DE69016720T2

DE69016720T2 - Optischer Sensor mit Modeninterferenzmessung.

Info

Publication number: DE69016720T2
Application number: DE69016720T
Authority: DE
Inventors: Georges Kotrotsios; Olivier Parriaux
Original assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Current assignee: Centre Suisse dElectronique et Microtechnique SA CSEM
Priority date: 1989-09-15
Filing date: 1990-09-14
Publication date: 1995-09-21
Anticipated expiration: 2010-09-15
Also published as: JP2996704B2; ATE118274T1; EP0418202A3; US5067815A; DE69016720D1; EP0418202B1; CH681570A5; EP0418202A2; JPH03107702A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf verteilte Sensoren mit Modenkupplung, erzeugt durch eine Störung, deren Position man längs eines Lichtleiters bestimmen will, und betrifft insbesondere einen optischen intermodal-interferometrischen Sensor.
Das Dokument "Birefringent stress location sensor" (R.B. Franks et al., SPIE, vol. 586, Fiber Optic Sensors 1985) zeigt einen verteilten Sensor unter Verwendung einer frequenzmodulierten Laserquelle, die einen einzigen Modus in eine birefringente oder monomodale, als bimodale Faser verwendete, optische Faser injiziert. Unter der Wirkung eines äußeren Parameters, einer Störung - hier von Mikrokrümmungen -wird eine Modenkopplung erzeugt, die zu einer Ausbreitung eines zweiten Modus in der Faser führt. Die Erkennung wird realisiert durch intermodale Interferometrie. Die Bestimmung der Position der Störung wird abgeleitet aus der Messung der Schwebungsfrequenz des Erfassungssignals.
Die durch diese Lösung aufgeworfenen Probleme sind vielfach. Die Messung des Kopplungsgrades und die Bestimmung der Position dieser Kopplung längs der Faser werden schwierig gemacht durch die Probleme:
- der Linearität der Frequenzrampe des Modulationssignals,
- der Stabilität der Quelle,
- der Rückstreuung und
- der Dämpfung der Erfassung infolge der Polarisation und Mischung der Moden.
Ein Ziel der Erfindung besteht demgemäß in einem optischen Sensor, der die Bestimmung der Position einer Störung längs einer optischen Faser ermöglicht, die oben erwähnten Nachteile nicht aufweist und eine Lösung der vorstehend zitierten Probleme mit sich bringt.
Ein weiteres Ziel ist ein optischer Sensor, bei dem die Bestimmung der Position der Störung durch intermodale Interferometrie erfolgt.
Die Merkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
Die Hauptvorteile dieser Erfindung liegen in der Tatsache, daß die Dynamik des Systems und die räumliche Auflösung verbessert werden relativ zu jenen der bekannten Lösungen. Da der Sensor in Transmission arbeitet, wird nahezu die gesamte injizierte Energie erfaßt. Die Elektronik bleibt identisch, ob das System einen einzigen oder mehrere Wandler umfaßt. Die Lichtquelle, insbesondere was ihre Polarisation und ihre Stabilität angeht, erfordert keine besonders strikten Charakteristiken. Im Gegensatz zu einem optischen, mit optischer Reflektometrie arbeitenden System in der Zeitdomäne (OTDR) oder Frequenzdomäne (OFDR) erfordert der Sensor gemäß der Erfindung keine Mittelwertbildung über eine große Zahl von Messungen, und aus diesem Grunde ist die Reaktionszeit des Systems kürzer.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich deutlicher aus der Lektüre der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, in denen:
die Fig. 1 eine synoptische Darstellung des optischen intermodal-interferometrischen Sensors der Erfindung ist und
die Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel des optischen Sensors ist.
Die Fig. 1 ist eine synoptische Darstellung des Sensors mit optischer Faser gemäß der Erfindung.
Der optische intermodal-interferometrische Sensor 1 umfaßt prinzipiell längs der optischen Bahn eine Lichtquelle 2, eine bimodale optische Faser 4, längs welcher Wandler 5 verteilt sind, ein Interferometer 6, ein erstes und ein zweites Erfassungssystem 8 bzw. 9, angeschlossen an eine Meßeinheit 10.
Ein Modenfilter 3 kann am Eingang der optischen Faser verwendet werden. Das erste Ende der optischen Faser ist demgemäß mit dem Modenfilter 3 verbunden. Beim Fehlen des Modenfilters am Eingang der genannten optischen Faser bildet die Verbindung Lichtquelle und optische Faser einen ersten Wandler. In jedem Falle liegt das zweite Ende dem Interferometer gegenüber.
Der optische intermodal-interferometrische Sensor verwendet eine Lichtquelle 2, die eine nicht-monochromatische Lichtwelle emittiert.
Die Filterung der Moden, die nicht der Fundamentalmodus LP&sub0;&sub1; oder der Polarisationsmodus sind, erfolgt am Eingang der optischen Faser 4 durch das Modenfilter 3.
Die optische Faser 4, die monomodal in einem gegebenen Wellenlängenbereich ist, beispielsweise um 1,3 um herum, breitet nämlich Wellen geringerer Wellenlänge aus, beispielsweise 0,8 um.
Die optische Faser 4 kann über die Wandler 5 einer oder mehreren Störungen unterworfen sein, lokalisiert oder verteilt, erzeugt durch die physikalische oder chemische zu erfassende Größe. Unter der Wirkung einer solchen Störung kann der in die optische Faser injizierte Modus auf einen Modus einer höheren Ordnung gekoppelt werden. Die beiden Moden breiten sich demgemäß in den Leiter mit einem Kopplungsgrad aus, der abhängt von der Amplitude der Störung und von den unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten.
Am Eingang des Interferometers beobachtet man eine Differenz der Eintreffzeiten zwischen dem injizierten Modus und dem gekoppelten Modus. Die Verzögerungszeit zwischen diesen Moden ist proportional der Differenz zwischen den durchlaufenen optischen Bahnen in der bimodalen optischen Faser von jedem der Modus. Es ist diese Differenz zwischen den Ausbreitungsgeschwindigkeiten der beiden Moden, die eine Differenz zwischen den optischen Bahnen mit sich bringt. Die Bestimmung dieser Differenz zwischen den optischen Bahnen ermöglicht die Ableitung der Position der Störung, die in dem gekoppelten Modus resultierte.
Diese Bestimmung erfolgt, indem man die Lichtwelle, die aus der optischen Faser austritt, in das Interferometer injiziert. Die Messung bezieht sich in einem erste Intervall auf das Produkt der Interferenz, erhalten am Ausgang des Interferometers.
Interferenzen zwischen den Lichtwellen, die sich in jedem der beiden Zweige des Interferometers ausbreiten, erhält man in zwei Fällen:
- wenn die beiden optischen Bahnen des Interferometers gleich sind und dies unabhängig von Störungen längs der optischen Faser und
- wenn die Differenz der optischen Bahnen zwischen den beiden Zweigen des Interferometers die Differenz zwischen den in der Faser von jedem der Moden durchlaufenen optischen Bahnen kompensiert.
Im ersten Fall interferiert jeder Modus mit sich selbst.
Die Einführung einer Differenz der optischen Bahnen zwischen den beiden Zweigen des Interferometers wird erhalten durch eine Modifikation der Länge und/oder des Refraktionsindex mindestens eines der Zweige des Interferometers. Die Modifikation der Länge eines Zweiges des Interferometers wird beispielsweise in dem Fall eines Michelson-Interferometers erhalten, indem man den beweglichen Spiegel (Bezugszeichen 7 in Fig. 2) des Interferometers versetzt. Jede der eingeführten Veränderungen ermöglicht die Kompensation der Verzögerungszeit zwischen den Moden am Eingang des Interferometers, welche Verzögerungszeit definiert wird durch jeden der Wandler, die längs der Faser verteilt sind.
Mit anderen Worten wird in eindeutiger Weise jeder der längs der optischen Faser verteilten Wandler einer gegebenen Veränderung zugeordnet. Aus dem vorstehenden folgt, daß die Messung sich gleichermaßen auf diese Veränderung bezieht.
Das erste und zweite Erfassungssystem erfassen das Maximum des Produktes der Interferenz bzw. die entsprechende Variation. Die Meßeinheit leitet aus diesen Messungen die Position der Störung längs der optischen Faser ab.
Als Beispiel liegt für eine Länge der Faser von einem Meter die Differenz zwischen den Ausbreitungszeiten der Moden in der Größenordnung von 2 Pico-Sekunden für eine Quelle, gebildet aus einer elektrolumineszenten Diode auf einer Wellenlänge von 880 nm.
Die Präzision, erhalten bei der Bestimmung der Position der Störung, ist eine Funktion der Präzision, mit der das erste Erfassungssystem das Maximum der Amplitude der Interferenzlinien lokalisieren kann. Eine untere Auflösung von 50 um konnte erhalten werden, entsprechend einer zeitlichen unteren Auflösung von 0,2 Pico-Sekunden. Dieses Zeitintervall entspricht einer Ausbreitung in der bimodalen Faser von 5 mm. Mit anderen Worten ist die räumliche Auflösung des optischen intermodal-interferometrischen Sensors kleiner als 5 mm.
Die Gesamtzahl an Wandlern, die man multiplexieren kann, beispielsweise im Bereich der Versetzung des beweglichen Spiegels eines Michelson-Interferometers, hängt ab von der Breite des Phänomens der intermodalen Interferenz. Diese Breite ist gleich der Kohärenzlänge der Lichtquelle. Mit anderen Worten ist die Gesamtzahl an Wandlern, die man multiplexieren kann, gegeben durch das Verhältnis des Versetzungsbereichs des beweglichen Spiegels zu der Kohärenzquelle der Länge.
Als Beispiel: Für eine Quelle der spektralen Breite bei Halbamplitude von 70 nm und Kohärenzlänge von 700 um und einem Interferometer, das einen Versetzungsbereich des beweglichen Spiegels von 40 mm zuläßt, ist die Anzahl von Wandlern nahe bei 55.
Die Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem die Lichtquelle 2 eine Multimoduslaserdiode ist. Die anderen Moden, die nicht der geführte Fundamentalmodus LP&sub0;&sub1; sind, werden am Eingang der optischen Faser 4 durch ein Modenfilter 3 ausgefiltert. Dies wird gebildet durch eine seitlich polierte Faser, in der nur der Fundamentalmodus geführt bleibt, während die Moden höherer Ordnung nach außen abgestrahlt werden. Hierfür muß der Index n&sub1; des äußeren Milieus, das diese polierte Faser umgibt, die Beziehung erfüllen: n&sub1;&sub1;< n&sub1;< n&sub0;&sub1;, wobei n&sub0;&sub1; bzw. n&sub1;&sub1; die effektiven Indizes des Fundamentalmodus LP&sub0;&sub1; bzw. des Modus der Ordnung eins LP&sub1;&sub1; bezeichnen. Die optische Faser 4, die monomodal ist in einem gegebenen Bereich der Wellenlängen, typischerweise um 1,3 um, die den Fundamentalmodus der niedrigeren Wellenlänge, typischerweise 0,8 um ausbreitet, wird Störungen unterworfen, übertragen durch Wandler 5, die längs der Faser verteilt sind. Die Wandler können gleichzeitig aktiv sein. Diese Wandler 5 erzeugen Mikrokrümmungen der Faser mit der räumlichen Periode , derart bestimmt, daß der Ausdruck =λ&sub0;/(n &sub0;&sub1; - n &sub0;&sub1;&sub1;) erfüllt ist, worin
λ&sub0; die zentrale Wellenlänge der Quelle 1
n 01 der wirksame Index des Fundamentalmodus LP&sub0;&sub1; ist
n 11 der wirksame Index des Modus der Ordnung eins LP&sub1;&sub1; ist.
Der optische intermodal-interferometrische Sensor besteht generell aus einer Lichtquelle 2, angekoppelt an ein Modenfilter 3, bei dem es sich handeln kann um: eine polierte Faser, wie beschrieben von R.A. BERGH et al., "Single-mode fiber-optic polarizer," Optics Letters, Band 5, Nr. 11, November 1980, Seiten 479-481, zwei Fasern - eine bimodale, die andere monomodal - aneinanderstoßend verbunden oder auch eine sich verjüngende Faser durch Ziehen bei hoher Temperatur (siehe V. SHAH et al., "Biconical tapered fiber-mode filter for bimodal system", OFC 88, WQ 13).
Die optische Faser 4 ist eine monomodale Faser einer gegebenen Wellenlänge und funktioniert bei einer kleineren Wellenlänge, wobei die Moden, die sich ausbreiten können, die geführten Moden sind: Fundamentalmodus LP&sub0;&sub1;, Modus der Ordnung eins LP&sub1;&sub1; und eventuell Moden höherer Ordnung.
Die optische Faser 4 kann noch eine birefringente Faser sein, die Polarisationsmoden ausbreitet.
Die Wandler, die längs der optischen Faser angeordnet sind, sind jeweils Vorrichtungen, wie Mikrokrümmungswandler, die es ermöglichen, eine Kopplung zwischen Moden unter der Wirkung eines zu erfassenden Parameters zu erzeugen. Eine monomodale oder bimodale optische Faser, die einer optischen bimodalen Faser gegenüberliegt, kann als Wandler für die Modenkopplung Verwendung finden.
Das Interferometer ist vom Michelson-Typ, vom Mach-Zehnder-Typ oder auch vom Fabry-Perot-Typ.
Die Lichtquelle ist eine nicht-monochromatische Photodiode, beispielsweise eine Photodiode HFD-1060 der Fa. EG. & G. Photon Devices. Diese Photodiode ist äußeren elektronischen Komponenten zugeordnet, die das Durchlaßband von 80 kHz bestimmen, das erforderlich ist für die Erfassung des Interferenzprodukts. Wegen der Symmetrie der Moden LP, die interferieren müssen, muß sich die Erfassung nur auf die negative oder positive Partie des Interferenzprodukts beziehen, damit die beiden Partien einander nicht kompensieren.
Der optische Sensor der Erfindung wird verwendet für die Erkennung und Bestimmung der Position einer Veränderung eines Umgebungsparameters und wird beispielsweise verwendet als Eindringdetektor, Kraftdetektor oder Temperaturdetektor oder auch als Wasserstoffdetektor.
Zwar wurde die vorliegende Erfindung im Rahmen eines bestimmten Ausführungsbeispiels erläutert, doch versteht es sich, daß Modifikationen oder Varianten vorgesehen werden können, ohne aus ihrem Bereich herauszuführen.

Claims

1. Optischer intermodal-interferometrischer Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß er verbindet:

- optische Mittel, die ermöglichen,

. die Aussendung einer Lichtwelle;

. die Injektion der Lichtwelle in eine optische bimodale Faser (4);

. die Führung der Lichtwelle mittels einer optischen bimodalen Faser;

- längs der Länge der genannten optischen bimodalen Faser verteilte Mittel, die das Koppeln des Grundmodus LP&sub0;&sub1; oder des Polarisationsmodus der injizierten Lichtwelle mit dem Modus der Ordnung eins LP&sub1;&sub1; bzw. dem orthogonalen Polarisationsmodus ermöglichen;

- ein Interferometer (6), das die Kompensation der Differenz der Zeitverzögerung zwischen den gekuppelten Moden am Eingang des Interferometers ermöglicht durch Modifikation der Bedingungen der Interferenz des Interferometers;

- elektrische Mittel, die ermöglichen

. die Messung der genannten Modifikation, die an dem Interferometer vorgenommen wurde;

. die Erkennung der Intensität des Interferenzprodukts;

. die Bestimmung der Position auf der Länge der bimodalen optischen Faser der Störung, welche die intermodale Kopplung erzeugt hatte.

2. Intermodal-interferometrischer optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ein optisches Mittel umfaßt, das die Filterung der Moden, abweichend von dem injizierten Modus ermöglicht.

3. Intermodal-interferometrischer optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Mittel der Emission des injizierten Modus eine nicht monochromatische Quelle ist.

4. Intermodal-interferometrischer optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Mittel zum Ausfiltern von Moden, die von dem injizierten Modus abweichen, ein Modenfilter (3) ist, gebildet

entweder von einer bimodalen Faser, angeschlossen an eine monomodale Faser oder

eine polierte bimodale Faser oder

eine durch Ziehen bei hoher Temperatur sich verjüngende Faser, ein Wellenleiter, in dem nur der geführte Grundmodus LP&sub0;&sub1; oder der Polarisationsmodus existiert, während die anderen Moden entfernt werden.

5. Intermodal-interferometrischer optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Führen der Welle bestehen aus

entweder einer monomodalen optischen Faser für einen gegebenen Bereich von Wellenlängen und in einem Wellenlängenbereich arbeitend, der niedriger ist unter Ermöglichung der Ausbreitung nicht gekoppelter geführter Moden oder

aus einer birefringenten optischen Faser, welche die Ausbreitung von Polarisationsmoden ermöglicht.

6. Intermodal-interferometrischer optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das interferometrische System besteht aus:

entweder einem Interferometer vom Michelson-Typ,

oder einem Interferometer vom Mach-Zehnder-Typ,

oder einem Interferometer vom Fabry-Perot-Typ.

7. Intermodal-interferometrischer optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die längs der optischen Faser (4) verteilten Mittel sind:

- entweder Wandler, welche Mikrokrümmungen gegebener räumlicher Perioden erzeugen,

- oder eine monomodale optische Faser, die einer bimodalen optischen Faser gegenüberliegt,

- oder eine bimodale optische Faser, die einer optisch bimodalen Faser gegenüberliegt.