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DE102015007206A1 - Optical sensor - Google Patents

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DE102015007206A1
DE102015007206A1 DE102015007206.4A DE102015007206A DE102015007206A1 DE 102015007206 A1 DE102015007206 A1 DE 102015007206A1 DE 102015007206 A DE102015007206 A DE 102015007206A DE 102015007206 A1 DE102015007206 A1 DE 102015007206A1
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waveguide
sensor according
ring
resonator
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Application number
DE102015007206.4A
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German (de)
Inventor
Kai-Peter Stamer
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Bartec Benke GmbH
Original Assignee
Bartec Benke GmbH
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Application filed by Bartec Benke GmbH filed Critical Bartec Benke GmbH
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Priority to EP16726280.7A priority patent/EP3304146A1/en
Priority to PCT/EP2016/000880 priority patent/WO2016192845A1/en
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Abstract

Der optische Sensor dient zur Messung von Spurenbestandteilen in Flüssigkeiten und/oder Gasen und hat mindestens einen optischen Resonator, der wenigstens eine poröse Schicht aufweist, deren Poren zur Aufnahme von Feuchteteilchen dienen. Der Resonator ist ein Ringresonator, dem wenigstens ein optischer Wellenleiter zugeordnet ist. In den Wellenleiter wird Licht eingespeist, das in den Ringresonator teilweise ausgekoppelt wird. Im Ringresonator entstehen aufgrund seiner zum Teil sehr hohen Finesse Interferenzen mit dem Wellenleiter, in den ein Lichtspektrum eingestrahlt wird. Aus dem Transmissionsspektrum kann ein Kamm von Wellenlängenminima herausgefiltert werden. Lagern sich Spurenbestandteile in den Poren des Ringresonators ab, wird die Brechzahl und damit die optische Weglänge verändert, was zu einer Wellenlängenverschiebung der herausgefilterten Wellenlängenminima führt. Aus der Wellenlängenverschiebung lässt sich der Gehalt an Spurenbestandteilen ermitteln.The optical sensor is used to measure trace constituents in liquids and / or gases and has at least one optical resonator, which has at least one porous layer whose pores serve to receive moisture particles. The resonator is a ring resonator, which is associated with at least one optical waveguide. In the waveguide light is fed, which is partially decoupled in the ring resonator. In the ring resonator arise due to its sometimes very high finesse interference with the waveguide, in which a light spectrum is irradiated. From the transmission spectrum a comb of wavelength minima can be filtered out. If trace constituents are deposited in the pores of the ring resonator, the refractive index and thus the optical path length are changed, which leads to a wavelength shift of the wavelength minima filtered out. From the wavelength shift, the content of trace constituents can be determined.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to an optical sensor according to the preamble of claim 1.

Zur Messung von Spurenfeuchte in Gasen und Flüssigkeiten werden optische Sensoren eingesetzt. Sie bestehen aus mehreren porösen und dielektrischen Schichten, in deren Poren sich eventuell vorhandene Feuchtigkeitsteilchen absetzen. Wird durch den Feuchtesensor Licht gestrahlt, verändert sich infolge der eingelagerten Feuchteteilchen der Brechungsindex des eingestrahlten Lichtes. Dies führt im optischen Sensor zu einer Wellenlängenverschiebung, die proportional zur Feuchte im zu messenden Medium ist. Aus der Wellenlängenverschiebung lässt sich der Gehalt an Feuchtigkeit im zu messenden Medium erfassen.Optical sensors are used to measure trace moisture in gases and liquids. They consist of several porous and dielectric layers, in the pores of which any moisture particles are deposited. If light is radiated by the moisture sensor, the refractive index of the incident light changes as a result of the embedded moisture particles. This leads to a wavelength shift in the optical sensor which is proportional to the humidity in the medium to be measured. From the wavelength shift, the content of moisture in the medium to be measured can be detected.

Das Messprinzip beruht auf dem Grundprinzip eines Fabry-Perot-Interferometers. Es hat für viele Anwendungen jedoch ein zu langsames Reaktionsverhalten bei Feuchtigkeitsveränderungen. Die Ursache dieses relativ langsamen Reaktionsverhaltens liegt im Aufbau des Schichtensystems und in den Dicken und Porositäten der einzelnen Schichten. Je dicker das Schichtensystem ist, desto langsamer trocknet es in einem Gasstrom. Andererseits ist die Dicke des Schichtensystems für die Finesse des Fabry-Perot-Interferometers entscheidend und bestimmt somit auch die Halbwertsbreite beim Wellenlängenminimum. Dadurch wird die Messgenauigkeit bei der Signalanalyse wesentlich beeinflusst.The measuring principle is based on the basic principle of a Fabry-Perot interferometer. However, for many applications it has too slow a response to changes in humidity. The cause of this relatively slow reaction behavior lies in the structure of the layer system and in the thicknesses and porosities of the individual layers. The thicker the layer system, the slower it dries in a gas stream. On the other hand, the thickness of the layer system is critical to the finesse of the Fabry-Perot interferometer and thus also determines the half-width at the wavelength minimum. This significantly influences the accuracy of the signal analysis.

Der bekannte optische Sensor hat ein Schichtensystem aus insgesamt elf abwechselnd niedrig- und hochbrechenden porösen Schichten, die aus SiO2, ZrO2 bestehen. Das Schichtensystem hat eine Gesamtdicke von mehr als 2 μm. Eine solche Ausbildung des optischen Sensors stellt einen Kompromiss zwischen einer möglichst geringen Dicke und einer hohe Finesse dar. Die mit einem solchen optischen Sensor gemessenen Ansprechzeiten bei einem Taupunktwechsel zwischen +10°C und –60°C bei einer Gastemperatur von 30°C schwanken aufgrund unterschiedlicher Porosität der Schichten zwischen 1 und 7 Stunden.The known optical sensor has a layer system of eleven alternating low and high refractive porous layers, which consist of SiO 2 , ZrO 2 . The layer system has a total thickness of more than 2 μm. Such a design of the optical sensor represents a compromise between the lowest possible thickness and a high finesse. The measured with such an optical sensor response times at a dew point change between + 10 ° C and -60 ° C at a gas temperature of 30 ° C vary due different porosity of the layers between 1 and 7 hours.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen optischen Sensor so auszubilden, dass ohne Beeinträchtigung der Messgenauigkeit die Messzeiten erheblich verringert sind.The invention has the object of providing the generic optical sensor in such a way that the measurement times are significantly reduced without affecting the measurement accuracy.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen optischen Sensor erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved in the generic optical sensor according to the invention with the characterizing features of claim 1.

Beim erfindungsgemäßen Sensor wird der Resonator durch einen Ringresonator gebildet. Im Ringresonator entstehen aufgrund seiner zum Teil sehr hohen Finesse Interferenzen mit dem Wellenleiter, in den ein Lichtspektrum eingestrahlt ist. Aus dem Transmissionsspektrum kann ein Kamm von Wellenlängenminima herausgefiltert werden. Lagern sich Spurenbestandteile in den Poren des Ringresonators ab, wird die Brechzahl und damit die optische Weglänge verändert. Dies führt zu einer Wellenlängenverschiebung der herausgefilterten Wellenlängenminima. Aus der Wellenlängenverschiebung lässt sich in bekannter Weise der Gehalt an Spurenbestandteilen im zu messenden Medium mit hoher Genauigkeit ermitteln. Mit dem erfindungsgemäßen Sensor ergibt sich gegenüber dem bekannten Sensor eine stark reduzierte Dicke der Feuchteschicht, wodurch eine deutlich schnellere Reaktionszeit ermöglicht werden kann.In the sensor according to the invention, the resonator is formed by a ring resonator. In the ring resonator due to its sometimes very high finesse interference with the waveguide, in which a light spectrum is irradiated. From the transmission spectrum a comb of wavelength minima can be filtered out. If trace constituents are deposited in the pores of the ring resonator, the refractive index and thus the optical path length are changed. This leads to a wavelength shift of the wavelength minima filtered out. From the wavelength shift can be determined in a known manner, the content of trace constituents in the medium to be measured with high accuracy. With the sensor according to the invention results compared to the known sensor a greatly reduced thickness of the moisture layer, whereby a much faster reaction time can be made possible.

Allgemein wird aus dem Transmissionsspektrum ein Modemspektrum herausgefiltert, das zur Bestimmung des Gehalts an Spurenbestandteilen herangezogen werden kann. Die Verschiebung der Wellenlängenminima bietet die Möglichkeit, hochgenaue Gaskennlinien zu kalibrieren.Generally, a modems spectrum is filtered out of the transmission spectrum, which can be used to determine the content of trace constituents. The shift of the wavelength minima offers the possibility to calibrate highly accurate gas characteristics.

Der Ringresonator ist in sich geschlossen, kann jedoch eine beliebige Umrissform haben.The ring resonator is self-contained, but may have any outline shape.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist dem Ringresonator ein weiterer Wellenleiter zugeordnet. In ihn wird das im Ringresonator laufende Modemspektrum bzw. die diskreten Wellenlängenmaxima teilweise ausgekoppelt. Das ausgekoppelte Licht kann separat einem Spektrometer zugeführt werden, mit dem das ausgekoppelte Licht ausgewertet wird.In an advantageous embodiment, the ring resonator is assigned a further waveguide. The modems spectrum or the discrete wavelength maxima running in the ring resonator are partially decoupled into it. The decoupled light can be fed separately to a spectrometer, with which the decoupled light is evaluated.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind mehrere Ringresonatoren hintereinander längs des Wellenleiters angeordnet. Eine solche Ausbildung erlaubt eine bessere Messung des Spurenfeuchtegehaltes. Auch können die mehreren Ringresonatoren so ausgebildet sein, dass sie unterschiedlich große Poren aufweisen, so dass bei mehreren Ringresonatoren auch unterschiedliche Spurenbestandteile in einem Messvorgang erfasst werden können. Die Porengröße ist hierbei an den zu erfassenden Spurenbestandteil angepasst. So können beispielsweise durch entsprechende Porengröße der Ringresonatoren gleichzeitig unterschiedliche Konzentrationen von H2O und/oder anderen Molekülen in Messgasen erfasst werden.In an advantageous embodiment, a plurality of ring resonators are arranged one behind the other along the waveguide. Such a design allows a better measurement of the trace moisture content. Also, the plurality of ring resonators may be formed so that they have different sized pores, so that when several ring resonators and different trace constituents can be detected in a measurement process. The pore size is adapted to the trace constituent to be detected. Thus, for example, by corresponding pore size of the ring resonators simultaneously different concentrations of H 2 O and / or other molecules can be detected in sample gases.

Bei einer vorteilhaften Ausbildung können die mehreren Ringresonatoren zwischen den beiden Wellenleitern liegen, so dass die Ringresonatoren das eingekoppelte Licht in den weiteren Wellenleiter wenigstens teilweise auskoppeln. Über den weiteren Wellenleiter besteht somit die Möglichkeit, weitere diskrete Wellenlängenmaxima auf die Modenspektren der weiteren Ringresonatoren aufzuaddieren und einem Spektrometer oder einem ähnlichen Messgerät zuzuführen. In an advantageous embodiment, the plurality of ring resonators may be located between the two waveguides, so that the ring resonators at least partially decouple the coupled light in the other waveguide. The further waveguide thus makes it possible to add additional discrete wavelength maxima to the mode spectra of the further ring resonators and to feed them to a spectrometer or a similar measuring device.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform befinden sich zwischen den beiden Wellenleitern zwei aneinander liegende Ringresonatoren.In a further advantageous embodiment, two adjacent ring resonators are located between the two waveguides.

Es können bei einer weiteren Ausführungsform mehrere solcher paarweise aneinanderliegenden Ringresonatoren hintereinander zwischen den beiden Wellenleitern vorgesehen sein.In a further embodiment, a plurality of such annular resonators arranged in pairs may be provided one behind the other between the two waveguides.

Der/die Ringresonator/-en und der/die Wellenleiter können auf einem Träger vorgesehen sein. Er kann beispielhaft aus Glas oder Kristall bestehen.The ring resonator (s) and the waveguide (s) may be provided on a carrier. It can be made of glass or crystal, for example.

Es ist aber auch möglich, dass der bzw. die Ringresonatoren sich auf dem Träger befinden, während der/die Wellenleiter in den Träger eingebettet sind. Der Wellenleiter ist dadurch geschützt im Sensor angeordnet.However, it is also possible for the ring resonator (s) to be located on the carrier while the waveguide (s) are embedded in the carrier. The waveguide is thus protected in the sensor.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann der/die Ringresonator/-en am Außendurchmesser von einer Mantelschicht ganz oder teilweise umgeben sein. Diese Mantelschicht ist vorteilhaft wenigstens eine optische PVD-Schicht. Das Material der Mantelschicht hat eine Brechzahl, die kleiner ist als die Brechzahl des Materials des Ringresonators. Die Mantelschicht kann gegenüber dem zu messenden Gas oder der zu messenden Flüssigkeit sowohl als Schutzschicht als auch, mit definierter Porengröße, die kleiner ist als die Porengröße des Materials des Ringresonators, als Filterschicht als auch mit definierter Porengröße, die größer ist als die Porengröße des Materials des Ringresonators, als Einlagerungsschicht dienen.In an advantageous embodiment, the ring resonator (s) may be wholly or partially surrounded by a cladding layer on the outer diameter. This cladding layer is advantageously at least one optical PVD layer. The material of the cladding layer has a refractive index which is smaller than the refractive index of the material of the ring resonator. The cladding layer can be compared to the gas to be measured or the liquid to be measured both as a protective layer and, with a defined pore size, which is smaller than the pore size of the material of the ring resonator, as a filter layer and with a defined pore size, which is greater than the pore size of the material of the ring resonator, serve as a storage layer.

Der Wellenleiter kann aus ionenimplantierten Gläsern oder Kristallen oder optischen PVD-Schichten bestehen. Solche PVD-Schichten können beispielsweise aus SiO2 , ZrO2, TiO2 oder TaO5 bestehen.The waveguide may be made of ion-implanted glasses or crystals or PVD optical layers. Such PVD layers may for example consist of SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 or TaO 5 .

Vorteilhaft weist der Ringresonator optische PVD-Schichten auf, die z. B. SiO2, ZrO2, TiO2 oder TaO5 . sein können.Advantageously, the ring resonator on optical PVD layers, the z. As SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 or TaO . 5 could be.

Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.The subject of the application results not only from the subject matter of the individual claims, but also by all the information and features disclosed in the drawings and the description. They are, even if they are not the subject of the claims, claimed as essential to the invention, as far as they are new individually or in combination over the prior art.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.Further features of the invention will become apparent from the other claims, the description and the drawings.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigenThe invention is explained below with reference to some embodiments shown in the drawings. Show it

1 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, 1 a schematic representation of a first embodiment of a sensor according to the invention,

2 aus dem Transmissionsspektrum des Sensors gemäß 1 herausgefilterte Wellenlängenminima, 2 from the transmission spectrum of the sensor according to 1 filtered wavelength minima,

3 in einer Darstellung entsprechend 1 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, 3 in a representation accordingly 1 a second embodiment of a sensor according to the invention,

4 in einer Darstellung entsprechend 2 die Wellenlängenminima, die aus dem Sensor gemäß 3 zugeordneten Transmissionsspektrum herausgefiltert werden, 4 in a representation accordingly 2 the wavelength minima resulting from the sensor according to 3 assigned transmission spectrum are filtered out,

5 ein vergrößerter Ausschnitt des Diagramms nach 4, 5 an enlarged section of the diagram after 4 .

6 bis 10 weitere Diagramme entsprechend 5 zur Erläuterung einer Wellenlängenverschiebung, 6 to 10 more diagrams accordingly 5 to explain a wavelength shift,

11 bis 14 in Darstellungen entsprechend 1 weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Sensoren, 11 to fourteen in representations accordingly 1 further embodiments of sensors according to the invention,

15 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, 15 a top view of a further embodiment of a sensor according to the invention,

16 eine Seitenansicht des Sensors gemäß 15, 16 a side view of the sensor according to 15 .

17 eine Vorderansicht des Sensors gemäß 15, 17 a front view of the sensor according to 15 .

18 bis 21 jeweils im Schnitt weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Sensoren, 18 to 21 each in section further embodiments of sensors according to the invention,

22 den Sensor gemäß den 15 bis 17, der mit einer LED-Lichtquelle und einem Polychromator verbunden ist. 22 the sensor according to 15 to 17 which is connected to an LED light source and a polychromator.

Die Sensoren werden dazu verwendet, in Gasen und/oder Flüssigkeiten Spurenfeuchte oder Spurengase zu messen. Beispielsweise wird mit dem Sensor der Feuchtegehalt in Erdgas ermittelt. Hierzu ragt der Sensor so in die Erdgasleitung, dass er vom durchströmenden Erdgas erfasst wird. Der Sensor ist an ein (nicht dargestelltes) Messgerät angeschlossen, das die vom Sensor kommenden Signale erfasst und in bekannter Weise auswertet. Der ermittelte Feuchtegehalt wird mit einer Auswerteeinheit des Messgerätes einem Taupunkt zugeordnet.The sensors are used to measure trace moisture or trace gases in gases and / or liquids. For example, the sensor determines the moisture content in natural gas. For this purpose, the sensor protrudes into the natural gas pipeline so that it is detected by the natural gas flowing through it. The sensor is connected to a measuring device (not shown) which detects the signals coming from the sensor and evaluates them in a known manner. The determined moisture content is assigned to a dew point by means of an evaluation unit of the measuring device.

Nachfolgend wird der optische Sensor am Beispiel eines Feuchtesensors beschrieben. Er kann auch als Gassensor ausgebildet sein, mit dem Spurengase im Medium erfasst und gemessen werden können.The optical sensor will be described below using the example of a humidity sensor. It can also be designed as a gas sensor with which trace gases in the medium can be detected and measured.

Der Feuchtesensor hat bei der Ausführungsform gemäß 1 einen Ringresonator 2, der als optisches Messmedium dient. Der Ringresonator ist ein in sich geschlossener Wellenleiter, der im Ausführungsbeispiel Kreisform hat. Der Ringresonator 2 kann aber jede andere geeignete geometrische Form aufweisen.The humidity sensor has in the embodiment according to 1 a ring resonator 2 , which serves as optical measuring medium. The ring resonator is a self-contained waveguide, which has a circular shape in the exemplary embodiment. The ring resonator 2 but may have any other suitable geometric shape.

Der Ringresonator 2 hat eine poröse Beschichtung, die vorzugsweise wenigstens eine PVD-Schicht ist, die auf einen Grundträger aufgedampft ist. Diese poröse Schicht besteht beispielsweise aus SiO2, ZrO2 oder Ta2O5. Die Porosität dieser Schicht ist auf den zu erfassenden Spurenbestandteil abgestimmt. Wenn dieser zu erfassende Spurenbestandteil Wasser ist, dann haben die Poren der porösen Schicht typischerweise einen Durchmesser von etwa 3 Å. Enthält das zu messende Medium Wasser, dann lagern sich in den Poren der porösen Schicht Wassermoleküle ab, deren Durchmesser etwas kleiner als 3 Å ist. Die in der porösen Schicht eingelagerten Wassermoleküle verändern in noch zu beschreibender Weise den Brechungsindex eines eingestrahlten Lichtes, wodurch sich eine Wellenlängenverschiebung ergibt, die proportional dem Feuchtegehalt im zu messenden Medium ist.The ring resonator 2 has a porous coating, which is preferably at least one PVD layer vapor-deposited on a base support. This porous layer consists for example of SiO 2 , ZrO 2 or Ta 2 O 5 . The porosity of this layer is matched to the trace constituent to be detected. If this trace constituent to be detected is water, then the pores of the porous layer typically have a diameter of about 3 Å. If the medium to be measured contains water, then water molecules, the diameter of which is slightly smaller than 3 Å, are deposited in the pores of the porous layer. The water molecules incorporated in the porous layer change, as will be described, the refractive index of an incident light, which results in a wavelength shift which is proportional to the moisture content in the medium to be measured.

Das zur Messung des Feuchtegehaltes notwendige Licht wird über einen Wellenleiter 1 in den Ringresonator 2 eingekoppelt. Der Wellenleiter 1 kann aus geeigneten Materialien bestehen, wie aus ionenimplantierten Gläsern und Kristallen oder aus optischen PVD-Schichten, die beispielsweise aus SiO2, ZrO2, TiO2, Ta2O5 und dergleichen bestehen können. In den Wellenleiter 1 wird durch einen Pfeil 8 angedeutetes Licht eingeleitet. Als Lichtquelle wird bevorzugt LED eingesetzt, das eine lange Lebensdauer hat, preisgünstig ist und keine Wartung benötigt. Als weitere Lichtquellen kommen Halogenlampen oder beispielsweise auch Laser-LEDs oder mit Laserdioden gepumpte Phosphorschichten oder gepumpter Ti:Saphire in Betracht.The light necessary for measuring the moisture content is transmitted through a waveguide 1 in the ring resonator 2 coupled. The waveguide 1 may be made of suitable materials, such as ion-implanted glasses and crystals, or of PVD optical layers, which may be, for example, SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 , Ta 2 O 5, and the like. In the waveguide 1 is by an arrow 8th indicated light initiated. The light source used is preferably LED, which has a long service life, is inexpensive and requires no maintenance. Further sources of light are halogen lamps or, for example, also laser LEDs or laser diode-pumped phosphor layers or pumped Ti: sapphires.

Die Dicke der porösen Schicht liegt beispielhaft bei einigen 100 nm. Dieser Wert ist allerdings nicht als beschränkend zu verstehen. Die Schicht hat eine solche Dicke, dass eine optimal schnelle Anpassung an wechselnde Feuchteverhältnisse in einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom möglich ist.The thickness of the porous layer is for example some 100 nm. However, this value is not to be understood as limiting. The layer has such a thickness that an optimally fast adaptation to changing moisture conditions in a gas or liquid stream is possible.

Der Ringresonator ist ein Ringwellenleiter, in dem sich eine fortlaufende Welle aufgrund der Totalreflexionsfähigkeit des Ringwellenleiters ausbildet.The ring resonator is a ring waveguide in which a continuous wave is formed due to the total reflection capability of the ring waveguide.

Der kleinste Abstand 9 zwischen dem Wellenleiter 1 und dem Ringresonator 2 ist der Messabstand, der die Größe des Koppelfaktors bestimmt. Er ist ein Maß für die Auskoppelung eines Teils des Lichtes aus dem Wellenleiter 1.The smallest distance 9 between the waveguide 1 and the ring resonator 2 is the measurement distance that determines the size of the coupling factor. It is a measure of the decoupling of part of the light from the waveguide 1 ,

Der Ringresonator 2 weist zum Teil eine sehr hohe Finesse F auf. Dies hat zur Folge, dass im Ringresonator 2 Interferenzen mit dem Wellenleiter 1 entstehen. Der Anteil des in den Ringresonator 2 eingekoppelten Anteils des Lichtes 8 kann in einem Transmissionsspektrum dargestellt werden, bei dem die Intensität gegen die Wellenlänge des Lichtes 8 aufgetragen ist. Aus diesem Transmissionsspektrum können die Wellenlängenminima herausgefiltert werden. Ein Beispiel hierfür zeigt 2, bei dem aus dem Transmissionsspektrum ein Kamm von Wellenlängenminima, die bei der Einkopplung des Lichtes aus dem Wellenleiter 1 in den Ringresonator 2 entstehen, herausgefiltert worden sind.The ring resonator 2 sometimes has a very high finesse. This has the consequence that in the ring resonator 2 Interference with the waveguide 1 arise. The proportion of the ring resonator 2 coupled portion of the light 8th can be represented in a transmission spectrum in which the intensity against the wavelength of light 8th is applied. From this transmission spectrum, the wavelength minima can be filtered out. An example of this shows 2 in which, from the transmission spectrum, a comb of wavelength minima, which at the coupling of the light from the waveguide 1 in the ring resonator 2 arise, have been filtered out.

Befindet sich im zu prüfenden Medium Feuchtigkeit, im Beispielsfall Wasser, dann lagern sich die Wassermoleküle in der porösen Schicht des Ringresonators 2 ab. Durch die eingelagerten Wassermoleküle ändert sich der Brechungsindex des in den Ringresonator 2 eingekoppelten Lichtes. Dies führt zu einer Wellenlängenverschiebung, die proportional zum Feuchtegehalt im zu messenden Medium ist.If there is moisture in the medium to be tested, in this case water, then the water molecules are stored in the porous layer of the ring resonator 2 from. The incorporated water molecules change the refractive index of the ring resonator 2 coupled light. This leads to a wavelength shift that is proportional to the moisture content in the medium to be measured.

Anhand der Wellenlängenverschiebung, die sich im Transmissionsspektrum bzw. in den herausgefilterten Wellenlängenminima sichtbar macht, lässt sich mit hoher Genauigkeit der Feuchtigkeitsgehalt im Analysten bestimmen. Dies wird anhand der nachfolgenden Ausführungsform des Sensors näher erläutert.On the basis of the wavelength shift, which is visible in the transmission spectrum or in the filtered-out wavelength minima, the moisture content in the analyst can be determined with high accuracy. This will be explained in more detail with reference to the following embodiment of the sensor.

Bei der Ausführungsform gemäß 3 sind dem Wellenleiter 1 zwei Ringresonatoren 2, 3 zugeordnet. Sie sind vorteilhaft unterschiedlich ausgebildet und mit dem Messabstand 9 neben dem Wellenleiter 1 angeordnet, in den das Licht 8 eingeleitet wird. In der beschriebenen Weise wird ein Teil des Lichtes in die Ringresonatoren 2, 3 eingekoppelt. Aus dem zugehörigen Transmissionsspektrum können zwei Kämme von Wellenlängenminima herausgefiltert werden. Das entsprechende Diagramm zeigt 4.In the embodiment according to 3 are the waveguide 1 two ring resonators 2 . 3 assigned. They are advantageously designed differently and with the measuring distance 9 next to the waveguide 1 arranged in which the light 8th is initiated. In the manner described, a part of the light is in the ring resonators 2 . 3 coupled. From the associated transmission spectrum two combs of wavelength minima can be filtered out. The corresponding diagram shows 4 ,

5 zeigt den Wellenlängenbereich zwischen 1.300 und 1.307 nm aus 4 in vergrößerter Darstellung. 5 shows the wavelength range between 1,300 and 1,307 nm 4 in an enlarged view.

6 zeigt von zwei Ringresonatoren jeweils ein Wellenlängenminimum, welche aus einem Transmissionsspektrum herausgefiltert worden sind, die sich ergeben, wenn sich in die poröse Schicht des Ringresonators 2 Wassermoleküle einlagern und in die nicht poröse Schicht oder in die mit einer undurchlässigen Schutzschicht überzogenen porösen Schicht des Ringresonators 3 keine Wassermoleküle gelangen. Ein Vergleich der 5 und 6 zeigt, dass sich aufgrund der eingelagerten Wassermoleküle das eine Wellenlängenminimum vom Ringresonator 2 von der Wellenlänge 1.301,45 nm auf die Wellenlänge 1.301,68 nm verschoben hat. Diese Wellenlängenverschiebung, hervorgerufen durch die eingelagerten Wassermoleküle, ist proportional zur gemessenen Feuchte im Medium. Das Wellenlängenminimum des Ringresonators 3, das im Ausführungsbeispiel bei einer Wellenlänge von 1.301,1 nm liegt, dient dabei als Referenzwert und kann Temperatureinflüsse kompensieren. Die Auswerteeinheit im Messgerät, an das der Sensor angeschlossen ist, kann aufgrund der Differenz beider Wellenlängenminima und bei bekannter Temperatur des Mediums den Taupunkt und damit den Anteil der Feuchtigkeit im zu prüfenden Medium ermitteln. 6 shows in each case a wavelength minimum of two ring resonators, which have been filtered out of a transmission spectrum, which result when entering the porous layer of the ring resonator 2 Store water molecules in the non-porous layer or in the impermeable protective layer coated porous layer of the ring resonator 3 no water molecules get. A comparison of 5 and 6 shows that due to the embedded water molecules, the one wavelength minimum from the ring resonator 2 has shifted from the wavelength of 1.301.45 nm to the wavelength of 1.301.68 nm. This wavelength shift, caused by the stored water molecules, is proportional to the measured moisture in the medium. The wavelength minimum of the ring resonator 3 , which is in the embodiment at a wavelength of 1.301,1 nm, serves as a reference value and can compensate for temperature influences. The evaluation unit in the measuring device to which the sensor is connected, can determine the dew point and thus the proportion of moisture in the medium to be tested due to the difference between the two wavelength minima and at a known temperature of the medium.

Die Temperatur des Mediums würde sich beispielhaft, wie in 13 dargestellt, mit einem weiteren zusätzlichen Ringresonator aus einer nicht porösen Schicht eines Materials mit einem hohen thermooptischen Koeffizienten dn/dt, der sich stark vom thermooptischen Koeffizienten der beiden Ringresonatoren 2 und 3 unterscheidet, ermitteln lassen, wenn mit diesem ein Differenzwert seines Wellenlängenminimums zum Referenzwert des Ringresonators 3 gemessen und dieser Differenzwert anhand einer Kalibrierkurve einen Temperaturwert zugeordnet würde.The temperature of the medium would be exemplary, as in 13 shown with another additional ring resonator of a non-porous layer of a material with a high thermo-optical coefficient dn / dt, which is strongly dependent on the thermo-optical coefficient of the two ring resonators 2 and 3 differs, determine, if with this a difference value of its wavelength minimum to the reference value of the ring resonator 3 measured and this difference value would be assigned a temperature value based on a calibration curve.

Die 7 bis 10 zeigen Beispiele, wie sich die Wellenlängenverschiebung in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt im zu messenden Medium ergibt. Beispielhaft ist in 7 dargestellt, dass die beiden Wellenlängenminima bei einer Wellenlänge von 1.300 und 1.303,1 nm liegen. Lagern sich Wassermoleküle in der porösen Schicht des oder der Ringresonatoren 2 ab, führt dies zu einer Wellenlängenverschiebung, wie aus dem Diagramm gemäß 8 hervorgeht. Beide Wellenlängenminima haben sich nach 1.303,1 und 1.303,4 nm verschoben.The 7 to 10 show examples of how the wavelength shift depends on the moisture content in the medium to be measured. Exemplary is in 7 shown that the two wavelength minima are at a wavelength of 1,300 and 1,303.1 nm. Water molecules are stored in the porous layer of the ring resonator (s) 2 This leads to a wavelength shift, as shown in the diagram 8th evident. Both wavelength minima have shifted to 1,303.1 and 1,303.4 nm.

Bei einem noch größeren Wasseranteil verschiebt sich das in 9 rechte Wellenlängenminimum auf einen Wellenlängenwert von 1.303,65 nm. Bei einem noch größeren Wassergehalt verschiebt sich dieses Wellenlängenminimum zu einer Wellenlänge von nahezu 1.304 nm (10).With an even greater amount of water shifts the in 9 right wavelength minimum to a wavelength value of 1,303.65 nm. With an even greater water content, this wavelength minimum shifts to a wavelength of almost 1.304 nm ( 10 ).

Diese Beispiele zeigen, dass die Wellenlängenverschiebung mit hoher Genauigkeit erfasst und dementsprechend auch der Feuchtegehalt im zu messenden Medium sehr genau bestimmt werden kann.These examples show that the wavelength shift is detected with high accuracy and accordingly the moisture content in the medium to be measured can be determined very accurately.

11 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Sensors. Im Unterschied zu den vorigen Ausführungsbeispielen sind zwei Wellenleiter 1, 5 vorgesehen, zwischen denen sich der Ringresonator 2 befindet. Beide Wellenleiter 1, 5 bestehen vorteilhaft aus dem gleichen Material, wie beispielsweise aus ionenimplantierten Gläsern oder Kristallen oder aus optischen PVD-Schichten, die zum Beispiel aus SiO2, ZrO2, TiO2 oder Ta2O5 bestehen. In den Wellenleiter 1 wird das Licht 8 eingeleitet, das in der beschriebenen Weise teilweise in den Ringresonator 2 eingekoppelt wird. Die im Ringresonator 2 sich bildenden Modenspektren bzw. diskreten Wellenlängenmaxima werden in den Wellenleiter 5 ausgekoppelt, der das ausgekoppelte Licht 8' weiterleitet. Das ausgekoppelte und durch den Wellenleiter 5 weitergeleitete Licht 8' kann separat einem Spektrometer zugeführt werden. 11 shows a further embodiment of a sensor. In contrast to the previous embodiments, two waveguides 1 . 5 provided between which is the ring resonator 2 located. Both waveguides 1 . 5 are advantageously made of the same material, such as from ion-implanted glasses or crystals, or of PVD optical layers consisting, for example, of SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 or Ta 2 O 5 . In the waveguide 1 becomes the light 8th introduced, in the manner described partially in the ring resonator 2 is coupled. The in the ring resonator 2 forming mode spectra or discrete wavelength maxima are in the waveguide 5 decoupled, the decoupled light 8th' forwards. The decoupled and through the waveguide 5 forwarded light 8th' can be fed separately to a spectrometer.

Die beiden Wellenleiter 1, 5 sind vorteilhaft mit dem gleichen Messabstand 9 neben dem Ringresonator 2 angeordnet.The two waveguides 1 . 5 are advantageous with the same measuring distance 9 next to the ring resonator 2 arranged.

Aus dem Transmissionsspektrum, das sich beim Einkoppeln des Lichtes 8 aus dem Wellenleiter 1 in den Ringresonator 2 ergibt, kann bei einer auftretenden Wellenlängenverschiebung in der beschriebenen Weise der Feuchtegehalt ermittelt werden.From the transmission spectrum, which is when coupling the light 8th from the waveguide 1 in the ring resonator 2 results, with a occurring wavelength shift in the manner described, the moisture content can be determined.

Bei der Ausführungsform gemäß 12 sind wiederum die beiden Wellenleiter 1, 5 vorgesehen, von denen der Wellenleiter 1 das Licht 8 in den Ringresonator 2 einkoppelt, wie anhand der vorigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist. Neben dem Ringresonator 2 befindet sich ein zweiter Ringresonator 10, der mit dem Messabstand 9 neben dem Ringresonator 2 liegt. Dadurch kann Licht aus dem Ringresonator 2 in den Ringresonator 10 eingekoppelt werden. Der Wellenleiter 5 sorgt dafür, dass das im Ringresonator 10 laufende Modenspektrum bzw. die diskreten Wellenlängenmaxima in den Wellenleiter 5 ausgekoppelt werden. Das ausgekoppelte Licht 8' kann wiederum einem Spektrometer zugeführt werden.In the embodiment according to 12 are in turn the two waveguides 1 . 5 provided, of which the waveguide 1 the light 8th in the ring resonator 2 coupled, as has been described with reference to the previous embodiments. Next to the ring resonator 2 there is a second ring resonator 10 , with the measuring distance 9 next to the ring resonator 2 lies. This can cause light from the ring resonator 2 in the ring resonator 10 be coupled. The waveguide 5 makes sure that in the ring resonator 10 current mode spectrum or the discrete wavelength maxima in the waveguide 5 be decoupled. The decoupled light 8th' in turn can be fed to a spectrometer.

Der Einsatz zweier nebeneinander liegender Ringresonatoren 2, 10 bietet den Vorteil, dass der zweite Ringresonator 10 so dimensioniert sein könnte, dass er z. B. nur jedes zweite Wellenlängenmaximum vom Ringresonator 2 abgreift und auf diese Weise einen doppelt so großen freien Spektralbereich ermöglicht. Dieses Prinzip ist dann hilfreich, wenn die Wellenlängenverschiebung zwischen maximaler Trockenheit und maximaler Feuchte größer wäre als der freie Spektralbereich im ersten Ringresonator 2. Auf diese Weise kann der gesamte Feuchtebereich ohne Mehrdeutigkeiten erfasst werden.The use of two adjacent ring resonators 2 . 10 offers the advantage that the second ring resonator 10 could be so dimensioned that he z. B. only every second wavelength maximum from the ring resonator 2 and thus allows twice as large free spectral range. This principle is helpful if the wavelength shift between maximum dryness and maximum humidity is greater than the free spectral range in the first ring resonator 2 , In this way, the entire humidity range can be detected without ambiguity.

13 zeigt die Möglichkeit, mehrere Ringresonatoren 2 bis 4 hintereinander zwischen den beiden Wellenleitern 1 und 5 anzuordnen. Das Licht 8, das dem Wellenleiter 1 zugeführt wird, wird in der beschriebenen Weise in die jeweiligen Ringresonatoren 2 bis 4 eingekoppelt und in den Wellenleiter 5 ausgekoppelt. Das ausgekoppelte Licht 8' kann mit dem Wellenleiter 5 beispielsweise dem Spektrometer zugeführt werden. Außerdem dient der Wellenleiter 5 bei dieser Ausführungsform zusätzlich dazu, weitere diskrete Wellenlängenmaxima aus den Modenspektren der verschiedenen Ringresonatoren 2 bis 4 hinzu zu addieren. Auf diese Weise können z. B. mehrere bis viele Ringresonatoren mit unterschiedlichen Porengrößen von fein bis grob zum Einsatz kommen und dadurch verschiedene Gase voneinander unterschieden werden. Auch könnte ein Ring als Referenzsignal wirken, der Störeinflüsse kompensieren würde, sowie ein Ring aus einem anderen Material mit einem hohen thermooptischen Koeffizienten, welcher zur Bestimmung der Gastemperatur dienen könnte. 13 shows the possibility of multiple ring resonators 2 to 4 one behind the other between the two waveguides 1 and 5 to arrange. The light 8th that the waveguide 1 is supplied in the manner described in the respective ring resonators 2 to 4 coupled and into the waveguide 5 decoupled. The decoupled light 8th' can with the waveguide 5 be supplied to the spectrometer, for example. In addition, the waveguide serves 5 in this embodiment, in addition thereto, further discrete wavelength maxima from the mode spectra of the various ring resonators 2 to 4 to add. In this way, for. B. several to many ring resonators come with different pore sizes from fine to coarse and thus different gases are distinguished from each other. Also, a ring could act as a reference signal that would compensate for interference, and a ring made of another material with a high thermo-optic coefficient, which could serve to determine the gas temperature.

In 13 ist durch die zwischen den Ringresonatoren 3 und 4 angegebenen Punkte angedeutet, dass die Zahl der Ringresonatoren je nach Anwendungsfall des Sensors variieren kann.In 13 is through the between the ring resonators 3 and 4 indicated points that the number of ring resonators may vary depending on the application of the sensor.

Beim Ausführungsbeispiel nach 14 sind zwischen den beiden Wellenleitern 1, 5 die Ringresonatoren 2 bis 4 und 10 bis 12 jeweils paarweise vorgesehen. Das über den Wellenleiter 1 zugeführte Licht 8 wird in die jeweiligen Ringresonatoren 2 bis 4 eingekoppelt. Dieses eingekoppelte Licht wird seinerseits in die Ringresonatoren 10 bis 12 eingekoppelt, die das Licht in den Wellenleiter 5 auskoppeln. Dieses ausgekoppelte Licht 8' wird wiederum beispielsweise einem Spektrometer zugeführt. Wie beim Ausführungsbeispiel nach 13 erläutert, werden die Wellenlängenmaxima aus den Modenspektren der einzelnen Ringresonatoren 10 bis 12 dem Wellenleiter 5 zugeführt, der somit diese Wellenlängenmaxima aufaddiert.According to the embodiment fourteen are between the two waveguides 1 . 5 the ring resonators 2 to 4 and 10 to 12 in pairs. That over the waveguide 1 supplied light 8th gets into the respective ring resonators 2 to 4 coupled. This coupled light is in turn in the ring resonators 10 to 12 coupled to the light in the waveguide 5 couple out. This decoupled light 8th' In turn, for example, is fed to a spectrometer. As in the embodiment according to 13 explained, the wavelength maxima from the mode spectra of the individual ring resonators 10 to 12 the waveguide 5 supplied, which thus adds up these wavelength maxima.

Auch bei dieser Ausführungsform können, wie durch die Punkte angedeutet, weitere Ringresonatoren in beiden senkrechten Reihen vorgesehen werden, je nach Einsatzfall des Sensors.Also in this embodiment, as indicated by the points, further ring resonators can be provided in both vertical rows, depending on the application of the sensor.

Die 15 bis 17 zeigen ein konkretes Ausführungsbeispiel eines Sensors. Der Wellenleiter 1 befindet sich in einem Träger 13, der beispielsweise aus Glas oder aus Kristall bestehen kann. Die beiden Enden 14, 15 des Wellenleiters 1 münden in eine Stirnseite 16 des Trägers 13. Die an die Enden 14, 15 anschließenden Abschnitte 17, 18 des Wellenleiters 1 verlaufen zunächst parallel zueinander und gehen über ein Schlaufenteil 19 ineinander über. Der Wellenleiter 1 liegt mit geringem Abstand unterhalb der Oberseite 20 des Trägers 13.The 15 to 17 show a concrete embodiment of a sensor. The waveguide 1 is in a carrier 13 , which may be made of glass or crystal, for example. The two ends fourteen . 15 of the waveguide 1 open into a frontal side 16 of the carrier 13 , The at the ends fourteen . 15 subsequent sections 17 . 18 of the waveguide 1 initially run parallel to each other and go over a loop part 19 into each other. The waveguide 1 is located at a short distance below the top 20 of the carrier 13 ,

Auf der Trägeroberseite 20 sind die beiden Ringresonatoren 3 und 4 angeordnet, die sich in Höhe des Schlaufenteiles 19 des Wellenleiters 1 befinden, in Draufsicht auf den Sensor gesehen. Die Ringresonatoren 3, 4 liegen mit Abstand nebeneinander und sind so in Bezug auf den Wellenleiter 1 angeordnet, dass sie ihn, in Draufsicht gemäß 15 gesehen, überlappen (s. auch 16).On the carrier top 20 are the two ring resonators 3 and 4 arranged at the level of the loop part 19 of the waveguide 1 seen in plan view of the sensor. The ring resonators 3 . 4 are spaced next to each other and so are in relation to the waveguide 1 arranged them according to plan view 15 seen, overlap (see also 16 ).

Das in den Wellenleiter 1 eingespeiste Licht 8 wird in die Ringresonatoren 3, 4 in der beschriebenen Weise eingekoppelt. Die Ringresonatoren 3, 4 kommen, da sie an der Oberseite 20 des Trägers 13 angeordnet sind, mit dem zu messenden Medium in Berührung. Die Moleküle der eventuell im Medium enthaltenen Feuchtigkeit lagern sich in der porösen Schicht mindestens eines Ringresonators 3 und/oder 4 ab und führen in der beschriebenen Weise zu einer Wellenlängenverschiebung der Wellenlängenminima, wie anhand der vorigen Ausführungsbeispiele erläutert worden ist.That in the waveguide 1 fed light 8th gets into the ring resonators 3 . 4 coupled in the manner described. The ring resonators 3 . 4 come as they are at the top 20 of the carrier 13 are arranged, with the medium to be measured in contact. The molecules of any moisture contained in the medium are deposited in the porous layer of at least one ring resonator 3 and or 4 in the manner described, lead to a wavelength shift of the wavelength minima, as has been explained with reference to the previous exemplary embodiments.

18 zeigt einen Schnitt durch den Sensor gemäß 11. Auf einem Träger 6, der beispielhaft aus Glas oder Kristall bestehen kann, sind die beiden Wellenleiter 1 und 5 aufgebracht, zwischen denen sich der Ringresonator 2 befindet. Die Wellenleiter 1, 5 und der Ringresonator 2 lassen sich an der Oberseite 21 des Trägers 6 sehr einfach aufbringen. Während der Messung ist der Sensor so angeordnet, dass das zu messende Medium mit dem Ringresonator 2 in Kontakt kommt, so dass sich Feuchtigkeitsmoleküle in den Poren der porösen Schicht des Ringresonators 2 absetzen können. 18 shows a section through the sensor according to 11 , On a carrier 6 , which can be made of glass or crystal, are the two waveguides 1 and 5 applied, between which is the ring resonator 2 located. The waveguides 1 . 5 and the ring resonator 2 can be at the top 21 of the carrier 6 very easy to apply. During the measurement, the sensor is arranged so that the medium to be measured with the ring resonator 2 comes into contact, allowing moisture molecules in the pores of the porous layer of the ring resonator 2 can settle.

Die Ausführungsform gemäß 19 unterscheidet sich von der vorigen Ausführungsform dadurch, dass die beiden Wellenleiter 1, 5 nicht an der Oberseite, sondern mit geringem Abstand von der Oberseite 21 innerhalb des Trägers 6 angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Wellenleitern 1, 5 und dem Ringresonator 2 ist so gewählt, dass das über den Wellenleiter 1 eingespeiste Licht in den Ringresonator 2 eingekoppelt und vom Ringresonator in den Wellenleiter 5 ausgekoppelt werden kann. Der Messabstand zwischen den Wellenleitern 1, 5 und dem Ringresonator 2 ist in diesem Falle senkrecht zur Trägeroberseite 21 vorhanden. Die Lage der Wellenleiter 1, 5 ist so gewählt, dass sie im Schnitt unterhalb des Ringresonators 2 liegen.The embodiment according to 19 differs from the previous embodiment in that the two waveguides 1 . 5 not at the top, but at a short distance from the top 21 inside the vehicle 6 are arranged. The distance between the waveguides 1 . 5 and the ring resonator 2 is chosen so that over the waveguide 1 fed light into the ring resonator 2 coupled and from the ring resonator in the waveguide 5 can be disconnected. The measuring distance between the waveguides 1 . 5 and the ring resonator 2 is in this case perpendicular to the carrier top 21 available. The location of the waveguides 1 . 5 is chosen so that it is sectioned below the ring resonator 2 lie.

20 zeigt eine Ausführungsform eines Sensors, der grundsätzlich den gleichen Aufbau wie der Sensor gemäß 19 hat. Der Ringresonator 2 ist von einer Mantelschicht 7 umgeben, die aus einem Material besteht, das eine kleinere Brechzahl n hat als der umhüllte Ringresonator 2. Die Mantelschicht 7 ist vorteilhaft eine optische PVD-Schicht. Sie kann beispielsweise aus SiO2 bestehen, das eine Brechzahl n von 1,45 hat. Der Ringresonator 2 kann in diesem Falle beispielsweise aus ZrO2 mit einer Brechzahl n von 2,14 bestehen. 20 shows an embodiment of a sensor, which basically has the same structure as the sensor according to 19 Has. The ring resonator 2 is of a cladding layer 7 surrounded by a material having a smaller refractive index n than the coated ring resonator 2 , The coat layer 7 is advantageous an optical PVD layer. It can for example consist of SiO 2 , which has a refractive index n of 1.45. The ring resonator 2 may in this case for example consist of ZrO 2 with a refractive index n of 2.14.

Die Mantelschicht 7 kann den Ringresonator 2 ganz oder auch nur teilweise umgeben. Die Mantelschicht 7 kann gegenüber dem zu messenden Gas oder der zu messenden Flüssigkeit sowohl als Schutzschicht als auch als Filterschicht oder als Einlagerungsschicht dienen. Im Falle einer Filterschicht hat die Mantelschicht 7 eine definierte Porengröße, die kleiner ist als die Porengröße des Materials des Ringresonators 2. Im Falle einer Einlagerungsschicht hat die Mantelschicht 7 eine definierte Porengröße, die größer ist als die Porengröße des Materials des Ringresonators 2.The coat layer 7 can the ring resonator 2 completely or partially surrounded. The coat layer 7 may be used both as a protective layer and as a filter layer or as a storage layer with respect to the gas to be measured or the liquid to be measured. In the case of a filter layer, the cladding layer has 7 a defined pore size that is smaller than the pore size of the material of the ring resonator 2 , In the case of an intercalation layer, the cladding layer has 7 a defined pore size that is greater than the pore size of the material of the ring resonator 2 ,

Die Ausbildung gemäß den 18 bis 20 kann bei den Sensoren vorgesehen sein, die die beiden beiderseits des oder der Ringresonatoren befindlichen Wellenleiter 1, 5 aufweist (11 bis 14).The training according to the 18 to 20 may be provided in the sensors, which are the two located on either side of the ring resonators or the waveguide 1 . 5 having ( 11 to fourteen ).

21 zeigt einen Sensor mit einem Schichtaufbau. Der Träger 6 ist im Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß den 18 bis 20 als Ring ausgebildet. Auf dem Träger 6 ist der Ringresonator 2 befestigt, der entsprechend der Ausführungsform gemäß 20 von der Mantelschicht 7 umgeben ist. Außerdem ist auf dem Träger 6 der Wellenleiter 1 befestigt. Er ist in die Mantelschicht 7 eingebettet, die den Ringresonator 2 umgibt. Der Wellenleiter 1 und der Ringresonator 2 mit der Mantelschicht 7 liegen in einer gemeinsamen Ebene und bilden eine erste Schicht 22, die auf dem Träger 6 befestigt ist. 21 shows a sensor with a layer structure. The carrier 6 is unlike the embodiments according to the 18 to 20 designed as a ring. On the carrier 6 is the ring resonator 2 attached, according to the embodiment according to 20 from the cladding layer 7 is surrounded. Besides, on the carrier 6 the waveguide 1 attached. He is in the coat layer 7 embedded the ring resonator 2 surrounds. The waveguide 1 and the ring resonator 2 with the cladding layer 7 lie in a common plane and form a first layer 22 on the carrier 6 is attached.

Auf der Schicht 22 ist unter Zwischenlage einer Isolierschicht 23 eine zweite Schicht 24 aufgebracht, die gleich ausgebildet ist wie die erste Schicht 22. Die Isolierschicht 23 verhindert, dass die beiden Schichten 22, 24 beim Messvorgang einander stören.On the shift 22 is with the interposition of an insulating layer 23 a second layer 24 applied, which is the same design as the first layer 22 , The insulating layer 23 prevents the two layers 22 . 24 interfere with each other during the measurement process.

Auf diese Weise sind auf dem Träger 6 übereinander unter Zwischenlage jeweils einer Isolierschicht 23 weitere Schichten 25, 26 aufgebracht. Die Punkte oberhalb des Sensors zeigen an, dass weitere Schichten vorgesehen sein können.This way are on the carrier 6 one above the other with the interposition of an insulating layer 23 more layers 25 . 26 applied. The dots above the sensor indicate that additional layers may be provided.

Bei den Ausführungsformen mit mehreren Ringresonatoren besteht die Möglichkeit, die Ringresonatoren auf unterschiedliche Spurenbestandteile abzustimmen. So kann beispielsweise mit Hilfe des einen Ringresonators Wasser und mit Hilfe des anderen Ringresonators Ammoniak im Medium in einem Messvorgang erfasst werden. Die Porengröße ist an die Molekülgröße der zu erfassenden Spurenbestandteile angepasst. Nachfolgend sind die Molekülgrößen einiger Spurenbestandteile angegeben: Wasser 0,28 nm Ammoniak 0,30 nm Kohlenstoffmonoxid 0,32 nm Kohlenstoffdioxid 0,33 nm Chlorwasserstoff 0,35 nm Schwefelwasserstoff 0,36 nm Methanol 0,38 nm Methylmercaptan 0,45 nm In the embodiments with multiple ring resonators, it is possible to tune the ring resonators to different trace constituents. Thus, for example, with the help of one ring resonator water and with the help of the other ring resonator ammonia can be detected in the medium in one measurement. The pore size is adapted to the molecular size of the trace constituents to be detected. The molecular sizes of some trace constituents are given below: water 0.28 nm ammonia 0.30 nm carbon monoxide 0.32 nm carbon dioxide 0.33 nm Hydrochloric 0.35 nm hydrogen sulfide 0.36 nm methanol 0.38 nm methyl mercaptan 0.45 nm

Die Poren des Ringresonators sind an die oben angegebenen Molekülgrößen so angepasst, dass sich die entsprechenden Moleküle in den Poren ablagern können.The pores of the ring resonator are adapted to the molecular sizes given above so that the corresponding molecules can be deposited in the pores.

Die Ringresonatoren 2 in den verschiedenen Schichten können auf unterschiedliche zu erfassende Bestandteile abgestimmt sein, so dass im zu messenden Medium die entsprechenden Spurenbestandteile erfasst werden können.The ring resonators 2 in the different layers can be matched to different components to be detected, so that the corresponding trace components can be detected in the medium to be measured.

22 zeigt den Sensor gemäß den 15 bis 17 mit dem Wellenleiter 1, der an eine Lichtquelle 27 angeschlossen ist. Sie ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine LED-Lichtquelle, mit der das Licht in den Wellenleiter 1 über ein Faserkabel 28 eingebracht wird. Das in den Wellenleiter 1 eingespeiste Licht durchläuft den Wellenleiter 1 in der beschriebenen Weise und gelangt am Ende 15 in ein weiteres Faserkabel 29, das das ausgekoppelte Licht einem Polychromator 30 zuführt. Das Licht tritt über eine Schlitzblende 31 in den Polychromator 30 ein und gelangt auf ein konkaves Gitter 32, an dem das Licht zu einem CCD-Detektor 33 reflektiert wird. Er ist an das (nicht dargestellte) Messgerät angeschlossen, das die vom Detektor 33 kommenden Signale in der beschriebenen Weise auswertet. 22 shows the sensor according to the 15 to 17 with the waveguide 1 that is connected to a light source 27 connected. It is in the illustrated embodiment, an LED light source with which the light in the waveguide 1 over a fiber cable 28 is introduced. That in the waveguide 1 fed light passes through the waveguide 1 in the manner described and ends up 15 in another fiber cable 29 that the decoupled light is a polychromator 30 supplies. The light passes over a slit diaphragm 31 in the polychromator 30 and enters a concave grid 32 at which the light to a CCD detector 33 is reflected. It is connected to the meter (not shown), that of the detector 33 evaluates incoming signals in the manner described.

Claims (14)

Optischer Sensor zur Messung von Spurenbestandteilen in Flüssigkeiten und/oder Gasen, mit mindestens einem optischen Resonator, der wenigstens eine poröse Schicht aufweist, deren Poren zur Aufnahme von Feuchteteilchen dienen, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator ein Ringresonator (2 bis 4, 10 bis 12) ist, dem wenigstens ein optischer Wellenleiter (1, 5) zugeordnet ist, in den Licht (8) eingespeist wird, das in den Ringresonator (2 bis 4, 10 bis 12) teilweise ausgekoppelt wird.Optical sensor for measuring trace constituents in liquids and / or gases, comprising at least one optical resonator having at least one porous layer, the pores of which serve to receive wet particles, characterized in that the resonator is a ring resonator ( 2 to 4 . 10 to 12 ), to which at least one optical waveguide ( 1 . 5 ) is assigned to the light ( 8th ) fed into the ring resonator ( 2 to 4 . 10 to 12 ) is partially decoupled. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ringresonator (2 bis 4, 10 bis 12) ein weiterer Wellenleiter zugeordnet ist, in den das in den Ringresonator (2 bis 4, 10 bis 12) eingekoppelte Licht (8) wenigstens teilweise ausgekoppelt wird.Sensor according to claim 1, characterized in that the ring resonator ( 2 to 4 . 10 to 12 ) a further waveguide is assigned, in which the in the ring resonator ( 2 to 4 . 10 to 12 ) coupled light ( 8th ) is at least partially decoupled. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in den weiteren Wellenleiter (1, 5) ausgekoppelte Licht (8') einem Spektrometer zuführbar ist.Sensor according to claim 2, characterized in that in the further waveguide ( 1 . 5 ) decoupled light ( 8th' ) is fed to a spectrometer. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Ringresonatoren (2 bis 4, 10 bis 12) hintereinander längs des Wellenleiters (1, 5) angeordnet sind.Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that a plurality of ring resonators ( 2 to 4 . 10 to 12 ) in succession along the waveguide ( 1 . 5 ) are arranged. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Ringresonatoren (2 bis 4, 10 bis 12) das eingekoppelte Licht in den weiteren Wellenleiter (1, 5) wenigstens teilweise auskoppeln.Sensor according to claim 4, characterized in that the plurality of ring resonators ( 2 to 4 . 10 to 12 ) the coupled light in the further waveguide ( 1 . 5 ) decouple at least partially. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Wellenleitern (1, 5) zwei aneinander liegende Ringresonatoren (2 bis 4, 10 bis 12) vorgesehen sind.Sensor according to one of claims 2 to 5, characterized in that between the two waveguides ( 1 . 5 ) two adjacent ring resonators ( 2 to 4 . 10 to 12 ) are provided. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere paarweise aneinander liegende Ringresonatoren (2 bis 4, 10 bis 12) hintereinander angeordnet sind.Sensor according to claim 6, characterized in that a plurality of annular resonators arranged in pairs ( 2 to 4 . 10 to 12 ) are arranged one behind the other. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Ringresonator/-en (2 bis 4, 10 bis 12) und der/die Wellenleiter (1, 5) an einem Träger (6, 13) vorgesehen sind. Sensor according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the ring resonator (s) ( 2 to 4 . 10 to 12 ) and the waveguide (s) ( 1 . 5 ) on a support ( 6 . 13 ) are provided. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Ringresonator/-en (2 bis 4, 10 bis 12) auf einem Träger (6, 13) angeordnet und der/die Wellenleiter (1, 5) in den Träger (6, 13) eingebettet ist/sind.Sensor according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the ring resonator (s) ( 2 to 4 . 10 to 12 ) on a support ( 6 . 13 ) and the waveguide (s) ( 1 . 5 ) in the carrier ( 6 . 13 ) is / are embedded. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Ringresonator/-en (2 bis 4, 10 bis 12) von einer Mantelschicht (7) ganz oder teilweise umgeben ist/sind, deren Material eine kleinere Brechzahl (4) aufweist als das Material des Ringresonators.Sensor according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the ring resonator (s) ( 2 to 4 . 10 to 12 ) of a cladding layer ( 7 ) is wholly or partly surrounded, whose material has a smaller refractive index ( 4 ) than the material of the ring resonator. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Ringresonator/-en (2 bis 4, 10 bis 12) von einer Filterschicht (7) ganz oder teilweise umgeben ist/sind, deren Material zum Filtern von Molekülen eine kleinere Porengröße aufweist als das Material des Ringresonators.Sensor according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the ring resonator (s) ( 2 to 4 . 10 to 12 ) of a filter layer ( 7 ) is or are completely or partially surrounded, whose material for filtering molecules has a smaller pore size than the material of the ring resonator. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Ringresonator/-en von einer Einlagerungsschicht mit entsprechender Porengröße für Moleküle umgeben ist/sind.Sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the / the ring resonator / s is surrounded by a storage layer with a corresponding pore size for molecules / are. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (1, 5) aus ionenimplantierten Gläsern oder Kristallen oder optischen PVD Schichten besteht.Sensor according to one of claims 1 to 12, characterized in that the waveguide ( 1 . 5 ) consists of ion-implanted glasses or crystals or optical PVD layers. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der/die Ringresonator/-en (2 bis 4, 10 bis 12) wenigstens eine optische PVD-Schicht aufweist/-en, wie SiO2, ZrO2, TiO2 oder TaO5.Sensor according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the ring resonator (s) ( 2 to 4 . 10 to 12 ) has at least one optical PVD layer, such as SiO 2 , ZrO 2 , TiO 2 or TaO 5 .
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