DE3506844A1

DE3506844A1 - Faseroptischer fabry-perot-sensor

Info

Publication number: DE3506844A1
Application number: DE19853506844
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Phys. Dr. 7815 Kirchzarten Kist; Seshadri Dipl.-Phys. Dr. 7800 Freiburg Ramakrishnan
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1985-02-27
Filing date: 1985-02-27
Publication date: 1986-09-04
Also published as: DE3506844C2

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Fabry-Perot-Sensor mit einem den optischen Resonator eines Interferometers biidenden Lichtwellenleiterabscl',iitt, der an seinen beiden Stirnflächen verspiegelt ist, mit einer den Resonator a,nregenden Laserlichtquelle nd mit einem an eine Auswerteschaltung angeschlossenen Lichtdetektor, durch den das vom Lichtwellenleiterabschnitt transmittierte oder reflektierte Licht erfaLJar ist.
Ein derartiger Sensor ist in Fiber-Optic Fabry-Perot Interferometer and Its Sensor Applications, IEEE Jotrnal of Quantum Electronics, Vol.QE-l8, No. 10, October 1982, Seite 1624ff., beschrieben und verwendet zur Messung von Temperaturen, mechanischen Vibrationen, Schall. Wechselspannungen, Magnetfeldern u. dgl.
eine an ihren Stirn flächen polierte und verspiegelte Monomodefaser, in der eine Vielstrahlinterferenz stattfindet. Derartige Monomodefasern haben sehr geringe Kerndurchmesser in der Größenordnung von lediglich einigen um,weshalb zur Einkopplung und Auskopplung von Laserlicht Mikroskopobjektive oder sonstige hcqhpräzise Koppeltechniken erforderlich sind. Infolge der kritischen Kopplung ist der Einsatz der bekannten monomodigen faseroptischen Fabry-Perot-Sensoren sehr aufwendig. Um eine lineare Topologie zu erhalten, ist es wegen der erforderlichen großen Krümmungsradien zur Vermeidung stärkerer Biegeverluste erforderlich, in Reflexion unter Einsatz teurer Richtkoppler zu arbeiten.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der mit Hilfe son Steckverbindungen mit größeren als bei Monomodefasern üblichen geometrischen Toleranzen mit der Licht quelle und dem Lichtdetektor koppelbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtwellenleiterabschnitt ein Gradientenindex-Lichtwellenleiter ist, der im Bereich der Betriebswellenlänge der Laserlichtquelle eine kleinstmögliche Modendispersion aufweist. Dadurch, daß ein multimodiger Gradientenindex-Lichtwellenleiter bei einer Betriebswellenlänge verwendet wird, für die die Modendispersion vernachlässigbar ist, ergeben sich eine 5'ielzahl von Resonanzkurven der verschiedenen Moden, die sich gegenseitig konstruktiv überlagern. Bei l:etriebswellenlängen für die die Modendispersion nicht für alle Moden vernachlässigbar ist, ist es zweckmäßig, zur Unterdrückung verschiedener Nebenresonan n die zur Dispersion stärker beitragenden Moden durch den Mikrobending-Effekt aus dem Kern auszukoppeln, indem der Lichtwellenleiterabschnitt aufgewickelt od r U-förmig gebogen wird.
Als Zuleitungsfaser zum multimodigen Gradientenindex-Lichtwellenleiter ist es zweckmäßig, eine Monomodefaser zu verwenden, da dann die Anregung des Resc nators mit einer Gauß'schen Lichtverteilung erfolgt. 41s Rückleitungsfaser vom Gradientenindex-Lichtwellenleiter zum Lichtdetektor ist es zweckmäßig, eine Mu. imodefaser zu verwenden. Die monomodige Zuleitungsfaser zum multimodigen Gradientenindex-Lichtwellenleiter braucht nicht mit der bei Monomodefasern ül.lichen Genauigkeit justiert und positioniert zu werden, weshalb die bei Monomodefasern üblichen aufwendigen und teuren Technologien nicht mehr nötig sind. Dct Kerndurchmesser des Gradientenindex-Lichtwellenleiters liegt beispielsweise in der Größenordnung von 50 um,während der Kerndurchmesser der Monomodefaser lediglich ein Zehntel, nämlich etwa 5 um beträgt Hieraus ergeben sich die größeren Toleranzen gegenüber dem Koppeln zweier Monomodefasern.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
,Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine faseroptische Fabry-Perot-Sensoranordnurg gemäß der Erfindung in einer schematischen Darstellung und Fig. 2 den entlang der Mittelebene aufgeschnittenen Sensorkörper für eine Sensoranordnung gemäß Fig. 1 mit optischen Steckern für den Gradientenindex-Lichtwellenleiter sowie die Zuleitungsfaser von der Laser-I. htquelle und die Rückleitungsfaser zum Lichtdetektor.
Die in Fig. 1 dargestellte faseroptische Fabry-Perot-St nsoranordnung verfügt über eine Laserlichtquelle 1, die eine Laserdiode sein kann, deren Licht in an sich bekannter Weise in das vordere Ende 2 einer Zuleitu Igsfaser 3, die als Versorgungs-Lichtwellenleiter für ein Fabry-Perot-Interferometer 4 dient, in Richtung der Pfeile 5 eingespeist wird. Die Zuleitungsfaser 3 ist bei lem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel eine Monomodefaser, um den Resonator des Fabry-Perot-lnterferometers 4 mit einer Gauß'schen Lichtverteilung anzuregen.
Das als Sensorelement dienende Fabry-Perot-Interferometer 4 besteht aus einem Lichtwellenleiterabschnitt 6, der sowohl an seinem ersten Ende 7 als auch an seine:n zweiten Ende 8 in der bei Fabry-Perot-lnterferometern üblichen Weise verspiegelt ist. Der Lichtwellenleiterabschnitt 6 ist ein Gradientenindex-Lichtwellenleiter der bei der Betriebswellenlänge der Laserlichtquelle 1 eme geringe bzw. vernachlässigbare Modendispersion aufweist. Ein solcher Gradientenindex-Lichtwellenleiter kann eine multimodige Gradientenindexfaser mit parabolischem Brechzahlprofil sein. Bei gegebener Laserlichtwellenlänge wird als Gradientenindex-Lichtwellenleiter unter den auf dem Markt befindlichen Gradiente lindexfasern diejenige ausgewählt, deren Modendispersion vernachlässigbar ist. Bei vorgegebener Gradientenindexfaser wird die Laserlichtwellenlänge so gewählt, daß die wellenlängenabhängige Modendispersion ein Minimum aufweist. Unter diesen Bedingungen sind die Laufzeiten der im Lichtwellenleiterabschnitt 6 angeregten Moden, deren Zahl typischerweise einige 100 be.rägt, annähernd gleich. Die Kernabmessungen eines solchen Gradientenindex-Lichtwellenleiters oder Gradientenprofil-Lichtwellenleiters sind wesentlich größer als die eines Monomode-Lichtwellenleiters. Innerhalb des Kerngebietes hat der Lichtwellenleiterabschnitt 6 eine variable Brechzahl, wobei die Brechzahl im Randgebiet niedriger ist als im Zentrum. Aufgrund der radiusdbhängigen Brechzahl ist es möglich, unterschiedliche Moden zur Erzeugung von Interferenzen heranzuziehen, ohne den Beschränkungen ausgesetzt zu sein, die sic. durch den Einsatz einer Monomodefaser ergeben.
Wie man in Fig. 1 weiterhin erkennt, verfügt der Lichtwellenleiterabschnitt 6 über einen gekrümmten Be, eich 9 mit einem Krümmungsradius in der Größenordnung von beispielsweise 3 mm. Der gekrümmte Bereicn 9 hat bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel eine U-förmige Gestalt und bewirkt bei einem Lichtwellenleiterabschnitt 6, bei dem die Bedingung gleicher Modenlaufzeiten nicht voll erfüllt sind, eine Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses.
Wenn eine Gradientenindexfaser, deren Modendispersion bei einer Wellenlänge von 860 nm vernachlässigbar ist, zusammen mit einer Laserlichtquelle 1 mit einer Betriebswellenlänge von 790 nm verwendet wird, ergeben sich im Ausgangssignal am zweiten Ende 8 des Lichtwellenleiterabschnittes 6 neben den erwünschten Resonanzen noch verschiedene zusätzliche Resonanzen, die die Auswertung des Fabry-Perot-Interferometersignals erschweren. Durch die U-förmige Biegung im gekrümmten Bereich 9 werden die äußeren, zur Dispersion stärker beitragenden Moden infolge des an sich bekannten Mikrobending-Effektes aus dem Kern ausgekoppelt. Dies hat zur Folge, daß die Resonanzkurven des Fabry-Perot-lnterferometers 4 deutlicher und störungsfreier ausgeprägt sind und mit dem U-förmigen Lichtwellenleiterabschnitt 6 eine Messung in Transmission auf einfache Weise möglich ist. Die Resonanzkurven der zum zweiten Ende 8 transmittierten Intensität, die durch die Airy-Formel beschrieben werden können, sind für alle Moden annähernd gleich und überlagern sich somit konstruktiv. Bei einer Änderung der optischen Weglänge, die durch das Produkt aus der Brechzahl und der geometrischen Länge des Lichtwellenleiterabschnittes 6 gegeben ist, verschieben sich die Resonanzkurven in der bei Fabry-Perot-lnterferometern mit Monomodefasern bekannten Weise, weshalb mit dem Fabry-Perot-Interferometer 4 ein Sensor geschaffen ist, der eine Vielzahl von physikalischen Größen zu erfassen gestattet, die die optische Länge des Lichtwellenleiterabschnittes 6 beeinflussen. Es ist beispielsweise möglich, für eine thermische, elastooptische oder magnetostriktive Kopplung physikalische Größen wie eine Temperatur, eine Kraft oder ein Magnetfeld zu messen, da solche Parameter verwendet werden können, um die optische Länge des Fabry-Perot-Resonators auf direktem oder indirektem Wege zu verändern.
Das zweite Ende 8 des Lichtwellenleiterabschnittes 6, an dem das transmittierte Licht austritt, ist über eine wegführende Faser 10, die zweckmäßigerweise eine Multimodefaser ist, mit einem Lichtdetektor 11 gekoppelt, wobei das aus dem hinteren Ende 12 der wegführenden Faser 10 austretende Licht durch die Pfeile 13 veranschaulicht ist.
Der Lichtdetektor 11 ist mit einer Auswerteschaltung verbunden, die einen Verstärker 14 sowie einen Rauf-Runter-Zähler 15 aufweist. Die Auswertung des Meßsignals geschieht dabei in an sich bekannter Weise dadurch, daß bei einer Veränderung der optischen Weglänge des Lichtwellenleiterabschnittes 6 die Zahl der Resonanzmaxima erfaßt wird, wobei in Abhängigkeit von der Richtung der Änderung der optischen Weglänge der Zählerstand des Zählers 15 inkrementiert oder dekrementiert wird.
Eine andere Methode zur Auswertung des Sensorsignales besteht darin, die Lichtwellenlänge der Laserlichtquelle 1 mit Hilfe einer Stromregelungsschaltung 16 nachzuführen, so daß Änderungen der optischen Weglänge des Lichtwellenleiterabschnittes 6 kompensiert werden und das Signal am Lichtdetektor 11 dauernd dem gleichen Resonanzmaximum zugeordnet bleibt.
Das zum Nachführen der Wellenlänge der Laserlichtquelle 1 verwendete Regelsignal wird mit Hilfe eines Meßgerätes 17 angezeigt, wobei die angezeigte Größe der Änderung der optischen Wellenlänge des Lichtwellenleiterabschnittes 6 und damit der zu erfassenden physikalischen Größe zugeordnet ist, die, wie oben erwähnt, beispielsweise eine Temperatur, eine Kraft, ein Magnetfeld usw. sein kann.
Die Faserstirnflächen am ersten Ende 7 und zweiten Ende 8 des Lichtwellenleiterabschnittes 6, die in einem Arbeitsgang poliert und verspiegelt werden können, sind bei einem zweckmäßigen, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel in optischen Steckern 18 und 19 angeordnet. Da es sich bei dem Lichtwellenleiterabschnitt 6 um eine Gradientenindexfaser mit verhältnismäßig großem Kerndurchmesser handelt, können sowohl die Einkopplung als auch die Auskopplung des Lichtes in das Fabry-Perot-lnterferometer 4 mit Hilfe von Steckverbindungen durchgeführt werden, deren geometrische Toleranzen denen für Multimodestecker entsprechen. Aus diesem Grunde handelt es sich bei den optischen Steckern 18, 19 um übliche Stecker, denen entsprechende optische Stecker 20, 21 zugeordnet sind, in denen die Zuleitungsfaser 3 bzw. die wegführende Faser 10 enden.
In Fig. 2 erkennt man einen entlang seiner Mittelebene aufgeschnittenen Sensorkörper 22, der den U-förmig gekrümmten Lichtwellenleiterabschnitt 6 trägt. Das verspiegelte erste Ende 7 befindet sich im optischen Stecker 18, während das zweite verspiegelte Ende 8 im optischen Stecker 19 angeordnet ist.
Der Sensorkörper 22 kann je nach der zu erfassenden physikalischen Größe ein Metallblock, ein elastischer Körper, eine elastische Platte, ein elektrostriktiver Körper oder ein magnetostriktiver Körper sein. Bei der Erfassung einer Temperatur ergibt sich ein Meßeffekt einerseits aufgrund der thermischen Ausdehnung des Sensorkörpers 22 und andererseits aufgrund des thermooptischen Effektes im Lichtwellenleiterabschnitt 6.
Jede physikalische Größe, die sich in einer Veränderung der Dimensionen des Sensorkörpers 22 oder in einem optischen Effekt im Lichtwellenleiterabschnitt 6 äußert, kann mit Hilfe des beschriebenen faseroptischen Fabry-Perot-Sensors gemessen werden.
Wie man in Fig. 2 weiterhin erkennt, ist dem Sensorkörper 22 ein Steckergehäuse 23 zugeordnet, das die optischen Stecker 20 und 21 trägt, in denen die mit dem Lichtwellenleiterabschnitt 6 zu koppelnde Zuleitungsfaser 3 und die wegführende Faser 10 enden. Die Verbindung des Steckergehäuses 23 mit dem Sensorkörper 22 ist infolge der verhältnismäßig hohen geometrischen Toleranzen im Gegensatz zu Fabry-Perot-lnterferometern mit Monomodefasern unkritisch. Aus diesem Grunde ist es möglich, einem Steckergehäuse 23 mehrere Sensorkörper 22 zuzuordnen, die das Erfassen verschiedener physikalischer Größen oder das Erfassen von physikalischen Größen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten gestatten.
Die zum Steckergehäuse 23 geführte Zuleitungsfaser 3 und die wegführende Faser 10 sind, wie in Fig. 2 ebenfalls erkennbar ist, von einem gemeinsamen Kabelmantel 24 umgeben, so daß der faseroptische Fabry-Perot-Sensor eine lineare Topologie aufweist. Das den Sensor speisende Licht ist durch einen Pfeil 5 und das den Sensor in Transmission verlassende Licht durch einen Pfeil 13 veranschaulicht. Insgesamt ergibt sich eine kompakte Anordnung für einen optischen Sensor, der einfach im Aufbau und in der Herstellung ist, wobei nur ein geringer Aufwand zur Einkopplung des den Resonator anregenden Lichts und zur Auskopplung des optischen Resonatorsignals erforderlich ist.

Claims

Patentansprüche 1. Faseroptischer Fabry-Perot-Sensor mit einem den optischen Resonator eines Interferometers bildenden Lichtwellenleiterabschnitt, der an seinen beiden Stirnflächen verspiegelt ist, mit einer den Resonator anregenden Laserlichtquelle und mit einem an eine Auswerteschaltung angeschlossenen Lichtdetektor, durch den das vom Lichtwellenleiterabschnitt transmittierte oder reflektierte Licht erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiterabschnitt (6) ein Gradientenindex-Lichtwellenleiter ist, der im Bereich der Betriebswellenlänge der Laserlichtquelle (1) eine kleinstmögliche Modendispersion aufweist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradientenindex-Lichtwellenleiter (6) ein parabolisches Brechzahlprofil aufweist.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung des durch den Gradientenindex-Lichtwellenleiter (6) gebildeten Resonators mit Hilfe einer zwischen der Laserlichtquelle (1) und dem ersten verspiegelten Ende (7) des Gradientenindex-Lichtwellenleiters (6) verlaufenden Zuleitungsfaser (3) erfolgt.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungsfaser (3) eine Monomodefaser ist.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet. daß der Lichtdetektor (11) über eine Multimodefaser (10) mit dem zweiten verspiegelten Ende (8) des Gradientenindex-Lichtwellenleiters (6) verbunden ist.
6. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradientenindex-Lichtwellenleiter (6) einen gekrümmten Bereich (9) aufweist.
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradientenindex-Lichtwellenleiter (6) eine U-förmige Krümmung (9) aufweist und mit beiden verspiegelten Enden (7, 8) in die gleiche Richtung weist.
8. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradientenindex-Lichtwellenleiter (6) in einen Sensorkörper (22) eingebettet ist und an seinen Enden (7, 8) optische Stecker (18, 19) für zugeordnete optische Stecker (20, 21) der Zuleitungsfaser (3) und der zum Lichtdetektor (11) wegführenden Faser (10) aufweist.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zugeordneten optischen Stecker (20, 21) der Zuleitungsfaser (3) und der wegführenden Faser (10) in einem gemeinsamen Steckergehäuse (23) angeordnet sind und daß die beiden Fasern (3, 10) von einem gemeinsamen Kabelmantel (24) umgeben sind.
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß einem Steckergehäuse (23) eine Vielzahl von aufsteckbaren Sensorkörpern (22) zugeordnet ist, die jeweils das Einwirken unterschiedlicher physikalischer Größen auf die optische Länge des Resonators (6) und deren Auswertung mit der gleichen Auswerteschaltung (10 bis 17) gestatten.