DE3108239A1 - Arrangement and method for measuring optical wavelengths - Google Patents

Arrangement and method for measuring optical wavelengths

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DE3108239A1
DE3108239A1 DE19813108239 DE3108239A DE3108239A1 DE 3108239 A1 DE3108239 A1 DE 3108239A1 DE 19813108239 DE19813108239 DE 19813108239 DE 3108239 A DE3108239 A DE 3108239A DE 3108239 A1 DE3108239 A1 DE 3108239A1
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arrangement
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Günther Dr.rer.nat. Arnold
Klaus Dr.-Ing. 7900 Ulm Petermann
Edgar Dipl.-Phys. 7913 Senden Weidel
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength

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Abstract

The invention relates to a spectrophotometer of fibre-optic design, which is suitable for measuring optical wavelengths by means of an optical transmission filter. Such an arrangement permits a compact, robust design that is not susceptible to faults.

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Z13-UL/Ja/rßLicentia Patent-Verwaltungs-GmbH Z13-UL / Yes / rß

Theodor-Stern-Kai 1 UL 8l/lOTheodor-Stern-Kai 1 UL 8l / 10

D-6OOO Frankfurt (Main) 70 Ulm, 03.03.1981D-6OOO Frankfurt (Main) 70 Ulm, 03.03.1981

B e s ehr e ibungHonor

Anordnung und Verfahren zur Messung
optischer Wellenlängen __
Arrangement and method of measurement
optical wavelengths __

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren
zur Messung optischer Wellenlängen nach den Oberbegriffen
der Patentansprüche 1 und 19.
The invention relates to an arrangement and a method
for measuring optical wavelengths according to the generic terms
of claims 1 and 19.

Derartige Anordnungen bzw. Verfahren sind bekannt als
Spektralphotometer bzw. als Spektralphotometrxe. Dabei
Such arrangements and methods are known as
Spectrophotometer or as a spectrophotometer. Included

wird die Intensität des Lichts als Funktion der Wellenlänge bzw. Frequenz gemessen. Bekannte Anordnungen, bei denen ZoB. Monochrometoren verwendet werden, benutzen beispielsweise optische Gitter, bei denen zur Erzielung einer spektral en Auflösung lange Strahlwege nötig sind. Es sind auch einfache Anordnungen zur Messung der Lichtwellenlänge bekannt Othe intensity of the light is measured as a function of the wavelength or frequency. Known arrangements where ZoB. Monochrometors are used, for example optical grating in which to achieve a spectral Long beam paths are necessary for resolution. There are too simple arrangements for measuring the wavelength of light are known O

Eine derartige Anordnung, wie sie in dor Schrift, D.J.Such an arrangement, as described in the writing, D.J.

- 8 - UL 81/10- 8 - UL 81/10

Mal yon et. al., Electronics Letters _l6 (198O), S. 744-746, beschrieben ist^ zeigt FIG. 1-Times yon et. al., Electronics Letters _16 (1980), pp. 744-746, is described ^ shows FIG. 1-

Das Licht, im folgenden als ausgezogener Pfeil dargestellt, einer Lichtquelle Q gelangt zunächst zu einem Strahlteiler S und von dort zu einem ersten Photodetektor D sowie über ein optisches Transmissionsfilter F zu einem zweiten Photodetektor D . Aus den Photoströmen X1, iQ bzw. anderen elekirischen Signalen der beiden Photodetektoren D , D wirdThe light, shown below as a solid arrow, from a light source Q first reaches a beam splitter S and from there to a first photodetector D and via an optical transmission filter F to a second photodetector D. From the photocurrents X 1 , i Q or other electrical signals of the two photodetectors D, D becomes

1 Ct 1 ct

dann in einer Auswerteeinheit A z.B. der Logarithmus des Verhältnisses i /i gebildet, woraus dann mit Hilfe derthen e.g. the logarithm of the ratio i / i is formed in an evaluation unit A, from which then with the help of the

J. Ct J. Ct

bekannten Filtercharakteristik des Transmissionsfilters F die Wellenlänge des Lichts bestimmbar ist. Zwei Photodetektoren D , D sind notwendig, damit Schwankungen der Lichtleistung der Lichtquelle Q nicht zu Verfälschungen des Meßergebnisses führen.known filter characteristic of the transmission filter F, the wavelength of the light can be determined. Two photodetectors D, D are necessary so that fluctuations in the light output of the light source Q do not distort the Lead measurement result.

Diese bekannte Anordnung weist einige Nachteile auf. Ein Nachteil besteht darin, daß zur Bestimmung der Wellenlänge des Lichts die Gleichströme i , io der Photodetektoren D ,This known arrangement has some disadvantages. A disadvantage is that the direct currents i, i o of the photodetectors D,

\ et 1 \ et 1

D0 herangezogen werden. Diese Gleichströme werden z.B.D 0 can be used. These direct currents are for example

vom temperaturabhängigem Dunkelstrom sowie von Streulicht beeinflußt, so daß das Meßergebnis verfälscht wird. Weiterhin ist an der bekannten Anordnung nachteilig, daß die Teillichtstrahlen zwischen der Lichtquelle Q und den Pho-. todetektoren D , D0 jeweils verschiedene optische Elemente, insbesondere den Strahlenteiler S, unterschiedlich durchlaufen, so daß sich beispielsweise Interferenzen ausbilden können, die zu einer fehlerhaften Lichtaufteilung zwischen den Photodetektoren D D führen.influenced by the temperature-dependent dark current as well as by scattered light, so that the measurement result is falsified. Another disadvantage of the known arrangement is that the partial light rays between the light source Q and the Pho-. Death detectors D, D 0 each pass through different optical elements, in particular the beam splitter S, so that, for example, interferences can develop which lead to incorrect light distribution between the photodetectors DD.

X Ct X Ct

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine An-Ordnung und ein Verfahren der genannten Gattung anzugeben, die insbesondere für die optische Nachrichtenübertragungs-The invention is therefore based on the object of specifying an arrangement and a method of the type mentioned, which is particularly important for optical communication

■-"--■ ■■'■■ "" 3108233■ - "- ■ ■■ '■■" "3108233

- 9 - UL 81/10- 9 - UL 81/10

technik anwendbar sind, und die eine nohe Betriebssicherhext aufweisen.technology are applicable, and which require a high level of operational safety exhibit.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 19 angegebenen Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.This object is achieved according to the invention by the in the characterizing Parts of claims 1 and 19 specified Features solved. Appropriate embodiments are compiled in the subclaims.

Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Anordnung derart klein und mechanisch stabil ausführbar ist. daß Z0B. einfach zu handhabende Geräte für die Kontrolle und Wartung von Lichtleitfaserübertragungsstrecken herstellbar sind«A first advantage of the invention is that the arrangement can be made so small and mechanically stable. that Z 0 B. are easy to prepare-to-use devices for the control and maintenance of Lichtleitfaserübertragungsstrecken "

Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß die Anordnung in integrierter Bauweise herstellbar ist und daß aufwendige Justierarbeiten weitgehendst entfallen.A second advantage is that the arrangement in integrated design can be produced and that costly adjustment work is largely eliminated.

Ein dritter Vorteil besteht darin, daß die Anordnung nahezu wartungsfrei ist«A third advantage is that the arrangement is almost maintenance-free «

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert» Es zeigenThe invention is explained below on the basis of exemplary embodiments with reference to schematic drawings explained in more detail »Show it

FIG0 2 bis FIG«, 9 Ausführungsbeispiele, das in FIG. 10 dargestellte Diagramm dient der Erläuterung des Verfahrens.FIG 0 2 to FIG, "9 embodiments, the in FIG. The diagram shown in FIG. 10 serves to explain the method.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG. 2 wird das von einer Lichtquelle Q, ζ„B. eines Halbleiterlasers, ausgesandte Licht über einen nicht dargestellten Lichtwellenleiter sowie über eventuell nötige Koppelstellen (Spleiße, Steckverbindungen)In the embodiment according to FIG. 2 gets that from one Light source Q, ζ "B. a semiconductor laser, emitted light via an optical waveguide, not shown, as well as via possibly necessary coupling points (splices, plug connections)

- 10 - UL 81/10- 10 - UL 81/10

einem Eingang 21 eines optischen Bauelements ST, z.B. Verzweigungsglied oder Umschalter, zugeführt,das das Licht in einem zweiten Teillichtweg 23 und einem ersten Teillichtweg 22 zuführt, an dessen einem Ende sich ein optisches Transmissionsfilter F. z.B. ein Interferenzfilter, befindet. Das vom Transmissionsfilter F bzw. vom zweiten Teillichtweg 23 durchgelassene Licht wird einer optischen Detektoranordnung D zugeführt/ die z.B. aus mehreren Photodetektoren oder einem optischen Umschalter sowie einem Photodetektor besteht. Die von der Detektoranordnung D erzeugten sogenannten Photoströme und/oder* Photospannungen werden einer Auswerteeinheit A, z.B. einem Mikroprozessor, zugeführt, die unter Berücksichtigung des optischen Filtercharakters des gewählten Transmissionsfilters F aus den Photoströmen, wie eingangs beschrieben, die Wellenlänge und/oder Frequenz des Lichtes berechnet. Dieser Wert wird auf einer nicht dargestellten Anzeigeeinheit dargestellt bzw. weiterverarbeitet. Außerdem ist es möglich, die Auswert eeinheit derart auszuführen, daß Messungen mit Hilfe eines Multiplexbetriebes möglich werden. Dazu sind z.B. optische Umschalter nötig, die sich in dem Bauelement ST bzw. der Detektoranordnung D befinden und mittels der Auswerteeinheit A angesteuert werden. Dieses ist in FIG. 2 mittels der gestrichelt gezeichneten Verbindungen dargestellt. Eine weitere gestrichelt gezeichnete Verbindung führt von der Auswerteeinheit A zur Lichtquelle Q, beispielsweise ein Halbleiterlaser oder einelichtemittierende Diode. Durch diese Verbindung ist dargestellt, daß es erfindungsgemäß möglich ist, die Intensität des Lichts zu modulieren, das von der Lichtquelle Q ausgesandt wird. Diese Modulation ist möglich, z.B. durch eine periodische Änderung des in die Lichtquelle Q injizierten Stromes. Diese Änderung wird z.B. durch die Auswerteeinheit A bewirkt. Eine derartigean input 21 of an optical component ST, e.g. or toggle switch, which turns the light in a second partial light path 23 and a first partial light path 22, at one end of which there is an optical Transmission filter F. e.g. an interference filter is located. That from the transmission filter F or from the second partial light path 23 transmitted light is an optical detector arrangement D supplied / which e.g. consist of several photodetectors or an optical switch and a Photodetector exists. The so-called photo currents and / or photo voltages generated by the detector arrangement D an evaluation unit A, e.g. a microprocessor, supplied, taking into account the optical filter character of the selected transmission filter F from the Photocurrents, as described above, calculate the wavelength and / or frequency of the light. This value will displayed or further processed on a display unit (not shown). It is also possible to do the evaluation To carry out a unit in such a way that measurements are possible with the aid of a multiplex operation. For this purpose, e.g. optical Changeover switches are necessary, which are located in the component ST or the detector arrangement D and by means of the evaluation unit A. This is shown in FIG. 2 shown by means of the connections shown in dashed lines. One further connection, shown in dashed lines, leads from the evaluation unit A to the light source Q, for example a Semiconductor laser or a light emitting diode. By this compound is shown to be in accordance with the invention it is possible to modulate the intensity of the light emitted by the light source Q. This modulation is possible, e.g. through a periodic change in the current injected into the light source Q. This change will e.g. caused by the evaluation unit A. Such a one

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Modulation bewirkt eine Unabhängigkeit der Anordnung von möglichen Störgrößen z.B. einfallendes Streulicht und/ oder temperaturabhängiger Dunkelstrom einer in der Detektoranordnung D enthaltenen Photodiode. Gemäß FIG. 10 wird beispielsweise die Lichtintensität I der Lichtquelle Q mit einem periodischen, sinusförmigen Signal der Frequenz f um den Mittelwert der Lichtintensität moduliert.Modulation makes the arrangement of possible disturbance variables e.g. incident scattered light and / or temperature-dependent dark current in the detector arrangement D included photodiode. According to FIG. 10 becomes the light intensity I of the light source Q, for example modulated with a periodic, sinusoidal signal of frequency f around the mean value of the light intensity.

Es ist möglich, die SchwankungSamplitude aufgrund der Modulation klein zu wählen im Vergleich zur mittleren von der Lichtquelle Q abgegebenen Lichtleistung. Durch eine derartige Modulation wird erreicht, daß optische und/oder elektrische Arbeitspunkte der Anordnung im wesentlichen unverändert bleiben, so■daß Störungen z.B. Nichtlinearitäten und/oder Störimpulse, vermieden werden. In der Aus-Werteeinrichtung A (FIG. 2) werden dann lediglich die Sigaalkomponenten der Detektoranordnung D ausgewertet, die su der Frequenz f gehören. Durch Quotientenbildung der su den Teillichtwegen 22, 23 gehörenden Signalkomponente wird die Auswertung im wesentlichen unabhängig von der Modulationshilfe.It is possible to reduce the fluctuation amplitude due to the modulation to be chosen to be small in comparison to the average light output emitted by the light source Q. By a Such modulation is achieved that optical and / or electrical operating points of the arrangement essentially remain unchanged, so that disturbances e.g. non-linearities and / or glitches can be avoided. In the evaluation facility A (FIG. 2) are then only the signal components the detector array D evaluated, which include the frequency f. By forming the quotient of the see below the signal component belonging to the partial light paths 22, 23 the evaluation is essentially independent of the modulation aid.

Bei Anordnungen, in denen Lichtquelle Q und Auswerteeinheit A räumlich weit entfernt sind, z.B. bei optischen Nachrichtenübertragungsstrecken, ist es alternativ möglich, die Intensität der Lichtquelle Q derart zu ntodulieren, daß die Modulation nicht von der Auswerteeinheit gesteuert wird. In diesem Falle ist es zweckmäßig, die Modulationsfrequenz f. in einem Frequenzbereich zu wählen, für den die Auswerteeinheit A empfindlich genug ist.In arrangements in which the light source Q and evaluation unit A are spatially far away, e.g. in the case of optical Communication links, it is alternatively possible to modulate the intensity of the light source Q in such a way that that the modulation is not controlled by the evaluation unit. In this case it is advisable to use the To choose modulation frequency f. In a frequency range, for which the evaluation unit A is sensitive enough.

Für einen störungsunempfindlichen Aufbau der Anordnung ist ©s vorteilhaft, wenn die Anordnung aus möglichst wenigenFor an interference-insensitive structure of the arrangement, it is advantageous if the arrangement consists of as few as possible

- 12 - UL δ1/10- 12 - UL δ1 / 10

optischen und/oder elektrischen Bausteinen, z.B. optische Umschalter, besteht. Derartige Ausführungsbeispiele sind in den FIG. 3 bis FIG. 9 dargestellt. Bei diesen Ausführungsbeispielen besteht die Detektoranordnung D (FIG. 2) aus Photodetektoren D bzw. D , die sich jeweils an einem Ende der Teillichtwege 22 bzw. 23 befinden. Das Transmissionsfilter F befindet sich jeweils in dem ersten Teillichtweg 22. Die von den Photodetektoren D , D0,beispielsweise Photodioden., erzeugten elektrischen Signale werden einer nicht dargestellten Auswerteeinheit, z.B. einem Mikroprozessor, zugeführt und dort ausgewertet, z.B. mit Hilfe einer Quotientenbildung, wobei entweder intensitätsmoduliertes oder unmoduliertes Licht verwendet wird.optical and / or electrical components, such as optical switches, exists. Such embodiments are shown in FIGS. 3 to FIG. 9 shown. In these exemplary embodiments, the detector arrangement D (FIG. 2) consists of photodetectors D and D, which are each located at one end of the partial light paths 22 and 23, respectively. The transmission filter F is located in the first partial light path 22. The electrical signals generated by the photodetectors D, D 0 , for example photodiodes either intensity-modulated or unmodulated light is used.

Gemäß FIG. 3 fällt das von der Lichtquelle Q ausgesandte Licht unmittelbar auf das Transmissionsfilter F, dessen Charakteristik, die Kennlinien, derart gewählt ist, daß die Wellenlänge des Lichts im Übergangsbereich äes Filters der sogenannten Filterflanke, liegt. Das Licht wird transmittiert bzw. reflektiert und über den ersten Teillichtweg 22 bzw. den zweiten Teillichtweg 23 den Photodetektoren D bzw. D„ zugeleitet. Eine Änderung der Lichtwellenlänge bewirkt daher eine Änderung der Intensitäten des transmittierten bzw. reflektierten Lichts. Durch eine entsprechende Eichung der Anordnung ist es daher möglich, den absoluten Wert der Lichtwellenlänge zu bestimmen.According to FIG. 3 that emitted by the light source Q falls Light directly on the transmission filter F, whose characteristic, the characteristic curves, is chosen such that the wavelength of the light in the transition area of the filter the so-called filter flank. The light is transmitted or reflected and over the first partial light path 22 and the second partial light path 23 are fed to the photodetectors D and D ″, respectively. A change in the wavelength of light therefore causes a change in the intensities of the transmitted or reflected light. By a Corresponding calibration of the arrangement, it is therefore possible to determine the absolute value of the light wavelength.

Das spektrale Auflösungsvermögen der Anordnung ist im wesentlichen abhängig von der Steilheit der Filterflanke des Transmissionsfilters F sowie der spektralen Empfindlichkeit der Photodetektoren D , D . Für ein hohes Auflösungsvermögen ist es zweckmäßig, das Transmissionsfilter F z.B. als Interferenzfilter auszubilden , da ein derartiges FilterThe spectral resolution of the arrangement is essentially dependent on the steepness of the filter flank of the transmission filter F and the spectral sensitivity of the photodetectors D, D. For a high resolution it is expedient to design the transmission filter F, for example, as an interference filter, since such a filter

- 13 - UL 81/10- 13 - UL 81/10

eine große Flankensteilheit besitzt„has a large slope "

In der beschriebenen Anordnung ist die Normale des Filters um den Winkel α gegenüber der Strahlrichtung des Lichts geneigt. Bei zu großem Winkel α werden dabei die Signale an den Photodetektoren D , D zu stark polarisationsabhängig und damit die Wellenlängenbestimmung unsicher. Zur Vermeidung eines derartigen Effektes ist es zweckmäßig, den Winkel (X kleiner als 15 zu wählen.In the arrangement described, the normal of the filter is at the angle α with respect to the direction of the light beam inclined. If the angle α is too large, the signals at the photodetectors D, D become too polarization-dependent and thus the wavelength determination is uncertain. To avoid such an effect, it is advisable to to choose the angle (X smaller than 15.

Eine weitere Verbesserung wird erreicht, wenn das Licht der Lichtquelle Q unpolarisiert ist, bzw. wenn sich im Strahlengang zwischen der Lichtquelle Q und den Photodetektoren D , D2 depolarisierende optische Elemente befinden. A further improvement is achieved if the light from the light source Q is unpolarized, or if there are depolarizing optical elements in the beam path between the light source Q and the photodetectors D, D 2.

Für einen räumlich kleinen sowie mechanisch unempfindlieben Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung ist es weiterhin vorteilhaft, das Transmissionsfilter F faseroptisch zu realisieren» Eine derartige Anordnung ist in FIG. 4 dargestellt. Das Licht der Lichtquelle Q wird in ein Ende 21 einer Lichtleitfaser eingekoppelt, deren andere Endfläche mit einem optischen Transmissionsfilter F versehen ist. Das transmittierte Licht gelangt zum Photodetektor D . während Licht für den Photodetektor D zumindest einem der Ausgänge 4l, 42 eines optischen Teilers T entnommen wird. Wird beispielsweise als Transmissionsfilter F ein Interferenzfilter verwendet, so hat eine Anordnung eines Photodetektors D_ am Ausgang 4l den Vorteil, daß die Filterwirkung des reflektierenden Lichtes mit ausgenutzt wird.For a spatially small and mechanically insensitive structure of the arrangement according to the invention, it is also advantageous to implement the transmission filter F fiber-optically. Such an arrangement is shown in FIG. 4 shown. The light from the light source Q is coupled into one end 21 of an optical fiber , the other end face of which is provided with an optical transmission filter F. The transmitted light reaches the photodetector D. while light for the photodetector D is taken from at least one of the outputs 41, 42 of an optical splitter T. If, for example, an interference filter is used as the transmission filter F, an arrangement of a photodetector D_ at the output 4l has the advantage that the filter effect of the reflected light is also used.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG. 5 ist eine Lichtleitfaser 51 mit dem lichtführenden Faserkern 511 sowie dem Mantel 512 dargestellt , wobei eine Endfläche 513 derIn the embodiment according to FIG. 5 is an optical fiber 51 with the light-guiding fiber core 511 and the shell 512, with an end face 513 of the

- l4 - UL 81/10- l4 - UL 81/10

Lichtleitfaser 51 schräg angeschliffen ist, und auf diese Endfläche 513 ein Transmissionsfilter F aufgebracht ist. Der durch das Transmissionsfilter F hindurchtretende Teillichtstrahl gelangt zum Photodetektor D und der reflektierende Teillichtstrahl zum Photodetektor D . Für eine möglichst optimale Detektion ist es zweckmäßig. den Photodetektor D2 unmittelbar an der Lichtleitfaser 51 bzw. an einer die Faser unmittelbar umgebenden,nicht dargestellten optischeüKapillare anzuordnen, um eventulelle störende Totalreflexionen zu vermeiden.Optical fiber 51 is ground at an angle, and a transmission filter F is applied to this end face 513. The partial light beam passing through the transmission filter F reaches the photodetector D and the reflecting partial light beam reaches the photodetector D. It is useful for the best possible detection. to arrange the photodetector D 2 directly on the optical fiber 51 or on an optical capillary (not shown) immediately surrounding the fiber, in order to avoid any disturbing total reflections.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG. 6 wird eine Lichtleitfaser 51 fest mit einem optischen Stab 6l mit abbildenden Eigenschaften verbunden. Dieser Stab 6l transformiert das in die Lichtleitfaser 51 eingekoppelte Licht in einen im wesentlichen parallelen Lichtstrahl. Die Eigenschaften eines derartigen optischen Stabes sind z.B. aus dem Artikel von T. Uchida et. al., "Optical Characteristics of a light focusing fiber guide and its applications", IEEE Journal of Quantum Electronics QE-6 (l97O),In the embodiment according to FIG. 6, an optical fiber 51 is firmly connected to an optical rod 6l with imaging properties. This rod 6l transforms the light coupled into the optical fiber 51 into an essentially parallel light beam. The properties of such an optical rod are, for example, from the article by T. Uchida et. al., "Optical Characteristics of a light focusing fiber guide and its applications", IEEE Journal of Quantum Electronics QE-6 (197O),

S. 606 - 612, bekannt. An einem Ende 613 des optischen Stabes 6l ist ein Transmissionsfilter F angebracht. Eine derartige Anordnung hat insbesondere den Vorteil, daß das auf das Transmissionsfilter F fallende Licht im wesentlichen divergenzfrei (parallel) ist. Eine derartige Eigenschaft erhöht insbesondere bei Interferenzfiltern deren Wirksamkeit.Pp. 606-612, known. A transmission filter F is attached to one end 613 of the optical rod 6l. One Such an arrangement has the particular advantage that the light falling on the transmission filter F is essentially is divergence-free (parallel). Such a property increases the interference filters in particular Effectiveness.

Insbesondere die Anordnungen nach den FIG. 3i 5> 6 haben den Nachteil, daß das Transmissionsfilter F nicht senkrecht durchstrahlt wird. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht daher gemäß den FIG. 7 bzw. 8 darin , einen Teil des von der Lichtquelle Q ausgesandten und in einen Licht-In particular, the arrangements according to FIG. 3i 5> 6 have the disadvantage that the transmission filter F is not perpendicular is irradiated. A further development of the invention is therefore as shown in FIG. 7 or 8 therein, a part of the emitted by the light source Q and into a light

- 15 - UL 81/10- 15 - UL 81/10

wellenleiter 51 eingekoppelten Lichts im wesentlichen senkrecht durch· ein Transmissionsfilter F zum Photodetector D gelangen zu lassen, während ein anderer Teil des Lichts unmittelbar bzw. nach Reflexion zum Photodetektor D gelangt. Auf den zur Lichtrichtung senkrecht stehenden Teilen 72 einer Endfläche des Lichtwellenleiters 51 ist daher das Transmissionsfilter F angebracht, während das zur Lichtrichtung abgeschrägte Teil 73 der Endfläche derart ausgebildet ist, daß der Teillichtweg 23 gebrochen (FIG. 7) bzw. reflektiert (FIG. 8) wird. Bei einem Lichtwellenleiter 51 gemäß den FIG. 7 bzw. 8 ist es zweckmäßig (- den Durchmesser des licht führ end en Faserkerns möglichst groß zu wählen, damit eine möglichst große Anzahl von Lichtwellen ausbreitungsfähig ist derart,Waveguide 51 coupled light to pass essentially perpendicularly through a transmission filter F to the photodetector D, while another part of the light reaches the photodetector D immediately or after reflection. The transmission filter F is therefore attached to the parts 72 of an end face of the optical waveguide 51 that are perpendicular to the direction of light, while the part 73 of the end face which is inclined to the direction of light is designed in such a way that the partial light path 23 is refracted (FIG. 7) or reflected (FIG. 8 ) will. In the case of an optical waveguide 51 according to FIG. 7 or 8, it is appropriate ( - to choose the diameter of the light-guiding fiber core as large as possible so that the largest possible number of light waves can propagate in such a way that

ßlXLßlXL

daß/an der Faserendfläche eventuell entstehendes Interferenzmuster die Aufteilung des Lichts zwischen den Photodetektoren D., D0 möglichst wenig beeinflußt. Licht-1 d> that / at the fiber end surface possibly occurring interference pattern influences the division of the light between the photodetectors D., D 0 as little as possible. Light-1 d>

leitfasern haben normalerweise Kerndurchmesser bis etwa %00 ,mn, Werden noch größere Kerndurchmesser benötigt, ist es zweckmäßig, z.B. zu lichtleitenden Glasstäben überzugehen mit Durchmessern von einigen mm.Conductive fibers usually have core diameters of up to around% 00, mn, if even larger core diameters are required it is advisable, for example, to switch to light-conducting glass rods with a diameter of a few mm.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß FIG. 9 wird das Transmissionsfilter F durch eine definierte Krümmung des Lichtwellenleiters 51 realisiert, wobei die Filterwirkung eines derart gekrümmten Lichtwellenleiters z.B. in der Patentanmeldung P 29 26 977.0 beschrieben ist. Vorteilhafterweise sollte dann der Lichtwellenleiter 51 einwellig sein. Das Licht der Lichtquelle Q befindet sich dabei zunächst im Faserkern 511 des Lichtwellenleiters 5I und je nach Verformung des Lichtwellenleiters 51 gelangt ein mehr oder weniger großer Lichtanteil in den Mantel 512 des Lichtwellenleiters 51» Die Lichtenergie im Fasermantel 512 wirdIn the embodiment according to FIG. 9 becomes the transmission filter F realized by a defined curvature of the optical waveguide 51, the filter effect of a such a curved optical waveguide is described, for example, in patent application P 29 26 977.0. Advantageously the optical waveguide 51 should then be single-wave. That Light from the light source Q is initially located in the fiber core 511 of the optical waveguide 5I and depending on the deformation of the optical waveguide 51, a more or less large portion of light reaches the cladding 512 of the optical waveguide 51 »The light energy in the fiber cladding becomes 512

- 16 - UL 81/IO- 16 - UL 81 / IO

schließlich mit Hilfe einer Lichtleitfaser 90 zum Photodetektor D2 geleitet, während die im Faserkern 511 verbleibende Lichtenergie zum Photodetektor D gelangt. Die Überkopplung des Lichts vom Kern 511 in den Mantel 512 ist wellenlängenabhängig, so daß auch das Verhältnis der Lichtleistungen an den Photodetektoren D , D„ wellenlängenabhängig wird. Dieser Effekt ist zur Messung der Wellenlänge des Lichts ausnutzbar. finally passed to the photodetector D 2 with the aid of an optical fiber 90, while the light energy remaining in the fiber core 511 reaches the photodetector D. The coupling of the light from the core 511 into the cladding 512 is dependent on the wavelength, so that the ratio of the light outputs at the photodetectors D, D is also dependent on the wavelength. This effect can be used to measure the wavelength of light.

Bei großem Brechzahlunterschied zwischen Kern 511 und Mantel 512 der Lichtleitfaser 51 wird die Divergenz der Lichtstrahlen in der Lichtleitfaser 51 derart groß daß insbesondere bei Verwendung eines Interferenzfilters dessen Filterqualität beeinträchtigt wird.If there is a large difference in the refractive index between the core 511 and the cladding 512 of the optical fiber 51 becomes the divergence of the light rays in the optical fiber 51 so large that its filter quality, especially when using an interference filter is affected.

Die Erfindung ermöglicht, daß mindestens ein Photodetektor D , D (FIG. 8) unmittelbar an dem Lichtwellenleiter 51 befestigt ist. Bei einem derartigen Aufbau werden eventuelle Störungen, z.B. durch mechanische Erschütterungen und/oder Luftstrecken, weitgehendst vermieden. Die erfindungsgemäße Anordnung ist weiterhin derart klein und kompakt aufbaubar, daß eine derartige Anordnung als Bestandteil eines Meßgerätes ausbildbar ist, das der Bestimmung anderer physikalisch meßbarer Größen dient. Beispielsweise ist eine derartige Anordnung in einem sogenannten Lichtleitfaserringinterferometer einsetzbar, das zur Be-Stimmung absoluter Drehraten benutzt wird.The invention enables at least one photodetector D, D (FIG. 8) directly on the optical waveguide 51 is attached. With such a structure, possible malfunctions, e.g. due to mechanical vibrations and / or clearances, largely avoided. The arrangement according to the invention is still so small and compact buildable that such an arrangement can be designed as a component of a measuring device that of the determination other physically measurable quantities are used. For example, such an arrangement is in a so-called Optical fiber ring interferometer can be used for the mood absolute rotation rates is used.

Wie eingangs beschrieben ist das Auflösungsvermögen einer erfindungsgemäßen Anordnung im wesentlichen von der Flankensteilheit des Transmissionsfilters sowie der Empfindlichkeit der Photodetektoren abhängig. Mit einer derzeit mogliehen Anordnung ist daher z.B. eine Änderung der Lichtwellenlänge von ungefähr IA meßbar.As described at the outset, the resolving power of an arrangement according to the invention is essentially dependent on the edge steepness of the transmission filter and the sensitivity of the photodetectors. With one currently mogliehen Arrangement, for example, a change in the light wavelength of approximately IA can be measured.

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Claims (1)

Licentia Patent-Verwaltungs-GmbH Z13-UL/Ja/rßLicentia Patent-Verwaltungs-GmbH Z13-UL / Yes / rß Theodor-Stern-Kai 1 UL 81/IOTheodor-Stern-Kai 1 UL 81 / IO D-6000 Frankfurt (Main) 70 TJIm, 03.03.1981D-6000 Frankfurt (Main) 70 TJIm, 03.03.1981 Pat entansprüchePatent claims Iy Anordnung zur Messung optischer Wellenlängen mittels eines optischen. Filters, insbesondere für die optische Nachrichtenübertragungstechnik, gekennzeichnet durchIy arrangement for measuring optical wavelengths by means of an optical. Filters, in particular for optical communication technology, characterized by a) mindestens ein optisches Bauelement (ST), das in dessen Eingang (21) eingekoppeltes Licht im wesentlichen verlust- und/oder störungsfrei auf mindestens zwei Teillichtwege (22, 23) aufteilta) at least one optical component (ST), the light coupled into its input (21) essentially Divided into at least two partial light paths (22, 23) without loss and / or interference b) mindestens in einem ersten Teillichtweg (22) ist mindestens ein optisches Transmissionsfilter (F) vorhanden derart, daß die Wellenlänge des transmittierten Lichts im wesentlichen in den Wellenlängenbereich einer Filterflanke des Transmissionsfilters (F) fälltb) at least one optical transmission filter (F) is present in at least a first partial light path (22) such that the wavelength of the transmitted light is essentially in the wavelength range of a The filter edge of the transmission filter (F) falls e) mindestens einen zweiten Teillichtweg (23), der das mittels des Bauelementes (ST) eingekoppelte Licht im wesentlichen verlust- und/oder störungsfrei weiterleitet bzw. im wesentlichen das vom Transmissionfilter (F) reflektierte Licht überträgte) at least one second partial light path (23), which by means of the component (ST) coupled light in the essentially passes on without loss and / or interference or essentially that from the transmission filter (F) transmits reflected light - 2 - UL 81/10- 2 - UL 81/10 d) mindestens eine an den Enden der Teillichtwege (22,
23) vorhandene Detektoranordnung (D), die das über
die Teillichtwege (22, 23) übertragene Licht gleichzeitig bzw. im wesentlichen alternierend detektiert.
d) at least one at the ends of the partial light paths (22,
23) existing detector arrangement (D), which over
the partial light paths (22, 23) detected light transmitted simultaneously or essentially alternately.
2. Anordnung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (ST) und mindestens ein Te,il mindestens eines Teillichtweges (23) in einer optischen Einheit (51)
zusammengefaßt sind (FIG. 5)·
2. Arrangement according to claim I 1, characterized in that the component (ST) and at least one Te, il at least one partial light path (23) in an optical unit (51)
are summarized (FIG. 5)
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (51) ein Lichtwellenleiter ist.3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the unit (51) is an optical waveguide. 4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (51) ein im wesentlichen einwelliger Lichtwellenleiter ist.4. Arrangement according to claim 2, characterized in that the unit (51) is an essentially single-wave optical waveguide. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Transmissionsfilter (F) ein Interferenzfilter ist.5. Arrangement according to claim 1, characterized in that the transmission filter (F) is an interference filter. 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Transmissionsfilter aus einem schrauben- und/oder spiralförmig gebogenen Lichtwellenleiter gebildet ist (FIG. 9),6. Arrangement according to claim 1, characterized in that the transmission filter consists of a helical and / or spiral curved optical waveguide is formed (FIG. 9), 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der gebogene Lichtwellenleiter ein einwelliger Lichtwellenleiter ist.7. Arrangement according to claim 6, characterized in that the curved optical waveguide is a single-wave optical waveguide is. 8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektoranordnung (D) vorhanden ist, die aus mindestens einem optischen Schalter8. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a detector arrangement (D) is present is made up of at least one optical switch und mindestens einem Photodetektor besteht.and at least one photodetector. - 3 - UL 81/10- 3 - UL 81/10 9o Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreiordnung (D) aus Photodetektoren (D , D) besteht, die jeweils am Ende eines Teillichtweges (22, 23) angeordnet sind.9o arrangement according to claim 8, characterized in that that the detector arrangement (D) consists of photodetectors (D, D), which are each arranged at the end of a partial light path (22, 23). 10„ Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Auswerteeinheit (A) vorhanden ist, die zumindest ein von mindestens einem Photοdetektor erzeugtes Signal derart auswertet, daß die Intensität des Lichtes von mindestens zwei Teillichtwegen (22, 23) auswertbar ist.10 "Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one evaluation unit (A) is present, the at least one of at least evaluates the signal generated by a photo detector in such a way that that the intensity of the light from at least two partial light paths (22, 23) can be evaluated. llo Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinheit (A) mindestens ein Mikroprozessor vorhanden ist.ll o arrangement according to claim 10, characterized in that in the evaluation unit (A) at least one microprocessor is present. 12., Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Lichtwellenleiter (51) vorhanden ist, an dessen einer Endfläche mindestens ein Transmissionsfilter (F) angebracht ist und daß mindestens zwei Photodetektoren (D-p D2)dex~art12., Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that at least one optical waveguide (51) is present, on one end face of which at least one transmission filter (F) is attached and that at least two photodetectors (Dp D 2 ) dex ~ art angeordnet sind, daß vom Transmissionsfilter (F) reflektiertes bzw. transmittiertes Licht auswertbar ist (FIG.5).are arranged that reflected from the transmission filter (F) or transmitted light can be evaluated (FIG. 5). 13ο Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Transmissionsfilter (F) gegenüber der Längsachse des Lichtwellenleiters (51) derart geneigt ist. daß das transmittierte Licht einen Ausfallwinkel ( ε£) von kleiner als 15 besitzt.13 ο Arrangement according to Claim 12, characterized in that the transmission filter (F) is inclined in such a way with respect to the longitudinal axis of the optical waveguide (51). that the transmitted light has an angle of reflection (ε £) of less than 15. l4„ Anordnung nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (6l) ein optischer Stab mit lichtabbildenden Eigenschaften ist.l4 "Arrangement according to claim 12 or 13, characterized in that that the optical waveguide (6l) is an optical rod with light-imaging properties. - 4 - UL 81/10- 4 - UL 81/10 15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtwellenleiter (71) mit einer ersten Endfläche (72) auf der ein TransmissionsTilter (F) angebracht ist, und einer geneigten Endfläche (73) vorhanden ist, die Licht transmittiert und/oder reflektiert, und daß vom Transmissionsfilter (F) durchgelassenes bzw. von der geneigten Endfläche (73) transmittiertes und/oder reflektiertes Licht mindestens einem Photodetektor (D , D_ )15. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that an optical waveguide (71) with a first end face (72) on which a transmission filter (F) is attached, and an inclined end surface (73) is present, which transmits and / or reflects light, and that the transmission filter (F) transmitted or transmitted by the inclined end face (73) and / or reflected light from at least one photodetector (D, D_) zuführbar ist (FIG. 7; FIG. 8).can be fed (FIG. 7; FIG. 8). 16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Photodetektor (Dp) unmittelbar an dem Lichtwellenleiter (51) bzw. an einer den Lichtwellenleiter (51) zumindest teilweise· umgebenden optischen Kapillare angeordnet ist.16. The arrangement according to claim 15, characterized in that at least one photodetector (Dp) directly on the Optical waveguide (51) or on one of the optical waveguides (51) is arranged at least partially surrounding the optical capillary. 17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Transmissionsfilter17. Arrangement according to one of the preceding claims. characterized in that with a transmission filter 1
(F) das aus einem gekrümmten; aus Kern- und Mantelbereich bestehenden Lichtwellerileiter (9I) besteht, an dessen einer Endfläche ein erster Photodetektor (D ) angeordnet ist. und an dessen Mantelbereich vor und/oder nach der Krümmung mindestens ein zweiter Photodetektor (Dp) angekoppelt ist (FIG. 9).
1
(F) that of a curved; consists of a core and cladding area consisting of optical waveguide (9I), on one end face of which a first photodetector (D) is arranged. and at least one second photodetector (Dp) is coupled to its jacket area before and / or after the curvature (FIG. 9).
18. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Endfläche eines Licht-Wellenleiters teilweise mit einem Transmissionsfilter bedeckt ist und daß das durch die Endfläche transmittierte Licht mindestens einem Photodetektor zuführbar ist.18. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that an end face of an optical waveguide is partially covered with a transmission filter and that the light transmitted through the end face can be fed to at least one photodetector. 19. Verfahren zur Messung optischer ¥ellenlängen mittels19. Procedure for measuring optical wavelengths using - 5 - UL δι/ίο- 5 - UL δι / ίο einer Anordnung nach einem oder mehrsren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß intensitätsmoduliertes Licht verwendet wird, dessen Modulationsgrad kleiner als eins ist (FIG. 10).an arrangement according to one or more of the preceding Claims, characterized in that intensity-modulated Light is used whose degree of modulation is less than one (FIG. 10). SO» Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet daß das Licht im wesentlichen mit einer monofrequenten Schwingung der Frequenz f. moduliert wird und daß in der Detektoranordnung (D) und/oder in einer nachgeschalteten Auswerteeinheit (A) im wesentlichen die zur Frequenz f gehörenden Signalkomponenten ausgewertet werden.SO »Method according to claim 19, characterized in that the light is essentially modulated with a monofrequency oscillation of the frequency f. and that in the detector arrangement (D) and / or in a downstream evaluation unit (A) essentially those associated with frequency f Signal components are evaluated. 21O Verfahren nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein.Modulationsgrad derart gewählt wird daß eine dadurch bewirkte Änderung des Mittelwertes der Lichtintensität vernachlässigbar wird.21 O The method of claim 19 or claim 20, characterized in that ein.Modulationsgrad is selected such that a change caused by the mean value of light intensity is negligible. 22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß während der Messung mindestens ein optischer Arbeitspunkt eines Meßobjektes im wesentlichen unverändert bleibt«22. The method according to any one of claims 19 to 21, characterized characterized in that at least one optical operating point of a measurement object remains essentially unchanged during the measurement remain" 23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle mindestens ein Halbleiterlaser und/oder mindestens eine lichtemittierende Diode verwendet wird.23. The method according to any one of claims 19 to 22, characterized characterized in that at least one semiconductor laser and / or at least one light-emitting laser is used as the light source Diode is used. 24ο Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modulation der Lichtintensität durch Modulation des injizierten elektrischen Stromes bewirkt wird.24 ο Method according to Claim 23, characterized in that the light intensity is modulated by modulating the injected electric current. 25«. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 2k dadurch gekennzeichnet, daß unpolarisiertes Licht und/oder minde-25 ". Method according to one of Claims 19 to 2k, characterized in that unpolarized light and / or less - 6 - UL 81/10- 6 - UL 81/10 stens ein Licht depolarisierendes Bauelement verwendet wird. *at least one light depolarizing component is used. * 26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet» daß in mindestens einer Auswerteeinheit (A) die mittels eines ersten bzw. zweiten Teillichtweges (22, 23) erzeugten Signale im wesentlichen dividiert werden und daß unter Berücksichtigung des Filterverlaufes des Transmissionsfilters (F) die Wellenlänge und/oder Frequenz des Lichtes bestimmbar wird.26. The method according to any one of claims 19 to 25, characterized »that in at least one evaluation unit (A) the signals generated by means of a first or second partial light path (22, 23) are essentially divided and that taking into account the filter course of the transmission filter (F) the wavelength and / or frequency of the light can be determined. 27. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß aus mindestens einer Änderung mindestens einer Wellenlänge und/oder Frequenz des Lichts mindestens eine die Änderung bewirkende Meßgröße bestimmbar wird.27. The method according to any one of claims 19 to 26, characterized in that at least one change at least a wavelength and / or frequency of the light at least one measurable variable causing the change can be determined will. 28. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 271 dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgröße eine absolute Drehung bestimmt wird.28. The method according to any one of claims 19 to 271 characterized in that an absolute rotation is determined as the measured variable.
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