技术领域 

本发明涉及一种合波分波器，该合波分波器可用于对由较大波长谱形 成的不同波长或不同波长范围的光进行空间汇集或分离。需要时这种宽 频带合波分波器还可以用来进行光的转换、偏转或调制。

本发明还涉及这种宽频带合波分波器的用途。

适应于宽频带合波分波器的单模条状波导是单模集成光学宽频带波 导或白光条状波导，这种波导在同一天提交的专利申请“条状波导及其 应用”中已有描述。本发明还与同一天提交的专利申请“彩色图象形成 系统及其应用”相关。

在这些文献中所述的光是可见光和不可见的(红外和紫外)电磁辐射， 然而尤其是指波长谱范围为400nm-760nm的离散波长或波长范围的可见 辐射光。

根据光的全反射原理，在波导区内相对周围介质折射率的提高形成的 波导称之为条状波导。

先有技术状态

频带宽度小于95nm(适用于短波可见光)的合波分波器是公知的。根据 公知的双模干涉原理，通过下述方式将不连续的条状波导合并实现光汇 集的目的：

-采用Y型分路

-采用集成的光学分波或分配元件，例如X型耦合器、定向耦合器、平 行条状耦合器或BOA(参见W.Karthe，R.Muller的“集成光学”，Geest & Portig K.-G.科学出版社，Leipzig，1991和A.Neyer的“用于光通信的集成 光学部件”，授课资格论文(Habilitationsschrift)多特蒙德大学1990。 BOA是一组集成光学部件的法语标记(激励光分路)(参见 M.Papuchon，A.Roy，D.B.Ostrowskyr的“电激励的光学分路：BOA”，应用 物理杂志，Vol.31(1977)pp.266-267)。

当需要同时对光进行有效的调制和/或分波时，合波分波器的效果取决 于构成合波分离器入口和出口的条状波导的单模性。在波长范围频频带 宽度度大于约130nm(适用于短波可见光)的公知条状波导中不存在单模 性。

相对于不同的光波长需要条状波导具有不同的特性参数值，例如衬底 的折射率、上层的折射率、条状波导的折射率或是条状波导的一维或二 维折射率分布、条状波导的截面形状(例如宽度和深度)和条状波导在衬底 中或衬底上的位置。这就要求在一般情况下相对于所传输的光的不同波 长使用不同的条状波导。

在采用以公知条状波导例如在LiNbO3中进行钛扩散的条状波导为基 础的合波分离器的情况下可利用的波长范围将相对于有关的单模条状波 导的可利用波长范围减小约35nm，这是因为在以双模干涉为基础的合波 分离器例如Y型支路、定向耦合器、平行条状耦合器、X型耦合器或 BOA中，必需避免在合波或分离区中的侧向上出现第二模的起振。这是使 分离器在全部可利用的波长范围内工作时发光功率分配比保持不变的前 提。

为了有效地合波分离波长范围大于95nm的光，还需要使用一个共用的 单模条状波导，从技术角度上看，这种波导能有效传输频频带宽度度大于 130nm(适用于短波可见光)的所有波长。“技术上充分有效地传输”意味 着，在条状波导中传输的模的有效折射率Neff必须至少比周围材料折射率 ns超出5×10-5。这是非常重要的前提，在该前提下可使波导的衰减达到 ldB/cm的低值区。此外，“技术上有效”意味着，在可单模传输的所有波 长范围内，波导衰减以及条状波导和单模光导纤维之间耦合效率的变化 不得多于约30％。这是因为一般情况下光是借助于单模光导纤维与条状 波导进行输入耦合的。

对传统的条状波导来说不可能在同一个条状波导中对例如红光和蓝 光进行技术上充分有效的单模传输。

迄今为止还没有装置能在同一个波导结构中对具有不同波长且频带 宽度大于约95nm(表明对短波可见光有效)的光既进行单模传输，又在需 要时使其有效分离或合并以便进行调制、偏转、转换和空间汇集或者分 离。

对此还不能实现满足将这种形式与公知的调制机构相结合，例如在利 用电光效应方面的要求。

专利申请DE4327103A1中公开了一种可干涉调整的光学滤波器。这 种光学滤波器将输入信号分成多个支路。分别控制每个支路中信号的幅 值和相位。然后在一个波导中将这些信号重新合波。

在通信技术中，当波长范围在800nm-1.6μm之间具有较小频频带宽度 时，滤波元件作为信号分波器用于进行波长的多路复用驱动。

发明目的

本发明的目的在于对宽波长谱或具有大波长的多个离散波长的辐射 光进行空间汇集或分离，而且当需要时，在汇集前、汇集中或汇集后对其进 行调制、偏转和/或转换。该辐射光包括多种波长或波长范围的光，特别是 来自可见光谱且频频带宽度度Δλ＞95nm的所有波长或确定的波长范围。 这意味着，要实现宽频带合波分波的话还必须采用宽频带条状波导，该波 导具有至少130nm(适用于短波可见光)的单模传输波长范围。

对于宽频带的合波分波器来说应对其公知的应用领域进行开发，使用 比较简单的光学结构部件。还可以生产集成光学元件，这种光学元件可以 单模传输宽波长范围的光，以便对其进行调制和/或合波分波(空间分离或 空间合并)。

发明综述

上述问题在本发明中是借助独立权利要求1的特征通过由条状波导构 成的合波分波器解决的。

从属权利要求2-6的特征在于独立权利要求1特征中所述的合波分波 器的几何和光学结构。

从属权利要求7-20是独立权利要求1的优选结构。

根据权利要求21、22、23、27或35的特征实现了根据本发明宽 频带合波分波器的应用。

从属权利要求24-26是独立权利要求23的优选结构。

从属权利要求28-33是独立权利要求27的优选结构。

从属权利要求36是独立权利要求35的优选结构。

按照本发明，至少要将两个优选为宽频带但又不必一定是宽频带的单 模集成光学条状波导合并到一起，使经过空间汇集的光通过后面紧接的 单模集成光学条状波导(下文中称为EOBSW)继续传输。EOBSW的 结构与同一天提交的专利申请“条状波导及其应用”中所述的相同。

在这种情况下，EOBSW对光进行宽频带的和单模的传输。“宽频带” 的意思是，发射频频带宽度度Δλw＞0.48×λ-85nm(λ和Δλ的单位为nm) 且在技术上足以进行有效传输的不同波长的光，特别是可见光。

这意味着，对于可见光来说，例如当EOBSW的频带宽度大于约105nm 时，与之有关的波长λ＝400nm，而当EOBSW的频带宽度大于130nm时，相 关的λ＝450nm(图10)。

“单模”的意思是，对于每个波长范围内的给定波长来说，只有一个有 效折射率，即在EOBSW中基模的有效折射率N00是可设定的(图9)。

通常，在这些文献中还按照从零开始的顺序例如基模N00，第一侧向模 N01等模式的顺序开始计数。

在此可将光理解为可见光和不可见光(线外和紫外光)意义上的电磁 辐射。“技术上充分有效地传输”意味着，在EOBSW中传输的波的有效 折射率Neff至少比周围材料ns折射率超出5×10-5，其中ns表示衬底n 或上层衬底n3中较大的值。这是在1db/cm的区域中达到较小的波导衰减 值和得到在技术上能有效使用的条状波导的一个重要前提。

在λa和λa+Δλw之间的区域中对于每个给定的波长来说，只有一个有 效的折射率，也就是说，基模N00的有效折射率是可给定的。从技术的角度 看，一方面可以通过在波长为λa+Δλw时对基模N00进行有效起振来确定 单模性区域，另一方面，可在波长为λa时，通过在侧向N01上有效地起振一 次模或在深度方向上起振一次模来确定单模区域。通过条状波导本身和 包围条状波导的材料的几何参数可确定λa和λa+Δλw的值。原则上可利 用的波长最小值λmin和可利用的波长最大值λmax可通过所用材料的光学传 输范围来确定。

对例如晶体材料KTiOPO4来说，其传输范围的最小值约为350nm而最 大值约为4μm。

“技术上有效”还意味着，在所有单模传输的波长范围中，波导衰减以 及EOBSW和单模光导纤维之间的光耦合效率的变化应不多于30％，这是 因为一般情况下光是借助于单模光导纤维与EOBSW进行输入耦合的。 用传统的条状波导不可能例如在同一个波导中进行红光和蓝光的单模及 技术上充分有效的传输。应这样确定衬底的折射率，上层的折射 率，EOBSW的折射率或者一维或二维分布，EOBSW的截面形状(例如宽 度和深度)及其在衬底中或衬底上的位置等EOBSW的参数，使得在一个 较大的波长范围内，尤其是在可见光的全部范围内确保WOBSW的单模 工作(参见集成光学条状波导的一般参数选择规定，W.Karthe，R.Muller，集 成光学，Geest&Portig  K.-G.，Leipzig科学出版社)。

特别是可以传输所有可见波长范围的光波。由此，实现了将光波单模引 过同一个EOBSW中的所有可见光区域，而且在技术上具有同样的有效 性。这样便形成了一种简单的单模白光条状波导。

本发明所涉及的EOBSW是通过特别合适的方法生产的而且展示了其 特有的特性。在可生产性上对衬底材料的实际要求是其对条状波导结构 要有较少限制(例如利用离子交换时扩散的各向异性)和具有与下列公式 相对应且与导波所需提高的折射率n2-ns有关的波长属性(与EOBSW周 围的材料有关)，所述的公式为 $\frac{d(n_2-n_s)}{\mathrm{d\lambda }}\ge 0$ 式中在n1＞n3时ns＝n1，或在n3＞ n1时ns＝n3，其中n2表示波导区本身的表面折射率。

可根据下列方法制造EOBSW：

-在非电晶体例如KTiOPO4(KTP)，LiNbO3和LiTaO3中进行离子交换或 离子扩散

-在玻璃中进行离子交换

-用对合适衬底如硅上的聚合物进行注塑、模压或离心的方法形成第一 或倒数第一个或Petermann波导。

-通过在合适的衬底如硅上进行外延切割法在II-VI或III-V族半导体 材料中生产EOBSW，

-通过掺杂或合金化在II-VI-或III-V族半导体材料中生产EOBSW，

-在异构的三价或四价II-VI-或III-V族半导体材料中生产EOBSW，

-在II-VI-或III-V族半导体材料中生产第一或倒数第一或Petermann 波导，

-通过SI-，SiO2-和SiON-和/或其它氧化和/或氮化层的结合在合适的衬 底材料(优选Si)中或上生产EOBSW，

-在合适的衬底材料上进行溶胶-凝胶处理，

-在上述所有材料中进行离子掺杂。

用于生产光学条状波导的方法是在电介质晶体中进行离子交换或离 子扩散或在玻璃中进行离子交换，以便得到狭窄的结构，优选的是与离子 掺杂相结合的方法。

为了生产本发明的宽频带合波分波器至少要将三个条状波导(其中至 少要有一个EOBSW)合并到一起，以便进行光的汇集、分离、转换、偏转 或调制。这可以通过使用以双模干涉为基础的集成光学元件例如Y型支 路、X型耦合器、定向耦合器、平行条状耦合器或BOA来实现(参见： W.Karthe，R.muller的集成光学，Geest & Portig K.-G.Leipzig，科学出版社， 1991)。

此外可以使用集成光或微光反射器(反射镜，光栅，棱镜)进行合波 分波。宽频带合波分波器的至少一个EOBSW是这样构成的，即，使其能 单模传输与

Δλw＞0.48×λ-85nm

(其中λ和Δλw的单位为nm)相对应的较宽波长范围的光，特别是由所有 可见光谱构成的离散波长的光或离散的窄波长范围的光。

通过几何和光学参数来确定宽频带合波分波器，以便确保在与

Δλv＞0.27×λ-34nm

(λ和Δλv的单位是nm)相应的较宽波长范围中的有效作用。在波长 λ＝400nm时意味着在Δλv＞75nm的波长范围内进行有效合波分波。

优选的是用合适的宽频带合波分波器对所有可见波长范围的光特别 是同时对红光和蓝光进行有效合波分波。在与光的所有可见波长范围相 应的和可进行合波分波的频带宽度中设置一个纯白光合波分波器。

在以双模干涉为基础的集成光学部件中通过确定与EOBSW相关的频 带宽度可得到第二个用于限制可利用频带宽度的标准。为了在分波状态 下确保当波长改变时配比保持不变或在合波状态下确保集成光学干涉仪 中的高消光率，要避免在传播的耦合区中出现二次侧向模N02。

所以，一方面可以通过在条状波导中起振的基模N00和在条状波导中起 振的第一侧向模或纵向模(N01或N10)的波长差(Δλw)，而另一方面通过在条 状波导中起振的基模N00和在耦合区域中传输的二次侧向模之间的波长 差(Δλv)中的较小值来确定合波分波器的可用频带宽度ΔλN，还可以用Δλv 和Δλw中的较小值来确定上述可用频带宽度ΔλN(图9)。

本发明所述宽频带合波分波器的优点在于，其能将较宽光谱区的光，特 别是所有可见光谱区的光汇集在一个共用的EOBSW中。在本发明的一 个优选实例中宽频带合波分波器的所有条状波导都是EOBSW。

需要时可以灵活调整耦合点的功能。为此将耦合点设计成具有控制单 元的功能以便进行射线合并和/或射线分离。需要时可在宽频带合波分波 器中设置调制装置以便将光振幅或光强信号转换成合适的普通电输入信 号，其中可以分别将两个或多个光源或波长的光有效控制在很高的激励 频率(从目前的技术状态一直到GHz-区域)。

按照下述原则之一实现光的振幅或光强调制：

-借助于集成光干涉仪结构对光进行电光调制，

-借助于集成光干涉仪结构对光进行声光调制，

-借助于集成光干涉仪结构对光进行热光调制，

-借助于集成光干涉仪结构对光进行磁光调制，

-借助于集成光干涉仪结构对光进行光-光调制，

-借助于集成光干涉仪结构对光进行光热调制，

-借助集成光干涉仪结构通过在半导体材料中注入或耗尽自由载流子 来改变有效折射率，

-利用法布里-珀罗效应实现电光，声光，热光，磁光，光-光或光热调制，

-在利用法布里-珀罗效应的情况下通过在半导体材料中注入或耗尽自 由载流子使有效折射率发生变化来进行调制，

-进行电光，声光，热光，磁光，光-光或光热的截断调制，

-通过在半导体材料中注入或耗尽自由载流子使有效折射率发生变化 进行截断调制，

-可控的波导放大系数，

-利用偏振元件或偏振波导实现可控制的偏振旋转，

-波导模式转换，

-电吸收调制，

-在使用集成光转换元件或分配元件如X型耦合器、平行条状耦合器、 定向耦合器或BOA的情况下进行调制，光源自身的调制，或

-通过改变光源-波导的有效耦合性进行调制。

在无源的情况下可在耦合位置上实现空间汇集和/或分离和/或部分光 的偏转和/或射线分路，而在有源的情况下可对光分量进行补充调制或转 换。

宽频带合波分波器优选的工作方式是，将来自光源的不同波长的光按 时间顺序耦合输入到各条状波导或EOBSW中，在耦合点上实现光分量的 空间汇集而在同一个EOBSW中按时间顺序对光分量进行调制(时分多路 复用驱动)。

原则上可以使用所有材料作为制造衬底的材料，但其中应使EOBSW 满足上述要求，即，需要时可以将调制输入信号转换成调制的光振幅信号 或光强度信号。

本发明还涉及宽频带合波分波器在装置中的应用，该装置要求在同一 个EOBSW中同时传输多种波长的光，这些光处于约为100nm的可利用波 长范围内，而且其中需要例如使用干涉测量法对光振幅或光强进行控制； 以便满足色彩混合、测量技术、传感技术、光度学、光谱学的要求；由此 为建立新的多功能微型系统部件系列打下了基础。

将EOBSW与调制机构结合使用是构成以干涉测量方式工作的新的集 成光检测法及光谱检测法的基础，并且能够同时或连续利用来自一个 EOBSW中宽波长范围的多种波长，其中所利用的波长范围不限于可见范 围的电磁辐射。本发明的优点在于其具有这样的可能性，即用可批量生 产的方式例如电光模式来生产仪器并可缩小该仪器的尺寸。本发明提供 了把光源、合波分波和/或合波汇集、控制和检测部件单个或混合地集成 在载体上。

集成光学测量装置的实现有利于分析测量结构的小型化，此外可以使 分析用的样品量达到最少。在要求较高测量精度的情况下应使用最少的 样品量，这是因为测量窗的宽度必须比EOBSW小而且测量窗的长度为 毫米级。借助该测量装置可以测量所传输的光的所有特性或影响条状波 导自身特性的气体、液体和固体的物理、生物和化学量，例如检测EOBSW 中的吸收率、折射率或散射率。因此，在上述包含宽频带合波分波器的 测量装置中，可以从较宽的波长谱中自由地选择多种波长或至少一个波 长范围。

本发明的宽频带合波分波器具有下列优点：

-对光进行单模宽频带传输；

-从技术的意义上看，可使光的有效可调制性和/或可转换性达到GHz 范围(根据目前的技术状态)；

-可以根据需要选择与波长有关的调制装置或与波长无关的调制装置 (例如电吸收调制，光源调制，灰色楔)；

-与体积光学的泡克尔盒或克尔盒(约100伏)相比具有较低的电光调 制电压(几伏)，因此能够很好地与微电子学的方法、结构和部件相结合；

-当在EOBSW中用KTiOPO4(KTP)作为衬底材料时能获得高的可传 输光功率密度而且不会影响相位变化，这意味着材料对光感应折射率的 变化有很高的稳定性。

附图简要说明

下面将根据附图说明本发明，其中：

图1-图4是宽频带合波分波器的原理性结构图，

图5表示Ti：LiNbO3条状波导内的结构和折射率分布，

图6表示Ti：LiNbO3合波分波器的频带宽度，

图7表示Rb：KTP-EOBSW内的结构和折射率分布，

图8表示Rb：KTP宽频带合波分波器的频带宽度，

图9一般地表示与有效合波分波技术相关的波长范围，

图10表示与有效合波分波有关的波长，

图11是带有调制装置的宽频带合波分波器，

图12是带有马赫参得干涉调制器的宽频带合波分波器，

图13是由带有可控光源的平行条状耦合器构成的宽频带合波分波器，

图14-17是宽频带合波分波器的实施例，

图18是带有2×1阵列式可控单元的宽频带合波分波器，所述可控单 元用于使射线合并和/或分路，

图19是带有3×1阵列式有源单元和调制器的宽频带合波分波器，所 述有源单元用于使射线合并和/或分路，

图20是带有n×m阵列式可控单元的宽频带合波分波器，所述可控单 元用于使射线合并和/或分路，

图21是带有分波式测量用比色计的光度计装置，

图22是带有测量窗的光度计装置，

图23是用于驱动时分多路复用的宽频带合波分波器，

图24-26表示在输入支路中带有相位调制器的宽频带合波分波器，

图27是波长传感器，

图28是波长选择器的振幅调制器，

图29是折射率传感器，

图30是带有频率变换器以便使光分量成为空间汇集状态的宽频带合 波分波器，

图31是用一种波长的光形成不同波长的光分量的宽频带合波分波器，

图32是用一种波长的光形成不同波长的光分量然后进行空间汇集的 宽频带合波分波器，

图33-35是用于测量长度和折射率变化的传感器

本发明的实施方案

图1-4表示宽频带合波分波器的基本实施形式。图5和图6描述了在 LiNbO3中进行钛扩散形成的公知条状波导和以这种条状波导为基础构成 的传统合波分波器的特性。与之相对，在图7和图8中描述了本发明所述 单模集成光学宽频带条状波导(EOBSW)的特性和本发明所述宽频带合波 分波器频带宽度的特性，所述宽频带合波分波器具有在KITiOPO4(KTP)中进行铷钾离子交换的条状波导。

在图6和图8中的图示方式选择为与衬底折射率n1的值有关的条状波 导模的有效波折射率Neff作为波长λ的函数。条状波导的每个模式都有 一个处于表面折射率n2和n1、n3中较大折射率(上层衬底的折射率)之 间的有效折射率Neff。

Neff的值与波长、衬底、上层和波导的折射或折射率或折射率分布以 及波导的几何学特性有关。因此，在图中借助于把有效折射率连成Nik 线的形式来表示下标为ik(i、k为≥0的整数)的每种模式，其中i是 纵向波序而k是侧向波序。当对于某个波长范围中的一个给定波长来说， 只具有一个有效折射率，即基模的有效折射率N00时，条状波导是单模 的。

从技术的角度上看，对充分传输的光来说，每种模式的有效折射率至 少比n1和/或n3超出5×5-5。由此可直接读出频带宽度。

图9从技术上一般性地描述了可在条状波导中单模有效传输的波长范 围以及可在合波分波器中进行有效合波分波的波长范围。

图10表示对于本发明的EOBSW以铷钾离子交换的KTiOPO4(KTP)方式的情况下和对于在LiNbO3中扩散钛的传统条状波导的情 况下的条状波导的单模传输波长范围及有效合波分波的波长范围，其分 别为与波长λ的关系。此外，在图10中本发明的EOBSW和宽频带合波 分波器的区域与相应已有技术的条状波导及合波分波器的区域以通常的 方式分清了界线。

图1-4表示宽频带合波分波器的基本实施形式。

图1-4表示插在衬底材料1中的集成光学宽频带波导(以下称为 EOBSW)2、3和5。EOBSW2和3具有各自的入口E1和E2。波导2 和3在其出口A1和A2处的耦合点6上汇集并且作为一个一体的EOBSW 5伸向共同的出口AM。

根据图1将耦合点设计成Y形。但并不限于Y形。还可以是其它双模 干涉装置，例如图2中的平行条状耦合器，图3中的X型耦合器，定向 耦合器或BOA。需要时，可以对耦合点6进行有源控制。为此，在耦合 点6上设置有可控单元7以便进行射线合并或射线分路。所有条状波导 (EOBSW)2、3和5可以是例如相同类型的而且可以单模传输大于 约130nm这样较大波长范围的光，从而可以有效地合波分波波长范围大 于约95nm的光(参见图3、5和6)。对输入耦合条状波导2和3的特 性没有限制，但在任何情况下优先选用EOBSW。向第一个EOBSW2的 入口E1提供波长为λ1或波长范围为Δλ1的光。向第二个EOBSW3的入口 E2提供波长为λ2或波长范围为Δλ2的光。在共同的EOBSW5出口AM处 形成可利用的空间汇集光，该光用混合信号M表示。还可以使宽频带合 波分波器在相反的方向上即在分波的方向上工作，以便将光信号分波成 几个光分量，并在需要时可单独控制EOBSW2和3中的光分量。在图4 中通过集成光反射器R实现EOBSW的合并。EOBSW2通过一个90° 反射器R1转向EOBSW8。在EOBSW3和EOBSW8彼此相遇的位置上， 设有第二反射器R2，该反射器使EOBSW2和3和/或8中的光分量形成 空间合并(耦合点6)并在EOBSW5中继续传输。需要时，可以将反射 器R设计成可控反射器。

图5和图6表示在传统LiNbO3中的钛扩散条状波导实例的关系曲线。

图5表示在衬底材料1中的传统条状波导17。为了制做这种传统的 条状波导，需在X截面的三氧化锂铌(LiNbO3)(X＝结晶的X轴， 其与图5中的Y轴相对应)中进行钛扩散 (R.V.Schmidt，I.P.Kaminow，Appl.phys，Lett.Vol.25(1974)，No.8.pp.458- 460)。为此要在衬底的上表面上喷镀(aufsputter)钛条18。当温度 高于950℃时钛扩散到liNbO3晶体中，由此提高了衬底材料中的折射率。 在侧向上，扩散常数约是纵向上的两倍，因此增强了钛在晶体中的扩散 浓度分布。当结果的条带宽度为W时，在扩散时间td之后所形成的折射 率分布形式可用下面的公式描述。

LiNbO3中的钛扩散条状波导不能单模传输频带宽度大于100nm的 光。波导17构成在几何上不太限制的宽度为a及深度为t的沟。该沟具 有折射率分布nw＝f(x，y)，表面折射率n2＝nw(x”’＝0，y”’＝0)，与周围 衬底材料的折射率相比，其折射率得到了提高。图5中的曲线表示折射 率在X方向和Y方向上的定性分布。通常折射率分布在X方向(用方 向X”表示)和在Y方向(用方向Y”’表示)上是连续过渡的。

图6表示Ti：LiNbO3合波分波器的有效合波分波波长范围(频带宽度) 以及LiNbO3上的钛扩散条状波导中单模传输的光的波长范围(频带宽 度)而且不受对于计算参考波长500nm的普遍性的限制。

这些曲线表示在条状波导自身宽度a的侧向上的基模N00和一次模N01 以及在条状波导两倍宽度2a的侧向上的二次模N02的Z向偏振光有效折 射率(Neff，Z，Z＝晶体的Z轴，相当于图5中的X轴)，该两倍宽度也就 是相应于在Y型分波器、BOA或X型耦合器的分支点处增大的波导区 域的宽度。宽度W＝3.0μm，厚度为15nm的喷镀钛条起扩散源的作 用，其在分支区加宽到2W(6.0μm)。

扩散温度为1000℃，扩散时间为3秒。钛离子在LiNbO3中的扩散常 数比为Dx/Dy≈2。根据下式计算纵向分布：

nw＝n1+(n2-n1)*exp(-(y”’)2/ay2)

根据下式计算侧向折射率分布： 

nw＝n1+(n2-n1)*0.5[erf(2x”’+W)/2ax)-erf((2x”’-W)/2ax)]

其中ax＝2(Dxtd)1/2并且相当于图5中的宽度a/2， 此外ay＝2(Dxtd)1/2而且相当于图5中的深度t并等于2μm。当λ ＝500nm时，n1＝2.2492；n2-n1＝0.0080；公知的衬底折射率n1与波长 的关系(分散率)小至零。n2-n1与波长的关系(分散率)是公知的而且 同样小至零，符号td表示扩散时间，erf是误差函数 (BgC.J.Ctyroky，M.Hofman，J.Janta，J.Schrofel，“LiNbO3：Ti通道型波导和 方向耦合器”，IEEE J.of Quantum Electron.，Vol.QE-20 (1984)，No4，PP.400-409)。

从技术有效性的观点看，除基模N00之外，上述条状波导传输的波长 范围为490nm至620nm，也就是说条状波导的频带宽度为Δλw＝130nm。 为了有效地进行合波分波要避免在所有加宽的合波或分波区域中出现二 次侧向模No2起振。基于这个原因，只能使用当λ＝620nm时在宽度为 a(相当于原始的条状体宽度W〕的条状波导中起振的基模N00和当λ＝ 525nm时在合波分波器加宽部分2a(相当于原始的条状体宽度2W〕中 起振的二次侧向模N02之间的波长范围。由此将合波分波器的有效可利用 频带宽度ΔλN降低了35nm使其值Δλ达到Δλv＝95nm。可用有效指数法 计算有效折射率(G.B.Hocker，w.K.Bums“用有效指数法计算在扩散的 通道型波导中的模分散”，应用光学，Vol16(1977)，No.1，PP113- 118)。

图7表示本发明的单模集成光学宽频带条状波导(EOBSW)2，其 位于衬底材料1例如过氧化磷酸钾钛(KTiOPO4，KTP)衬底中(Z＝结 晶的Z轴，相当于图7中的Y轴)(M.Rottschalk，J.- P.Ruske，K.Hornig，A.Rasch，“适用于可见短波长范围且位于KTiOPO4中的 单模通道型波导和调制器的制造及特性”，SPIE2213，集成光学国际论 文集，(1994)，PP.152-163)。

衬底材料1上设有掩膜，该掩膜仅是在条状波导将来的位置上留有敞 开缝条。在含有亚硝酸钡和硝酸钾成份的硝酸铷溶液中进行离子交换。 由于几乎仅在深度方向上进行扩散，因此形成下述的折射率分布。此外， 在侧向上形成阶跃形分布的折射率。由于几乎无侧面扩散，这样可实现 通过掩膜向波导以1∶1的比例进行传播，所以能够保证生产出侧向精 确限界的窄条结构。EOBSW2是宽度为a，深度为t的窄槽形几何结构。 凹槽的折射率分布nw＝f(x，y)，其表面折射率n2＝nw(-a≤x”≤0，y”＝0)， 该折射率比周围衬底材料1的折射率n1有所提高。

图7中的曲线表示折射率在x方向和y方向上的定性分布。通常，在 x方向(用方向x”表示)的折射率分布图上曲线有突变，而在y方向(用 方向y”表示)上折射率从n1到n2有比较大的提高。

图8表示Rb：KTP合波分波器有效合波分波的波长范围(频带宽度) 以及在例如KTP上的铷钾离子交换条状波导中单模传导的光波长范围 (频带宽度)，并且其不受对于计算参考波长500nm的普通性的限制。

该曲线表示条状波导自身宽度a的侧向上的基模N00和一次模N01以 及条状波导双倍宽度(2a)的侧向上的二次模N02的Z向偏振光有效折 射率(Neff，Z，Z＝结晶学的Z轴，相当于图4中的y轴)，该两倍宽度 也就是相应于在y型分波器，x型耦合器或BOA的分叉点处相应地加 大的波导区的宽度。当λ＝500nm时，n1＝1.9010；公知的与波长有关(扩 散)的衬底折射率n1与波长的关系(分散率)小至零(在L.P.Shi的 “KTiOPO4型晶体在集成光学领域中的应用”，博士论文Dissertation 科隆大学，(1992)中有叙述)。此外，对于所有的波长范围来说，n2 -n1＝0.0037＝常数。扩散常数Dx/Dy≈10-3。因此，在宽度a＝4.0μm 上或对于分叉区中的最大宽度2a(8.0μm)上，侧向折射率分布是阶 跃形分布。纵向分布是根据公式nw＝n1+(n2-n1)*exfc(-y”/t)，其中 t＝4.0，erfc＝互补误差函数，计算得出的。从技术有效性的意义上看，在实 例中所述的EOBSW可传输除基模N00外从470nm-870nm波长范围的 光，也就是说，条状波导的频带宽度为Δλw＝400nm。

为了有效地进行合波分波，应避免在加宽的合波或分波区中出现二次 侧向模N02的起振。基于这个原因，只能使用当λ＝870nm时在宽度为a 的条状波导中起振的基模和λ＝485nm时，在合波分波器的加宽部分2a 中起振的二次模之间的波长范围。由此将本发明所述合波分波器的有效 可利用频带宽度ΔλN减小了15nm使其值Δλv＝385nm。

可用有效指数法计算有效折射率。

图9表示在条状波导中进行单模导波和在合波分波器中进行有效合波 分波的技术上重要的可利用波长范围的概图。从图中看，“技术上重要” 是指有效折射率Neff至少比ns超出5×10-5，其中ns表示衬底折射率 n1或上层衬底折射率n3中较大的一个值，以便保证足够小例如1dB/cm 的波导衰减。

相对于范围Δλw中每个给定的波长，条状波导只有一个有效折射率， 也就是说，基模N00的有效折射率，是可确定的。

从技术的角度上看，一方面可以通过在波长为λa+Δλw时有效起振基 模N00，另一方面在波长为λa时有效起振侧向上的一次模N01或纵向上的 一次模N10来确定条状波导的单模性区域。为了有效地进行合波分波，应 避免在加宽的合波或分波区，也就是增大的耦合区，例如双倍的波导宽 度区出现二次侧向模的起振。由此得出了一个限制合波分波器的可利用 频带宽度相对于条状波导的可利用频带宽度即光谱宽度Δλv的进一步标 准，也就是说，该宽度是在波长为λa+Δλw时条状波导自身宽度下起振的 基模N00和在波长为λb时，在加宽的例如双倍宽度的耦合区中起振的二次 侧向N02之间的波长范围。基于这个原因，应使有效合波分波的可利用频 带宽度ΔλN等于Δλw或Δλv中的较小值。

图10表示与已有技术有关的条状波导(由钛扩散的LiNbO3，Ti：LiNbO3构成)和本发明的EOBSW(由铷钾离交换的KTiOPO4，Rb：KTP构成) 的单模可传输波长范围以及与已有技术相关的合波分波器和本发明的宽 频带合波分波器的有效合波分波波长范围，这些波长范围都是λ的函数。 在至少构成宽频带合波分波器的三个波导中至少根据使用应能够传输宽 波长范围的波导是一个EOBSW。借助于有效指数法可进行作为确定单 模传输波长范围基础的有效折射率计算。计算时根据公知的对波导必须 的折射率提高与波长的关系(分散率)以及衬底折射率与波长的关系(分 散率)，从实际的参考波长λa开始，依次改变波导厚度和波导宽度直到 各一次模起振，然后改变波长直至基模起振。

上述单模传输的波长范围Δλw的上限是波长λa+Δλw，其中条状波导 的基模N00的有效折射率比衬底折射率超出5×10-5。

本发明所述EOBSW的单模传输波长范围在图10中在用等式为 

Δλw＝0.48×λ-85nm

表示的直线(λ和Δλw的单位是nm)的上方。

为了有效地合波分波，应在所有加宽的合波或分波区中避免出现二次 侧向模N02的起振。

基于这个原因，只能使用当波长为λa+Δλw时在宽度为a的条状波导 中起振的基模N00和当波长为λb时，在合波分波器加宽部分2a中起振的 二次侧向模N02之间的波长范围。

除了用条状波导的频带宽度Δλw表示的曲线之外，还示出了描绘合波 分波器频带宽度Δλv的曲线。从已有技术中可以导出，有效合波分波范围 的大小Δλv必须满足不等式

Δλv＞0.27×λ-34nm (λ和Δλv的单位为nm)，以便得到宽频带合波分波器应具备的特性。 图10中的灰色区域表示与宽频带合波分波器相对应的区域。原则上，有 效的合波分波区由波导材料光学传输范围的下限(λmin)和上限(λmax) 限定(参见图9)。在使用其它合适的波导材料时，对于比作为例子计 算及描述的衬底材料KTiOPO4(KTP〕的λmin或λmax小及大的波长可应 用两个不等式。

图11至17表示宽频带合波分波器的第一优选实施例。

在图11所示的实施例中，把由三个光源输出的具有不同波长λ1、λ2 和λ3的光分别输入耦合到三个EOBSW2、3和4中，在耦合点6处将这 些光合并使之在EOBSW8或EOBSW5中形成空间汇集，然后进一步传 输并在EOBSW5的出口AM处输出混合信号。

为了控制单个EOBSW中光分量的振幅或光强，每个光源的光都应该 是可进行选择性调制的光。在该实例中，可通过将信号S1、S2和S3输送 给可控制的振幅或强度调制器AM1、AM2和AM3来实现控制。将可控制的 振幅调制器或强度调制器AM1、AM2和AM3设置在各个EOBSW2、3和 4上。根据控制信号由各波长的调制强度形成由空间重叠的光分量形成的 混合信号M，它的响应强度可借助于单个波长的振幅调制器来调节。在 可见光波长范围内，混合信号M是可看得见的作为主观彩色印象感觉的 光。由于电光调制可达到GHz(目前的技术状态)，所以可以使用这种 装置来形成快速变化的光强和通过光的空间汇集快速改变人眼中色彩的 生理混合。

图12表示带有振幅调制器或强度调制器且设在KTiOPO4(KTP)衬 底1中的宽频带合波分波器的实施例，该宽频带合波分波器构成了马赫 参得干涉调制器MZI1、MZI2和MZI3。通过设定电极上的控制电压U1、 U2和U3，可以利用电光活性材料中的线性电光效应来有区别地改变马赫 参得干涉仪的二个分支中光的传播常数。在马赫参得干涉仪中的汇集位 置上，根据光分量的相位情况而形成相长干涉或相消干涉。还可以用控 制电压来调节EOBSW2、3和4中光分量的振幅(还可参见图18)。

图13提供了另一种在用控制信号S1、S2和S3例如在使用激光二极管 的情况下通过二极管电流对光源L1、L2和L3本身进行调制时实现振幅 调制和强度调制的实例。此外EOBSW上的调制器不必采用分路的形式。 该宽频带合波分波器上具有耦合点6，该耦合点由平行条状耦合器构成。

图14-17中描述的宽频带合波分波器上的耦合点6或6’可将光分 波成多于两束和将多于两束的光汇集。在上述图中所述的方案也可用于 其耦合点具有多于两个入口或出口的宽频带合波分波器。在分波方向上 没有必要将光分成相同的光分量。

图14表示宽频带合波分波器，其中在Y型分波器的耦合点6’中将 入口EOBSW分成3个EOBSW2’、3’和4’，或者在Y型合波器的 耦合点6中将三个EOBSW2、3、4汇集到一起。

图15表示三束宽频带合波分波器，其在分离或合并操作中使用的耦 合点由平行条状耦合器构成。

图16表示三束宽频带合波分波器，其在分波或合波操作中使用的耦 合点由集成光反射器构成。原则上可在耦合点6中合波或分波任意数目 的波导(图17)。可以通过生产过程的技术控制和耦合点的结构设计来 确定合波分波器的种类。当宽频带合波分波器进行分波工作时，将把波 长为λ0或波长范围为Δλ的光分配给各EOBSW。如果入射光是相干光， 那么EOBSW中将存在相干光。

在合波工作中，将把相同或不同波长的光分量进行空间汇集。在此光 分量之间不会出现相互影响。

图18-20表示另一种宽频带合波分波的集成光学结构变型例，其中 耦合点6是通过波导交叉构成的。

根据需要可以将交叉点设计成完全无源的交叉点或设计成对光分量 进行空间汇集的耦合点6或进行空间射线合并和/或射线偏离的可控单元 7，即设计成可进行光转换，调制或偏转和空间汇集的部件。用于进行空 间射线合并和/或射线分离的可控单元7在双模干涉的基础上以X型耦合 器，定向耦合器或BOA的形式进行工作。

图18表示由两个EOBSW2和3与另一个EOBSW5交叉构成的2×1 阵列。交叉点(耦合点6)构成可进行空间射线合并和/或射线分离的可 控单元7’和7”。将两束波长为λ1和λ2的光分别输入耦合到EOBSW2和3 中。有源耦合点起选择性光入口的作用，它可以使光沿混合信号M的方 向完全不受影响地通过同一个EOBSW5，并能根据所提供的可控信号S1 和S2的不同电光强度使EOBSW2和3中波长为λ1和λ2的光分量转向 EOBSW5的方向，其中在EOBSW5中使光分量实现空间汇集并作为混合 信号M传输到出口AM。没有完全偏转的光分量在EOBSW2和3中继续 向育出口B传输。

应这样确定用于进行空间射线合并和/或射线分离的每个可控单元7’ 和7”，使其对各种选定的波长λ1或λ2起调制器的作用，同时能使光分量 分离和将该光分量与其它光分量进行空间合并。调制器不会对各种其它 的波长产生影响或影响极小。

当用于进行空间射线合并和/或射线分离的可控单元7’和7”中仍然存 在相互影响时，可通过有效调节可控信号和/或光源来补偿相互影响的程 度。这种装置的优点在于可进行时分多路复用驱动，这样可避免在用于 空间射线合并的可控单元7’和7”退耦时出现问题。这是因为完全可以达 到极高的控制频率。

此外，还可以在EOBSW5的入口E3处输入耦合波长为λ3的第三个光 分量。可以将该第三个光分量与在EOBSW2和3中传输的光分量进行空 间合并。

图19表示另一种3×1阵列的宽频带合波分波器的集成光学结构变 型例。EOBSW2、3和4与另一个EOBSW5相交。交叉点是无源耦合 点6，其能够将光空间汇集到EOBSW5中。在EOBSW2、3和4上分 别设置调制器AM1、AM2和AM3，以便进行光调制。将波长为λ1、λ2和λ3 的三束光分别输入耦合到各EOBSW2、3和4中。耦合点6起光线合并 和光线分离的作用。由EOBSW5将空间汇集光输出耦合成混合信号M。 在EOBSW2、3和4上设有电光调制器AM1、AM2和AM3，其根据所提供 的控制信号S1、S2和S3允许波长为λ1、λ2和λ3的光分量以不同强度通过。 此外，还可以将波长为λ4的光分量输入耦合到EOBSW5的入口E4中。这 个光分量可以与在EOBSW2、3和4中传输的光分量进行空间合并。

作为变型在使用三个光分量的情况下可以放弃EOBSW2、3或4中 的一个，及其所带的调制器和耦合器件。

图20表示3×4阵列形式的另一种宽频带合波分波器的集成光学结 构变型例。其交叉点或是处于能使光在EOBSW中完全不受影响地传输 的位置(无源交叉点)上或者位于无源耦合点6处或者处在用于进行空 间射线合并和/或射线分离的控制单元7上。

将波长为λ1、λ2和λ3的三束光分别输入耦合到各EOBSW2、3和4中。 EOBSW2、3和4与四个EOBSW8’、8”、8”’和5相交叉。为了说明 其作用，而将交叉点描绘成阵列的形式。在由各行列1-1、2-2和3 -3确定的交叉点处，设有用于进行空间射线合并和/或射线分离的有源 控制单元7。这些单元对三个光分量进行调制。

在行列1-4、2-4和3-4中设有可对光分量进行空间合并和/ 或分离的无源耦合点6。在此，耦合点6是不可控的。其用于将光分量 空间汇集成混合信号M并将该信号送入同一个EOBSW5中。而那些不 需要的光分量将继续向EOBSW2、3、4、8’、8”和8”’的育出口传 输。

此外，还将入口E4、E5和E6中的其它光分量输入耦合到EOBSW8’、 8”和8”’并对其进行控制。这些光分量可以与在EOBSW2、3和4中 传输的光分量进行空间合并。

图21和22表示一种用光度计测量确定某一物质浓度的装置。借助宽 频带合波分波器构成的集成光学结构的测量装置实现了样品量的最小 化，同时相对于传统的方案提高了测量时使用的频带宽度。    

图21中用光接收器12确定置于分离的玻璃器皿14中的测量介质16 (液体或气体)的吸收率。对固体也可进行这种传播过程中的测量(未 示出)。此外还可以利用反射进行测量(未示出)。

将三束不同波长的光输入耦合到各EOBSW2、3和4中，并对这些 光进行空间汇集，然后用其照射位于共同的EOBSW5出口AM和光接收 器12之间的测量器皿14，测量器皿14中放有测量液体16。优选的方 式是在测量器皿14和波导出口AM之间设置一个输出耦合装置11以便进 行光的输出耦合和光束形成。

可以通过下述方法进行测量：

a〕在波导出口AM处实现单一光分量的时分多路复用输出耦合。在各 种波长下直接测量(没有滤波器)吸收率。借助于各EOBSW2、3和4 中的调制器AM1、AM2和AM3并通过控制信号S1、S2和S3可对光分量进 行转换或实现光源自身的转换。然而，在荧光测量时，优选的方式是在 测量器皿14和光接收器12之间设置滤光器Fi，以便将激发光和测量光 分开。

b)将所有光分量同时输入耦合到EOBSW中并且在EOBSW的出AM 处同时进行光分量的输出耦合。通过使滤光器Fi在测量器皿14和光接 收器12(没有调制器)之间偏转实现测量波长的自动控制选择。在所有 测量中均优选对光分量进行振幅调制，因为一般情况下用动态测量方法 能得到较高的测量精度。所用波长的数量不限于三种，还可以根据用途 采用二种或多种波长。

根据图22可测量位于上层渐消区上的测量介质16(气体、液体、固 体)对所传输的波的吸收效果。为此对去覆盖层的公共EOBSW5设置了 的固定测量窗15，在测量窗15上涂置有测量介质16。用振幅调制器 AM1、AM2和AM3对波长为λ1、λ2和λ3的光分量进行调制。通过测量介质 本身的吸收并通过改变表面散射可使波导衰减率发生变化，波导衰减率 改变表示光电流Iph发生变化。该方案充分利用了：在一种于条状波导中 传输的波型的光的情况下，一部分的电场或磁场自身被传到EOBSW之 外(渐消场)。

这些场的分量还从EOBSW外部得到和受其外部影响。如果在EOBSW 上设置吸收介质，则可根据吸收情况，使渐消场衰减或通过设置(但并 不是一定要设置)吸收介质来改变EOBSW的表面散射。两者都可使波 导衰减率发生变化，而该衰减率可用光接收器12测量。与测量介质相接 触的衬底表面除了测量窗15外均被过渡层(例如SiO2)覆盖，因此，渐 消场只能进入测量窗的区域。此外，还确定了精确定义的测量长度(因 为总吸收率与测量窗的长度有关)。借助于该测量装置，通过测量例如 吸收率、折射率或散射度，可以确定气体、液体和固体中物理、生物和 化学等量的影响，受其影响能够改变所传输的光或条状波导本身的特 性。

另一个变型例是测量窗15的覆盖层，其上带有可对物理、化学或生 物等外部影响起反应的物质，这些物质本身在外部影响起作用时能影响 所传输的光和EOBSW的特性。

采用集成光结构的测量装置有利于设备的小型化。可使用极少的试样 份额，因为比起波导来说测量窗的宽度很小而且其长度也仅为毫米级。

图23表示时分多路复用驱动的宽频带合波分波器。在入口E1和E2 提供恒定振幅的交替信号而且在光分量进行空间合并之后根据向振幅调 制器AM1提供的信号S对合并光分量的振幅进行调制。左边的曲线图表 示时分多路复用时提供的波长为λ1和λ2的信号振幅分布。中间的曲线图 表示用于进行光分量调制的信号S的分布。右边的图表示己形成空汇集 的光分量(混合信号M)在出口AM处的分布情况。

图24-26表示本发明的宽频带合波分波器，其中至少一个EOBSW2 和/或3上设有用于进行相位调制的电极结构10。电极10的有效长度L 从几毫米到几厘米，电极距离d为几微米。光调制是通过选用衬底材料 实现的，该衬底材料可以影响条状波导中传输的光波相位。可以使用例 如KTiOPO4(KTP)作为衬底材料。输入信号波长为λ或波长范围为Δλ 的离散信号。

图24表示一种宽频带合波分波器，其EOBSW2上设有用于进行相位 调制的电极10。当在使用相干光的情况下向入口E1和E2输送相同波长 λ1的光时，将在耦合点6中根据相位的情况产生相长干涉或相消干涉。 在此，单个波导2的有效长度是L。

图25表示一种宽频带合波分波器，其两个EOBSW2和3上分别设有 用于相位调制的电极10，电极采用推挽式工作。当在使用相干光的情况 下向入口E1和E2输入相同波长λ1的光时，将在耦合点6中根据相位情 况产生相长干涉或相消干涉。在此，每个波导2或多或3上的有效电极 长度是L/2。由于各电极长度例如是L/2，所以当向入口E1和E2输送λ1 的光时，电极的总有效长度为L，但是在推挽式工作中，该长度会增加。 可以用调制电压U控制相位。通过使用EOBSW可以确保在宽频带下工 作。

为了得到图24或图25中的耦合点6所需的干涉光，可以在分离方向 上使用宽频带合波分波器(图26)。将波长为λ或波长范围Δλ的光送至 EOBSW5’的入口E。在耦合点6’处将EOBSW5’分成EOBSW2和3。接 着由EOBSW2和3传输相干光。

图26表示EOBSW构成的马赫参得干涉(MZI)调制器。这个宽频 带调制器可进行波长选择。

图27表示由图26的调制器构成的宽频带合波分波器，该宽频带合波 分波器在分离方向上产生干涉光。MZI结构由EOBSW构成，由于 EOBSW具有较宽的频带，所以它可以作为波长传感器使用。将具有确定 波长λ的光输入耦合到EOBSW5’的入口E，在EOBSW5’上连接一个集 成光MZI结构。两个支路上设有以推挽形式工作的相位调制器(电极 10)。由此便可以对在干涉仪臂中传输的光分量进行相位调制。当提供 给电极10的电压U变化时，根据电光效应，干涉仪臂中的光相位也随之 改变，从而使出口A处的输出耦合光的振幅或强度也发生改变。通过测 量装置9可以测量调制光。

例如，借助于投射到光接收器12上的光可确定传输的光效率。测量 装置由输出耦合装置11构成，其使调制光聚焦到光接收器12上。显示 器13显示由光接收器12测出的光功率。

当在Z截面KTP中使用电光调制器和当所用的光为TM光时，调制 电压和所传输的光波相位(即与结晶的Z轴相应的衬底面法线和所传输 的线性偏振光的电场矢量方向)之间的关系可用下式确定：

U＝-(Δφλd)/(πLnz3γ33Γ)(1) 与π相移相应的半波电压Uπ根据下式确定：

Uπ＝-(λd)/(πLnz3γ33Γ)(2)

通过向电极提供斜坡电压(图27中的左图)，可在调制器出口处根 据所传输的光功率相应地改变光电流。由此可以确定Uπ(传输的功率中 最小值和相邻的最大值之间的电压)或Uπ的倍数。在公式(2)中，Uπ 与波长有关。由于存在着在制造传感器时确定的校正曲线Uπ＝f(λ)， 所以通过测量半波电压便可得到光的波长。必须确保与本发明所述宽频 带合波分波器一起使用的光电元件能在所有波长范围内进行检测。光源 不必发射宽频带光，因为线宽参与决定测量装置的分辨率，也就是说， 如果能完全利用分辨率，则线宽必须是分辨率的量级或在分辨率的量级 之下。马赫参得干涉仪结构也可以用集成光干涉结构例如迈克尔逊干涉 仪来取代。其工作原理相类似。

图28表示一种宽频带光学滤波器，其从波长范围ΔλE中滤掉一部分光 分量。这就构成了用例如马赫参得干涉结构进行波长选择的基础。在出 口处的输出耦合波长范围ΔλA中含有波长范围ΔλE的剩余部分。如果波长 范围ΔλE是白光，则输出耦合的波长范围ΔλA对应滤出光分量的补色。

图29表示用于进行折射率波谱确定的小型传感器，该传感器可以宽 频带驱动。借助于宽频带合波分波器将不同波长的光进行空间汇集，接 着用马赫参得干涉仪结构进行传输。用振幅调制器或强度调制器AMi选 择所需的波长。马赫参得干涉仪MZI的一个臂上设有与图22相类似的 测量窗15，当放入测量介质时可确定与测量窗15的长度相应的相移量。 另一条支路上设有相位调制器，利用该调制器可提高精度和确定没有测 量介质16和带有测量介质16的上层之间折射率的不同方向。当放置测 量介质16时，可以根据上层折射率的变化来改变所传输的波的传播常 数，由此引起的相位改变可用干涉法确定。干涉仪将相位变化转换成振 幅信号或强度信号。通过不同的折射率可以推断相应的材料或其浓度。 入口的数量可根据不同波长的固体耦合光源的数量来确定。当使用一个 可选择地提供多种波长的光的光源时，只需要一个入口。

图30-32表示带有EOBSW的装置，该装置适合于形成不同波长的 光分量并使这些光分量形成空间汇集。如果必须使用激光二极管作为光 源的话，那么在目前的情况下还不可能提供蓝光和绿光。然而，如果使 用了非线性光学活性材料(例如KTP)，则可利用生成二次模的原理。在 激励波和二次模之间必须实现相位匹配。在KTP中利用了准相位匹配 (QPM)的原理。为此将波导体分成多段，以便产生铁电畴反转的效果。 通过这种方式，可实现激励光波和谐振光波之间的相位匹配。激励光的 功率足够大而且可形成半波长的光，即，例如将激光二极管发出的波长 为830nm的光变为波长为415nm的光。还能够形成更高次的模，例如波 长为λ/4的光。另一种变频的方案是合频(合频振荡(SFG))或差频 结构。两方案均可在KTP中实现(例如， M.L.Sundheimer，A.Villeneuve，G.L.Stegemann和J.D.Bierlein，“用单个光源 在分段的KTP波导中同时产生红光、绿光和蓝光”，电子通讯 (Electronics Letters)，94年6月9日，Vol.30，No.12，pp，975-976)。 借助这两个方案可以将例如红外光转换成不同离散波长的可见光。

根据图30，在每个EOBSW3和4上设置有变频部件FU。将波长λ2 变为波长λ4，波长λ3变为波长λ5。在混合信号出口AM处提供波长为λ1、 λ4和λ5的空间汇集光。根据宽频带合波分波器的各种用途，可以确定在 哪一种或多少个EOBSW上配置变频部件FU。

在图31和32中，波长为的λ0光到达以分离方式工作的宽频带合波分 波器。波长为λ0的光分量进入EOBSW2’、3’和4’中。在每个EOBSW2’、 3’和4’上设有变频部件FU。每一个变频部件FU都产生各自的波长λ1 λ4和λ3。在图31中可以将波长为λ1、λ4和λ3的光分量进行输出耦合。在 图32中，光分量通过设置在后面且以合波方式工作的宽频带合波分波器 进行空间汇集。在出口AM输出波长为λ1、λ2和λ3的空间汇集光。

图33-35表示用于测量长度变化和/或折射率变化的集成光传感器。 该传感器由集成光学迈克尔逊干涉结构构成，其利用EOBSW作为波导。

图33使用了两个独立的Y型宽频带合波分波器。

图34使用了一个定向耦合器而图35使用了一个X型耦合器或 BOA。

在每个实例中，测量长度变化的传感器的原理是相同的。将波长为λ1 的光输入耦合到EOBSW2’的入口E。在耦合点6’(图33)或耦合点6 (图34和35)中将光分入两个波导臂，并在检测器出口D1和D2对其进 行输出耦合。该光借助于光输出耦合器11射至两个反射镜上。一个反射 镜Sp(f)的位置是固定的。可以用波导的端面代替反射镜进行光反射 或在波导出口前面的EOBSW上设置集成光学反射器。可以将第二个反 射镜Sp(b)固定在往复运动的测量体上。

光分量可借助反射镜返回波导出口D1和D2，而且通过波导结构的两 条通路在耦合点6’(图33)或耦合点6(图34和35)中形成干涉。将 叠加的光再次分离并使其在出口A和入口E进行输出耦合。从出口A输 出耦合的光投射到光接收器12上，并在此产生光电流Iph。由于输出耦 合支路上D2和Sp(b)之间的光路长度发生变化，所以两个反射器和 再次输入耦合的光分量之间的相位也随之改变，由此还使提供给光接收 器的信号振幅和强度发生变化。反射镜在光发射方向上的位置变化λ/2将 对应于光电流Iph的一个完整交扰调制。

此外当在波导支路中使用图33-35中所示的例如由设在EOBSW上 的电极装置10构成的相位调制器，和/或同时将两束波长为λ1和λ2的光输 入耦合到EOBSW2’中并进行选择性波长测量时，可以对相位变化的方向 进行识别。通过使用EOBSW可以在使用短波长的情况下达到进一步提 高分辨率的目的。至今还未见到有关在条状波导中对蓝光波长范围或波 长更短的光进行单模传输或调制的报道。

当把反射镜Sp(b)固定和在反射镜Sp(b)及检测器出口D2 之间放入测量介质时，可用传感器来确定测量介质的折射率。

                  标号说明 1.                    衬底 2.                    EOBSW或条状波导 3.                    EOBSW或条状波导 4.                    EOBSW或条状波导 5.                    共用的EOBSW 6.                    耦合点 7.                    用于空间射线合并和/或射线分离的控制单元 8.                    EOBSW或条状波导 9.                    测量装置 10.                   电极 11.                   输出耦合装置 12.                   光接收器 13.                   显示装置 14.                   测量器皿 15.                   测量窗 16.                   测量介质 17.                   Ti：LiNBO3条状波导 18.                   钛条 L1，L2，L3            光源 MZ1，MZ2，MZ3         马赫参得干涉仪 AM1，AM2，AM3，AM4    振幅调制器 E1，E2，E3，E4        光入口 A，A1，A2，A3，       光出口 S1，S2，S3            控制信号 U1，U2，U3            控制电压 R，R1，R2             集成光学或微光学反射器 M                     混合信号 AM                    混合信号出口 U                     电极电压 Ipb                  光电流 Δφ                                       电光形成的相位变化 d                     电极距离 l                     电极总长度 nz                     Z向偏振光的折射率 r33                  电光测力计，其通过Z向电场的转换影响Z向折

                 射率 Γ                                       电极的外部电场和所引导的光学模式之间的重

                 叠因子 T                    时间间隔 tM                   测量时间 ST                   波长选择射线分离器 Sp(f)                固定的反射镜 Sp(b)                动的反射镜 D1，D2               检测出口(波导出口) Dx，Dy，Dz           扩散常数 N00                  基摸的有效折射率 N01                  一次侧向摸的有效折射率 N10                  一次纵向摸的有效折射率 N02                  二次侧向摸的有效折射率 Neff                 条状波导中的摸式的有效折射率 Neff，Z              条状波导中Z偏振摸式的有效折射率 ax                   x向长度的中间值 ay                   y向长度的中间值 a                    结构或折射率的宽度 t                    结构或折射率的深度(高度) w                    扩散时钛条的出口的宽度 td                   扩散时间 x-y-z                坐标系 nw                   波导区nw＝f(x，y)中的折射率分布 n1                   衬底的折射率 n2                   表面波导区的折射率 n3                   上层的折射率 ns                   n1＞n3时衬底的折射率或n3＞n1时上层的折射

                 率     d(n2-ns)/dλ                   提高导波折射率所需的波长关系(扩散) Z                    结晶学的Z轴(或c轴) λ0，...，λ6        波长 λa                  在表示单摸区时与条状波导区中的单摸波长范

                 围相对应的波长 λb                  在加宽的并合分离器藕合区中使二次侧向模起

           振的波长 λmin          衬底材料光学传输区的最小值 λmax          衬底材料光学传输区的最大值 λi            离散波长 Δλ，Δλi    波长范围 Δλw          条状波导的频带宽度 Δλv          波导中基模N00的振荡和并合分离器加宽藕合

           区中二次侧向模的振荡之间的波长差 ΔλN          并合分离器的有效波长范围 ΔλE          波导入口处的光频带宽度(光谱) ΔλA          波导出口处的光频带宽度(光谱) Kij            表示交叉点的阵列元件