DE60311048T2

DE60311048T2 - Faseroptisches Fabry-Pèrot Interferometer und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE60311048T2
Application number: DE60311048T
Authority: DE
Inventors: Raymond C Melbourne Rumpf; Syed H. Melbourne Murshid
Original assignee: Florida Institute of Technology Inc; Harris Corp
Current assignee: Florida Institute of Technology Inc; Harris Corp
Priority date: 2002-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2023-11-05
Also published as: CA2445730A1; DE60311048D1; AU2003252876A1; US6886365B2; EP1416246A3; EP1416246A2; US20040086228A1; JP2004157533A; EP1416246B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Sensoren und insbesondere faseroptische Fabry-Perot-Interferometer.
Hintergrund der Erfindung
Das Fabry-Perot-Interferometer (FPI) wurde 1897 von C. Fabry und A. Perot beschrieben (Ann. Chem. Phys., 12:459–501) und wird häufig in einer Vielzahl von Anwendungen optischer Systeme verwendet. Die grundlegende Struktur und Arbeitsweise des FPI-Sensors ist in Fachkreisen bekannt und in vielen Texten über Physik und Optik beschrieben. Dieses Interferometer weist einen optischen Resonanzraum auf, der zwischen zwei typischerweise spiegelnden, verlustarmen, teildurchlässigen Spiegeln gebildet wird.
Die Verwendung optischer Fasern erlaubt die Herstellung außerordentlich platzsparender und wirtschaftlicher Sensoren, die als faseroptische Fabry-Perot-Interferometer-(FFPI)-Sensoren bekannt sind. Enden optischer Faserteile bilden teilweise spiegelnde Oberflächen mit dem Resonanzraum oder der Lücke dazwischen. Ein Ändern des Abstands zwischen optischen Faserenden in dem Resonanzraum oder Strecken einer optischen Faser in dem Resonanzraum ändert die Stärke der optischen Gesamtintensität aufgrund von Interferenzen. Der Sensor kann zum Beispiel zum Fühlen von akustischen Geräuschen, Druck/Zug, Temperatur, Vibration, Erschütterung usw. ausgebildet sein.
Die Fasern müssen sehr genau ausgerichtet werden und in der Lage sein, die Ausrichtung während des Betriebs beizubehalten. Dies ist typischerweise ein teurer und zeitraubender Vorgang, der entweder eine aktive oder eine passive Ausrichtung erfordert. Die aktive Ausrichtung schließt typischerweise das Aussenden von Licht in eine Faser ein, während das in die zweite Faser gekoppelte Licht maximiert wird. Die Fasern werden in drei Ebenen und auf eine Vielzahl von Winkeln ausgerichtet. In einer herkömmlichen passiven Ausrichtung werden Fasern in ein kleines Mikrokapillarrohr eingeführt und an ihrem Platz anklebt. Diese Arbeitsgänge sind auch schwer zu automatisieren.
US 5,682,237 offenbart ein Fabry-Perot-Interferometer, das auf einem Halbleiterscheibchen mittels Mikrophotonentechniken hergestellt wird. Auf einem Trägermaterial wird eine epitaktische Schicht gezogen. Die epitaktische Schicht besteht aus einem Material, aus dem ein Wellenleiter in der obersten Oberfläche der epitaktischen Schicht gebildet werden kann. Der Wellenleiter kann durch Spannen des dünnen Bereichs der Epitaxialschicht gebildet werden, beispielsweise mit einem Elektronenstrahl, oder der Wellenleiter kann durch Dotieren des dünnen Bereichs mit Verunreinigungen gebildet werden. Danach werden zwei Blöcke aus der Wellenleitung herausgeätzt. Die geätzten Oberflächen des Wellenleiters bilden Platz für Wellenleiterspiegel, die beschichtet werden können, um ihre Spiegelungsgüte zu optimieren.
US 4,444,460 offenbart das Kleben oder Schweißen einer Faser an ein Trägermaterial durch Beheizen der Faser und/oder des Trägermaterials. US 6,445,838 B1 offenbart ein Fabry-Perot-Interferometer, in dem ein optisches Faserpaar mittels Haltezangen und Klebemitteln an einem Trägermaterial befestigt ist. DE 39 29 453 C1 offenbart einen Fabry-Perot-Resonator, der zwei optische Fasern umfasst, die durch Kleben in einer V-förmigen Spur befestigt sind.
Somit gibt es einen Bedarf für einen faseroptischen Fabry-Perot-Interferometrie-Sensor, der kostengünstiger herzustellen ist. Das Verfahren zur Herstellung des Interferometers sollte leicht automatisierbar sein und eine weniger zeitraubende Ausrichtung der Fasern erfordern.
Zusammenfassung der Erfindung
In Anbetracht des obigen Hintergrunds ist es deshalb ein Merkmal der Erfindung, einen faseroptischen Fabry-Perot-Interferometrie-Sensor bereitzustellen, der durch ein leicht automatisierbares und weniger zeitraubendes Verfahren kostengünstiger herzustellen ist.
Diese und andere Merkmale und Vorteile werden in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Fabry-Perot-Sensors bereitgestellt, einschließlich des Befestigens einer optischen Faser an einem Trägermaterial und des Bildens wenigstens einer Lücke in der optischen Faser, nachdem die optische Faser an dem Trägermaterial befestigt ist, um wenigstens ein selbstausgerichtetes, beabstandetes Paar optischer Faserendflächen für den Fabry-Perot-Sensor festzulegen. Man benötigt keine Ausrichtung, weil das Bilden der Lücke in einer einzelnen Faser, die an dem Trägermaterial befestigt wurde, zu gegenüberliegenden Endflächen der optischen Faserteile führt, die selbstausgerichtet sind.
Das Trägermaterial hat vorzugsweise eine Eigenschaft, die veränderlich ist, z.B. in Reaktion auf eine gefühlte Bedingung. In Reaktion auf Änderungen in der Eigenschaft des Trägermaterials ändert sich auch die Lücke. Das Bilden der Lücke kann ein solches Formen der Lücke einschließen, dass das wenigstens eine Paar beabstandeter optischer Faserendflächen im Wesentlichen parallel angeordnet ist. Das Trägermaterial kann aus einem Material mit einem vorherbestimmten Wärmeausdehnungskoeffizient hergestellt sein, und kann ein nachgiebiges Material einschließen. Die Lücke kann zum Beispiel durch eine elektrische Entladung gebildet werden, durch Spalten oder durch chemisches Ätzen. Wenn man die Faser mit einer elektrischen Entladung trennt, können die Endflächen der neben der Lücke übriggebliebenen Faserteile geschmolzen werden, um fest verbundene Linsen zu bilden.
Die optische Faser ist vorzugsweise eine optische Einzel-Moden-Faser und weist einen optischen Kern auf und kann eine den Kern umgebende Hülle aufweisen. Vorzugsweise sind des Weiteren mit der optischen Faser eine optische Quelle und ein optischer Detektor verbunden. Auch ist die optische Faser vorzugsweise mit einem Kleber an dem Trägermaterial befestigt.
Merkmale und Vorteile in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung werden auch von einem faseroptischen Fabry-Perot-Sensor bereitgestellt, der ein Trägermaterial, das eine Eigenschaft hat, die veränderlich ist, und wenigstens ein Paar optischer Faserteile aufweist, die in einer Ende-zu-Ende-Beziehung ausgerichtet sind, und eine Lücke zwischen wenigstens einem Paar selbstausgerichteter, beabstandeter, gegenüberliegender optischer Faserendflächen festlegen. Vorzugsweise befestigt ein Kleber das wenigstens eine Paar optischer Faserteile direkt an dem Trägermaterial. Die gegenüberliegenden, beabstandeten, optischen Faserendflächen sind selbstausgerichtet, weil das Paar optischer Faserendteile aus einer einzelnen Faser gebildet wird, die vorzugsweise direkt an dem Trägermaterial befestigt wurde. Auch kann jede der selbstausgerichteten, beabstandeten optischen Faserendflächen im Wesentlichen abgerundet sein, aufgrund einer elektrischen Entladung, die verwendet wurde, um die Lücke zu bilden. Dies führt zu fest verbundenen Linsen, die als Endflächen der Faserteile gebildet werden.
Ferner ändert sich die Lücke in Reaktion auf Änderungen der Eigenschaft des Trägermaterials, und das Trägermaterial kann wenigstens eine flache Oberfläche beinhalten, an der wenigstens ein Paar optischer Faserteile befestigt ist. Jede der selbstausgerichteten, beabstandeten optischen Faserendflächen kann im Wesentlichen parallel angeordnet sein, und das Trägermaterial kann aus einem nachgiebigen Material gebildet sein. Auch kann jedes der optischen Faserteile eine optische Einzel-Moden-Faser umfassen, oder wenigstens eines der Faserteile kann eine Multi-Moden-Faser sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Diagramm eines faseroptischen Fabry-Perot-Interferometrie-(FFPI)-Sensorsystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Sensors des FFPI-Sensorsystems von 1.
3 bis 5 sind Querschnittsansichten, die verschiedene Herstellungsschritte des Sensors aus 2 darstellen.
6 ist eine Querschnittsansicht, die eine alternative Ausführungsform des Sensors von 2 darstellt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Folgenden wird nun die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind, vollständiger beschrieben. Diese Erfindung kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als begrenzt auf die hierin dargelegten Ausführungsformen ausgelegt werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit diese Offenlegung gründlich und vollständig ist und Fachleuten den Rahmen der Erfindung vollständig vermittelt. Ähnliche Zahlen beziehen sich durchgehend auf ähnliche Elemente. Der Klarheit halber können in den Zeichnungen die Ausmaße von Schichten und Bereichen übertrieben dargestellt sein.
In Bezug auf 1 und 2 wird nun ein faseroptisches Fabry-Perot-Interferometrie-(FFPI)-Sensorsystem 10 beschrieben. Das System 10 weist eine über ein faseroptisches Kabel 26 mit einem FFPI-Sensor 14 verbundene Steuerungs- und Signalverarbeitungseinheit 12 auf. Der Sensor 14 kann mehrere Kilometer von der Verarbeitungseinheit 12 entfernt sein und benötigt keine elektrische Leistung. Die Verarbeitungseinheit 12 weist eine Lichtquelle 16 auf, wie zum Beispiel eine Laserdiode. Strahlung oder Licht von der Lichtquelle 16 ist mit der Faser 18 verbunden und breitet sich durch das Verbindungsstück 20 zu der Faser 26 aus. Am Sensor 14 wird durch das Verbindungsstück 20 etwas Strahlung in die Faser 26 und in den optischen Detektor 22 zurückgespiegelt, wie unten genauer beschrieben werden wird. Die Fasern 18, 24 und 26 sind vorzugsweise Einzel-Moden-Fasern, wie sie der Fachmann schätzt.
Wie zuvor erörtert, weist ein typisches Interferometer einen optischen Resonator auf, der zwischen zwei typischerweise spiegelnden, verlustarmen, teildurchlässigen Spiegeln gebildet wird. Um divergente optische Strahlen zu bündeln, werden typischerweise Linsen verwendet. Faseroptische Fabry-Perot-Interferometrie (FFPI) Sensoren sind wegen der Verwendung optischer Fasern außerordentlich platzsparend und wirtschaftlich. Enden optischer Faserteile bilden teilweise spiegelnde Oberflächen mit dem Resonanzraum oder der Lücke dazwischen. Ein Ändern des Abstands zwischen optischen Faserenden in dem Resonanzraum oder Dehnen einer optischen Faser in dem Resonanzraum ändert die Intensität der optischen Strahlung. Der Sensor kann dazu vorgesehen sein, dass er zum Beispiel akustische Geräusche, Belastung/Anspannung, Temperatur, Vibration, Erschütterung usw. fühlt.
Die Fasern müssen sehr genau ausgerichtet und in der Lage sein, diese Ausrichtung während des Betriebs beizubehalten. Herkömmlich ist der Vorgang, der das Ausrichten der Fasern in drei Ebenen mit einer Vielzahl von Winkeln einschließt, ein kostspieliger und zeitraubender Vorgang. In einer herkömmlichen passiven Ausrichtung werden Fasern in ein kleines Mikrokapillarrohr eingeführt und an ihrem Platz angeklebt. Jeder dieser beiden Abläufe ist auch schwierig zu automatisieren. Der Sensor 14 der vorliegenden Erfindung benötigt keinen Ausrichtungsvorgang, weil die entstehenden gegenüberliegenden Faserteile von selbst selbstausgerichtet sind.
Der Sensor 14 wird in Bezug auf 2 ausführlicher beschrieben. Der Sensor 14 weist eine Struktur oder ein Trägermaterial 30 auf, das eine veränderliche Eigenschaft hat. Das Trägermaterial 30 kann zum Beispiel ein nachgiebiges Trägermaterial sein. Der Sensor 14 weist auch ein Paar optischer Faserteile 32, 34 auf, die in einer Ende-zu-Ende-Beziehung ausgerichtet sind. Durch das Paar selbstausgerichteter, gegenüberliegender, beabstandeter optischer Faserendflächen 38 und 40 ist eine Lücke 42 festgelegt. Die Endflächen bilden teilweise spiegelnde Oberflächen für den Fabry-Perot-Sensor 14. Vorzugsweise befestigt ein Kleber 36 die optischen Faserteile 32, 34 direkt an dem Trägermaterial 30. Jedes der optischen Faserteile 32, 34 kann eine optische Einzel-Moden-Faser umfassen, die einen von einer Hülle 35 umgebenen Kern 33 aufweist. Natürlich kann der Sensor 14 auch mehrfache Lücken einschließen, die durch weitere drei Faserteile festgelegt werden, wie es der Fachmann schätzen würde.
Die gegenüberliegenden, beabstandeten optischen Faserendflächen 38, 40 sind selbstausgerichtet, weil das Paar optischer Faserendteile 32, 34 aus einer einzelnen Faser gebildet wird, die vorzugsweise direkt an dem Trägermaterial 30 befestigt wurde, wie weiter unten beschrieben wird. In einer, wie in 6 dargestellten, alternativen Ausführungsform kann jede der selbstausgerichteten, beabstandeten optischen Faserendflächen 38', 40' infolge einer zur Bildung der Lücke verwendeten elektrischen Entladung im Wesentlichen abgerundet sein, wie es auch im folgenden beschrieben werden wird. Zur Verarbeitung durch den Sensor 14 bündeln die Linsen divergente optische Strahlen.
Wie erörtert, ändert sich die Lücke 42 in Reaktion auf Änderungen in der Eigenschaft des Trägermaterials 30. Das Trägermaterial 30 kann wenigstens eine flache Oberfläche 37 einschließen, an der das wenigstens eine Paar optischer Faserteile 32, 34 befestigt ist. Jede der selbstausgerichteten beabstandeten optischen Faserendflächen 38, 40 kann im Wesentlichen parallel sein.
Wenn Laserlicht über die Lichtquelle 16 und Verbindungsstück 20 in den Sensor 14 geführt wird, wird ein Teil des Lichtes von jeder der teilweise spiegelnden Endflächen 38, 40 gespiegelt, wodurch eine Interferenzwirkung erzeugt wird. Die Interferenz entsteht aufbauend (Spiegelungen gleichphasig) oder auslöschend (Spiegelungen gegenphasig). Wenn die Spiegelungen gleichphasig sind, weist die gespiegelte Ausgabe ein Maximum auf. Wenn die Spiegelungen gegenphasig sind, weist die gespiegelte Ausgabe ein Minimum auf. Die Phasenverschiebung ist ein Ergebnis der Änderungen der Länge der Lücke 42 oder Resonanz in Bezug auf die Wellenlänge des Lichts.
Wenn der Eingangsstrahl der Lichtquelle 16 von dem Faserteil 32 zu Faserteil 34 übergeht, dann kann man die Spiegelung von der spiegelnden Endfläche 38 zurück in den Faserteil 32 Bezugsstrahl nennen. Gleichermaßen kann man die Spiegelung von der Endfläche 40 zurück über die Lücke 42 und in den Faserteil 32 als Signalstrahl bezeichnen. Die Intensität (I) der verbundenen Signal- und Bezugsstrahlen ist eine Funktion der Phasenmodulation in der Lücke 42. So können im Nanometerbereich Änderungen der Länge L der Lücke 42 entdeckt werden.
Ein Verfahren zur Herstellung des Sensors 14 wird nun mit Bezug auf 3 bis 5 beschrieben. Zuerst wird eine optische Faser 31 an dem Trägermaterial 30 befestigt, zum Beispiel durch eine Kleberschicht 36. Die optische Faser ist typischerweise, aber nicht notwendigerweise, eine Einzel-Moden-Faser, und weist typischerweise einen von einer Hülle 35 umgebenen Kern 33 auf. Die Faser 31 wird vorzugsweise mit einem Kleber an dem Trägermaterial befestigt, wie es der Fachmann schätzen würde. Wie in 4 und 5 zu sehen ist, wird eine Lücke 42 in der optischen Faser 31 gebildet, nachdem die optische Faser 31 an dem Trägermaterial 30 befestigt ist. Die Lücke kann zum Beispiel durch eine elektrische Entladung 44, durch Spalten oder durch chemisches Ätzen gebildet werden.
Ein Paar Faserteile 32, 34 und ein Paar beabstandeter optischer Faserendflächen 38, 40, die gegenüberliegend angeordnet sind, werden mit einer Lücke 42 dazwischen aus der Faser 31 hergestellt. Die Endflächen 38, 40 bilden die teilweise spiegelnden Oberflächen für den Fabry-Perot-Sensor 14. Darüber hinaus sind die Faserteile 32, 34 und die jeweiligen Endflächen 38, 40 von sich aus ausgerichtet oder selbstausgerichtet, weil die Lücke 42 in einer einzelnen Faser 31 gebildet wurde, die an dem Trägermaterial 30 befestigt wurde. Deswegen ist keine aktive Ausrichtung oder Verwendung von Mikrokapillarröhren notwendig.
Das Trägermaterial 30 hat vorzugsweise eine veränderliche Eigenschaft, z.B. in Reaktion auf eine gefühlte Bedingung, wie zum Beispiel akustische Geräusche, Belastung/Spannung, Temperatur, Vibration, Druck, Strömung, Erschütterung usw., wie es der Fachmann schätzen würde. Das Trägermaterial 30 kann aus einem Material mit vorherbestimmtem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt sein und kann ein nachgiebiges Material beinhalten. Auch ändert sich die Länge der Lücke 42 in Reaktion auf Änderungen der Eigenschaft des Trägermaterials 30. Das Bilden der Lücke 42 kann beinhalten, dass die Lücke so gebildet wird, dass das wenigstens eine Paar beabstandeter optischer Faserendflächen 38, 40 im Wesentlichen parallel angeordnet ist.
Wenn man die Faser 31 mit einer elektrischen Entladung 44 trennt, können die Endflächen 38', 40' der neben der Lücke 42 übriggebliebenen Faserteile 32, 34 geschmolzen werden, um fest verbundene Linsen zu bilden, wie in 6 zu sehen ist. Zur Verarbeitung durch den Sensor 14 bündeln die Linsen divergente optische Strahlen.

Claims

Ein Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Fabry-Perot-Interferometers (14) umfassend: Befestigen einer optischen Faser (31) an einem Trägermaterial (30); und Formen wenigstens einer Lücke in der optischen Faser (31), nachdem die optische Faser an dem Trägermaterial (30) befestigt ist, um wenigstens ein Paar selbstausgerichteter, gegenüberliegender, beabstandeter optischer Faserendflächen (38, 40) für das Fabry-Perot-Interferometer (14) festzulegen.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Trägermaterial (30) ein nachgiebiges Trägermaterial umfasst.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Formen der wenigstens einen Lücke (42) ein Formen der wenigstens einen Lücke (42) mittels einer elektrischen Entladung umfasst.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Formen der wenigstens einen Lücke (42) ein Formen der wenigstens einen Lücke durch Spalten umfasst.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Formen der wenigstens einen Lücke (42) ein Formen der wenigstens einen Lücke durch chemisches Ätzen umfasst.
Ein Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Trägermaterial (30) eine Eigenschaft aufweist, die änderbar ist.
Ein Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Lücke (42) sich in Reaktion auf Änderungen in der Eigenschaft des Trägermaterials (30) ändert.
Ein Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die optische Faser (31) eine optische Einzel-Moden-Faser ist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die optische Einzel-Moden-Faser einen von einer Ummantelung (35) umgebenen Kern (33) aufweist.
Ein Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei jede der selbstausgerichteten, beabstandeten, optischen Faserendflächen (38', 40') im Wesentlichen abgerundet ist, um eine Linse zu bilden, die divergente, optische Strahlen bündelt.
Ein Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die optische Faser (31) an dem Trägermaterial mit einer Klebeschicht (36) befestigt ist.