技术领域

本发明涉及一种集成光学带状波导。由于这种带状波导的新特性， 开拓了各种波长的光和/或至少一种波长范围的光的调制或开关和/或空 间聚合所要求的新应用领域。本发明与同一天提交的专利申请“由带状 波导制成的合波-分波器及其应用”和“彩色图象产生系统及其应用” 有关联。

技术背景

在集成光学内，设计集成光学带状波导的尺寸及以此为基础设计结 构部件的尺寸时，实施的主要方法之一是与应用目的决定的具体波长相 应，以合适的方式选择带状波导的几何参数和材料参数。根据光通信技 术的现状，这里特指标准化单模和多模光纤的传输特性的现状，以及迄 今可供使用的衬底材料和波导制造工艺及受传统的结构传输法(例如照 相平板法)的限制，至今集成光学差不多仅在红外波长的范围内应用。 面对这种背景，在集成光学领域内至今也并无需要研究本说明书中所确 定的含义的光带宽，即光同时以单模而有效的方式在带状波导内传播的 波长范围。在有关集成光学的文献中既未看到涉及这个问题的带状波导 的研究，也不存在有关这种波长传播模式的有效折射率的描述。因此， 迄今为止既未发表过涉及这个问题的理论计算，也未提出制造和研究带 状波导，其按上述定义的光带宽包含例如约400nm的波长范围，尤其指 整个可见光范围。

为了藉助于集成光学结构元件来进行光的传播、调制和/或开关，必 须制造光波导，其功能在于提高波导范围内的折射率，例如带状波导或 光纤(参阅W.Karthe，R，Muller，Integrierte Optik，Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K-G，Leipzig，1991)。

准波导(例如ARROW)提供了光传播和调制的另外的可能性。 (参阅M.Mann，U，Trutschel，C.Wachter，L.Leine，F.Lederer， “Directional coupler based on an antiresonant reflecting optical waveguice”，Opt.lett.，Vol.16(1991)，No.11，PP.805-807)。

当波导只传播基模，则有利于光的有效调制和/或开关。因此，不同 的光波长要求不同的特征波导参数值，这通常要求对不同光波长应用不 同的波导。

与此相反，单模光纤具有单模有效传播宽光谱范围的光的本身公知 的特性。

至今，还不知道具有这样特性的在衬底材料内(或上)的带状波导， 即能在同一波导内(从技术上看)单模、高效地传播波长差大于约130nm (适用于短波可见光)的各种波长的光。

发明任务

本发明的任务是在同一带状波导内单模传播若干波长或波长区的 光。因此，如果需要在带状波导内的光导应当是可以开关和调制的。各 种波长的光束在波长差大于约130nm(适用于短波可见光)时从技术上 看能以足够效率传播的。

进一步地将开发具有新特性的传感器。 发明的详细说明

本发明的任务是通过一种具有独立权利要求1特征的带状波导来解 决。权利要求2到18是主要权利要求1的进一步构型。

有关可开关性和可调制性应用方面的发明任务由权利要求19或21 的特征来解决。从属权利要求21是独立权利要求19的一种构型。

有关作为传感器应用方面的发明任务由独立权利要求22的特征来 解决。从属权利要求23到25是独立权利要求22的各个构型。

本发明在于成功地制造单模的垂直于光的传播方向的两维上严格 限制的通道，它具备可以传播相对宽带的光的特性(权利要求1)。二 维严格限制意味着：以置入衬底的槽或以涂覆在衬底面上的带的形式的 通道是可以制造的，它们具有一个严格限制的截面形状。截面形状可以 是任意的，尤其是带形的、矩形的、三角形的、圆形的、椭圆形的或多 角形的。槽或涂覆的带可以通过合适的衬底材料一定的改良或至少由两 种材料组合而成。为此必须的处理方法是本身公知的。当波导必须的折 射率增高的分散率(Dispersion)d(n2-ns)/dλ大于或等于零时，光的 宽带传播占优势(权利要求3)。

此外还发现：只有在波导必须的折射率增高的分散率d(n2-ns)/dλ 大于或等于零时，具有并不严格限制通道的带状波导也具有传播相对宽 带的光的特性(权利要求2)。

在任何情况下，一种单模集成光学宽带带状波导(以下称为 EOBSW)有能力单模宽带地传播光。所谓宽带指的是各种波长的光束， 尤其是可见光可以以带宽。

Δλ＞0.48×λ-85nm (式中λ和Δλ单位为nm，以及从技术上看，具有足够效率单模传播。 这意味着对可见光而言，带宽大于约100nm(图7b)。

所谓单模指的是对于每一种波长范围内的波长只对应一种，并且是 唯一的有效折射率。(图7a)。

这里，光被理解为可见光和不可见光即红外光和紫外光以及电磁 幅射。所谓技术上有足够效率的传播指的是，在EOBSW内传播模式 的有效折射率Neff至少必须比周围材料的折射率ns高5×10-5，这 里ns表示取衬底折射率n1或涂层折射率n3中的较大者。这是一个必 需的先决条件，以便使波导衰减达到1dB/CM范围内的较低的值，由 此来实现技术上高效可置入的带状波导。对于在λ1和λ1+Δλ范围内 每一种给定的波长，对应有一种唯一的有效折射率，即有效的基模折 射率。单模性的范围一方面从技术上看是由波长λ1+Δλ处的基模N00 的高效起振决定，另一方面从技术上看是由波长λ1处的侧向第一模 N01的高效起振或深度方向第一模N10的高效起振来决定。λ1和λ1+ Δλ值由带状波导的几何材料参数和包围带状波导的介质的几何材料 参数决定。原则上可利用的波长最小值λmin和最大值λmax由应用材料 的传输范围决定。

例如就晶体材料KTiOPO4而言，最小值约为350nm而最大值约为 4μm。

此外，所谓技术上高效指的是在整个单模，可传播的波长范围中， 波导衰减和在EOBSW和单模光纤之间的光耦合效率变化不应大于30％， 因为通常，光藉助于单模光纤耦合入EOBSW内。应用传统的带状波导 是不可能在同一带状波导内单模且技术上有足够效率来传播(例如)红 光和兰光的。参数包括衬底的折射率，涂层的折射率，EOBSW的一维 或二维折射率剖面，在衬底内(或上)EOBSW的截面形状(例如宽度 和深度)和长度，是这样设计的，在Δλ＞130nm的较大波长范围(适用 于短波可见光)保证EOBSW的单模运行，即对于波长范围内一种给定 的波长，只对应一种唯一有效折射率(W.Karthe，R.Muller，Integriete Optik，Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig K.-G.，Leipzig， 1991)。尤其能够传播所有可见光波长范围内的光波。因此，在同一 EOBSW内，在整个可见光范围，可以实现单模、(且从技术上看)具 有相同效率地传播光波。因此，一种真正的单模，白光带状波导呈现在 我们面前。

根据发明所述的EOBSW的特点是制造上采用特别相称的方法，并 具备特殊的性能。对衬底材料物理上的要求是侧向严格受限的结构的可 制造性(例如利用离子交换时的扩散的各向异性)和/或与包围EOBSW 的材料相比，对波导必需的折射率增高的分散率相应的公式为： $\frac{d(n_{\text{2}}-n_s)}{\mathrm{d\lambda }}\ge 0$ 式中，如果n1＞n3，则ns＝n1；或如果n3＞n1，则ns＞n3。

EOBSW是根据以下所述方法之一制成的： —介电晶体(如KTiOPO4(KTP)，LiNbO3和LiTaO3)内进行离 子交换或离子扩散， —玻璃内进行离子交换， —在合适的衬底(如Si)上用聚合物进行喷射浇铸处理、压印处理和弹 射处理，由此产生脊形或反脊形或彼得曼(Petemann)波导， —通过在合适的衬底(如SiO2)上外延沉积法制成的II-VI族或III-V 族半导体材料EOBSW， —通过掺杂或合金法制成的II-VI族或III-V族半导体EOBSW， —三元或四元II-VI族或III-V族半导体异质结构的EOBSW， —脊形或反脊形或彼得曼(Petermann)波导(用II-VI族或III-V族 半导体材料)， —在合适衬底材料(优选Si)内(或上)通过Si、SiO3、SiON层和/ 或其它的氧化物层和/或氮化物层的组合制成的EOBSW， —在合适的衬底材料上的采用溶胶-凝胶处理法(参阅S.Pelli， G.C.Righini，A.Verciani“Laser Writing of optical waveguides in sol- gel films”，SPIE 2213，International Symposium on integrated optics， pp.58-63，1994)， —离子注入所有上述材料内。

光学带状波导的制造法，尤其是对介电晶体进行离子交换或离子扩 散，或在玻璃内进行离子交换都可以与离子注入法有效地组合，以获得 严格限制的结构。

根据发明提供的EOBSW能使光在一个相当宽的光谱范围内进行 光波导、光调制和/或光开关。在EOBSW内按下述原理实现光的相位 调制、振幅调制和/或光的偏振： —电光、声光、热光、磁光、光光或光热调制， —通过向半导体材料内注入或空耗自由载流子来改变有效折射率， —在充分利用法布里-珀罗(Fabry-Perot)效应情况下，进行电光、 声光、热光、磁光、光光或光热调制， —在充分利用法布里-珀罗(Fabry-Perot)效应情况下，通过向半导 体材料内注入或空耗自由载流子来改变有效折射率，从而达到调制的目 的， —电光、声光、热光、磁光、光光或光热截止调制， —基于通过向半导体内注入或空耗自由载流子改变有效折射率实现截 止调制， —可控制的波导放大， —可控制的偏振转动， —波导模式变化或 —电吸收调制。

光调制也能在EOBSW以外实现，藉助于： —改变光源和带状波导间的耦合效率或 —调制光源本身，或进一步 —光衰减器(例如光楔)或 —移相器(例如波凯尔光电元件)或 —偏振转动器作为外部结构元件。

EOBSW内光的调制在相位、振幅和偏振方向上是可实现的。

外电场Eelektr.对衬底材料的折射率有影响，并以好的近似显示外 电场对传播模式的有效折射率也有影响，相应公式为： $\Delta \left|\frac{1}{{n^2}_{\mathrm{ij}}}\right|=\underset{k=1}{\overset{3}{\Sigma }}{r}_{\mathrm{ijk}}{E}_k$ 式中nij为材料的折射率，rijk为线性电光学张量，而i，j＝1，2，3。

通过相应的张量分量的有效的变化即可以改变材料本身的折射 率，也可以改变材料的双折射。对于一定的光的线性偏振nij可以简化为 有效折射率n。

相位调制意味着：通过改变其传播常数，即其有效的折射率Neff， 传播模式的相位状态(相位角值)的相应变化公式为 与波长有关，式中L表示电场对EOBSW的有效作用长度，通过它等于 电极的有效长度。此外在带状波导内有

Δn≈ΔNeff.

EOBSW内的振幅调制或强度调制，即意味着截止调制，也意味着 在应用集成光学法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振器下的调制。截止 调制意味着对波导必需的折射率增高n2-ns进一步减小，以至于大大增 加了波导模式的衰减量，在极端情况下，不再有波导模式传播。

偏振模式意味着：基于S(o.G)效应(即双弯曲形效应)诱导的 双折射变化，导至传播光的偏振状态的改变。

对于上述所有调制类型而言，带状波导不致丢失单模传播宽光谱带 波长的特性。

在利用上述原理时，整个可见光光谱范围的光都可以通过唯一的 EOBSW单模传播和调制。

在合适设计EOBSW的情况下，在其它光谱范围，例如紫外光或红 外光光谱范围，同时单模传播若干波长或波长范围在Δλ＞0.48×λ- 85nm的范围内是可能的，这里的范围受限于应用材料的传输范围。 EOBSW的特性可以用于例如测量技术、传感器、光度计和光谱仪(例 如在应用干涉计法情况下)，由此奠定了一种新的微系统技术结构元件 族的基础。

根据权利要求的EOBSW具有下述优点： —光的单模宽带传播； —直到GHz范围(根据当前的技术状况)从技术含义而言有效的光的 可调制性和/或光的可开关性； —各按要求的不同，选择与波长有关的调制结构或与波长无关的调制结 构(例如电吸收调制、光源调制、光楔)是可能的； —与体积光波凯尔源或克尔源相比，较低的电光调制电压(几百伏)， 因此可以与微电子学的方法、结构和元部件结合； —在应用KTP作为衬底材料时，可以在EOBSW内传播高的光功率密 度而无相位变化(材料对光诱导的折射率变化的高稳定性)。

对整个可见光波长范围，集成光宽带波导是对集成光学的一种基本 技术革新，一类完全新的原则解决方法(例如在多介质区，在传感器、 在量测技术和光谱学方面)成为可能。

附图的简单说明

以下将根据附图对发明作出说明。附图为：

图1：描绘了Ti：LiNbO3带状波导内的结构和折射率分布，

图2：Ti：LiNbO3带状波导的单模范围，

图3：描绘了Rb：KTP-EOBSW内的结构和折射率分布，

图4：Rb：KTP-EOBSW的单模范围，

图5：EOBSW在衬底材料内或在衬底材料上的配置及波导区的截 面形状，

图6：具有相位调制器的Rb：KTP-EOBSW，

图7：对于在EOBSW内，单模波导技术上重要的波长范围的概要 表示，

图8：EOBSW作为传感器的应用。

实施发明的途径

在图1和图2中图解说明一种公知的在LiNbO3内扩散了Ti的带状 波导的特性。

与此相反，图3和图4描绘了一种根据本发明所述的单模集成光 学宽带带状波导(基于KTP内铷钾离子交换的带状波导)EOBSW 有关其带宽的特性。在图2和图4中与衬底折射率n1有关的有效折射 率Neff Z的图形选择为波长的函数。每一种波导模式对应一种有效折 射率值Neff，它处于n1及n3之中较大者和n2之间。Neff值与波长、 衬底的折射率和波导折射率或折射率剖面以及波导的几何结构有 关。因此带有脚标ik(I，k≥0，整数)的每一种模式在图中是用其 有效折射率曲线Nik描绘的，这里的i表示深度方向模的序数，而k 则表示侧向模的序数。

如果对于波长范围内一给定波长只有一个唯一的有效折射率与之 对应，则这种波导是单模的。从技术上看，为了光的顺利传播，各种模 的有效折射率必须至少比n1和/或n3高出5×10-5。因此带宽可以直 接读取。从技术上看，图7a是一般化描绘了在带状波导内单模高效传 播的波长范围。图7b表示一种根据本发明所述的KTP-EOBSW和另 一种传统的，在LiNbO3内扩散入Ti的带状波导的单模可传播的波长范 围与波长本身的关系。除此之外，在图7b中根据本发明描述的EOBSW 的范围总地与对应于现有技术的带状波导划清了界线。

图1和图2首先以Ti扩散的带状波导为例阐明了这种关系。

图1给出了在衬底材料1内的一种带状波导2。为了制造传统的 带状波导，例如，在X方向切割的铌酸锂内扩散入钛。(R.V.Schmidt， I.P.Kaminow，Appl.Phys.Lett.，Vol.25(1974)，No.8，pp.458- 460)。为此，将一钛带11溅射到衬底表面上。当温度高于950℃时， 钛向晶体内扩散。在侧向扩散系数约为深度方向的一倍，因此带大大 变宽了。在扩散时间td之后，在结果带宽W时，折射率剖面的形状 可按照下列公式获得。    

扩散入Ti的带状波导，在可见光的波长范围内，不能单模传播带 宽几百nm的光(参照图7b)。波导2构成为几何上略有限制的宽度a 和深度t的槽。

槽具有折射率分布nw＝f(x，y)，表面折射率n2＝nw(x＝0， y＝0)，与周围的衬底材料的折射率n1相比提高了。图1的图给出了 折射率在x方向和y方向的定性分布。折射率分布在x方向(用x″方向 表示)和在y方向(用y″方向表示)连续过渡是典型的。

图2给出了在X切割的LiNbO3内示例选择的Ti扩散的带状波导 的单模范围。(X＝结晶的x轴，它相应于图1的y轴)。曲线描绘 了基模N00的Z偏振光的有效折射率(Neff，z，Z＝结晶的Z轴， 它相当于图1的x轴)和侧向1模N01的有效折射率。一条宽3.0μm， 厚15nm溅射的Ti带用作扩散源。扩散温度为1000℃，扩散时间为3 小时。

钛离子在LiNbO3内的扩散系数之比为：

Dx/Dy≈2 深度剖面按照

nw＝n1+(n2-n1)*exp(-(y)2/a2y) 计算，而侧向折射率分布按照

nw＝n1+(n2-n1)*0.5[erf((2x+W)/2ax)-erf((2x-W)/2ax)]， 计算。这里ax＝2(Dxtd)1/2，相当于图1中的宽度a/2，而 ay＝2(Dytd)1/2，相当于图1中的深度t，为2μm。当λ＝500nm时， n1＝2,2492；n2-n1＝O.0080；衬底折射率n1的分散率(Pispersion) 几乎为零。td值是扩散时间，erf是误差函数(参照J.ctyroky， M.Hofman，J.Janta，J.Schrofel，“3-D Analysis of LiNbO3：Ti Channel Waveguides and Directional Coupler”，IEEE J.of Quantum Electron.，Vol.QE-20(1984)，No.4，pp.400-409)。上述带状波 导在490nm到620nm范围，从技术上高效的意义而言，只传播基模， 即带宽Δλ＝130nm。有效折射率用有效指数法计算(G.B.Hocker， W.K.Burns“Mode dispersion in diffused channel waveguides by the effective index method”，Appl.Optics，Vol.16(1977)，No.1，pp113- 118)。

图3给出了在衬底材料1，例如在Z切割的KTiOPO4(KTP)内 的(根据本发明叙述的)单模集成光学宽带带状波导(EOBSW)2。 (M.Rottschalk，J-P.Ruske，K.Hornig，A.Rasch，“Fabrication and Characterization of Singlemode Channel Waveguides and Modulatorsin KTiOPO4 for the short Visible Wavelength Region”，SPIE2213， International Symposium on integrated Optics(1994)pp.152-163)。 衬底材料1附有一掩模，它只允许在未来的波导位置上自由地留下一隙 缝。铷-钾离子交换是在带有硝酸钡和硝酸钾组分的硝酸铷溶化物中实 现。扩散的优势方向只取深度方向，从而形成下述的折射率剖面。由此 可获得在侧向的折射率的阶梯形剖面。严格限制在狭长结构的可制造性 得以保证，因为几乎不存在侧向扩散，从掩模到波导的传送是以1∶1 的比例实现的。

在Rb：KTP波导内的折射率的分散率为d(n2-n1)/dλ≥0。这种分 散率有利于波导在较宽的波长范围Δλ内的单模性。EOBSW2在波长 范围约400nm内是单模的。EOBSW2是以宽a、深t几何上严格限 制的槽构成的。这种槽具有折射率分布为nw＝f(x，y)，表面折射 率n2＝nw(-a≤x″≤0，yf＝0)，比周围衬底材料的折射率n1增高 了。

图3的图给出了在x方向和y方向折射率的定性分布。典型情况是 在x方向(以x″方向表示)折射率尖锐突变，而在y方向(以y′方向表 示)折射率从n1到n2有较大的上升。

图4给出了一种按本发明所挑选的，在KTiOPO4内铷-钾离子交 换的EOBSW。

曲线表示基模N00的Z偏振光的有效折射率(Neff，z Z＝结晶的Z 轴，相应于图3的y轴)和侧向第1模的N01的有效折射率。当λ＝500nm 时，n1＝1,9010；衬底折射率的分散几乎为零(参阅L.P.Shi，Application of crystals of the KTiOPO4-type in the field of integrated optics， Dissertation Univ.Koln(1992))。

有效折射率用效率-指数法计算。此外n2-n1＝0,0037＝常数，适用 于整个波长范围。对扩散系数，有Dx/Dy＝10-3。侧向折射率剖面是具有 宽a＝4.0μm的阶梯形剖面(参照图3)。深度剖面根据表达式nw＝n1+ (n2-n1)*erf c(-y″/t)来计算，式中t＝4.0μm，erfc＝互补误 差函数。作为例子描述的EOBSW，在从470nm到870nm的波长范围， (从技术上有效的意义讲)只传播基模，即：Δλ＝400nm。

作为例子描述的EOBSW的制造是众所周知的。波导是在Z切割的 KTiOPO4，KTP衬底里通过铷-钾离子交换制成的。(J.D.Bierlein， A.Ferretti，L.H.Brixner，W.Y.Hsu，“Fabrication and Characrerization of optical waveguides in KTiOPO4”，Appl.phys.Lett.，Vol.50 (1987)，No.8，pp.1216-1218)。Z切割指的是产生波导的晶体平 面处于与结晶的Z轴垂直方向。

离子交换时扩散基本上只出现在深度方向是有利的。 (J.D.Bierlien，H.Vanherzeele，“Potassium titanyl Phosphate： Properties and new applications”，J.Opt.Soc.Am.B，Vol.6 (1989)，No4，pp.622-633)。

图5给出在衬底材料内或衬底材料上，EOBSW的可能的截面形 状：

图5a给出了以矩形、梯形或三角形槽的形式埋入衬底材料1内的 波导2，

图5b给出了埋藏入衬底材料1内波导2，

图5c给出了以矩形、梯形或三角形通道的形式置于衬底材料1上 的波导2，

图5d给出了带状加载波导2，从而矩形、梯形或三角形带5保证 光的侧向传播，

图5e给出了肋形或脊形波导，及

图5f给出了倒置肋形或脊形波导。

对于图5所列举的所有波导，如此调整光学参数，使得产生一种 EOBSW，如以图3和图4对Rb：KTP情况的描述中解释的那样。

图6给出了根据发明所述具有电极结构4的EOBSW在EOBSW2 内传播光的相位调制上的应用。光可调制性的可能性是通过应用一种有 可能影响输入信号的相位的衬底材料而实现的。输入信号是波长λ的光 或若干分立波长λi的光，和/或一个和多个波长范围Δλi的光。

KTiOPO4通过应用其高度线性的电光学系数，提供了应用电光相 位调制的可能性。EOBSW2和电极4如此安置在KTP衬底1上，使得 构成一种电光调制器。光源3的光耦合到EOBSW2的输入端E内。加 在电极4上的电压U控制在输出端A提供进一步应用的光的相位。 EOBSW具有单模传播宽谱范围光的特性(Δλ＞130nm，属于短波可见 光)。

图6的EOBSW是在Z切割的磷酸钛氧基钾(KTiOPO4，KTP) 衬底材料内通过离子交换(铷对钾)而制成的。为了能利用线性电光张 量rijk的最高，系数r333，电极必须根据图6安置，其中在衬底表面上， 一个第一电极浅薄地设置在波导槽旁边和一个第二电极与EOBSW2相 叠置。

藉助于加在电极上的电压U，在波导范围内，在Z方向(Z＝结 晶的Z轴，相应于图3的y方向)产生电场EZ分量。

按照方程式 $\Delta \left|\frac{1}{{n^2}_{\mathrm{ij}}}\right|=\underset{k=1}{\overset{3}{\Sigma }}{r}_{\mathrm{ijk}}{E}_k$ 和 电场分量引起相位变化，可以下式表示： 式中r333表示Z偏振光和Z方向电场的线性电光系数，Γ表示带状波导 内电场和传播的光模之间的重叠系数，d表示电极间距，L表示有效电 极长度。 

此外，在带状波导内，有关系式：Δn33≈ΔNeff.z。对于给定的控制 电压U和不同的波长λi，相位变化Δi不同。

在第一种情况，分立波长λ1的光聚束在EOBSW2的输入端E上。 这束光的相位得以调制，其作用相当于在公知的带状波导内的效果。

在第二种情况下，至少有二种分立波长λ1和λ2聚束在EOBSW2 的输入端E上。根据所加的调制电压，基于上述关系式，相位变化 Δ1不等于相位变化Δ2，因此，EOBSW2不致丢失单模传播光的 特性。

根据现今的技术状况，调制到频率在GHz的范围是可能的。为了 实现完满的交扰调制，在电极长mm的范围，电极间距μm的范围时， 控制电压U在0和约4伏之间。

图7表示对于根据本发明所述的EOBSW内的单模波导(根据权利 要求1)的技术上重要的波长范围的概要示图。所谓技术上重要指的是， 有效折射率Neff必须至少比ns超出5×10-5，这里ns表示衬底折射 率n1或涂层折射率n3两者中取较大者，以保证波导衰减足够低，例如 为1dB/CM。对于在λ1和λ1+Δλ范围内的每一种波长只对应一种唯一 的有效折射率，即基模的折射率N00。

单模性的范围，从技术上看，一方面在波长λ1+Δλ时由基模N00 的有效起振决定，另一方面从技术上看在波长λ1时由侧向第一模N01的 有效起振或深度方向第一模N10的有效起振所决定。λ1和λ1+Δλ值由 波导的几何-材料参数和波导周围介质的几何-材料参数决定。原则 上可利用的波长的最小值λmin和最大值λmax由所用材料的传输范围决 定。

对于晶体材料KTP，例如，λmin约为350nm，λmax约为4μm。

图7b给出了与现有技术相应的Ti：LiNbO3构成的带状波导和根据 本发明所述的EOBSW(Rb：KTP)两者的单模可传播的波长范围Δλ 与波长λ的关系。藉助于效率-指数法，基于有效折射率的计算，决定 单模可传播的波长范围Δλ(其方式与图2和图4相似，在那里，对参 考波长λ1＝500nm进行了计算)。

基于已知的波长与波导必须的折射率增高n2-n1之间的关系(分散 率)以及波长与衬底折射率之间的关系(分散率)，从具体的参考波长 λ1出发，在计算时，首先改变波导深度t，其次改变波导宽度a，一直 到第一模总是起振，最终改变波长，一直到基模N00消失。

单模可传播性的波长范围的上限是波长λ1+Δλ，在此波长范围内， 带状波导的有效折射率超过衬底折射率n1为5×10-5。单模可传播的 波长范围的大小与参考波长λ1有关。从与传统的钛在铌酸锂扩散的带状 波导(Ti：LiNbO3)相应的现有技术出发，可以得到：单模可传播的波 长范围Δλ必须满足不等式

Δλ＞0.48×λ-85nm (式中λ和Δλ用nm，以说明与(例如)KTP内的Ru-K离子交换的 带状波导(Rb：KTP)相当的EOBSW的特性。在图7b中Δλ与EOBSW 相应的区域用灰色调表示。单模可传播的波长范围实际上受限于衬底材 料的光传输范围的界限，要是(例如)λ＜λmin或λ1+Δλ＞λmax(参看图 7a)。

在应用合适的衬底材料或波导材料时，不等式也可以用于波长大于 或小于图7a和图7b所示的情形。

图8给出了EOBSW2用作传感器的例子。根据图8a，量测并估 算了测试介质(气体的、流体的或固体的)对于EOBSW2内传播波 在涂层内存在的短暂场的吸收作用。此外，与测试介质接触的衬底材 料1的表面，除了测试窗6表面以外，均为阻尼层7(例如SiO2)所 覆盖。因此，短暂的场只可到达测试窗6。测试窗6只在一定长度的 范围内使EOBSW2空出。光聚束在EOBSW2的输入端E上。而在 EOBSW2的输出端有受测试介质影响的光供使用。例如，应用接收器 8实现光度计量测量。EOBSW2具有传播来自宽波长光谱的各种波 长λi的光成分。

与已知的带状波导相反，测试波导能在更大的波长范围内适应待研 究的介质和待研究的材料参数。在各种波长λi下测量可以在测试介质上 直接进行。EOBSW内的光成分可以通过与EOBSW相适应的振幅调制 器(未绘出)更为有利地调制。通过测试介质本身的吸收或通过改变表 面散射，可以改变波导的衰减。可以在传播波时充分利用在带状波导本 身之外传播一部分电场或磁场分布(短暂的场)。因此这部分场可以从 带状波导外到达。如果在带状波导上，即在涂层内存在吸收性介质，短 暂的场本身根据吸收的情况而衰减或通过未被覆盖的吸收性介质置于 测试窗6上改变带状波导的表面散射。两者均引起波导衰减，因此都可 以用光度计来测量。

此外，藉助于测试介质的影响，可以改变传播模式的传播常数，这 可以用干涉仪装置来测量，例如应用图8b的迈克逊(Michelson)干 涉仪。

具有EOBSW2的衬底1放在光分配器10和反射器9之间的光路 上。

进一步实施的变型方案在于：测试窗6用一种对物理、化学或生物 等外在影响起作用的衬底覆盖，当外在影响起作用时，它将影响传播光 的性能或波导本身的性能。

根据图8c，在传感器的情况下，EOBSW2的波导端面B上的反射 率可以作为量测量求出。

预先安排了下列方案：

a)测试器件本身作为反射器，与波导端面B接触或间隔一定距离， 或

b)反射器9用活性物质镜面化，活性物质本身就是反射器9，这 时活性物质与周围测试介质有关，改变其反射率，或

c)反射器9放置在距波导端面B一定距离而测试器件放在波导端 面B和反射器9之间。

在间距较小时，例如几微米范围，则可以放弃附加的聚光装置。

在这种安排下，从可能的宽的波长谱而来的，至少有一种波长的 光可聚束在EOBSW2的输入端E上。与输入E相应，在输出端A上， 经光束分配器10，受测试介质影响反射的光部分和/或荧光部分被量 测。

根据图8的量测装置的集成光学实施方式有利于微型化结构和微系 统技术的应用。

在较高灵敏度下可以用最少的试样量，因为测试窗6只需比 EOBSW2略宽，测试窗的长度可在mm范围。

藉助于量测装置的安排，所有影响传播光的性能或影响EOBSW2 本身性能的气体、流体和固体的物理、化学和生物量的量测都是可能 的。因此，在包含EOBSW的规定的测量装置的安排下，由一宽波长谱 中自由选择波长或波长范围是可能的。

参考符号和公式符号： 1         衬底 2        带状波导(EOBSW) 3        光源 4        电极 5        带形涂覆层(带) 6        测试窗 7        阻尼层 8        接收器 9        反射器 10       光束分配器 11       钛带 λ                波长 λ1     构成单模波长范围短波端的波长 λi     分立的波长 λmin   衬底材料光传输范围的最小值 λmax   衬底材料光传输范围的最大值 Δλ             带状波导单模运行的波长范围        相位 Δ     相位变化 Δi   与波长λi有关的相位变化 E        输入端 A        输出端 B        波导端面 U        控制电压 SE      输入信号 SA      输出信号 a        结构的宽度 t        结构的深度(高度) w        在扩散时钛带的出端宽度 L        有效电极长度 d        电极间距 x        对带状波导横向或侧向的坐标轴 y        对带状波导深度方向的坐标轴 z              在带状波导内光传播方向的坐标轴 Dx，Dv，Dz 扩散系数 N00           带状波导基模的有效折射率 N01           侧向1模的有效折射率 N10           深度方向1模的有效折射率 Neff           带状波导模的有效折射率 Neff.z         带状波导Z偏振模的有效折射率 ax            x方向长度中间值 ay            y方向长度中间值 td            扩散时间 nw            在波导范围的折射率分布nw＝f(x，y) n1            衬底的折射率 n2            在表面上波导范围的折射率 n3            涂层的折射率 n4            在n1＞n3时衬底的折射率或

           在n3＞n1时涂层的折射率 nij            晶体材料的折射率分量 $\frac{d(n_2-n_1)}{\mathrm{d\lambda }}\ge 0$                对波导必须的折射率增高与波长的关系(分散率) Ek            与晶体方向k有关的电场强度分量 Eelektr        外电场 rijk          对给定材料的线性电光学张量元 Γ                           在电极装置的外加电场和带状波导内传播模的光场之间的

           叠置系数 Z              结晶学的Z轴 X              结晶学的X轴