führt zu einer Änderung der optischen Weglänge im Meßarm 7₁, ohne die Referenzarme 6₁, 8₁ zu beeinflussen. Mit der gemessenen Änderung der opti­ schen Weglänge kann eindeutig die Änderung des Brechungsindex der Luft bestimmt werden.

Fig. 11 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen Interfe­ rometers als Mach-Zehnder-Interferometer mit zwei Referenzar­ men 6₁, 8₁. In einem Strahlteiler 59 wird das Licht auf den Meßarm 7₁ und die beiden Referenzarme 6₁, 8₁ aufgeteilt. Auch hier wird die Phasendifferenz zwischen den beiden Referenzar­ men 6₁, 8₁ wieder mit Hilfe eines aktiven (z. B. thermo-opti­ schen) oder passiven (transparente Schicht) Phasenmodulators 18 eingestellt. Die zu messende Größe, wie z. B. die Gaskon­ zentration bei Verwendung als Gassensor, wirkt über die Sen­ sorschicht 54 auf die optische Weglänge des mittleren Meßarms 7₁. Das Licht des Meßarms 7₁ wird durch einen Strahlteiler 60 aufgespalten und interferiert mit je einem Richtkoppler 61, 62 mit dem Licht des entsprechenden Referenzarms 6₁, 8₁. Je­ der Richtkoppler 61, 62 weist zwei Ausgänge auf, deren Licht Photodetektoren 63, 64, 65, 66 zugeführt wird. Auf diese Wei­ se erhält man Gegentaktsignale, die (durch Subtraktion) vor­ teilhaft zur Unterdrückung eines Gleichlichtanteils genutzt werden können. Genauso ist aber auch statt dieser beiden Richtkoppler 61, 62 je ein einfacher Strahlvereiniger für den Meßarm 7₁ und die Referenzarme 6₁, 8₁ in Verbindung mit nur einem Photodetektor möglich.

Fig. 12 und 13 zeigen ein Doppel-Mach-Zehnder-Interferometer ähnlich zu Fig. 11, das aber in diesem Fall zur Wegmessung dient. Ein erstes Koppelgitter 57 formt das Licht des Meßarms 7₁ in ein kollimiertes Strahlenbündel um, das von einem Meß­ reflektor 15 seitlich versetzt reflektiert wird und über ein zweites fokussierendes Gitter 67 wieder in den Meßarm 7₁ ein­ gekoppelt wird. Auf diese Weise kann die Position des Meßre­ flektors 15 bestimmt werden.

Die Erfindung ist in mehrfacher Hinsicht nicht auf die spe­ ziellen technischen Mittel beschränkt, die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschrieben wurden. So muß für die Lichtquelle des Interferometers nicht unbedingt eine La­ serlichtquelle verwendet werden. Bekanntlich besteht eine Be­ ziehung zwischen der durch das Interferometer zu messenden Weglänge und der Koherenzlänge des Lichts der verwendeten Lichtquelle. In vielen Anwendungsfällen hat daher beispiels­ weise das Licht von sogenannten Superlumineszenzdioden eine ausreichend lange Koherenzlänge, um die Messung durchführen zu können. Je nach Anwendungsfall können auch andere Licht­ quelle mit einem Licht mit hinreichender Koherenzlänge ver­ wendet werden. Für das Substrat und die daran ausgebildeten Wellenleiter können auch andere Materialien als Glas mit durch Ionenaustausch hergestellten Wellenleitern verwendet werden. Beispielsweise können Lithiumniobat als Substrat, wo­ bei die Wellenleiter in diesem Kristallen durch Titan-Eindif­ fusion oder Protonenaustausch erzeugt worden sind, III-V- Halbleiter als Substrat, in denen die Wellenleiter, ein­ schließlich sogenannter Reb-Waveguides, durch Dotierung her­ gestellt worden sind, oder Halbleitersubstrate, beispielswei­ se aus Silizium, als Substrat verwendet werden, auf dem die Wellenleiter über einer Oxidschicht, beispielsweise Silizium­ oxid, durch Glas oder ein organisches Material gebildet sind. Anstelle der im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen erwähnten thermo-optischen Phasenmodulatoren können auch elektro-optische Phasenmodulatoren verwendet werden, wenn das Material des zu beeinflussenden Wellenleiters elektro-optisch aktiv ist, d. h. einen für die Phasenmodulation hinreichenden elektro-optischen Effekt zeigt, wenn ein elektrisches Feld an den Wellenleiter angelegt wird. Das elektrische Feld wird in diesen Fällen durch zwei Elektroden erzeugt, zwischen denen der Wellenleiter verläuft und die an einer Spannungsquelle angeschlossen sind. Derartige elektro-optische Phasenmodula­ toren eignen sich beispielsweise mit den vorstehend erwähnten Wellenleitern, die durch Titan-Eindiffusion oder Protonenaus­ tausch an Lithiumniobat-Kristallen oder durch die Dotierung von III-V-Halbleitern erzeugt worden sind. Schließlich wurden insbesondere im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbei­ spiel Lichtleitfasern als Wellenleiter zwischen dem Interfe­ rometer und den Photodetektoren beschrieben. Zu diesem Zweck können jedoch auch Wellenleiter, wie sie im Zusammenhang mit dem Interferometer-Chip beschrieben wurden, verwendet werden.

Claims (35)

1. Interferometer mit einer Lichtquelle, vorzugsweise einer monochromatischen Laserlichtquelle, mit einem Strahlteiler und einem Strahlvereiniger, mit einem in Richtung des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes gesehen hinter dem Strahlteiler liegenden Meßarm, mit Photodetektoren sowie mit Wellenleitern zum Führen des Lichts der Lichtquelle hin zum Strahlteiler und zum Führen des Lichts hin zu den Photodetektoren, wo­ bei der Strahlteiler und der Strahlvereiniger durch integriert-optische Elemente an einem Substrat gebil­ det sind, wobei auf dem Meßarm ein am Substrat vorge­ sehener, ansteuerbarer Phasenmodulator angeordnet ist, der die Phase des im Meßarm geführten Lichtes beeinflußt, wobei neben dem Meßarm (7₁) wenigstens zwei Referenzarme (6₁, 8₁) vorgesehen sind, die in Richtung des von der Lichtquelle ausgehenden Lichtes gesehen hinter dem Strahlteiler liegen, und wobei durch unterschiedliche optische Längen der Refe­ renzarme eine Phasendifferenz zwischen den beiden Re­ ferenzarmen eingestellt ist, und wobei an den Photodetektoren (20, 21) eine Auswertelektronik zur vorzeichenrichtigen Bestimmung der Änderung der opti­ schen Weglänge im Meßarm (7₁) angeschlossen ist, und wobei sowohl der Meßarm als auch die Referenzarme Wellenleiter aufweisen.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Phasenmodulator ein thermo-optischer oder elektro-optischer Modulator ist.

3. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß auf zumindest einem der Referenzarme (6₁ oder 8₁) ein weiterer Phasenmodulator angeordnet ist.

4. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein Phasenmodulator durch eine Gleichspannung oder einen Gleichstrom betrieben wird.

5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Spannungs- oder Stromversorgung des wei­ teren Phasenmodulators zur Erzielung einer konstanten Phasenverschiebung zwischen den Referenzarmen (6₁, 8₁) regelbar ist.

6. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle unter Verwendung von Lichtleitfasern zum Strahlteiler und/oder Licht unter Verwendung von Lichtleitfasern zu den Photodetektoren geführt ist.

7. Interferometer vom Typ eines Michelson-Interferometers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meß­ arm (7₁) und die Referenzarme (6₁, 8₁) jeweils durch einen Reflektor (15, 16, 17; 52, 53, 55; 58) begrenzt sind.

8. Interferometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Reflektoren im Meß- und Referenzarm durch Spiegel (15, 16, 17, 58) gebildet sind.

9. Interferometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Reflektoren im Meß- und Referenzarm durch Bragg-Gitterreflektoren (52, 53, 55) gebildet sind.

10. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter durch strukturierten Ionenaustausch in einem Substrat aus Glas gebildet sind.

11. Interferometer nach Anspruch 1 und 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Einstellung der Phasendifferenz von der Glassubstratschicht über einem zu einem Refe­ renzarm gehörenden Wellenleiter eine Schicht de­ finierter Dicke abgetragen ist.

12. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter durch Ti­ tan-Eindiffusion oder Protonenaustausch auf einem kristallinen Lithiumniobat-Substrat ausgebildet sind.

13. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter durch Do­ tierung auf einem III-V-Halbleitersubstrat ausgebil­ det sind.

14. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß Wellenleiter aus Glas oder einem organischen Material auf einem Halbleitersub­ strat, ggf. unter Einfügung einer Zwischen-Oxid- Schicht, ausgebildet sind.

15. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß auf dem Substrat im Bereich eines zu einem Referenzarm gehörenden Wellenleiters ein den Bre­ chungsindex änderndes Material in Form einer Schicht aufgetragen ist.

16. Interferometer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich­ net, daß das den Brechungsindex ändernde Material ein organisches Material ist.

17. Interferometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß die Schicht aus aufgedampftem und/oder auf­ gesputtertem anorganischem Material besteht.

18. Interferometer nach Anspruch 15 oder 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Material eine Siliziumoxid- Schicht ist.

19. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das aus dem Wellenleiter des Meßarms (7₁) austretende Licht mittels einer Linse (14) kollimiert und auf einen Reflektor (15) am zu messenden Objekt gerichtet wird.

20. Interferometer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich­ net, daß die Linse (14) eine Gradienten-Index-Linse ist.

21. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das aus dem Wellenleiter des Meßarms (7₁) austretende Licht mittels eines fokussierenden Git­ ters kollimiert ausgekoppelt und auf einen Reflektor (15) am zu messenden Objekt gerichtet ist.

22. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß für den Meßarm und die Referenzarme ein ge­ meinsamer Reflektor (58) an der Stirnseite des Sub­ strats angebracht ist.

23. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Interferometer ein Mach-Zehnder- Interferometer ist, und daß die Wellenleiter der Re­ ferenzarme und des Meßarms in Form von Mehrfach-Kopp­ lern enden, wobei an deren Ausgängen zueinander pha­ senverschobene Signale detektierbar sind.

24. Interferometer nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich­ net, daß die Koppler als Zweifach-Richtkoppler (61, 62) ausgebildet sind, und daß an deren Ausgängen um etwa 180° zueinander phasenverschobene Signale detek­ tierbar sind.

25. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß im Meßarm das Licht mittels eines ersten fo­ kussierenden Gitters (57) kollimiert ausgekoppelt und auf einen Reflektor (15) am zu messenden Objekt ge­ richtet, dort reflektiert und mittels eines zweiten fokussierenden Gitters (67) wiederum in den Wellen­ leiter des Meßarms (7₁) eingekoppelt wird.

26. Interferometer nach Anspruch 25, dadurch gekennzeich­ net, daß der Reflektor am zu messenden Objekt ein re­ tro-reflektierendes Element (15) ist.

27. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 26, ge­ kennzeichnet durch den Photodetektoren nachgeschal­ tete Vorverstärker (22, 23), den Vorverstärkern nach­ geschaltete Impulsformer (24, 25), eine Ansteuerein­ heit (30) für den Phasenmodulator (19), einen Richtungsdiskriminator (27), einen diesem nachge­ schalteten Zähler (28) und durch eine erste Anzeige­ einrichtung (31).

28. Interferometer nach Anspruch 27, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Ansteuerung des thermo-optischen oder elektro-optischen Modulators (19) ein Funktionsgene­ rator (29) vorgesehen ist, welcher mit einem Phasen­ meßgerät (34) verbunden ist, in welches das von einem Photodetektor (21) kommende und in einem Bandpaßfil­ ter (33) ausgefilterte Signal gelegt ist und welches mit einer zweiten Anzeigeeinrichtung (35) verbunden ist.

29. Interferometer nach Anspruch 28, dadurch gekennzeich­ net, daß der Funktionsgenerator (29) mit einem Spei­ cher (32) verbunden ist, der zwischen dem Zähler (28) und der ersten Anzeigeeinrichtung (31) liegt.

30. Interferometer nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einseitenbandmodula­ tion des Phasenmodulators (19) durch von dem Funkti­ onsgenerator (29) erzeugte, sägezahnförmige Signale angesteuert ist, und daß die Phase zwischen den säge­ zahnförmigen Signalen und dem in einem Bandpaßfilter (33) gefilterten Signal eines Photodetektors (21) ge­ messen und angezeigt wird.

31. Interferometer nach Anspruch 27 oder 28, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Modulator (19) von einer trep­ penförmigen, digitalen Modulationsfunktion mit einer 2π-Phasendrehung innerhalb einer Periode angesteuert wird.

32. Interferometer nach Anspruch 27 oder 28, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Modulator (19) von einer digi­ talen Funktion angesteuert wird, die mäanderförmig um eine Sägezahnkurve verläuft.

33. Interferometer nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholfrequenz der den Modulator (19) ansteuernden Funktion 1 kHz be­ trägt.

34. Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das im Meßarm ge­ führte Licht mittels des Phasenmodulators periodisch in der Phase beeinflußt wird.

35. Interferometer nach Anspruch 34, dadurch gekennzeich­ net, daß die Einstellung von Einsteuerstufen für den Phasenmodulator entweder durch einen Potentiometerab­ gleich für jede Stufe und den entsprechenden Phasen­ hub oder durch einen Mikroprozessor mit Digi­ tal/Analog-Wandler und software-gesteuerter Stufen­ funktion erfolgt.