DE3042795C2 - Mehrschichtige Lichtleitfaser - Google Patents
Mehrschichtige LichtleitfaserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Lichtleitfaser mit einem Monomodekern vom Brechungsindex /ii, einem ersten
Mantel vom Brechungsindex ni und mit sehr viel
größerem Durchmesser als der Kern, und mit einem zweiten Mantel vom Brechungsindex /13, wobei
/7j</J2</7|gilt
Aus der Ofir.k ist bekannt, daß interferometrische
Meßeinrichtungen zu den empfindlichsten und genauesten gehören, was im wesentlichen auch für faseroptische Interferometer zutrifft ir einem derartigen
Faser-Interferometer dient ein Laser als Lichtquelle,
dessen Licht polarisiert, an einem Strahlenteiler in zwei
Lichtstrome aufgespalten und durch zwei Lichtleitfasern geschickt wird. Eine von diesen Fasern dient als
Meßfaser, welche dem Einfluß einer Meßgröße, z. B. Druck oder Temperatur, ausgesetzt wird und dadurch
eine Längenänderung bzw. Brechzahländerung erfährt, wodurch eine Phasenverschiebung des transmittiertcn
Lichtes auftritt Die andere Faser dient als Vergleichsfaser. Die an den Faserenden austretenden Lichtströme
werden an einem weiteren Strahlenteiler überlagert und treffen schließlich auf zwei Detektoren. Die Detektorsignale sind proportional zu cos24<ß und %\η2ΔΦ, aus
denen eine an sich bekannte Elektronik die Phasenverschiebung ΔΦ und damit die zu erfassende Meßgröße
errechnet
Ein Nachteil derartiger, mit polarisiertem Laserlicht arbeitender Interferometer besteht darin, daß zwei
Lichtleitfasern und zwei aufwendig zu justierende Strahlenteiler erforderlich sind und zudem die Polarisationszuslände der beiden an den Faserenden austretenden Lichtleiterströme im allgemeinen verschieden sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lichtleitfaser für Modeninterferenzverfahren zu schaffen, mit welcher,
ähnlich wie bei einem sog. faseroptischen Sagnac-Interferometen auf eine Referenzfaser verzichtet und der
Justieraufwand erheblich vermindert werden kann und welche zur Durchführung des Modeninterferenzverfahrens kein polarisiertes Licht benötigt. Diese Aufgabe
erfüllt eine nach den Patentansprüchen ausgebildete Lichtleitfaser.
Die bisher bei Modeninterferenzverfahren verwendeten Stufcnindexfasern sind für die Zwecke der
Nachrichtenübertragung optimiert, so daß die Wechselwirkungslänge der einzelnen Moden mit der zu
untersuchenden Meßgröße annähernd gleich ist und daher keine erheblichen Phasendifferenzen zwischen
den Moden auftreten. Außerdem entsteht durch die Vielzahl der ausbreitungsfähigen Moden auf dem
Detektor eine komplizierte Interferenzstruktur, was die Meßauswertung erschwert Bei der erfindungsgemäßen
Lichtleitfaser wird der Kern als Monomodefaser mit
ίο Stufenindexprofil und der erste Mantel als Gradientenfaser verwendet wodurch bei einfacher Modenstruktur
ein hoher Laufzeitunterschied zwischen den in den beiden unabhängigen Lichtleiterbereichen transmitter·
ten Moden ermöglicht wird.
!5 Aus der DE-OS 29 45 804 ist zwar eine Lichtleitfaser
mit zwei, einen Kern konzentrisch umgebenden. Mantelschichten bekannt, deren Brechungsindexe in
radialer Richtung stufenweise abfallen. Jedoch ist auch diese Faser nur für den Monomode-Betrieb geeignet
Die Ankopplung eines erfindungsgemäßen Lichtleiters an einen Laser zur Durchführung eines Modeninterferenzverfahrans ist unproblematisch. Die auf die
Eintrittsfläche des inneren Lichtleiterbereiches auftreffenden Lichtstrahlen, deren Einfallswinkel relativ zur
Faserachse den durch die numerische Apertur gegebenen Grenzwinkel der Totalreflexion überschreiten,
werden an der Grenzschicht zum konzentrischen zweiten Lichtleitei bereich nicht mehr total reflektiert
und gelangen daher in diese Faserschicht
Durch eine geringe Laufzeitdispersion in jedem einzelnen Lichtidterbereich ist gewährleistet, daß die
charakteristischen Merkmale des eingekoppelten Signals bei der Transmission im wesentlichen erhalten
bleiben.
Da der innere, den Kern der Lichtleitfaser bildende
Bereich ein Stufenindexprofil und der den Kern konzentrisch umgebende Lichtleiterbereich ein Gradientenindexprofil aufweist werden Lichtstrahlen, deren Einfallswinkel relativ zur Faserachse den durch die
numerische Apertur
A„=Vn]-ni
gegebenen Grenzwinkel der Totalreflexion d = arc sin
An überschreiten an der Grenzschicht zwischen dem Faserkern mit dem Brechungsindex />■ und der
konzentrischen Gradientenfaserschicht, deren radiusabhängiger Brechungsindex hier zur Bildung einer Stufe
/J2< /ii beträgt nicht mehr total reflektiert und gelangen
so daher in die konzentrische Gradientenfaserschicht Der Einfluß der von der Gradientenfaserschicht in den
Faserkern gelangenden Strahlung ist vernachlässigbar gering. Für den Fall, daß die Gradientenfaserschicht von
einer konzentrischen Mantelschicht mit konstantem Brechungsindex /u-cnj umgeben ist, beträgt der
radiusabnängige Brechungsindex für die Gradientenfaserschicht
mit
und
lh
<r<r2
und wobei ti} der Brechungsindex der Gradientenfaserschicht an der Grenze zur äußeren Mantelschicht ist.
Eine Gradieritentaserschieht mit parabolischem
Brechzahlverlauf bewirkt, daß sämtliche ausbreitungsfähigen Moden unabhängig von ihrer geometrischen
Wellenlänge die gleiche optische Weglänge durchlaufen, so daß zwischen ihnen am Ende der Faser praktisch
keine Laufzeitunterschiede auftreten. Die nach dem Modeninttrferenzverfahren meßbaren Phasenverschiebungen
treten dann ausschließlich zwischen dem im einmodigen Faserkern transmittierten Mode und dem in
der umgebenden Gradientenfaserschicht mit den gleichen Laufzeiten transmittierten Moden auf.
Wenn die Lichtleitfaser gemäß Anspruch 4 von einer weiteren Mantelschicht aus magnetostriktivem Material
umgeben ist, so werden der Faser durch ein äußeres Magnetfeld Längenänderungen aufgezwungen, wodurch
meßbare Phasenverschiebungen entstehen. Eine derartige Faser eignet sich daher besonders vorteilhaft
als Magnetfeldsensor.
Verfahren zur Herstellung mehrschichtiger Lichtleitfasern sind an sich bekannt (z. B. DE-AS 23 52 003), so
daß auch eine erfindungsgemäße Lichtleitfaser beispielsweise durch geeignete Beschichtung eines Glasrohres
hergestellt werden kann, welches anschließend in eine Heizzone gebracht und auf den gewünschten
Querschnitt gezogen wird.
In den nachfolgenden Figuren ist in teilweise schematischer Darstellung der Aufbau und das Brechzahlprofil
eines erfindungsgemäßen Lichtleiters (Fig. 1) sowie ein mit dem erfindungsgemäßen Lichtleiter
ausgestattetes Interferometer (F i g. 2) dargestellt
F i g. I zeigt in einem Querschnitt den Aufbau und darunter das Brechzahlprofil einer Lichtleitfaser mit
zwei konzentrischen Lichtleiterbereichen I und H1 welche, bezogen auf die Faserlänge, jeweils eine
unterschiedliche Modenlaufzeit aufweisen. Die Faser besteht aus einem inneren Kern 1.1 mit einem
konstanten Brechungsindex nt und einem Durchmesser
di. Der innere Kern 1.1 ist von einer zweiten Faserschicht 1.2 mit einem parabolischen Brechzahl verlauf
zwischen /72 und rts umgeben, welcher einen max.
Durchmesser dj aufweist Die Werte für n\ und /72 sowie
für d\ sind so ausgelegt, daß der innere Bereich I eine Monomodefaser bildet Dies ist nach eine· bekannten
Formel erreicht, wenn
Da die Gradientenfaserschicht \A am inneren Radius
Π mit einem Brechungsindex m beginnt, welcher kleiner
als der Brechungsindex n\ des Kernes t.l ist, kann damit
auf einen gesonderten Brechungsindexsprung zur Erzeugung des einmodigen Lichtleiterbereiches verzichtet
werden. Die Faserschicht 1.2 ist zur Bildung des Lichtleiterbereiches II mit Gradientenindexprofil von
einer Faserschicht 13 mit konstantem Brechungsindex /it und einem max. Durchmesser di umgeben. An der
Grenze zwischen den Faserschichten 1.2 und 1.3 tritt somit ein weiterer Sprung im Brechungsindex von /73
nach n< auf. Die gesamte Faser ist in bekannter V/eise von einem Schutzmantel 5 umgeben, welcher beispielsweise
auch aus magnetostriktivem Material bestehen kann.
Typische Daten für einen druckempfindlichen Lichtleiter, der für eine interferometrische Messung mit Licht
der Wellenlänge λ=0,85 μπι geeigne t ist, sind:
d\
= 3 μπι
dt
=
150 μπι
/7i = 1,475
lh
= 1,47
Jj3 = 1,46
IU
= 1,45
2/τ 4-(ηί-π2 2)'4<2.405
ist, dabei bedeutet A die Wellenlänge des transmittierten
Lichtes.
Die in Fig.2 dargestellte Einrichtung ist zur
Durchführung eines Modeninterferenzverfahrens geeignet und weist neben der als Meßsensor dienenden
Lichtleitfaser 1 mit zwei konzentrischen Lichtleiterbereichen I und II einen Laser 2, eine aus den Linsen 3 und
4 bestehende Einkoppeloptik, einen Detektor 6 und eine Auswerteelektronik 7 auf. Um eine gleichmäßige
Ausleuchtung des Faserquerschnittes und eine wirkungsvolle Einkopplung des Laserlichtes zu gewährleisten,
erfolgt die Beleuchtung der Faserstirnfläche vorzugsweise mit parallelem Licht. Nach Transmission
durch die Sensorfaser 1 wird durch Überlagerung der au^ dem Monomodebereich austretenden Strahlung mit
der aus dem Gradientenbereich austretenden im Fernfeld eine Interferenzfigur auf dem Detektor 6
erzeugt. Die durch die Meßgröße verursachten Phasenverschiebungen bewirken eine Veränderung des Interferenzbildes,
z. B. Laufen des Interferenzstreifens, was nach bekannten Methoden ausgewertet wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Lichtleitfaser mit einem Monomodekern vom
Brechungsindex nh einem ersten Mantel vom Brechungsindex % und mit sehr viel größerem
Durchmesser als der Kern, und mit einem zweiten Mantel vom Brechungsindex D3, wobei m<m<n\
gilt, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des ersten Mantels (1.2) in radialer
Richtung von innen nach außen kontinuierlich abfällt
2. Lichtleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kern (1.1) und Mantel (1.2) eine
geringe Laufzeitdispersion aufweisen.
3. Lichtleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Brechungsindexprofil des
ersten Mantels (1.2) parabolisch ist
4. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine weitere Mantelschicht (5)
aus magnprostriktivem Material.
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