DE3409207A1 - Optischer sensor - Google Patents

Optischer sensor

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DE3409207A1
DE3409207A1 DE19843409207 DE3409207A DE3409207A1 DE 3409207 A1 DE3409207 A1 DE 3409207A1 DE 19843409207 DE19843409207 DE 19843409207 DE 3409207 A DE3409207 A DE 3409207A DE 3409207 A1 DE3409207 A1 DE 3409207A1
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Description

J.P.Willson-1
Opt i scher Sensor
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor von der Art, bei dem ein zu bestimmender Parameter auf einen Sensor einwirkt und hierbei die optische Weglänge in einem Fabry-Perot-Resonator verändert. Ein solcher Wechsel der optischen Weglänge kann mittels Interferenzmessungen ermittelt werden. Hierzu werden ein Fabry-Perot-Sensor-Resonator und eine weiterer Fabry-Perot-Resonator optisch in Serie geschaltet. Um auswertbare Interferenzerscheinungen erzeugen zu können, ist es notwendig, daß die beiden Resonatoren ähnliche optische Weglängen aufweisen. Die Differenz ihrer optischen Weglängen muß kleiner sein als die Kohärenz länge des verwendeten Lichts, um die Interferenz beobachten zu können.
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J.P.Wi LLson-1
Jeder Resonator verhalt sich wie ein KammfiLter, dessen Zahne enge Bandpässe darstellen, die frequenzmäßig (oder gemessen in Wellenlängen) um einen Betrag voneinander getrennt sind, der von der Resonator länge abhängt.
Die Steilheit der Durchlaßbereiche hängt von der
Genauigkeit, mit der der Resonator realisiert ist, ab. Dies wiederum ist ein Maß für seine Güte Q und ist bestimmt durch die Ref lektivitat seiner Endflächen und den Absorptionsverlusten, die durch das Medium zwischen den
Endflächen verursacht wird, und durch Verluste, die
durch falsche Ausrichtung der Endflächen verursacht werden. Unterscheidet sich die optische Weglänge des 1. Resonators von der des 2. Resonatores um ein kleines ganzzahliges Vielfaches von halben Wellenlängen, dann sind die Zähne des einen Kamms mit denen des anderen deckungsgleich, mit dem Ergebnis, daß Licht, das einen Resonator passiert, in dem 2. Resonator nur wenig gedämpft wird. Eine hohe Durchlässigkeit ist erreicht bei Phasenbeziehungen von 0 und 180 . Wenn jedoch die optische Weglänge eines Resonators um einen kleinen Betrag geändert wird, so daß keine Phasenbeziehungen von 0° oder 180° mehr vorhanden ist, dann sind die Zähne des einen Kamms nicht mehr deckungsgleich mit denen des anderen und die Durchlässigkeit fällt schnell ab.
Wenn man die relativen optischen Weglängen der beiden Resonatoren so wählt, daß die gesamte Druch lässigkeit durch die beiden Resonatoren gleich 0,7 mal dem Maximalwert ist, dann erhält man ein System, bei dem sehr kleine Änderungen der relativen Phase eine große Änderung der Durchlässigkeit bewirken. Im Prinzip kann man einen bestimmten Wechsel in der Durchlässigkeit korrelieren
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ό -
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mit einem bestimmten Wechsel der Phasenretation, jedoch verlangt dies die Kenntnis des genauen Verlaufs der Funktion, die die Relation zwischen den beiden Parametern angibt. Deshalb ist es bei einem Sensor mit Fabry-Perot-Resonatoren vorzuziehen, eine rückgekoppelte Regeleinrichtung zu verwenden, die die relative Phase (bestimmt durch die optischen Weglangen in den Resonatoren) der beiden Resonatoren konstant hält und zwar mittels eines Streckgliedes, das auf die optische Weg-; länge in einem der Resonatoren einwirkt. Aus dem Ausgangssignal eines Detektors, auf den das Licht auftrifft, kann man|die Durchlässigkeit der Resonatorkombination ermitteln.
Ein klassischer Fabry-Perot-Resonator besteht aus zwei zueinander parallel angeordneten Reflektoren, die einen vorgegebenen Abstand voneinander haben. Im allgemeinen ist der Raum zwischen den beiden Reflektoren mit Luft ausgefüllt. Für Anwendungen, bei denen es auf besonders genaue Messungen ankommt, ist der Zwischenraum ein Vakuum, so daß die Messung nicht durch Änderungen des Brechungsindex, verursacht durch Temperaturschwankungen, beeinflußt wird. Bei dem bei der Erfindung verwendeten Fabry-Perot-Resonator ist zwischen den reflektierenden Platten eine Wellenleiterstruktur vorhanden, die beispielsweise mittels optischer Lichtleitfasern oder optischer Wellenleiter in einem geeigneten Substrat realisiert ist. Ein solcher Resonator ist bekannt aus dem Aufsatz "A Sensitive Fiber-Optic Fabry Perot Interferometer" von S. J.Petuchowski et al in IEEE Journal of Quantum Electronics, Bd. QE-17 Nr. 11, November, 1981 Seiten 2168 - 2170.
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J.P.Wi LLson-1
Bei einem Resonator mit WeLLenleitern ist die Forderung an die Ebenheit und die Para I Le Litat der ref lektierenden Flächen wesentLich weniger kritisch aLs bei einem Resonator ohne WeLLenLeiter. Dies rührt daher, daß das Licht, das von einer RefLexionsfLache refLektiert wird, so Lange noch von dem WeLLenleier weitergeLeitet wird, aLs es in den Wellenleiter eingekoppeLt wird.
Ein Resonator mit Wellenleiter ist außerdem robuster, da die Ref lexionsfLachen integraler Bestandteil der gesamten Struktur sind und somit eine Fehlausrichtung wegfällt. Dies macht ihn besonders geeignet für Verwendungen, bei denen eine große Unempfindlichkeit gegen Umwelteinflüsse erforderlich ist.
Bei einem solchen Resonator ist die optische Weglänge temperaturabhängig und deshalb muß entweder gesorgt werden, daß eine genaue Temperaturregelung erfolgt, oder es müssen Maßnahmen getroffen werden, daß systematische FehLer, die von Temperaturänderungen verursacht werden, kompensiert werden. Bei dem neuen optischen Sensor erfolgt eine Kompensation der temperaturbestimmten Schwankungen. Zur Kompensation temperaturbedingter Effekte ist ein Referenz-Resoanator vorgesehen, der thermisch mit dem Sensor-Resonator verknüpft ist.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt :
Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen eines Sensors,
und
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Sensors nach Fig. 2, realisiert in der Technik der integrierten Optik.
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J .P.Wi Uson-1
Bei dem AusführungsbeispieL nach Fig. 1 tritt aus einer Lichtquelle 1 Licht aus und wird über Monomode-Lichtleitfasern 2 und 3 weitergeleitet. Die Lichtquelle ist eine Halbleitei—Laserdiode, die knapp unter ihrem Schwellwert betrieben wird, um eine hohe Helligkeit und eine geringe Divergenz zu erzielen, was für die Einkopplung in Monomode-Lichtleitfasern von Vorteil ist. Das Licht wird über die LichtweLLenleiter zu zwei Fabry-Perot-Resonatoren 4 und 5 geleitet, die ähnliche optische Weglängen (bestimmt durch die reflektierenden Flächen 6) aufweisen. Im einen Fabry-Perot-Resonator 4, dem Sensor-Resonator, ist die Lichtleitfaser 2 mit einem magnetost r i kt i veii Materi a I 7 beschichtet. Hierzu eignet sich ein metallisches Glas, z. B. die Legierung
Fe0nB1n. Damit wird erreicht, daß abhängig vom vor-
oU c. U
handenen und einwirkenden Magnetfeld die Resonator länge verändert wird. Die Resonatoren 4 und 5 sind nebeneinander auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet, so daß man ein gutes thermisches Gleichgewicht erhält. Damit sind die beiden Resonatoren thermisch miteinander verkoppelt, und sie erfahren jeweils die gleichen Temperaturänderungen.
Das von den beiden Resonatoren ausgekoppelte Licht wird in zwei weitere Monomode-Lichtleitfasern 9 und 10 angekoppelt, welche das Licht weiterleiten zu zwei weiteren Resonatoren 11 und 12, die einen ähnlichen Aufbau aufweisen und deren optische Weglängen ähnlich sind den Weglängen in den Resonatoren 4 und 5. Der Resonator 11 ist optisch zu dem Sensor-Resonator 4 in Serie geschaltet und mit einer piezoelektrischen Streckeinrichtung 13 versehen, mit der die optische Weglänge dieses Resonators verändert werden kann. Entsprechend ist der Resona-
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-V-
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tor 12 zu dem Referenz-Resonator 5 in Serie geschattet und ebenfalls mit einer piezoelektrischen Streckvorrichtung 14 versehen. Die beiden Resonatoren sind auf einem gemeinsamen Substrat 15 befestigt, um zu gewährleisten, daß sie thermisch miteinander verkoppelt sind. Die optischen Ausgangssignale werden jeweils einem Fotodetektor 16, 17 zugeführt. Das Ausgangssignal des Fotodetektors 16 wird in einer (nicht dargestellten) rückgekoppelten Regelschleife dazu ausgenutzt, die optische Weglänge in dem Resonator 11 so zu regeln (und zwar mittels einer Streckvorrichtung 13), daß das Ausgangssignal des Fotodetektors bei einem vorgegebenen Pegel von ungefähr dem 0,7fachen des Spitzenwertes, der der maximalen Durchlässigkeit des Paares von Resonatoren 4 und 11 entspricht, liegt. Entsprechend wird das Ausgangssignal des Fotodetektors 17 in einer zweiten rückgekoppelten Regeleinrichtung (auch nicht dargestellt) dazu verwendet, eine zweite Streckeinrichtung 14 so anzusteuern, daß man am Ausgang des Fotodetektors 17 ein dem Ausgangssignal des Fotodetektors 16 sinngemäß entsprechendes Signal erhält.
Der Sensor ist so geeicht, daß, wenn kein Magnetfeld anliegt, Regelsignale S., und Sn erzeugt werden, die der Regelschleife des Fotodetektors 16 (Sensor-Resonator) und dem Fotodetektor 17 (Referenz-Resonator) zugeordnet sind. Ist ein Magnetfeld vorhanden, dann erhält man entsprechende Signale S1 und S1, wobei, bedingt durch Temperaturschwankungen, S1 im allgemeinen nicht s„ ist. Nimmt man an, daß die durch die Magentostriktion und durch die piezoelektrisch gesteuerte Längenänderung erfolgten Änderungen der optischen Weglängen linear zu den jeweiligen Effekten sind, dann ergibt sich, daß die Amplitude des gerade vorhandenen Magnetfeldes proportional ist zu (S1 - S^) - (S1 - S0).
J.P.Willson-1
Bei dem Sensor gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind 4 Resonatoren vorhanden. Versieht man auch den Sensor-Resonator mit einer piezoelektrischen Streckeinrichtung, dann reicht es aus, für den Sensor-Resonator und den Referenz-Resonator gemeinsam einen weiteren Resonator/ der zu dem Sensoi—Resonator und dem Referenz-Resonator in Serie geschaltet ist, vorzusehen. Dieser weitere Resonator selbst kann die Lichtquelle des Systems bilden. Es ist ein Monomode-Laser vorgesehen.
Eine solche Anordnung ist in der Fig. 2 dargestellt. Das AusgangssignaL des Monomode-Lasers 20 wird einem 3dB-KoppeInetzwerk zugeführt, durch das das Licht in 2 Monomode-Lichtleitfasern 22 und 23 eingekoppelt wird. Diese Lichtleitfasern werden einem Sensor-Resonator 24 und einem Referenz-Resonator 25, die Paare von reflektierenden Flächen 26 enthalten, zugeführt. Das von diesen Resonatoren ausgehende Licht wird zu Fotodetektoren
27 und 28 geleitet. Der Wellenleiter in dem Resonator 24 ist mit einem magnetostriktiven überzug 29 und mit einer piezoelektrischen Streckeinrichtung 30 versehen, während der Wellenleiter des Resonators 25 nur mit einer piezoelektrischen Streckeinrichtung 31 versehen ist. Die beiden Resonatoren 24 und 25 sind thermisch miteinander verkoppelt und auf einem gemeinsamen Substrat 32 angeordnet, über eine (nicht dargestellte) RückkoppeIschleife wird das Ausgangssignal des Fotodetektors 27 der Streckeinrichtung 30 zugeführt und das des Fotodetektors
28 der Streckeinrichtung 31. Die zur Regelung rückgekoppelten Signale regeln die Streckeinrichtungen sinngemäß wie bei der Fig. 1. Für den Laser 20 ist ein vergrößerter Resonator notwendig, der eine ähnliche optische Länge aufweist, wie die Resonatoren 24 und 25. Dies erreicht man mittels eines Halbleiterchips 20a, das
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eine an sich übliche Lange aufweist und welches mit einem WeLLenLeiter 20b, an dessen anderem Ende an einer Fläche 20c eine optimale Reflexion erfolgt, verbunden ist, und zwar so, daß an der Verbindungsstelle keine Reflexion erfolgt.
Anhand der Fig. 3 wird eine Realisierung in der Technik der integrierten Optik erläutert. Hierbei wird von demselben Prinzip wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 Gebrauch gemacht. Bei dieser Realisierung ist in einem piezoelektrischen dielektrischen Substrat in der Technik der integrierten Optik ein Wellenleiter realisiert. Das Substrat 33 besteht aus Lithiumniobat. Ein Monomode-Laser 34 speist einen Wellenleiter mit einer Verzweigung 35, welcher wiederum ein paar Fabry-Perot-WeIlenleiter-Resonatoren 36 und 37 speist, dessen Ausgangssignale Fotodetektoren 38 und 39 zugeführt werden. Beide Resonatoren sind mit Elektroden 40 versehen mittels denen die optischen Weglängen gestreckt werden. Weiterhin ist der Resonator 36 mit einem magnetostriktiven Film bedeckt, der ein metallisches Glas sein kann, damit dieser als Sensor für Magnetfelder wirkt. Entsprechend wie für die Ausfuhrungsbeispiele nach Fig. 1 und Fig. 2 sind rückgekoppelte Regeleinrichtungen vorgesehen. Für den Laser 34 ist ebenfalls ein vergrößerter Resonator vorgesehen, der so gewählt ist, daß er eine optische Weglänge aufweist, die ähnlich den optischen Weglängen in den Resonatoren 36 und 37 ist. Er besteht, wie der Laser 20 beim AusfuhrungsbeispieI nach Fig. 2, aus drei Teilen, nämlich einem Halbleiterchip 34a, einem We I len leiterstück 34b und einer hochreflektierenden Fläche 34c. An dem übergang vom Wellenleiter zum Chip darf möglichst keine Reflexion erfolgen.
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'Al.
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Claims (5)

  1. INTERNATIONAL STANDARD ELEKTRIK
    CORPORATION
    NEW YORK
    J.P.Wi LLson-1
    Patentansprüche
    )ptischer Sensor/ dadurch gekennzeichnet, daß drei Fabry-Perot-Resonatoren vorgesehen sind, von denen einer als Sensoi—Resonator (24) und einer aLs Referenz-Resonator (25) verwendet wird und der dritte (20 b) den beiden ersten nachgeschaLtet ist, daß die optischen WegLängen in den Resonatoren zumindest ähnLich groß sind, daß der Sensor- und der Referenz-Resonator thermisch miteinander verbunden sind, daß eine erste Rege Leinrichtung vorgesehen ist, die das VerhäLtnis zwischen den WegLängen im Sensor-Resonator und den WegLängen im dritten Resonator konstant häLt und zwar dadurch, daß in einem der beiden Resonatoren die optische WegLänge geregeLt wird, daß eine zweite RegeLeinrichtung vorgesehen ist, die das VerhäLtnis zwischen der
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    — -ο _
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    WegLänge im Referenz-Resonator und der WegLänge im dritten Resonator konstant hält und zwar dadurch, daß in dem Referenz-Resonator die optische WegLänge geregeLt wird, und daß die Größe der auf den Sensor-Resonator einwirkenden physikaLisehen Wirkung aus den RegeLsigna-Len ermitteLt wird.
  2. 2. Optischer Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß ein
    Fabry-Perot-Sensor-Resonator (4) und ein Fabry-
    Perot-Referenz-Resonator (5), denen jeweiLs ein wei-
    terer Fabry-Perot-Resonator (11, 12) nachgeschaLtet ist, vorhanden sind, daß einerseits der Sensor und der Referenz-Resonator und andererseits die beiden weiteren Resonatoren thermisch miteinander verbunden sind, daß eine erste und eine zweite Rege Leinrichtung vorgesehen sind, die das VerhäLtnis zwischen den optischen WegLängen im Sensor-Resonator und dem diesem nachgeschaLteten weiteren Resonator und das VerhäLtnis zwischen den optischen WegLängen im Referenz-Resonator und dem diesem nachgeschaLteten weiteren Resonator konstant haLten, und zwar dadurch, daß jeweiLs die WegLänge in einem Resonator eines Resonatorpaares verändert werden, und daß die Größe der auf den Sensor-Resonator einwirkenden physika-Lischen Wirkung aus den Rege LsignaLen ermitteLt wird.
  3. 3.Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor-Resonator ein magnetostriktives ELement (7) enthäLt, das die optische WegLänge abhängig vom vorhandenen MagnetfeLd verändert.
  4. 4.Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht zumindest in dem Sensor-Resonator in 3D LichtweLLenLeitern geLeitet ist und daß auf die LichtweLLenleiter eine metaLLische GLasschicht aufgebracht ist.
    /Ni 1 ?
    J.P.WiLLson-1
  5. 5.Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (20 b) eines Monomode-Lasers, der Licht in die Fabry-Perot-Resonatoren einstrahlt, als weiterer Resonator verwendet wird.
    ZT/P1-Sm/Ni, 12.03.1984 ./
DE19843409207 1983-03-16 1984-03-14 Optischer sensor Withdrawn DE3409207A1 (de)

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