DE3609507C2 - Faseroptisches Interferometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein faseroptisches Interferometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Interferometer ist bekannt aus US 4 378 497. 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 der Änderung 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.

Aus IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, 1982, No. 4, S. 659 ist Phasennachführ-Erfassungssystem bekannt, welches die Differenz zweier Ausgangssignale erfaßt und das integrierte Differenzausgangssignal als Erfassungssignal ausgibt.

In DE 25 18 197 A1 ist ein Winkelsystem zur schnellen Phasennachführung für Laserinterferometer beschrieben, bei dem eine Registrierung von zwei Fotodetektoren erfolgt, anschließend ein Kondensator durch den Differenzstrom der beiden Detektoren umgeladen wird und eine Rückkopplung der Kondensatorspannung mit dem Laserinterferometer über einen Kompensator durchgeführt wird.

In DE-26 34 210 A1 ist ein Interferometer mit einem Bezugs- und einem Meßzweig beschrieben, bei dem ein Steuerkreis mit Einrichtungen zur Anzeige von Veränderungen in der optischen Streckenlänge des Meßzweigs versehen ist, sowie mit Einrichtungen zum Erzeugen eines elektrischen Zwischensignals, das Änderungen in der optischen Streckenlänge des Meßzweiges darstellt, der eine festgelegte Frequenzcharakteristik besitzt. Aus dem Zwischensignal wird ein Steuersignal abgeleitet, auf das eine optische Einrichtung anspricht, um die Lichtphase im Bezugszweig relativ zur Phase des Lichtes im Meßzweig zu ändern, wodurch die genannten Änderungen in der optischen Streckenlänge des Meßzweigs kompensiert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein derartiges Interferometer so zu verbessern, daß das Meßergebnis des Interferometers unabhängig von Änderungen der Lichtquellenintensität ist, und eine erhöhte Meßgenauigkeit erlaubt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Das erfindungsgemäße faseroptische Interferometer umfaßt zwei lichtleitende Fasern, die mit einer gemeinsamen kohärenten Lichtquelle verbunden sind, wo mindestens 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.

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

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

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines opto­ elektronischen Richtkopplers 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.

Fig. 1 zeigt in schematischer Weise ein Ausführungsbeispiel eines Faseroptik-Mach-Zehnder-Interferometers. In konventioneller 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 Wellenleitern 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 Größe P einwirken kann, z. B. eine Änderung in der Länge oder Temperatur, welches für eine Messing 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 Bezug 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 Größe P ausgesetzt wird, wird die Länge des optischen Pfades in Abhängigkeit von dieser Wirkung geändert, so daß eine Phasenversetzung eines Winkels ϕ zwischen den Lichtwellen erzielt wird. Die Phasenwinkel der Lichtwellen in der Meßfaser 2 sowie in der Referenzfaser 1 werden mit Hilfe von zwei opto-elektronischen 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 1 von der Differenzschaltung 9 zu erhalten, wird in Übereinstimmung mit der Erfindung das Licht vor seiner Ermittlung durch eine opto-elektronische Kopplungseinrichtung 7 geschickt, welche nun beschrieben wird. Das Vergleichssignal 1 wird in konventioneller Weise zurückgeführt (rückgekoppelt), um die Phasenversetzung ϕ 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 Ausbreitungsgeschwindigkeit 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 1 und der Meßfaser 2 in Übereinstimmung mit der Erfindung über die opto-elektronische Kopplungseinrichtung 7 vor der Ermittlung der Lichtintensität 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 wechselnden Δβ" 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 wechselnden Δβ Techniken". Der Richtungskoppler umfaßt einen Waver 12 aus opto-elektronischem Material, z. B. aus Lithium-Niobat mit Lichtwellenleitern 14 an seiner oberen Oberfläche 13. 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-Endoberflächen 15 des Wavers 12 weisen die Lichtwellenleiter 14 Eingänge 14a und Ausgänge 14b auf und sind in Bezug aufeinander dicht in einem Wechselwirkungsfeld 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 Wellenleitern. 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 A² und B² sind. Vor der Messung der 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 P ändert sich die Länge des optischen Pfades, so daß die Phasendifferenz zwischen den Lichtwellen an den Eingängen 14a um einen Winkel ϕ geändert wird. Die Lichtwellen beeinflussen sich gegenseitig im Beeinflussungsfeld oder Gebiet L. Die Intensitäten U₁ und U₂ der abgehenden Lichtwellen werden durch die Detektoren 8 ermittelt. Diese senden jeweils elektrische Signale I₁ und I₂, die protortional U₁ und U₂ sind, und zwar im wesentlichen gemäß den Beziehungen:

I₁ = 1/2(A²+B²)+ABsinϕ

I₂ = 1/2(A²+B²)-ABsinϕ.

Die Differenzschaltung 9 bildet die Differenz zwischen den Signalen I₁ und I₂ und sendet das Ausgangssignal I gemäß der folgenden Beziehung:

I = I₁-I₂=2ABsinϕ.

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 ϕ abnimmt. Zur vollständigen Kompensation ist ϕ = 0 und gemäß der obengenannten Beziehung I=0. Das Steuersignal U hat sodann seinen Endwert erreicht und ist ein Maß für die Größe P, welche gemessen werden soll. Es sollte erwähnt werden, daß die Phasenkompensation auch dann funktioniert, wenn die Phasenversetzung im 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 ϕ zwischen der Meßfaser 2 und der Referenzfaser 1, da das Steuersignal U bis zu einem entsprechenden Ausmaß zunimmt.

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 I₁ und I₂ augenscheinlich. Für die Amplitude B=0 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, wenn ϕ = 0 ist. Das Steuersignal U, welches der Meßwert für die 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-elektronischer Richtungswandler. Die Kopplungseinrichtung 7 kann auch eine opto-elektronische Gabelung sein, wie in Fig. 4 veranschaulicht. Ahnlich dem Richtungskoppler weist die opto-elektronische Gabelung Wellenleiter 18 auf, die in die Oberfläche eines Wavers 17, der aus opto-elektrischem 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 ϕ zwischen den Lichtwellen entsprechend der Beziehung I=2ABsinϕ 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 Winkel ϕ₀ in Beziehung zueinander phasenversetzt sind. Wenn zwei Lichtwellen mit der Amplitude A und B und der Phasenversetzung ϕ an die Eingänge des Richtungskopplers angelegt werden, wird die Lichtenergie gleichmäßig zwischen den Ausgängen verteilt. Der Winkel ϕ₀ ist charakteristisch für den Richtungskoppler. Das Vergleichssignal I, welches für die Phasenversetzung ϕ erhalten wird, ist im wesentlichen durch die Beziehung festgelegt:

I=I₁-I₂=2ABsin(ϕ-ϕ₀).

Die Länge der optischen Wege oder Pfade in der Meß- und Referenzfaser werden ausgewählt, so daß die Lichtwellen um den Winkel ϕ=ϕ₀ 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 ϕ₀ 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 Richtungskopplers 21 verbunden. Die Meßfaser 2 mit dem Meßwandler 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 ϕ durch die Wirkung der Größe 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 ϕ 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^-12 m, ausgedrückt als Abweichung in der Länge der Meßfaser.

Claims (6)

1. Faseroptisches Interferometer, mit

• a) zwei lichtleitenden Fasern (l, 2), die von einer gemeinsamen kohärenten Lichtquelle (5) gespeist werden;
• b) mindestens einer optoelektronischen Kopplungseinrichtung (7, 17, 21), deren Eingänge mit jeweils einem Ausgang der lichtleitenden Fasern verbunden sind, und deren Ausgänge mit optoelektronischen Detektoren (8) verbunden sind;
• c) einem Meßwandler (6), welcher die optische Weglänge einer (2) der lichtleitenden Fasern (1, 2) abhängig von einer Meßgröße/Größe (P) ändert,
• d) einer steuerbaren Phasenwinkel- Kompensationseinrichtung (11) zur Steuerung der Phasenlage eines die andere (1) der lichtleitenden Fasern (1, 2) durchlaufenden Lichtstrahls;
• e) wobei Ausgangssignale der Detektoren (8) die Phasenwinkel-Kompensationseinrichtung (11) steuern;

dadurch gekennzeichnet, daß

• f) die Ausgangssignale der Detektoren (8) in eine Differenzschaltung (9) eingegegeben werden, welche ein der Phasendifferenz der Ausgangssignale der Detektoren (8) entsprechendes Phasendifferenzausgangssignal (1) erzeugt; und
• g) eine Steuerschaltung (10) aus dem Phasendifferenzausgangssignal (1) ein Steuersignal bestimmt, das als Meßwert des Interferometers dient und die Phasenwinkel-Kompensationseinrichtung (11) so steuert, daß die Phasendifferenz der Ausgangssignale der Detektoren kompensiert wird.

2. Faseroptisches Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Parameter für die optoelektronische Kopplungseinrichtung (7, 17,21) so selektiert sind, daß wenn Licht alleine an einen der Eingänge (14a) angekoppelt wird, die Lichtenergie gleichmäßig zwischen den Ausgängen (14b) verteilt wird.

3. Faseroptisches Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Lichtenergie an den Ausgängen (14b) der optoelektronischen Kopplungseinrichtung (7) durch ein elektrisches Potential beeinflußt wird.

4. Faseroptisches Interferometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge (18a) und Ausgänge (18b) der Kopplungseinrichtung (17) über einen gemeinsamen Lichtwellenleiter in dem Wechselwirkungsfeld (L₁) miteinander verbunden sind.

5. Faseroptisches Interferometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine weitere Kopplungseinrichtung (22), deren Ausgänge mit den zwei lichtleitenden Fasern (1, 2) verbunden sind, und deren Eingang von einem Laser (5) gespeist wird, so daß das eingespeiste Licht auf die zwei lichtleitenden Fasern (1, 2) verteilt wird.