DE3609507A1

DE3609507A1 - Faseroptisches interferometer

Info

Publication number: DE3609507A1
Application number: DE19863609507
Authority: DE
Inventors: Per-Ola Dipl.-Ing. Andersson; Sven Anders Roland Dipl.-Ing. Hägersten Persson; Lars Helge Dr.-Ing. Huddinge Thylén
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1985-04-04
Filing date: 1986-03-20
Publication date: 1986-10-16
Anticipated expiration: 2006-03-21
Also published as: GB8608351D0; US4759627A; SE447601B; DE3609507C2; GB2173592B; GB2173592A; SE8501713L; FR2580072A1; FR2580072B1; SE8501713D0

Description

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Fiber-Optik Interferometer zur Messung einer Mengenänderung, z.B. der Änderung in einer Länge oder Temperatur, und umfaßt zwei lichtleitende Fasern,die mit einer gemeinsamen kohärenten Lichtquelle verbunden sind, wo mindestene eine Faser einen Meßwandler aufweist, der die Länge des optischen Pfades ändert und somit den Phasenwinkel für eine Lichtwelle ändert, die durch diese Faser in Abhängigkeit von der Änderung in der Menge passiert, wobei die Phasenwinkel der Lichtwellen in den Fasern miteinander verglichen werden, und wobei die Änderung im Phasenwinkel kompensiert wird, wobei der Kompensationswert als Meßwert verwendet wird.

Interferometer der zuvor erwähnten Art, d.h. Faseroptik-Mach-Zehnder-Interferometer, sind in der Literaturstelle "Technisches Messen" 51. Jahrgang 1984, Heft 6, "Meßwerterfassung mit faseroptischen Sensoren" von R. Kist, beschrieben. In diesen Instrumenten wird Licht von einer gemeinsamen Lichtquelle über zwei optische Fasern gesandt, wobei die Phasenwinkel für die Lichtwellen in den beiden Fasern miteinander verglichen werden, nachdem sie die Fasern passiert haben. Wenn eine optische Faser einer Änderung in der Länge ausgesetzt ist, ändert sich z.B. die Phasendifferenz zwischen den Lichtwellen. Diese Änderung ist ein Maß für die Änderung in der Länge. In einem bekannten Gerät sind die Enden der zwei Fasern zusammengeschmolzen und mit einem Detektor für die Lichtintensität verbunden, um die Phasenwinkel der Lichtwellen in den Fasern zu vergleichen. Die hier festgestellte Intensität ist abhängig von der Phasenversetzung. Die Vorrichtung ist einfach. Sie ergibt jedoch eine nicht ausreichende, bzw. schlechte Meßgenauigkeit im Interferometer, weil die ermittelte

Intensität auch abhängig ist von "Änderungen der LichtqueLLen-Intensität und von den Lichtintensitäten in den beiden Fasern. In einem anderen bekannten Gerät beleuchtet das Licht der beiden Fasern mit einem Einfallsneigungswinkel jede Seite eines halbdurchlässigen Spiegels. Die Intensitäten der beiden Lichtwellen, welche von dem Spiegel abgehen, werden individuell ermittelt und verglichen. Ein Interferometer von diesem Gerätetyp ergibt für die Ermöglichung des Vergleichs der Phasenwinkel eine relativ gute Meßgenauigkeit, die jedoch begrenzt ist, weil dieses nicht in der Lage ist, polarisiertes Licht zu verwenden. Dieses Gerät ist außerdem empfindlich und voluminös, welches das Anwendungsfeld des Interferometers einschränkt und begrenzt.

Die obengenannten Schwierigkeiten werden in Übereinstimmung mit der Erfindung dadurch gelöst, daß das Licht der optischen Faser vor der Auswertung und Erfassung einer einfachen opto-elektronischen Kopplungsvorrichtung zugeführt wird, welche eine hohe Heßgenauigkeit zuläßt.

Die Erfindung ist durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche charakterisiert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Weise einen Mach-Zehnder-Interferometer,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines

opto-elektronischen Richtungskopplers von oben,

Fig. 3 einen TeiL des Interferometers mit

RichtungskoppLer und Lichtdetektoren,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer KoppLungsvorrichtung mit einer opto-eLektronischen GabeLung von oben und

Fig. 5 ein weiteres Interferometer in Übereinstimmung mit der Erfindung.

Fig. 1 zeigt in schematiseher Weise ein AusführungsbeispieL eines Faseroptik-Mach-Zehnder-Interferometers. In konventione LLer Weise weist es zwei optische Fasern auf, eine Referenzfaser 1 und eine Meßfaser 2, die mit einem Laser 5 über eine VerteiLungseinrichtung 3 verbunden sind. Die VerteiLungseinrichtung 3 ist ein Wafer aus opto-eLektronischem MateriaL mit We LLenLeitern 4, die in ihre OberfLäche diffundiert sind, wobei diese Leiter das Licht vom Laser zu den Fasern 1 und 2 verteiLen. Ein MeßwandLer 6 ist mit der Meßfaser 2 verbunden, auf den eine Menge P einwirken kann, z.B. eine Änderung in der Länge oder Temperatur, weLches für eine Messung benötigt wird. Der Laser sendet LichtweLLen innerhaLb eines niedrigen WeLLenLängenbereiches, weLche durch die Komponente 3 und die Fasern 1 und 2 geLangen. An den entfernten Enden der Fasern sind die LichtweLLen phasenversetzt in 8ezug aufeinander, und zwar abhängig von der Differenz in der Länge des optischen Pfades vom VerteiLungspunkt auf der VerteiLungseinrichtung 3 bis hin zu den Enden der Fasern. Die Länge des optischen Pfades hängt ab vom Abstand bzw. der Entfernung, die die LichtweLLe durchwandert, sowie vom Brechungsindex des Mediums, durch das sie geLangt. Die Länge des optischen

Pfades kann geändert werden im Meßkonverter 6, z.B. dadurch, daß die Faser 2 gedehnt wird, so daß der Abstand vergrößert wird, oder daß die Faser einer Quer-Kompressionskraft ausgesetzt wird, oder durch Biegen, so daß ihr Brechungsindex sich ändert. Wenn der Meßkonverter 6 der Wirkung der Menge bzw. Größe P ausgesetzt wird, wird die Länge des optischen Pfades in Abhängigkeit von dieser Wirkung geändert, so daß eine Phasenversetzung eines WinkeLs lj> zwischen den LichtweLLen erzieLt wird. Die PhasenwinkeL der LichtweLLen in der Meßfaser 2 sowie in der Referenzfaser 1 werden mit HiLfe von zwei opto-eLektronisehen Detektoren 8 in Bezug auf die Lichtintensität und mit HiLfe einer DifferenzschaLtung 9 vergLichen. Deren Eingänge sind mit den Ausgängen der Detektoren verbunden. Um nun in einfacher Weise ein genaues VergLeichssignaL I von der DifferenzschaLtung 9 zu erhaLten, wird in Übereinstimmung mit der Erfindung das Licht vor seiner ErmittLung durch eine opto-eLektronisehe KoppLungseinrichtung 7 geschickt, weLche nun beschrieben wird. Das VergLeichssignaL I wird in konventioneller Weise zurückgeführt (rückgekoppelt), um die Phasenversetzung (p zwischen den LichtweLLen in den optischen Fasern 1 und 2 zu kompensieren. Der Ausgang der Differenzschaltung 9 ist mit einer Steuerschaltung 10 verbunden, dessen AusgangssteuersignaL U an eine Elektrode 11 der Verteilungseinrichtung 3 angelegt wird. Mit Hilfe des Steuersignals U wird die Geschwindigkeit des Lichtes geändert und somit der Brechungsindex des Wellenleiters 4 an der Elektrode 11- Die Länge des optischen Pfades wird somit geändert und hierdurch der PhasenwinkeL für die Lichtwelle in der Referenzfaser 1. Der PhasenwinkeL, der im Meßkonverter 6 auftritt, kann auf diese Weise über das Steuersignal U kompensiert werden, welches die Kompensierung ist, die ein Maß für die Größe P ist.

Wie zuvor erwähnt, wird das Licht von der Referenzfaser und der Heßfaser 2 in Übereinstimmung mit der Erfindung über die opto-eLektronisehe KoppLungseinrichtung 7 vor der ErmittLung der Lichtinten si tat geführt. Die KoppLungseinrichtung in der Vorrichtung ist ein opto-eLektronischer RichtungskoppLer und ist in Fig. 2 veranschauLicht. Eine spezieLLere Beschreibung der RichtungskoppLerfunktion ist zu finden in "IEEE Journal of Quantum Electronics", Band QE-12, Nr. 7, JuLi 1976, von H. Kogelink und R. Schmidt: "Geschaltete Richtungskoppler mit wechse Lnden-Δ/ί?" oder in "IEEE Transactions on Circuits and Systems", Band Cas-26, Nr. 12, Dezember 1979, von R. Schmidt und R. Alferness: "RichtungskopplerschaLter, Modulatoren und Filter unter Verwendung von wechse lndenA$ Techniken". Der RichtungskoppLer umfaßt einen Waver 12 aus opto-eLektronischem Material, z.B. aus Lithium-Niobat mit LichtweLlenLei tern 14 an seiner oberen Oberfläche Diese Leiter haben einen höheren Brechungsindex aLs das Material im Waver und können durch ein Verfahren erzielt werden, wie z.B. die Diffusion von Titan in die Oberflächenschicht des Wafers. An den Planar-EndoberfLachen 15 des Wavers 12 weisen die Lichtwel LenLeiter 14 Eingänge 14a und Ausgänge 14b auf und sind in Bezug aufeinander dicht in einem Wechse Iwirkungsfeld oder Gebiet L angeordnet. Ein Lichtstrahl, der in einem der Leiter 14 eingeführt wird. Läuft vollständig oder teilweise über den anderen Leiter im Wechselwirkungsfeld L,wie in den bereits erwähnten Publikationen beschrieben. Die Verteilung der Lichtenergie an den Ausgängen 14b hängt ab von der Wellenlänge des Lichtes, von der Ausdehnung des WechseLwirkungsfeLdes und der Kopplung zwischen den We L lenLei tern. Diese Verteilung kann durch ein elektrisches Potential beeinflußt werden, welches zwischen

den Elektroden 16 an der Oberfläche des Wavers Längs der Wellenleiter 14 im Wechselwirkungsgebiet L angelegt wird. Um das gewünschte Vergleichssignal I aus der Differenzschaltung 9 zu erhalten, werden die Parameter des Richtungskopplers so ausgewählt, daß die Lichtenergie für eine Lichtwelle an einem der Lichtwellenleitereingänge 14a gleich verteilt wird zwischen den Ausgängen 14b, wie dies deutlicher in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben wird. In dieser Figur ist der Richtungskoppler 7 mit der Referenzfaser 1 und der Meßfaser 2 veranschaulicht, von denen jede mit einem der Eingänge 14a verbunden ist. Jeder Ausgang 14b ist über eine optische Faser 19 mit jedem der opto-elektronischen Detektoren 8 verbunden. Die Lichtwelle des Lasers in der Referenzfaser 1 weist eine Amplitude A auf, während die Lichtwelle in der Meßfaser 2 eine Amplitude B hat, so daß die Intensitäten in beiden Lichtwellen proportional A und B sind. Vor der Messung der Menge oder Größe P können die Lichtwellen in der Meß- und Referenzfaser gegenseitig phasenversetzt sein um einen Winkel, der ein Vielfaches von einer Drehung ist. Bei Beaufschlagung des Meßwandlers oder Konverters 6 durch die Größe oder Menge P ändert sich die Länge des optischen Pfades, so daßdie Phasendifferenz zwischen den Lichtwellen an den Eingängen 14a um einen Winkel ^ geändert wird. Die Lichtwellen beeinflussen sich gegenseitig im Beeinf lussungsfeld oder Gebiet L. Die Intensitäten U. und U der abgehenden Lichtwellen werden durch die Detektoren 8 ermittelt. Diese senden jeweils elektrische Signale I₁ und I , die proportional U. und U_ sind, und zwar im wesentlichen gemäß den Beziehungen:

I₁=1/2(A²+B²)+ABsiny
I₂ = I /2(A² + B²)-ABsiny> .

Die DifferenzschaLtung 9 bildet die Differenz zwischen den Signalen I und I _ und s
der folgenden Beziehung:

Signalen I und I _ und sendet das Ausgangssignal I gemäß

Wie in Verbindung mit Fig. 1 erwähnt, wird das Signal I über die Steuerschaltung 10 rückgeführt, welche die Steuerspannung U an die Elektrode 11 sendet. Die Phasenversetzung zwischen den Lichtwellen in den Fasern 1 und 2 wird so kompensiert, so daß der Winkel*^⁷ abnimmt. Zur vollständigen Kompensation ist£?=Q und gemäß der obengenannten Beziehung I=O. Das Steuersignal U hat sodann seinen Endwert erreicht und ist ein Maß für die Menge oder Größe P, welche gemessen werden soll. Es sollte erwähnt werden, daß die Phasenkompensation auch dann funktioniert, wenn die Phasenversetzung itn Meßwandler 6 größer als 90 ist. Wenn die Größe P angelegt wird und die Phasenversetzung im Meßwandler zunimmt, gibt es eine kontinuierliche Kompensation der Phasendifferenz des Winkels ψ zwischen der Meßfaser 2 und der Referenzfaser 1, da das Steuersignal U bis zu einem entsprechenden Ausmaß zuni mmt.

Es wurde bereits erwähnt, daß die Parameter für den Richtungskoppler 7 selektiert werden sollten, so daß dann, wenn Licht allein an einen der Eingänge 14a angekoppelt wird, die Lichtenergie gleichmäßig zwischen den Ausgängen 14b verteilt wird. Dies wird aus der Beziehung für die Signale I und I augenscheinlich. Für die Amplitude B=O wird die Hälfte der Lichtenergie auf beiden Ausgängen 14b erhalten.

Aus der Beziehung für das Signal I kann wie zuvor

festgestellt gesehen werden, daß dieses Signal praktisch unabhängig von den Lichtamplituden A und B für die volle Kompensation der Phasenversetzung ist,- wenny=0 ist. Das Steuersignal U, welches der Meßwert für die Menge oder Größe P ist, wird dann unabhängig von der Änderung der Lichtstärke des Lasers 5 und unabhängig von der Verteilung der Lichtenergie zwischen der Meßfaser 2 und der Referenzfaser 1. Dies gestattet, daß das Interferometer eine relativ einfache Implementierung bzw. Darstellung sowie gleichzeitig eine hohe Genauigkeit aufweist.

In dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Kopplungseinrichtung 7 des Interferometers ein opto-e lektronischer Richtungswandler. Die Kopplungseinrichtung 7 kann auch eine opto-e lektronisehe Gabelung sein, wie in Fig. 4 veranschaulicht. Ähnlich dem Richtungskoppler weist die opto-elektronisehe Gabelung Wellenleiter 18 auf, die in die Oberfläche eines Wavers 17, der aus opto-e lekt ri schein Material hergestellt ist, diffundiert ist. Die Gabelung weist zwei Eingänge 18a und zwei Ausgänge 18b auf. Jedoch weist sie zum Unterschied zum Richtungskoppler nur einen Wellenleiter im gegenseitigen Beeinflussungsfeld oder Gebiet L1 auf. Die ankommenden Lichtwellen aus der Meß- und Referenzfaser werden im Wechselwirkungsfeld oder Gebiet überlagert. Die Intensitäten der abgehenden Lichtwellen folgen den Beziehungen genau, welche anwendbar sind auf den Richtungskoppler, die oben erwähnt wurden. Eine ausführlichere Beschreibung der opto-elektronischen Gabelung kann gefunden werden in "Applied Physics Letter", Band 31, Nr. 4, 15. August 1977, M. Papuchon, M. Roy und O.B. Ostorwsky: "Elektrisch aktive optische Gabelung: BOA".

Im Richtungskoppler 7 des beschriebenen Interferometers

nimmt das VergLeichssignaL I einen NulLwert an, wenn die Phasenversetzung (ß zwischen den LichtwelLen entsprechend der Beziehung I=2ABsintf> auf den Wert NuLL kompensiert wird. Ein RichtungskoppLer kann derartig impLementiert bzw. ausgeführt sein, daß das abgehende DifferenzsignaL I den Wert NuLL annimmt, wenn die ankommenden LichtweLLen um einen gegebenen WinkeLJf₀ in Beziehung zueinander phasenversetzt sind. Wenn zwei LichtweLLen mit der AmpLitude A und B und der Phasenversetzung^* an die Eingänge des RichtungskoppLers angelegt werden, wird die Lichtenergie gleichmäßig zwischen den Ausgängen verteilt. Der Winkelji^ ist charakteristisch für den Richtungskoppler Das VergLeichssignal I, welches für die Phasenversetzung (ß erhalten wird, ist im wesentlichen durch die Beziehung festgelegt:

Die Länge der optischen Wege oder Pfade in der Meß- und Referenzfaser werden ausgewählt, so daß die LichtwelLen um den Winkel^ =J^_ phasenversetzt sind, nahezu ein Vielfaches eines halben Umlaufs, wenn der Meßwandler 6 durch die Größe P unbeeinflußt ist. Die Änderungen in der Phasenversetzung, die im Meßwandler 6 während der Messung erhalten werden, werden um den Winkel u?„ durch das Steuersignal U kompensiert, wie bereits beschrieben.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Interferometers ist im Zusammenhang mit der Erfindung in Fig. 5 veranschaulicht Ein Waver 20 aus opto-elektronischem Material weist einen opto-elektronischen Richtungskoppler 21 auf seiner oberen ebenen Oberfläche auf, wie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben. Der Waver weist einen weiteren Richtungskoppler 22 und einen Wellenleiter 23 mit einer

Elektrode 24 auf. Der Wellenleiter 23 ist mit einem Eingang des Richtungskopple rs 21 verbunden. Die Meßfaser 2 mit dem Heßwandler 6 ist optisch mit dem anderen Ausgang des weiteren Richtungskopplers 22 und mit dem Wellenleiter 23 verbunden. Licht aus dem Laser 5 wird im Richtungskoppler 22 auf die Meßfaser 2 und auf die Referenzfaser 1 verteilt. Nach dem Passieren der Fasern 1 und 2 sind die Lichtwellen gegenseitig um einen Winkel (ß durch die Wirkung der Größe oder Menge P auf den Meßwandler 6 phasenversetzt. Diese Phasenversetzung wird durch das Steuersignal U, welches auf die Elektrode 24 wirkt, kompensiert, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben. Die Lichtwellen der Meß- und Referenzfasern gehen zunächst durch den Richtungskoppler 21, bevor in den Detektoren 8 die Feststellung oder Ermittlung erfolgt und werden in der Differenzschaltung 9 miteinander verglichen, wie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben. Das Differenzsignal I betätigt die Steuerschaltung 10, welche das Steuersignal U an die Elektrode 24 sendet. In diesem Interferometer befinden sich sämtliche opto-elektronischen Komponenten auf dem gemeinsamen Waver 20, woraus der Vorteil resultiert, daß das Interferometer einfach und robust hergestellt sein kann.

Die Empfindlichkeit eines Interferometers der zuvor beschriebenen Art hängt davon ab, wie genau die Änderung des Winkels (ß festgestellt werden kann. Diese Genauigkeit ist am größten für Lichtwellen von planpolarisiertem Licht mit einem genau definierten Phasenwinkel. Das erfindungsgemäße Interferometer weist den Vorteil auf, daß es in der Lage ist, diese Bedingung sich zunutze zu machen bzw. auszunutzen, da die Polarisationsebene für eine Lichtwelle in der opto-elektronischen

Kopplungseinrichtung 7 nicht geändert wird. Wenn poLarisationserhaLtende optische Fasern und eine poLarisationserhaLtende Verteilungseinrichtung verwendet werden, wird die PoLarisationsrichtung für Licht aus dem Laser 5 durch das gesamte Interferometer bis zu den Detektoren 8 gehalten. Die Empfindlichkeit, die auf diesem Wege erhalten werden kann, ist sehr groß und beträgt 10 m, ausgedrückt aLs Abweichung in der Länge der Meßfase r.

Claims

TELEFONAKTIEBOLAGET L M ERICSSON, Stockholm / SCHWEDEN FASEROPTISCHES INTERFEROMETER Patentansprüche:

1. Faseroptisches Interferometer zur Messung einer "Änderung in einer Quantität zum Beispiel der Änderung in einer Länge oder Temperatur, mit zwei IichtLeitenden Fasern, die mit einer gemeinsamen kohärenten Lichtquelle verbunden sind, wo mindestens eine Faser einen Meßwandler aufweist, der die Länge des optischen Weges ändert und somit den Fasenwinkel für eine Lichtwelle verändert, welche durch diese Faser passiert in Abhängigkeit von der Änderung ,in der Quantität, wobei die Fasenwinkel der Lichtwellen in den Fasern verglichen werden und wobei die Änderung im Fasenwinkel kompensiert wird, wobei der Kompensationswert als Meßwert verwendet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß beim VergLeich das Vergleichsergebnis CI) im wesentlichen unabhängig von der Lichtintensität in den IichtIeitenden Fasern (1, 2) gemacht wird, wobei diese Fasern mit einer optoelektronischen Kopplungseinrichtung (7) vom Richtungskopplertyp verbunden sind, welche zwei Eingänge (14a, 18a) aufweisen, die durch Lichtleiter (14, 18) mit zwei Ausgängen (14b, 18b) über ein Wechselwirkungsfeld oder -gebiet (L, L^) verbunden sind, und der so angeordnet ist, daß die LichtLeistung gleichmäßig zwischen den Ausgängen (14b, 18b) verteilt

ORIGINAL INSPECTED

ist, wenn eine LichtweLle von der Lichtquelle (5) allein an einen der Eingänge (14a, 18a) angelegt wird oder wenn zwei Lichtwellen mit einer gegebenen Phasendifferenz (/q), die auch Null sein kann, an die entsprechenden Eingänge (14a, 18a) angelegt werden und daß dann, wenn zwei Lichtwellen eine Phasendifferenz Cf) aufweisen, die von der gegebenen Phasendifferenz (Jf ~) abweicht, an die entsprechenden Eingänge (14a, 18a) angelegt werden, die abgehenden Intensitäten durch einen Faktor beeinflußt werden, der von der Phasendifferenz (Jf) im wesentlichen nach der folgenden Beziehung abhängt:

»2 2
U₁ = 2 ^{+ A B sin}

-* i-⁵- - A B sin if - f_Q

wobei A und B die Amplituden der Lichtwellen an den Eingängen (14a, 18a), J^ ihre gegenseitige Phasendifferenz, f~ die gegebene Phasendifferenz und U. und U, die Intensentitäten der Lichtwellen an den Ausgängen (14b, 18b) sind, so daß der Differenzwert zwischen diesen Intensitäten im wesentlichen unabhängig von der Änderung in den Lichtintensitäten in den Fasern (1, 2) bei Kompensation der Phasendifferenz auf den gegebenen Wert if~) sind.

Faseroptisches Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daßdie Eingänge (14a) und Ausgänge (14b) der Kopplungseinrichtung (7) im Wechselwirkungsfeld oder -gebiet (L) über zwei gegenseitig versetzte Lichtwellenleiter miteinander verbunden sind.

Faseroptisches Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge (18a) und Ausgänge (18b) der KoppLungseinrichtung (17) über einen gemeinsamen LichtweLLenLeiter in dem WechseLwirkungsfeLd oder -gebiet (L.) miteinander verbunden sind.