DE69103661T2

DE69103661T2 - Optische Multiplexierung.

Info

Publication number: DE69103661T2
Application number: DE69103661T
Authority: DE
Inventors: Robert Myles Taylor
Original assignee: Smiths Group PLC
Current assignee: Smiths Group PLC
Priority date: 1990-04-04
Filing date: 1991-03-26
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: GB9106492D0; DE69103661D1; JPH05344097A; GB2243907B; GB2243907A; EP0450835A2; US5113458A; EP0450835A3; GB9007615D0; EP0450835B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Multiplexsysteme mit einer nicht doppelbrechenden optischen Faser und einer Quelle teilweise kohärenter, depolarisierter optischer Strahlung an einem Ende der Faser.
Es gibt verschiedene Verfahren zum Multiplexbetrieb einer Anzahl optischer Geräte (beispielsweise Sensoren), von welchen einige in unserem älteren Patent GB 2184910B beschrieben sind. Ein vor kurzem vorgeschlagenes Verfahren ist das Kohärenzmultiplexverfahren, welches auf verschiedene Weise ausgeführt werden kann. In einer Ausführungsform wird Strahlung, welche aus teilweise kohärenten Wellenzügen besteht, einem ersten Kanal, beispielsweise einer optischen Faser zugeführt. Dieser erste Kanal ist an verschiedenen Punkten entlang seiner Länge an einen zweiten Kanal gekoppelt, beispielsweise an eine zweite optische Faser, so daß an jedem Verbindungspunkt ein Teil der Strahlung des ersten Kanals in den zweiten Kanal ausgekoppelt wird. An dem zweiten und den weiteren Verbindungspunkten wird ein Teil der Strahlung des zweiten Kanals in den ersten Kanal zurückgekoppelt. Die Weglänge zwischen benachbarten Verbindungspunkten ist für beide Kanäle verschieden, wodurch der Primärwellenzug, also der ursprüngliche Wellenzug in dem ersten Kanal, die am Ende des Kanals angeordnete Demultiplexvorrichtung zu einer anderen Zeit erreicht als die Sekundärwellenzüge, welche durch Kopplung zwischen den Kanälen erzeugt wurden. Jeder Kopplungspunkt führt zur Erzeugung zusätzlicher Sekundärwellenzüge in beiden Kanälen. Ein optischer Sensor oder eine ähnliche Vorrichtung ist in einem oder mehreren Kanälen zwischen den Kopplungspunkten angeordnet, wodurch eine Änderung der vom Sensor gemessenen Größe zu einer Änderung der Wellenzüge in diesem Kanal führt. Diese Anordnung ergibt eine Reihenschaltung von Mach-Zehnder Interferometern. Die Demultiplexvorrichtung ist am Ende des zweiten Kanals angeordnet und als Interferometer ausgebildet, welches entweder den Primärpuls sequentiell mit jedem der Sekundärpulse oder aufeinanderfolgende Sekundärpulse miteinander vergleicht. Nachteilig ist bei diesem System jedoch die hohe Verlustleistung und das schlechte Übersprechverhalten.
Bei einer alternativen Anordnung für das Kohärenzmultiplexverfahren wird eine stark doppelbrechende Faser verwendet und die beiden Interferometerarme des oben beschriebenen Mach-Zehnder Interferometers werden durch die beiden linear polarisierten Moden der Faser ersetzt. Eine Dehnung der Faser an einem Punkt führt zu einer Kopplung zwischen den beiden Moden. Zur Identifizierung des Orts verschiedener Dehnungspunkte entlang der Faser kann ein Interferometer verwendet werden. Diese Anordnung kann eine geringere Verlustleistung als die oben beschriebene Anordnung aufweisen, hat jedoch noch immer den Nachteil eines schlechten Übersprechverhaltens.
Ein Netzwerk auf optischen Sensoren mit doppelbrechenden Ringresonatoren ist in LEOS 89, Seiten 112, 273-274 beschrieben. Ein Sensorsystem mit doppelbrechenden Sensornetzwerken im Multiplexbetrieb und Interferometern ist auch in J. IERE, Vol 58, No. 5, 1988, Seiten S99-S111 beschrieben.
Ein Ziel der folgenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes optisches Multiplexsystem bereitzustellen.
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist deren Gegenstand ein optisches Multiplexsystem der oben genannten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es in der Faser an bestimmten Orten entlang deren Länge eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Erzeugung von Doppelbrechung enthält, wodurch der Strahlung zwei Polarisationsmoden überlagert werden, wodurch wiederum jeder ankommende Wellenzug zwei, in der Zeit voneinander getrennte Ausgangswellenzüge erzeugt, daß jede Vorrichtung mit den anderen Vorrichtungen durch einen nicht doppelbrechenden Bereich der Faser verbinden ist, daß die Zeittrennung zwischen den Ausgangswellenzügen jeder dieser Vorrichtungen voneinander abweicht, und daß das System ein Gerät zur Messung der Zeittrennung zwischen den Ausgangswellenzügen aufweist.
Das Gerät zur Messung der Zeittrennung zwischen den Ausgangswellenzügen ist vorzugsweise ein dekodierendes Interferometer.
Mindestens eine der Vorrichtungen zur Erzeugung von Doppelbrechung in der Faser kann ein Sensor, beispielsweise ein Beschleunigungssensor sein. Mindestens eine der Vorrichtungen zur Erzeugung von Doppelbrechung kann ein Schalter sein oder eine zu einer Spule aufgewickelte Faser umfassen. Mindestens eine der Vorrichtungen zur Erzeugung von Doppelbrechung kann einen entlang seiner Achse verdrillten Faserbereich oder einen seitlichem Druck ausgesetzten Faserbereich umfassen. Eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Erzeugung von Doppelbrechung können in Reihe entlang der optischen Faser oder aber parallel zueinander angeordnet sein.
Ein Ausführungsbeispiel eines optischen Multiplexsystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher beschrieben, welche zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Systems;
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Ausgangs des Systems;
Fig. 3 eine alternative Anordnung des Systems; und
Fig. 4 und Fig. 5 alternative Sensoren zur Verwendung in dem System.
Das System umfaßt eine optische Strahlungsquelle 1, beispielsweise eine superlumineszente Diode mit geringer Kohärenzlänge, welche von einer Treibereinheit 2 angesteuert wird und eine teilweise kohärente optische Strahlung erzeugt. Die Strahlung wird einem Lyot-Depolarisierer 3 oder einer ähnlichen Vorrichtung zugeführt, um sicherzustellen, daß die Strahlung depolarisiert wird, also jede Polarisationsrichtung gleich stark vorliegt.
Die depolarisierte Strahlung wird einem Ende einer herkömmlichen, nicht doppelbrechenden optischen Faser 4 zugeführt. Das andere Ende dieser Faser führt zu einem Demultiplexer in Form eines dekodierenden Interferometers 5 herkömmlicher Bauart.
Zwischen der Strahlungsquelle 1 und dem Interferometer 5 befinden sich drei optische Sensoren 11 bis 13, welche optische Beschleunigungsmesser der in der UK- Patentanmeldung GB 2236849A beschriebenen Art sein können. Die dargestellten Sensoren 11 bis 13 werden hergestellt, indem die Faser 4 auf entsprechende nachgiebige Kerne 14 bis 16 aufgewickelt wird. Hierdurch wird in der Faser ein gewisses Maß an Doppelbrechung erzeugt, welches sowohl vom Biegeradius abhängt als auch von der Spannung, unter welcher die Faser aufgewickelt wird. Die Polarisationsachsen werden bezüglich der Achse des Kerns definiert. Eine Beschleunigung führt zu einer Deformation der Kerne 14 bis 16 und damit zu einer Änderung der Spannung der Faser und des Kerndurchmessers, wodurch die Doppelbrechung beeinflußt wird. Auf diese Weise werden einem teilweise kohärenten Wellenzug, welcher den Sensor 11 an einem Ende erreicht, zwei Polarisationsmoden überlagert, welche die Spule in verschiedenen Zeiten durchlaufen, wodurch eine Zeitverzögerung T&sub1; zwischen den beiden Moden erzeugt wird. Nach dem Verlassen der Spule durchläuft die Strahlung einen Bereich 17 einer nicht doppelbrechenden Faser 4, in welchem die beiden Moden wieder degenerieren und als zwei durch die Zeit T&sub1; voneinander getrennte Wellenzüge erscheinen. Die Wellenzüge können durch einen weiteren Lyot Depolarisierer 3' depolarisiert werden.
Beim nächsten Sensor 12 wird dieser Vorgang wiederholt und hierbei für beide Eingangspulse eine Zeitverzögerung T&sub2; zwischen deren beiden Moden eingeführt. Hierdurch ergeben sich vier Ausgangspulse am Ausgang 18 der Faser zwischen den Sensoren 12 und 13. Der dritte Sensor 13 führt eine Zeitverzögerung T&sub3; zwischen den beiden Polarisationsmoden ein, wodurch das dem Interferometer 5 zugeführte Ausgangssignal in Form von acht Wellenzügen A bis H vorliegt, welche der Einfachheit halber in Figur 2 als Pulse dargestellt sind.
Der Betrag jeder Zeitverzögerung T&sub1;, T&sub2; und T&sub3; hängt von der Beschleunigung ab, welcher jeder Sensor 11 bis 13 ausgesetzt ist. Jeder Sensor ist so angeordnet, daß die von ihm erzeugten Wellenzüge für den Bereich seiner Zeitverzögerung T&sub1;, T&sub2; oder T&sub3; nicht mit den von den anderen beiden Sensoren erzeugten Wellenzügen überlappen.
Das Interferometer 5 kann in herkömmlicher Bauart ausgeführt sein. Es umfaßt, wie dargestellt, einen Strahlteiler 50, welcher einen Teil der ankommenden Strahlung einem feststehendem Spiegel 51 und einen anderen Teil einem beweglichen Spiegel 52 zuführt, der nach oben und nach unten hin- und hergefahren wird. Die von den beiden Spiegeln 51 und 52 reflektierte Strahlung verläuft zu einem Detektor 53. An dem Detektor 53 ergibt sich eine Interferenz zwischen den Strahlen der beiden Spiegel, wenn die Weglänge zwischen den beiden Armen des Interferometers gleich ist oder wenn sich diese Weglängen durch einen Betrag unterscheiden, welcher der Zeitverzögerung zwischen verschiedenen Wellenzügen entspricht, so daß die Strahlung in einem Wellenzug mit der Strahlung in dem anderen Wellenzug interferiert. Wenn sich der Spiegel 52 beispielsweise aus einer anfänglichen Stellung, in welcher die beiden Arme des Interferometers gleich lang sind, nach außen bewegt, sind die beiden ersten interferierenden Wellenzüge die Wellenzüge A und B, C und D, E und F, und G und H, weil zwischen ihnen die geringste Zeitdifferenz, nämlich T&sub3; vorliegt. Wenn sich der Spiegel 52 weiter nach außen bewegt, führt dies zu einer Interferenz der Wellenzüge B und C, D und E, und F und G, was einer Zeitdifferenz T&sub2; - T&sub3; entspricht. Sodann findet eine Interferenz zwischen den Wellenzügen A und C, C und E, und E und G und auch zwischen B und D, C und E, und F und H statt, was in beiden Fällen einer Zeitdifferenz T&sub2; entspricht. Eine weitere Bewegung des Spiegels führt zu einer Interferenz zwischen verschiedenen Paaren von Wellenzügen. Die Stellung des beweglichen Spiegels 52, bei welcher Interferenz erzeugt wird, wird durch eine Einheit 60 gemessen, wodurch verschiedene Sensoren 11 bis 13 mit ihren Zeitverzögerungen identifizierbar sind und dadurch auch die an jedem Sensor vorliegende Beschleunigung.
Es sei angemerkt, daß eine andere Anzahl von optischen Vorrichtungen verwendet werden kann und daß diese nicht in Serie, sondern auch zueinander parallel angeordnet sein können, wie es in Figur 3 dargestellt ist.
Die optischen Vorrichtungen müssen keine Beschleunigungsmesser oder andere Sensoren sein, sondern es können beispielsweise auch Schalter oder Kombinationen verschiedener Sensoren und Schalter sein. Die Doppelbrechung kann von den optischen Vorrichtungen auch auf andere Weise erzeugt werden als durch Aufwickeln der Faser zu einer Spule. Beispielsweise kann die Faser 4" um ihre Achse verdrillt sein, wie es in Figur 4 dargestellt ist. Alternativ hierzu kann die Faser 4" in einer V-förmigen Nut 20 in einem Block 21 liegen und über eine Auflage 22 einem äußeren Druck ausgesetzt sein, wie es in Figur 5 dargestellt ist.

Claims

1. Optisches Multiplexsystem mit einer nicht doppelbrechenden optischen Faser und einer Quelle teilweise kohärenter depolarisierter optischer Strahlung an einem Ende der Faser, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Vielzahl von Vorrichtungen (11, 12, 13) zur Erzeugung von Doppelbrechung in der Faser (4) an entsprechenden Orten entlang ihrer Länge aufweist, wodurch der Strahlung zwei Polarisationsmoden überlagert werden, wodurch wiederum jeder ankommende Wellenzug zwei Ausgangswellenzüge erzeugt, welche in der Zeit voneinander getrennt sind, daß jede Vorrichtung (11, 12, 13) mit den anderen Vorrichtungen durch einen nicht doppelbrechenden Bereich (17, 18) der Faser (4) verbunden ist, daß die Zeittrennung zwischen den Ausgangswellenzügen jeder Vorrichtung (11, 12, 13) voneinander abweicht und das System ein Gerät (5) zur Messung der Zeittrennung zwischen den Ausgangswellenzügen umfaßt.

2. Optisches Multiplexsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät zur Messung der Zeittrennung zwischen den Ausgangswellenzügen ein dekodierendes Interferometer (5) ist.

3. Optisches Multiplexsystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Vorrichtungen zur Erzeugung von Doppelbrechung in der Faser (4) ein Sensor (11, 12, 13) ist.

4. Optisches Multiplexsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (11, 12, 13) ein Beschleunigungsmesser ist.

5. Optisches Multiplexsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Vorrichtungen (11, 12, 13) zur Erzeugung von Doppelbrechung ein Schalter ist.

6. Optisches Multiplexsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Vorrichtungen (11, 12, 13) zur Erzeugung von Doppelbrechung ein zu einer Spule aufgewickeltes Faserstück umfaßt.

7. Optisches Multiplexsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Vorrichtungen zur Erzeugung von Doppelbrechung ein um seine Achse verdrilltes Faserstück (4") umfaßt.

8. Optisches Multiplexsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Vorrichtungen zur Erzeugung von Doppelbrechung ein einem seitlichen Druck ausgesetztes Faserstück (4"') umfaßt.

9. Optisches Multiplexsystem nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Vorrichtungen (11, 12, 13) zur Erzeugung von Doppelbrechung entlang der optischen Faser (4) in Serie angeordnet sind.

10. Optisches Multiplexsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Vorrichtungen (11, 12, 13) zur Erzeugung von Doppelbrechung parallel zueinander angeordnet sind.