DE19623504C1

DE19623504C1 - Optisches Mikrophon

Info

Publication number: DE19623504C1
Application number: DE19623504A
Authority: DE
Inventors: Werner Jungbluth; Norbert Dipl Phys D Fuerstenau
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1996-06-13
Filing date: 1996-06-13
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2016-06-14
Also published as: JPH1075499A; JP3037639B2; US6055080A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Mikrophon mit einer Lichtquelle, einer faseroptischen Zuleitung und einem mit zwei Reflektoren ausgestatteten Fabry-Perot-Interferometer, das als ersten Reflektor eine Endfläche der faser optischen Zuleitung hat und davon beabstandet der zweite, von Schalluft druckschwankungen auslenkbare Reflektor angeordnet ist.

In vielen Anwendungsbereichen ist es erforderlich Mikrophone weit entfernt von zugeordneten Audioverstärkern anzuordnen. Dann müssen die unverstärkten elektrischen Mikrophonsignale lange Strecken überbrücken. Leitungsverluste und -kapazitäten sowie elektromagnetische Einstreuungen in die Leitung begrenzen die Länge der Verbindungskabel zur Verstärkerelektronik. Wenn Distanzen im Kilometerbereich, beispielsweise zur Verkehrsüberwachung, zu überbrücken sind, wird daher häufig das elektrische Signal zunächst digitalisiert und nach elektrooptischer Wandlung als optisches Signal über ein Glas faserkabel zu einem entfernten Empfänger übertragen, um so eine optimale Übertragungsqualität zu gewährleisten. Nachteilig ist, daß die elektrooptische Wandlung eine aufwendige elektrische Signalaufbereitung am bzw. nahe am Mikrophonort bedingt. Damit ist am Mikrophonort neben der optischen Meßsignalleitung eine elektrische Stromversorgung erforderlich. Die dort be findliche Elektronik ist störanfällig und muß gewartet werden.

Schallinduzierte Luftdruckschwankungen können jedoch auch direkt in eine Phasenmodulation einer Lichtwelle und dann durch Überlagerung in ein intensitätsmoduliertes optisches Signal umgewandelt werden. Ein derartiges optisches Mikrophon kann daher die Meßsignale ohne elektrooptische Wandlung über eine Glasfaserleitung übertragen. Das optische Signal kann nach optoelektronischer Wandlung am Meßauswerteort mit konventioneller Elektronik verstärkt und weiterverarbeitet werden. Ein optisches Mikrophon ist daher immun gegen elektromagnetische Störungen. Ferner sind die bei elektrischen Installationen, insbesondere bei großen Übertragungslängen, auftretenden Probleme mit Erdschleifen eliminiert.

Ein derartiges optisches Mikrophon ist von H. Nano, M. Matsumoto, K. Fujimura, K. Hattori mit dem Titel "Fiber-Optic Microphone using a Fabry-Perot Interferometer" in Proc. 9th Int. Conf. on Optical Fiber Sensors (OFS-9), Florenz 1993, Seiten 155-158 beschrieben worden. Das darin beschriebene optische Mikrophon enthält als sensitives Element ein miniaturisiertes Fabry-Perot-Inter ferometer. Als Lichtquelle wird eine hochkohärente Laserdiode verwendet. Das aus einer Monomodeglasfaser austretende Lichtbündel wird von einer in einigen 10 µm bis 100 µm Entfernung angeordneten verspiegelten Membranfolie reflektiert und in die Faser zurückgekoppelt. Schallinduzierte Luftdruck schwankungen ändern gleichphasig den Glasfaser-Membran-Abstand. Die ent sprechend phasenmodulierte (ΔΦ (L), L = Fabry-Perot Länge) reflektierte Lichtwelle überlagert sich mit der an der Glasfaser-Luft-Grenzfläche teilweise reflektierten Lichtwelle zu einem Interferenzsignal (Intensität I = 2R (1-cosΔΦ) bei Spiegelreflektivität R«1), das als mit der akustischen Frequenz intensitäts modulierte Lichtwelle über die Zuleitungsglasfaser zu einem Photodetektor zur optoelektrischen Wandlung geleitet wird, um anschließend auf konventionelle Weise weiterverarbeitet werden zu können. Das optische Mikrophon erfordert aufgrund der ungestörten Überlagerung von hin- und rücklaufenden Lichtwellen zur Verbindung zwischen Meßort und Auswerteort nur eine einzelne Monomode- Glasfaserleitung, die gleichzeitig als "Versorgungs-" und Signalleitung genutzt wird.

Dennoch hat die bekannte Konstruktion einige Nachteile. Die cos-Charakteristik des Interferenzsignals (nur bei kleinen Reflektivitäten R; bei größeren R geht die cos-Charakteristik über in die Airy-Funktion) kann über die thermische Ausdehnung des Fabry-Perot-Resonators zu temperaturbedingtem "signal fading" führen: die Kleinsignalempfindlichkeit (Steigung der cosΔΦ- Charakteristik) geht im Maximum oder Minimum der cos-Funktion gegen 0. Zur Stabilisierung der Kleinsignalempfindlichkeit sind aufwendige Demodulations- und Stabilisierungsverfahren erforderlich, die als Homodyn- und Hetero dyntechniken bekannt sind. Bei der zitierten Veröffentlichung wird der Arbeitspunkt über eine aktive Verstimmung der Wellenlänge einer DFB- Laserdiode stabilisiert. Die Verwendung von Laserdioden als für Interferometrie üblicherweise eingesetzte hochkohärente Lichtquellen erfordert aufwendige Temperatur- und Stromstabilisierungen, sowie eine effektive Isolation gegen in die Diode vom Sensor rückreflektiertes Licht mit entsprechend hohen Kosten für das Gesamtsystem. Ein weiteres Problem bei der zitierten Anordnung entsteht bei Anwendungen im Außenbereich durch die erforderliche extrem dünne (3 µm) und empfindliche Membranfolie zur schallinduzierten Phasenmodulation.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein optisches Mikrophon zu realisieren, das einfach im Aufbau und zugleich weitgehend temperaturstabil ist.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einem gattungsgemäßen optischen Mikrophon dadurch, daß der zweite Reflektor die Endfläche eines Glasfaserabschnitts ist, wobei der Glasfaserabschnitt von einer damit gekoppelten, separaten Membran luftdruckinduziert auslenkbar ist.

Durch die gleichartige Ausbildung der beiden beabstandet angeordneten Reflektoren im Interferometer jeweils als Endfläche einer Glasfaser, wird eine relativ niedrige Spiegelreflektiviät in den beiden Glas-Luft-Grenzflächen bereitgestellt. Die Einstellung des Arbeitspunktes des Mikrophons wird damit erheblich erleichtert. Außerdem können niedrig kohärente und relativ preiswerte Lichtquellen für das optische Mikrophon verwendet werden. Bei derartigen Lichtquellen ist eine optische Isolation gegen in die Diode vom Sensor rückreflektiertes Licht nicht erforderlich. Auch eine Temperaturstabilisierung des Arbeitspunktes des Sensors mittels Wellenlängenverstimmung entfällt.

Dadurch, daß der Abstand (Resonatorspalt) zwischen den beiden Reflektoren 0-20 µm beträgt, wobei die durch die Auslenkung verursachte Längenänderung des Abstandes weniger als 100 nm beträgt, wird die Temperatur unempfindlichkeit der Vorrichtung weiter verbessert. Aufgrund des äußerst geringen Abstandes der Reflektorflächen, d. h. einer sehr geringen Fabry- Perot- Resonatorlänge wird Phasenrauschen reduziert, und es können sehr geringe Abstandsänderungen der Reflektoroberflächen von nur wenigen nm erfaßt werden. Dieser Bereich liegt jedoch bei entsprechender Justierung im linearen Übertragungsbereich der cos-Übertragungscharakteristik des Interferometers, was zu einem unverzerrten Signalbild führt.

Wenn die Endflächen der Reflektoren poliert und gerundet sind oder als ebene Fläche gebrochen werden und eine Reflektivität an der Glas-Luft-Grenzfläche von etwa 4% haben, ist die Einstellung des Arbeitspunktes des Interferometers unempfindlich gegen Störungen. Die Intensitätsmodulation des Interferenzsignals kann dabei in erster Näherung durch eine Cosinus-Funktion approximiert werden.

Dadurch, daß im Interferometer das dem Reflektor zugewandte Ende der Faser in einer Ferrule und der Faserabschnitt in einer Reflektorferrule aufgenommen sind, wobei die Ferrulen von einem hohlzylindrischen Verbindungselement koaxial umschlossen und geführt sind, können die Reflektorendflächen der Zuleitungsfaser und des Faserabschnitts hochpräzise zueinander ausgerichtet werden. Die Ferrulen bestehen vorzugsweise aus einem Keramikkörper mit einer die Faser aufnehmenden Präzisionsbohrung. Die zylindrisch ausge bildeten Keramikkerne bzw. Ferrulen werden von dem hohlzylindrischen Verbindungselement in kollinearer Ausrichtung gehalten. Die Reflektorferrule ist dabei jedoch für kleine Auslenkungen beweglich gehalten.

Der zweite Reflektor ist dann also die Endfläche eines in eine keramische Präzisionsfaserführung (Ferrule) geklebten Glasfaserabschnitts. Die Faserfüh rung wird mit geringem Andruck gegen die Führung des ersten Reflektors ge drückt.

Die Einstellung des Arbeitspunktes des Mikrophons wird durch eine geringfügige Anfangsverkippung der aufeinanderstoßenden Ferrule mit den Glasfasern be wirkt. Wenn die Ferrule mit den Endflächen der Reflektoren unter einem geringen Winkel aufeinandergedrückt werden, ist die Einstellung des Arbeits punktes des Interferometers unempfindlich gegen Störungen, insbesondere sehr temperaturstabil.

Das polierte Reflektorfaserende des zweiten Reflektors und/oder das polierte Zuleitungsfaserende, also der erste Reflektor, können unter einem Winkel zur Faserachse geschliffen sein, der vorzugsweise zwischen 80° und 90° bei einem senkrechten Reflektor liegt. Durch Rotation des Reflektors um die Faserachse läßt sich dadurch der Anfangsabstand (der Arbeitspunkt) sehr präzise einstellen.

Da für das erfindungsgemäße optische Mikrophon nur eine niedrigkohärente Lichtquelle erforderlich ist, kann eine kostengünstige Superlumineszenzdiode oder gar eine normale Leuchtdiode als Lichtquelle verwendet werden. Die Licht quelle sendet dabei Licht mit einer Kohärenzlänge L_c < 50 µm aus.

Eine mechanische Ankopplung überträgt die schallinduzierte lineare mechanische Bewegung der Membran auf den durch die Reflektorferrule gehaltenen Faserabschnitt. Wenn die Membran mit ihrer Bewegungsachse senkrecht zur Achse des Fabry-Perot-Interferometers angeordnet ist und die mechanische Ankopplung als Winkelstück ausgebildet ist, wobei das Verbindungselement eine elastische Verkippung der Reflektorferrule erlaubt, wirkt das Verbindungselement als Federelement zur elastischen Auslenkung der Reflektorferrule um kleinste Winkelbeträge, wobei zur Erzielung einer hohen Temperaturstabilität des Arbeitspunktes die Reflektorferrule unter geringem Andruck gegen die Ferrule mit der Zuleitungsfaser gedrückt wird. Die daraus resultierende Resonatorspaltveränderung erzeugt eine entsprechend der Auslenkung phasenmodulierte Lichtwelle.

Alternativ kann dadurch, daß die Membran mit ihrer Bewegungsachse kollinear zur Achse des Fabry-Perot-Interferometers angeordnet ist und die mechanische Ankopplung stabförmig in Verlängerung der Reflektorferrule ausgebildet ist, wobei im Resonatorspalt zwischen den beiden Ferrulen ein elastischer Abstandshalter, vorzugsweise in Form von drei Klebepunkten 13 auf den Ferruleoberflächen angeordnet ist, eine kollineare Resonatorspaltveränderung erzeugt werden, die ebenfalls zu einer phasenmodulierten Lichtwelle führt. Der am Resonatorspalt vorzusehende elastische Abstandshalter hat vorzugsweise eine Dicke von 10 bis 20 µm, die einen entsprechenden Ruheabstand der beiden Reflektoren im Interferometer zueinander definiert. Bei schallinduzierter Auslenkung wird der Abstandshalter elastisch deformiert, d. h. zusam mengedrückt oder gestreckt. Auch in diesem Fall wird vorzugsweise zur Erzielung einer hohen Temperaturstabilität des Arbeitspunktes die Reflektor ferrule mit geringer Kraft gegen die Ferrule mit der Zuleitungsfaser gedrückt.

Die Signale dieses auf Glasfaserbasis in Form eines Fabry-Perot Mikrointerfero meters realisierten optischen Mikrophons sind völlig unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen und über Glasfaserstrecken im Kilometerbereich ohne Zwischenverstärkung auszulesen. Der rein optisch arbeitende akustische Sensor wurde für Anwendungen im Verkehrsbereich entwickelt und dem entsprechend robust für Außenanwendungen konzipiert. Das Mikrointerfero meterprinzip eignet sich gut zur weiteren Miniaturisierung des Sensors bis in den mm-Bereich. Dementsprechend ist das optische Mikrophon auch in vielen ande ren Bereichen einsetzbar, in denen konventionelle, z. B. Kondensatormikro phone, zum Einsatz kommen. Besonders interessant sind natürlich solche An wendungen, in denen der Einsatz von elektrischen Mikrophonen aufgrund von starken elektromagnetischen Störungen und/oder langen Übertragungsstrecken problematisch ist.

Das Sensorsystem besteht neben dem eigentlichen Sensorelement aus einer Superlumineszenzdiode (SLD) als Lichtquelle, deren Licht über einen faser optischen Richtkoppler in die verkabelte (Monomode-)Zuleitungsfaser zum Sen sorelement eingespeist wird. Das vom Sensor in die Zuleitungsfaser zurückge koppelte Licht wird im Koppler zu einer Photodiode am zweiten Eingangsarm des Kopplers verzweigt, um dort für die weitere elektronische Verarbeitung in ein elektrisches Signal umgewandelt zu werden.

Das eigentliche Sensorelement ist ein faseroptisches Extrinsisches Fabry-Perot Mikrointerferometer (EFPI). Translationsbewegungen einer durch die akustische Quelle angeregten Membran werden über eine geeignete Mechanik in dazu pro portionale Längenänderungen des Fabry-Perot Resonators umgewandelt. Die ser besteht aus zwei durch einen Luftspalt (bis zu einigen 10 Mikrometer) ge trennten ebenen Endflächen von Monomode-Glasfasern mit ca. 4% Reflektivi tät, die in Präzisionsführungen eingeklebt sind. Mit hinreichend kohärentem Licht geeigneter Wellenlänge und niedrigen Spiegelreflektivitäten erhält man bei Abstandsänderungen zwischen Faserende und Spiegel eine cos²-förmig von der Phase bzw. dem Spiegelabstand abhängige Ausgangsintensität als Interferenz signal mit im Idealfall nahezu 100% Interferenzkontrast bei ca. 16% Maximal reflektivität des FP. Der Spiegelabstand ist so eingestellt, daß sich die üblicher weise im Verhältnis zur Interferenzamplitude kleine Meßsignalamplitude im line aren Bereich der cos^2*-Charakteristik bewegt (Quadraturbedingung). Der Gehäuse durchmesser von 4,5 cm der für den Außeneinsatz vorgesehenen Prototypen ist im wesentlichen durch die verwendete Membran gegeben; der mechanische Aufbau des eigentlichen Mikrointerferometers zur Umwandlung der Membran bewegung in Phasenmodulation der Lichtwelle und Erzeugung eines zum einfal lenden Schallsignal proportionalen Interferenzsignals besitzt Abmessungen von 1 cm × 5 mm.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen optischen Mikrophons sind:

- Intrinsische EMV-Sicherheit (keine elektrischen Komponenten am Ort des Sensors)
- Keine Masseschleifen in Sensornetzen durch passive optische Sensorik ohne elektrische Komponenten
- hohe Empfindlichkeit durch Fabry-Perot Mikrointerferometer als Sensorele mente
- große Distanz zwischen Sende-/Empfangseinheit und Sensorelement mög lich (km-Bereich)
- Störungsfreie Überlagung von hin- und rücklaufendem Licht in einer einzelnen Zuleitungsfaser
- Verwendung einer einzelnen Lichtquelle für mehrere Sensoren durch Einsatz von faseroptischem 1XN Richtkoppler
- durch Mikrointerferometerprinzip weitere Miniaturisierung möglich für andere Anwendungsbereiche.

Nachfolgend wird die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen detailliert beschrieben.

Darin zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Sensoreinheit eines erfindungsgemäßen optischen Mikrophons nach einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Sensoreinheit eines erfindungsgemäßen optischen Mikrophons nach einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung des Interferenzsignals in Abhängigkeit der Fabry-Perot-Resonatorlänge und

Fig. 4 einen schematischen Aufbau des erfindungsgemäßen optischen Mikrophons mit einer Lichtquelle und einer Empfangseinheit.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Sensoreinheit 17 eines erfindungsgemäßen optischen Mikrophons in einer ersten Ausführungsform. Das zentrale Sensorelement des optischen Mikrophons ist ein extrinsisches Fabry-Perot-Mikrointerferometer (EFPI). Das Interferometer ist aus den Komponenten von faseroptischen Monomode-Steckern vom FC-Typ (face contact) aufgebaut. Bei sogenannten FC-Steckern stoßen die polierten, vorzugsweise gerundeten Endflächen der beiden zu verbindenden Faserenden so aufeinander, daß eine Glas-Luft-Grenzfläche und damit die Reflexion an dieser Stelle weitgehend unterdrückt wird.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist an einer faseroptischen Zuleitung 1, die als Monomode-Glasfaserkabel ausgebildet ist, ein FC-Stecker 2 an einem Ende der Faser 1 angeordnet. Der FC-Stecker 2 ist in einen FC- Adapter 3 eingeschraubt, wie er üblicherweise zur Verbindung zweier Monomode-Kabel benutzt wird. Das Monomode-Glasfaserkabel 1 endet in dem FC-Stecker 2 mit einer polierten oder eben gebrochenen Endfläche 4. Dieses Ende der Faser 1 ist in einer Präzisionsbohrung eines die Glasfaser 1 aufnehmenden Keramikkerns 5, nachfolgend auch Ferrule genannt, eingeklebt. Die polierte Endfläche 4 der Glasfaser 1 bildet einen ersten Reflektor des Interferometers. Der zur Ausbildung eines Fabry-Perot-Resonators benötigte zweite Reflektor ist als der Endfläche 4 der faseroptischen Zuleitung 1 gegenüberliegende Endfläche 6 eines der Faser 1 gleichartigen Glasfaserabschnittes 8 ausgebildet. Der Glasfaserabschnitt 8 ist ebenfalls in einer Präzisionsbohrung eines weiteren Keramikkerns oder Reflektorferrule 7 eingeklebt.

Die beiden kollinear angeordneten Ferrulen 5, 7 sind in einem hohlzylindrischen Verbindungs- oder Federelement 9 aufgenommen und geführt. Dabei ist die Ferruleführung auf der Seite des FC-Adapters 3 mit der Reflektorferrule 7 geeignet aufgeweitet, so daß die Reflektorferrule 7 beweglich ist und im ersten Ausführungsbeispiel geringfügig verkippt werden kann. Ferrule 7 wird zur Stabi lisierung der Resonatorlänge mit geringer Kraft gegen Ferrule 5 gedrückt.

Die FC-Stecker/Adapter Kombination bildet das Fabry-Perot-Interferometer. Der FC-Adapter 3 ist in den Boden eines kleinen Gehäuses 12 eingeschraubt, an dessen Seite eine Halterung mit einer Membran 11 befestigt ist, die die Luftdruckschwankungen des akustischen Signals S in eine lineare mechanische Bewegung umwandelt. Die Membran 11 ist beispielsweise in Art eines Miniaturlautsprechers ausgebildet, wobei das bewegliche Membranzentrum mit einer mechanischen Ankopplung 10 mit der beweglich gehalterten Reflektor ferrule 7 und damit mit dem zweiten Reflektor verbunden ist.

Die Bewegungsachse der Membran 11 ist im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 senkrecht zur Achse des Fabry-Perot-Interferometers angeordnet. Die mechanische Ankopplung erfolgt über ein Winkelstück 10, das einerseits an der Membran 11 und andererseits an der Reflektorferrule 7 befestigt ist, womit die schallinduzierte Membrantranslation in eine Kippbewegung der Ferrule umgesetzt wird. Zwischen den beiden als Reflektoren gegenüberliegenden Faserendflächen 4, 6 entsteht ein Luftspalt, dessen Länge ΔL (= Länge des Fabry-Perot-Resonators) entsprechend der Luftdruckschwankung verändert wird.

In der in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsform der Sensoreinheit 17 eines optischen Mikrophons sind funktionsmäßig gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist hier die Membran 11 im Gehäuse 12 des Sensors dem FC-Adapter 3 gegenüberlie gend eingebaut. Die aufgrund eines auf die Membran 11 einfallenden akustischen Signals S entstehende lineare mechanische Bewegung wird über eine mechanische Ankopplung 10, die stabförmig ausgebildet ist, auf die Reflektorferrule 7 übertragen. Die Bewegungsachse der Membran 11 ist somit kollinear zur Achse des Fabry-Perot-Interferometers angeordnet, so daß sich die Reflektorferrule 7 entsprechend der Membranauslenkung kollinear zur ersten Ferrule 5 bewegt. Dabei wird die Reflektorferrule 7 mit dem die beiden Ferrulen umschließenden, hohlzylindrischen Verbindungselement 9 beweglich geführt. Die beiden gegenüberstehenden Endflächen der Ferrulen 5 und 7 sind durch elastische Abstandshalter 13 voneinander getrennt gehalten und zur Tempera turstabilisierung mit geringer Kraft gegeneinandergedrückt.

In Fig. 3 ist das Interferenzsignal eines Fabry-Perot-Interferometers mit niedrig reflektierenden Spiegeln (R = 4%) bei einer Lichtquelle mit Mittenwellenlänge λ = 820 nm und spektraler Halbwertsbreite δλ = 20 nm für einen Spiegelabstand L = 0 bis 5 µm dargestellt. Auf der Abszisse ist die auf die Eingangslichtleistung normierte Ausgangsleistung i_R = i_R/i₀ dargestellt. Die relative Maximalamplitude des Interferenzsignals beträgt bei einer Spiegelreflektivität von 4% (Glas-Luft- Grenzfläche): i_R ^max = 4R = 16%. Diese maximale Modulation des Ausgangs signals ergibt sich bei einer Phasenänderung ΔΦ = 4πL/λ = π, entsprechend einer Abstandsänderung der Reflektoroberflächen von ΔL = λ/4 = 0,205 µm, sofern L = 0 µm. In Abb. 3 ist das Interferenzsignal für typische Werte (L = 0-5 µm, R = 4%, λ = 820 nm, δλ = 20 nm) gezeigt. Der Interferenzkontrast nimmt aufgrund der endlichen Kohärenzlänge L_c = λ²/δλ stetig ab.

In Fig. 4 ist der gesamte Aufbau eines erfindungsgemäßen optischen Mikrophons schematisch dargestellt. Das optische Mikrophon weist eine Lichtquelle 14 auf. Die Lichtquelle 14 ist bevorzugt eine niedrig kohärente Superlumineszenzdiode (SLD) oder eine normale Leuchtdiode (LED) mit angekoppeltem Faser-"pigtail". Die Lichtwelle der Leuchtdiode 14 wird auf einen faseroptischen Strahlteiler 15 gelenkt, von dem die faseroptische Zuleitung 1 zur bereits beschriebenen Sensoreinheit 17 führt. Das von der Sensoreinheit 17 rückreflektierte und durch Interferenz im Fabry-Perot-Resonator modulierte Licht gelangt über den faseroptischen Strahlteiler 15 zu einer Empfangseinheit 16, die einen optoelektrischen Umwandler, beispielsweise eine Photodiode PD, einen Verstärker und Vorrichtungen zur weiteren Signalverarbeitung hat. Beispielsweise kann das vom Verstärker abgegebene analoge elektrische Signal auf einen Analog-zu-Digital-Wandler ADC gelegt werden und an schließend mit einem FFT-Spektrumanalysator ausgewertet werden. Im Bereich der Verkehrsüberwachung können damit beispielsweise Fahrzeugklassi fizierungen anhand charakteristischer Spektren vorgenommen werden.

Nachfolgend wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen optischen Mikrophons erläutert.

Das niedrigkohärente Licht, das von der vorzugsweise als Superlumi neszenzleuchtdiode ausgebildeten Lichtquelle 14 ausgesendet wird, wird über den Strahlteiler 15 und die Monomode-Glasfaser 1 zur Sensoreinheit 17 geführt. In der Sensoreinheit 17 wird die einfallende Lichtwelle zunächst an der Endfläche 4 des Monomode-Glasfaserkabels 1 reflektiert. Der größte Teil der Lichtleistung wird über den Resonatorluftspalt zum zweiten Reflektor 6 übertragen. Dort wird die einfallende Lichtwelle reflektiert, wobei aufgrund der schallinduzierten Auslenkung der Reflektorferrule 7 und des darin gehalterten Glasfaserabschnitts 8 eine Abstandsänderung des Resonatorspaltes bewirkt und damit die am zweiten Reflektor reflektierte Lichtwelle periodisch phasen moduliert wird.

Diese Phasenänderung δΦ bewirkt nach Überlagerung mit der am Ende der Zuleitungsfaser 1 reflektierten Lichtwelle ein Interferenzsignal, das für ein Fabry-Perot-Interferometer mit Reflexion an gleichen Spiegeln mit niedrigem R in erster Näherung approximiert wird durch

i_R = 2 R (1-µ(λ) cos (4 πL/λ)) (1),

wobei
die Funktion µ(λ) den durch die spektrale Breite der Lichtquelle beeinflußten Interferenzkontrast beschreibt, hier für das Beispiel der Spektralfunktion eines gedämpften harmonischen Resonators:

und i_R die auf die Eingangslichtleistung normierte Ausgangsleistung i_R = I_R/I₀ ist.

Durch eine mechanische Vorspannung wird der Arbeitspunkt im linearen Bereich eines Interferenzstreifens stabilisiert, entsprechend einer Flanke der in Fig. 3 dargestellten Funktion. Bei der ersten Ausführungsform wird der Ruhewinkel zwischen Steckeradapter-Symmetrieachse und Reflektor- Ferruleachse mit einem entsprechenden Ruheabstand L₀ des Resonatorspaltes so eingestellt, daß das Interferenzsignal sich etwa beim Quadraturpunkt [ΔΦ = 4 πL/λ ≈ (2 N+1) π/2; N=0, 1, 2] befindet, der als Arbeitspunkt in der Mitte einer Interferenzsignalamplitude den empfindlichsten Bereich für Kleinsignale darstellt. Durch Differenzieren wird aus (1) bei ΔΦ = π/2 als Empfindlichkeit bezüglich Abstandsänderungen δL erhalten:

Für λ = 0,82 µm und R = 4% ergibt sich di_R/dL ≈ 1,2 µm^-1. Die schallinduzierten Phasenänderungen δΦ (und entsprechend Wegänderungen δL) müssen wegen der cos-Übertragungscharakteristik über den zu übertragenden Schall druckbereich (Dynamikbereich) klein sein im Vergleich zu ΔΦ = π. Nach dem Obengesagten folgt als Forderung:

δi_R « 4 R.

Wählen wir z. B. δi_R = 0.1 (4R), dann ergibt sich aus (3) die entsprechende Wegänderung zu δL≈20 nm. Der Verkippwinkel des von der Membran bewegten Reflektors ergibt sich bei einem Ferruleradius a = 2,5 mm zu δΘ = δ L/a = 8 µrad, entsprechend 5·10^-4 Grad. Gleichung (3) gilt nicht mehr bei größeren R, wenn die Glasfaseroberflächen zusätzlich verspiegelt werden, da dann anstelle von (1) die vollständige Airy-Funktion zur Charakterisierung des Fabry-Perot-Interferenzsignals herangezogen werden muß. Die Empfindlichkeit kann dann mit zunehmender Resonatorgüte beliebig gesteigert werden, wobei jedoch die Einstellung des Arbeitspunktes zunehmend schwieriger wird.

Die Empfindlichkeit gegenüber schallinduzierten Luftdruckschwankungen, bzw. der dynamische Bereich erfordern zur theoretischen Abschätzung die Multi plikation von (2) mit weiteren Faktoren:

Der erste Faktor auf der rechten Seite der Gleichung (4) gibt die Kippwinkel empfindlichkeit (Ausführungsform 1) der relativen Interferenzsignal (Intensitäts-) änderung an (3/mrad = 18,75 (4R)/mrad); der zweite Faktor beschreibt die Kippwinkeländerung mit dem Schalldruck, die von der Auslegung der mecha nischen Konstruktion zur Umsetzung der Membranbewegung auf die Reflektor- Ferrule-Verkippung abhängt. dw_a/dp_a ist die durch den Schalldruck p_a bewirkte lineare Translation w_a der Membran.

In Ausführungsform 2 ergibt sich die Druckabhängigkeit der Intensitätsänderung di_R/dp_a durch Multiplikation von Gleichung (3) mit dL/dp_a. Dieser Faktor ist wieder durch die elastischen Eigenschaften und die Dämpfung der Mechanik bestimmt.

Bezugszeichenliste

1 faseroptische Zuleitung (Monomode-Glasfaserkabel)
2 FC-Stecker
3 FC-Adapter
4 erste polierte Endfläche, erster Reflektor
5 erster Keramikkern oder Ferrule
6 zweite polierte Endfläche, zweiter Reflektor
7 zweiter Keramikkern oder Reflektorferrule
8 Glasfaserabschnitt
9 Verbindungs- oder Federelement
10 mechanische Ankopplung, Winkelstück bzw. stabförmiges Element
11 Membran
12 Gehäuse
13 Abstandshalter (elastisch)
14 Lichtquelle
15 faseroptischer Strahlteiler
16 Empfangseinheit
17 Sensoreinheit

Claims

1. Optisches Mikrophon mit einer Lichtquelle (14), einer faseroptischen Zuleitung (1) und einem mit zwei Reflektoren ausgestatteten Fabry-Perot- Interferometer, das als ersten Reflektor (4) eine Endfläche der faseroptischen Zuleitung (1) hat und davon beabstandet der zweite, von Schalluftdruckschwankungen auslenkbare Reflektor angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Reflektor (6) die Endfläche eines Glasfaserabschnitts (8) ist, wobei der Glasfaserabschnitt (8) von einer damit gekoppelten, separaten Membran (11) luftdruckinduziert auslenkbar ist.

2. Optisches Mikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorfaserführung mit geringer Vorspannung gegen die Zulei tungsfaserführung gedrückt wird.

3. Optisches Mikrophon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (Resonatorspalt) zwischen den beiden Reflektoren (4, 6) 0-20 µm beträgt, wobei die durch die Auslenkung verursachte Längen änderung des Abstandes weniger als 100 nm beträgt.

4. Optisches Mikrophon nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen der Reflektoren (4, 6) poliert sind und eine Reflektivität an der Glas-Luft-Grenzfläche von etwa 4% haben.

5. Optisches Mikrophon nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Interferometer das dem Reflektor (4) zugewandte Ende der Faser (1) in einer Ferrule (5) und der Faserabschnitt (8) in einer Reflektorferrule (7) aufgenommen sind, wobei die Ferrulen (5, 7) von einem hohlzylindrischen Verbindungselement (9) koaxial umschlossen und geführt sind.

6. Optisches Mikrophon nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (14) eine Superlumineszenzdiode (SLD) oder eine normale Leuchtdiode (LED) ist.

7. Optisches Mikrophon nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Membran (11) und der den Faserabschnitt (8) haltenden Reflektorferrule (7) eine mechanische Ankopplung (10) vorgesehen ist.

8. Optisches Mikrophon nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11) mit ihrer Bewegungsachse senkrecht zur Achse des Fabry-Perot-Interferometers angeordnet ist und die mechanische Ankopplung als Winkelstück (10) ausgebildet ist, wobei das Verbindungselement (9) eine elastische Verkippung der Reflektorferrule (7) erlaubt.

9. Optisches Mikrophon nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (11) mit ihrer Bewegungsachse kollinear zur Achse des Fabry-Perot-Interferometers angeordnet ist und die mechanische Ankopplung stabförmig in Verlängerung der Reflektorferrule (7) ausgebildet ist, wobei im Resonatorspalt zwischen den beiden Ferrulen (5, 7) ein elastischer Ab standshalter (13) angeordnet ist.

10. Optisches Mikrophon nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (13) eine Stärke von 10-20 µm hat.

11. Optisches Mikrophon nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (13) durch aufgebrachte Klebepunkte gebildet wird.

12. Optisches Mikrophon nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserende des ersten und/oder des zweiten Reflektors (4, 6) unter einem Winkel zur Faserachse geschliffen sind, vorzugsweise einem Winkel zwischen 80° und 90° bei senkrechtem Reflektor.