DE3506844C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Fabry-Pe­ rot-Sensor mit einer Monomodefaser, mit einem den optischen Resonator eines Interferometers bildenden gekrümmten 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 trans­ mittierte Licht erfaßbar ist.

Ein experimenteller Aufbau eines solchen faseroptischen Fabry-Perot-Interferometers ist in IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, Nr. 10, Oktober 1982, Seiten 1624-1633 beschrieben und verfügt über einen Lichtwellenleiterabschnitt aus einer Monomodefaser, die über ein voluminöses Mikroskopobjektiv mit einer Laser­ lichtquelle gekoppelt ist. Da in dem aus einer Mono­ modefaser bestehenden optischen Resonator lediglich eine einzige Mode angeregt wird, ist die am Meßvorgang beteiligte Lichtenergie verhältnismäßig klein, weshalb ein Fotomultiplier erforderlich ist, um die Lichtsig­ nale trotz ihrer geringen Intensität auszuwerten. Hierdurch ergibt sich bei dem bekannten Sensor ein verhältnismäßig ungünstiges Signal/Rauschverhältnis.

Aus H. Naumann / G. Schröder: "Bauelemente der Optik, Taschenbuch für Konstrukteure", Carl Hauser Verlag, München/Wien, 1983, Seiten 541-547 ist es bekannt, daß Multimode-Gradientenfasern den Vorteil einer einfachen Justierung haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kom­ pakten, einfach handhabbaren und leicht auswechselbaren faseroptischen Fabry-Perot-Sensor zu schaffen, der sich durch eine hohe Empfindlichkeit und ein gutes Sig­ nal/Rauschverhältnis auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Lichtwellenleiterabschnitt ein U-förmig gekrümmter Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitt ist, dessen Anregung mit Hilfe der zwischen der Laserlichtquelle und dem ersten verspiegelten Ende des Gradientenin­ dex-Lichtwellenleiterabschnitts verlaufenden Monomode­ faser, die als Zuleitungsfaser dient, erfolgt, wobei der Lichtdetektor über eine Multimodefaser mit dem zweiten verspiegelten Ende des Gradientenindex-Licht­ wellenleiterabschnitts verbunden ist, daß der Gra­ dientenindex-Lichtwellenleiterabschnitt in einen Sen­ sorkörper eingebettet ist, und daß an den Enden des Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitts optische Stecker für zugeordnete optische Stecker der Zulei­ tungsfaser und der zum Lichtdetektor führenden Multi­ modefaser vorgesehen sind.

Durch den Einsatz des Gradientenindex-Lichtwellenlei­ terabschnittes statt eines Monomodefaserabschnittes zum Bilden eines optischen Resonators ist es bei dem er­ findungsgemäßen Sensor möglich, eine Vielzahl von Moden an der Überlagerung und Interferenz zu beteiligen. Aus diesem Grunde ergeben sich hohe Intensitäten und ausgeprägte Resonanzkurven, so daß ein hohes Signal/Rauschverhält­ nis erreicht wird. Da die Modendispersion bei Gradien­ tenindex-Lichtwellenleitern nur innerhalb eines engen Betriebswellenlängenbereiches für alle Moden vernach­ lässigbar ist, werden zur Unterdrückung verschiedener Nebenresonanzen, die zur Dispersion stärker beitragen­ den Moden infolge der U-Form des Gradientenindex-Licht­ wellenleiterabschnitts ausgekoppelt. Aus diesem Grunde kann die Betriebswellenlänge über einen größeren Be­ reich verstimmt werden, ohne daß Nebenresonanzen auf­ treten. Eine solche Verstimmung der Betriebswellenlänge ist insbesondere dann erwünscht, wenn zur Auswertung des Sensorsignals eine Auswertemethode eingesetzt wird, bei der die Lichtwellenlänge der Laserlichtquelle mit Hilfe einer Stromregelungsschaltung nachgeführt wird.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Ein­ satz des Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitts auch eine einfachere Ein- und Auskopplung von Licht gestattet als dies bei Monomodefasern üblich ist. Das Einkoppeln des Laserlichtes mit der Monomodefaser führt dazu, daß der Resonator des Fabry-Perot-Interferometers mit einer Gauß′schen Lichtverteilung angeregt wird, wodurch ein Beitrag zu einer wirksamen Signalauswertung geliefert wird. Die Auskopplung über eine Multimode­ faser gestattet es, möglichst viel Licht zum Licht­ detektor zu führen, ohne Verluste auf dem Weg zum Lichtdetektor in Kauf nehmen zu müssen.

Bei einem zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung sind die zugeordneten optischen Stecker der Zu­ leitungsfaser und der wegführenden Multimodefaser in einem gemeinsamen Steckergehäuse angeordnet, wobei die beiden Fasern von einem gemeinsamen Kabelmantel umgeben sind.

Um eine Vielzahl von physikalischen Größen erfassen zu können, sind einem Steckergehäuse mehrere aufsteckbare Sensorkörper zugeordnet, die jeweils das Einwirken unterschiedlicher physikalischer Größen auf die opti­ sche Länge des Gradientenindex-Lichtwellenleiterab­ schnitts und deren Auswertung mit der gleichen Aus­ werteschaltung gestatten.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläu­ tert. Es zeigt

Fig. 1 einen faseroptischen Fabry-Perot-Sensor in einer schematischen Darstellung und

Fig. 2 den entlang der Mittelebene aufgeschnittenen Sensorkörper für einen Sensor gemäß Fig. 1 mit optischen Steckern für den Gradienten­ index-Lichtwellenleiter sowie die Zuleitungs­ faser von der Laserlichtquelle und die Rück­ leitungsfaser zum Lichtdetektor.

Die in Fig. 1 dargestellte faseroptische Fabry-Perot- Sensoranordnung verfügt über eine Laserlichtquelle 1, die eine Laserdiode sein kann, deren Licht in an sich bekannter Weise in das vordere Ende 2 einer Zuleitungs­ faser 3, die als Versorgungs-Lichtwellenleiter für ein Fabry-Perot-Interferometer 4 dient, in Richtung der Pfeile 5 eingespeist wird. Die Zuleitungsfaser 3 ist eine Monomodefaser, um den Resonator des Fabry-Perot- Interferometers 4 mit einer Gauß′schen Lichtverteilung anzuregen.

Das als Sensorelement dienende Fabry-Perot-Interfero­ meter 4 besteht aus einem Lichtwellenleiterabschnit 6, der sowohl an seinem ersten Ende 7 als auch an seinem zweiten Ende 8 in der bei Fabry-Perot-Interferometern üblichen Weise verspiegelt ist. Der Lichtwellenleiter­ abschnitt 6 ist ein Gradientenindex-Lichtwellenleiter, der bei der Betriebswellenlänge der Laserlichtquelle 1 eine geringe bzw. vernachlässigbare Modendispersion aufweist. Ein solcher Gradientenindex-Lichtwellenleiter kann eine multimodige Gradientenindexfaser mit para­ bolischem Brechzahlprofil sein. Bei gegebener Laser­ lichtwellenlänge wird als Gradientenindex-Lichtwellen­ leiter unter den auf dem Markt befindlichen Gradienten­ indexfasern diejenige ausgewählt, deren Modendispersion vernachlässigbar ist. Bei vorgegebener Gradientenindex­ faser 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 beträgt, annähernd gleich. Die Kernabmessungen eines solchen Gradienten­ index-Lichtwellenleiters oder Gradientenprofil-Licht­ wellenleiters 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 radiusabhängigen Brechzahl ist es möglich, unterschiedliche Moden zur Erzeugung von Interferenzen heranzuziehen, ohne den Beschränkungen ausgesetzt zu sein, die sich durch den Einsatz einer Monomodefaser ergeben.

Wie man in Fig. 1 weiterhin erkennt, verfügt der Licht­ wellenleiterabschnitt 6 über einen gekrümmten Bereich 9 mit einem Krümmungsradius in der Größenordnung von bei­ spielsweise 3 mm. Der gekrümmte Bereich 9 hat eine U-förmige Gestalt und bewirkt bei einem Lichtwellen­ leiterabschnitt 6, bei dem die Bedingung gleicher Modenlaufzeiten nicht voll erfüllt sind, eine Verbesse­ rung des Signal-Rausch-Verhältnisses.

Wenn eine Gradientenindexfaser, deren Modendispersion bei einer Wellenlänge von 860 nm vernachlässigbar ist, zusammen mit einer Laserlichtquelle 1 mit einer Be­ triebswellenlänge von 790 nm verwendet wird, ergeben sich im Ausgangssignal am zweiten Ende 8 des Lichtwel­ lenleiterabschnittes 6 neben den gewünschten Resonanzen noch verschiedene zusätzliche Resonanzen, die die Aus­ wertung des Fabry-Perot-Interferometersignals erschwe­ ren. Durch die U-förmige Biegung im gekrümmten Bereich 9 werden die äußeren, zur Dispersion stärker beitragen­ den Moden infolge des an sich bekannten Mikrobending- Effektes aus dem Kern ausgekoppelt. Dies hat zur Folge, daß die Resonanzkurven des Fabry-Perot-Interferometers 4 deutlicher und störungsfreier ausgeprägt sind und mit dem U-förmigen Lichtwellenleiterabschnitt 6 eine Mes­ sung in Transmission auf einfache Weise möglich ist. Die Resonanzkurven der zum zweiten Ende 8 transmittier­ ten 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 Lichtwellen­ leiterabschnittes 6 gegeben ist, verschieben sich die Resonanzkurven in der bei Fabry-Perot-Interferometern 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 Lichtwellenlei­ terabschnittes 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 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 Meßsig­ nals geschieht dabei in an sich bekannter Weise da­ durch, daß bei einer Veränderung der optischen Weglänge des Lichtwellenleiterabschnittes 6 die Zahl der Reso­ nanzmaxima erfaßt wird, wobei in Abhängigkeit von der Richtung der Änderung der optischen Weglänge der Zäh­ lerstand des Zählers 15 inkrementiert oder dekremen­ tiert wird.

Eine andere Methode zur Auswertung des Sensorsignales besteht darin, die Lichtwellenlänge der Laserlicht­ quelle 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 ange­ zeigt, 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, wie Fig. 2 im einzelnen zeigt, in optischen Steckern 18 und 19 angeordnet. Da es sich bei dem Lichtwellenleiterabschnitt 6 um eine Gradientenindex­ faser mit verhältnismäßig großem Kerndurchmesser han­ delt, können sowohl die Einkopplung als auch die Aus­ kopplung des Lichtes in das Fabry-Perot-Interferometer 4 mit Hilfe von Steckverbindungen durchgeführt werden, deren geometrische Toleranzen denen für Multimode­ stecker 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 wegfüh­ rende Faser 10 enden.

In Fig. 2 erkennt man einen entlang seiner Mittelebene aufgeschnittenen Sensorkörper 22, der den U-förmig gekrümmten Lichtwellenleiterabschnitt 6 trägt. Das ver­ spiegelte 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 thermo­ optischen 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 Sensor­ körper 22 ein Steckergehäuse 23 zugeordnet, das die optischen Stecker 20 und 21 trägt, in denen die mit dem Lichtwellenleiterabschnitt 6 zu koppelnde Zuleitungs­ faser 3 und die wegführende Faser 10 enden. Die Verbin­ dung des Steckergehäuses 23 mit dem Sensorkörper 22 ist infolge der verhältnismäßig hohen geometrischen Tole­ ranzen im Gegensatz zu Fabry-Perot-Interferometern mit Monomodefasern unkritisch. Aus diesem Grunde ist es möglich, einem Steckergehäuse 23 mehrere Sensorkörper 22 zuzuordnen, die das Erfassen verschiedener physika­ lischer Größen oder das Erfassen von physikalischen Größen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten gestat­ ten.

Die zum Steckergehäuse 23 geführte Zuleitungsfaser 3 und die wegführende Faser 10 sind, wie in Fig. 2 eben­ falls erkennbar ist, von einem gemeinsamen Kabelmantel 24 umgeben, so daß der faseroptische Fabry-Perot-Sensor eine lineare Topologie aufweist. Das den Sensor spei­ sende 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 ge­ ringer Aufwand zur Einkopplung des den Resonator anre­ genden Lichts und zur Auskopplung des optischen Resona­ torsignals erforderlich ist.

Claims (3)

1. Faseroptischer Fabry-Perot-Sensor mit einer Mono­ modefaser, mit einem den optischen Resonator eines Interferometers bildenden gekrümmten Lichtwellen­ leiterabschnitt, der an seinen beiden Stirnflächen verspiegelt ist, mit einer den Resonator anregen­ den Laserlichtquelle und mit einem an eine Aus­ werteschaltung angeschlossenen Lichtdetektor, durch den das vom Lichtwellenleiterabschnitt transmittierte Licht erfaßbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter­ abschnitt ein U-förmig gekrümmter Gradientenin­ dex-Lichtwellenleiterabschnitt (6) ist, dessen Anregung mit Hilfe der zwischen der Laserlicht­ quelle (1) und dem ersten verspiegelten Ende (7) des Gradientenindex-Lichtwellenleiterabschnitts (6) verlaufenden Monomodefaser, die als Zulei­ tungsfaser (3) dient, erfolgt, wobei der Licht­ detektor (11) über eine Multimodefaser (10) mit dem zweiten verspiegelten Ende (8 ) des Gradienten­ index-Lichtwellenleiterabschnitts (6) verbunden ist, daß der Gradientenindex-Lichtwellenleiterab­ schnitt (6) in einen Sensorkörper (22) eingebettet ist, und daß an den Enden (7, 8) des Gradienten­ index-Lichtwellenleiterabschnitts (6) optische Stecker (18, 19) der Zuleitungsfaser (3) und der zum Lichtdetektor (11) führenden Multimodefaser (10) vorgesehen sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zugeordneten optischen Stecker (20, 21) der Zuleitungsfaser (3) und der wegführenden Multimodefaser (10) in einem gemein­ samen Steckergehäuse (23) angeordnet sind, und daß die beiden Fasern (3, 10) von einem gemeinsamen Kabelmantel (24) umgeben sind.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß einem Steckergehäuse (23) eine Vielzahl von aufsteckbaren Sensorkörpern (22) zu­ geordnet sind, die jeweils das Einwirken unter­ schiedlicher physikalische Größen auf die opti­ sche Länge des Gradientenindex-Lichtwellenleiter­ abschnitts (6) und deren Auswertung mit der glei­ chen Auswerteschaltung (10 bis 17) gestatten.