DE3205798C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Phasenmodulator nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 6 oder 7.

Ein solcher faseroptischer Phasenmodulator ist aus der GB 14 88 253 bekannt.

Durch die radialen mechanischen Schwingungen wird bei dem Körper 1 dessen Außendurchmesser D einer Schwingung unterworfen, wodurch die Lichtleitfaser nach Maßgabe des elektrischen Signals gedehnt wird, was schließlich zur erwünschten Phasenmodulation führt. Bei diesem bekannten Phasenmodulator führt eine Änderung des Außen­ durchmessers D zu einer Längenänderung der aufgewickelten Licht­ leitfaser 2 sowie zu einer Änderung der optischen Doppelbrechung der Lichtleitfaser 2, so daß bei vorgegebenem Eingangspolari­ sationszustand des Lichts nicht nur dessen optische Phase, sondern auch dessen Ausgangspolarisationszustand moduliert wird. Diese zusätzliche sogenannte Polarisationsmodulation ist für viele Anwendungen, z. B. in einem Lichtleitfaserringinterfero­ meter, störend, da dann fehlerhafte Signale entstehen.

Aus der US 36 45 603 ist ein faseroptischer Modulator bekannt, bei welchem eine Modulation des Lichts durch Druck-Deformation der optischen Faser vorgenommen wird. Um die im Regelfall bei Deformation der Faser gemeinsam auftretenden Modulationen von Phase und Polarisation des Lichts zu trennen, sind zwei hinter­ einander an der Faser angeordnete und senkrecht zueinander ausge­ richtete Druckübertrager vorgesehen, die so steuerbar sind, daß durch die Kombination der von beiden Druckübertrager bewirkten Modulation die Modulation des einen Parameters (Phase oder Polarisation) kompensiert und somit eine reine Modulation des jeweils anderen Parameters erzielt wird.

Der polarisationsmodulierende Einfluß von Druck auf eine optische Faser ist auch nutzbar zur Messung von Druck oder mechanischen Schwingungen durch Messen des Polarisationszustands von in eine Faser eingespeistem Licht definierter Polarisation nach Durch­ laufen der druckbelasteten Faser, wie z. B. in der GB 15 44 483 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Phasenmodulator anzugeben, bei dem die Polarisationsmodulation weitestgehend vermieden wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1, 6 oder 7 angegebenen Merkmale.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert.

Die Erfindung beruht auf einer speziellen Wickeltechnik der Lichtleitfaser 2.

Eine erfindungsgemäße Lösung besteht darin, die Lichtleitfaser verdrillt auf den Körper 1 aufzuwickeln. In diesem Fall wird in der Lichtleitfaser 2 eine optische Doppel­ brechung mit zirkularen Eigenzuständen des Polarisations­ zustandes erzeugt. Wird nun dieser eingeprägten zirkularen Doppelbrechung aufgrund der radialen mechanischen Schwin­ gung des Körpers 1 eine veränderliche lineare Doppelbre­ chung überlagert, so führt diese so lange nicht zu einer unerwünschten Polarisationsmodulation, solange die verän­ derliche Doppelbrechung kleiner ist als die eingeprägte Doppelbrechung. Eine genügend große eingeprägte Doppel­ brechung wird beispielsweise erreicht durch eine um die Längsachse verdrillte (tordierte) Lichtleitfaser 2. Bei ei­ ner optischen Glasfaser ist dafür eine Verdrehrate von mindestens zwanzig Drehungen/Meter Faserlänge nötig. Größe­ re Verdrillwerte führen dabei zu geringen Polarisations­ modulationswerten.

Die benötigte Verdrillrate hängt davon ab, wie groß die eingeprägte Doppelbrechung aufgrund der Krümmung der auf den Körper 1 gewickelten Lichtleitfaser 2 ist. Die zirku­ lare eingeprägte Doppelbrechung aufgrund der Verdrillung ist für eine wirksame Unterdrückung der unerwünschten Po­ larisationsmodulation größer als die durch die Krümmung hervorgerufene lineare Doppelbrechung. Die Doppelbrechung aufgrund der Krümmung ist proportional zu (d/D) ², wobei d den Außendurchmesser des Mantels der Lichtleitfaser 2 be­ zeichnet und D den Außendurchmesser des Körpers 1.

Um eine genügend große zirkulare eingeprägte Doppelbrechung zu erzeugen, wird bei optischen Quarzglasfasern die Ver­ drillrate größer gewählt als ungefähr 10⁶ (d/D) ² Drehungen/ Meter Faserlänge.

Für eine sehr wirksame Unterdrückung der störenden Polari­ sationsmodulation wird die Verdrillrate groß gewählt oder/ und es wird eine geringe lineare Doppelbrechung aufgrund der Krümmung verwendet, wozu entweder der Außendurchmes­ ser D des Körpers 1 groß oder der Außendurchmesser d des Mantels der Lichtleitfaser klein gewählt wird. Bei gege­ benem Körper 1 und damit gegebenem Außendurchmesser D wird der Außendurchmesser d des Mantels vorteilhafterwei­ se möglichst klein gewählt, z. B. d < 100 µm. Die untere Grenze für den Außendurchmesser d des Mantels wird ledig­ lich durch die Handhabbarkeit, z. B. Festigkeit, der Licht­ leitfaser eingeschränkt.

Es ist zweckmäßig, die Lichtleitfaser auch dann zu ver­ drillen, wenn die Lichtleitfaser eine starke lineare Doppelbrechung aufweist. Beim verdrillten Aufwickeln einer derartigen Lichtleitfaser ändert sich die Orientierung der beiden Eigenpolarisationszustände bezüglich der Symmetrie­ achse des Körpers 1, so daß die Orientierung der aufgrund der mechanischen Schwingungen des Körpers 1 entstehenden Doppelbrechung mit der eingeprägten Doppelbrechung der Lichtleitfaser 2 weitgehend unkorreliert ist und sich damit die störende Polarisationsmodulation ebenfalls weitgehend vermeiden läßt.

Eine andere Möglichkeit, die störende Polarisationsmodula­ tion zu vermeiden, besteht darin, die Lichtleitfaser 2 in mindestens zwei Wickelabschnitten auf den Körper 1 zu wic­ keln. Es liegt dieser Möglichkeit der Gedanke zugrunde, die Polarisationsmodulation, die in einem Wickelabschnitt entsteht, durch die Polarisationsmodulation in einem zwei­ ten Wickelabschnitt wieder rückgängig zu machen.

Gemäß Fig. 2 wird zwischen den Wickelabschnitten A, B je­ weils mindestens ein polarisationsänderndes Bauelement 5 angeordnet, das den Polarisationszustand des in der Faser geführten Lichts (Richtung der Pfeile in Fig. 2) derart ändert, daß sich die störende Polarisationsmodulation in den Wickelabschnitten A, B im wesentlichen kompen­ siert. Wenn beispielsweise die Lichtleitfaser 2 linear doppelbrechend ist, mit den optischen Haupt-Zuständen a, b, ist es zweckmäßig, in dem Bauelement 5 eine der­ artige Polarisationskopplung vorzusehen, daß beispiels­ weise das im Wickelabschnitt A sich im Zustand a bzw. b ausbreitende Licht in dem Wickelabschnitt B mit dem Zu­ stand b bzw. a gekoppelt wird. Auf diese Weise läuft das Licht beim Durchgang durch die gesamte Lichtleit­ faser zu gleichen Teilen im Zustand a und im Zustand b, so daß sich eine eventuell unterschiedliche Phasenmodu­ lation in den Zuständen a, b zu keiner Polarisationsmo­ dulation am Ausgang der Lichtleitfaser führt.

Die gewünschte Überkopplung des Lichts von den Zustän­ den a bzw. b in die Zustände b bzw. a wird beispiels­ weise dadurch erreicht, daß die Lichtleitfaser 2 im Bauelement 5 zunächst aufgetrennt und sodann um unge­ fähr 90° verdreht wieder zusammengesetzt wird, z. B. durch einen entsprechenden Spleiß. Dabei bleibt die Richtung der Längsachse der Lichtleitfaser 2 im wesent­ lichen erhalten. Eine solche Überkopplung läßt sich auch durch eine geeignete Verdrillung der Lichtleitfaser er­ reichen, wie dieses z. B. in der Schrift "Polarization mode dispersion in single-mode fibers", Opt. Lett. 3 (1978), Seiten 60 bis 62, von S. C. Rashleigh und R. Ulrich beschrieben wird.

In einem beispielhaften erfindungsgemäßen Phasenmodula­ tor wird ein piezokeramischer Zylinder gemäß Fig. 2 ver­ wendet, der einen Außendurchmesser D von 25,4 mm besitzt. Der Zylinder besitzt eine Länge L von ungefähr 12 mm, so daß sich dann eine Resonanz bei ungefähr 125 kHz aus­ bildet. Eine einwellige Lichtleitfaser 2 mit einem Durch­ messer d von ungefähr 100 µm bis 125 µm, die mit einer dünnen Kunststoffbeschichtung von ungefähr 50 µm Dicke um­ hüllt ist, wird dann verdrillt mit ungefähr 40 Drehungen/m und mit 5 bis 10 Windungen auf den piezokeramischen Kör­ per aufgewickelt.

Ein weiteres nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel be­ steht darin, in der Außenfläche des Körpers 1 eine diesen schraubenförmig umlaufende, im wesentlichen V-förmige Nut anzubringen, deren seitliche Begrenzungsflächen (Flanken) vorzugsweise einen Winkel von 90° (Altgrad) bilden. In eine derartige Nut wird dann mindestens eine Lichtleitfa­ ser unter Anwendung einer mechanischen Zugspannung (in Richtung der Längsachse der Lichtleitfaser) eingelegt und befestigt, z. B. geklebt.

Ein derartiger optischer Phasenmodulator ist als hydro­ statischer Drucksensor anwendbar. Dazu ist es lediglich notwendig, bei einem Phasenmodulator gemäß Fig. 2 zwischen der Innen- und der Außenfläche des Körpers eine Druckdif­ ferenz zu erzeugen und zusätzlich einen Druck, z. B. den Außendruck zeitlich im wesentlichen unveränderlich zu halten. In diesem Falle führen dann zeitliche Änderungen des Innendruckes zu einer optischen Phasenmodulation, die ein Maß für die zu messende Druckänderung ist.

Claims (7)

1. Faseroptischer Phasenmodulator, bestehend aus einem elektrisch anregbaren, radial schwingenden, kreiszylinderförmigen Körper, auf dessen äußerer Mantelfläche eine Lichtleitfaser aufgewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (2) um ihre Längsachse derart verdrillt ist, daß die durch die Verdrillung bewirkte Polarisationsänderung des Lichts wesentlich größer ist als die durch Radialschwingungen des Körpers (1) erzeugte Polarisationsänderung.

2. Phasenmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verdrillte Lichtleitfaser eine Verdrehrate besitzt, die größer ist als 10⁶ (d/D) ² Drehungen/Meter, dabei bezeichnet d den Außendurchmesser des Mantels der Lichtleitfaser und D den Außen­ durchmesser des Körpers (1).

3. Phasenmodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser d des Mantels der Lichtleitfaser kleiner ist als 120 µm.

4. Phasenmodulator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtleitfaser als einwellige Lichtleitfaser ausgebildet ist.

5. Phasenmodulator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser eine optische Doppelbrechung besitzt, die einer optischen Schwebungswellenlänge von weniger als 5 cm ent­ spricht.

6. Faseroptischer Phasenmodulator, bestehend aus einem elektrisch anregbaren, radial schwingenden, kreiszylinderförmigen Körper, auf dessen äußerer Mantelfläche eine Lichtleitfaser aufgewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung der Lichtleitfasern (2) aus zwei Wickelabschnitten (A, B) besteht, die durch einen optischen Spleiß (5) gekoppelt sind, durch den die Wickelabschnitte (A, B) gegeneinander um 90° verdreht sind.

7. Faseroptischer Phasenmodulator, bestehend aus einem elektrisch anregbaren, radial schwingenden, kreiszylinderförmigen Körper, auf dessen äußerer Mantelfläche eine Lichtleitfaser aufgewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung der Lichtleitfaser (2) aus zwei Wickelabschnitten (A, B) besteht, die durch eine verdrillte optische Faser (5) gekoppelt sind, wobei die Verdrillung aus mindestens zwanzig Drehungen pro Meter be­ steht.