HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft generell faseroptische akustische
Sensoren und insbesondere faseroptische Sensoren für eine
Anwendung unter Wasser. Insbesondere betrifft diese Erfindung
überdies Geräte und Verfahren zur Verhinderung eines
Polarisationssignalschwundes in einem als ein Hydrophon verwendenten
faseroptischen interferometrischen Sensor.
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Eine optische Monomodefaser kann Signale zweier linearer
Polisationen führen. Bei einem aus faseroptischen
interferometrischen Sensoren bestehenden faseroptischen Hydrophon kann das
Ausgangssignal eine Funktion der Polarisation der durch die
optischen Fasern in den Sensoren geführten optischen Signale
sein. Generell wird das maximale Signal erhalten, wenn die zwei
fasergeführten Signale den gleichen Polarisationszustand
aufweisen.
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Ein Hauptproblem faseroptischer interferometrischer
Sensoren ist der Signalverlust aufgrund eines durch Änderungen der
Polarisation der durch die Fasern geführten Wellen verursachten
Signalschwundes. Eine Drift in der relativen optischen
Weglängendifferenz in den Interferometerarmen verursacht eine
Änderung des relativen Polarisationszustandes der zwei
Interferometerarme. Die kann auch als eine Änderung der Interferenzphase
betrachtet werden, welche die Signalintensität ändert. Ein
vollständiger Polarisationsschwund tritt auf, wenn die
Polarisationen orthogonal sind. Bei bekannten Systemen kann der
Polarisationssignalschwund die Signalintensität bis zu dem Punkt
verschlechtern, daß keine brauchbare Information zur Verfügung
steht.
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Bei Seeversuchen von faserooptischen geschleppten
Hydrophonarrays bzw. -anordnungen ist regelmäßig ein
Polarisationsschwund und ein Klimpergeräusch beobachtet worden. Bei solchen
Hydrophonarrays tritt ein Polarisationsschwund auf, wenn die
zwei Fasern, welche das Hydrophon bilden, orthogonale
Polarisationskomponten aufweisen. Ein Polarisationsschwund kann die
Liniensichtbarkeit im Ausgangsignal der interferometrischen
Sensoren auf null reduzieren. Dann verschwindet die ganze
hydrophone Signalinformation.
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Zur Lösung des Problems des Polarisationssignalschwundes
ist ein faseroptischer Polarisationsregler verwendet worden.
Dieser Polarisationsregler weist mehrere Schleifen der
optischen Faser auf, die auf Spulen gewickelt sind, deren Ränder
auf einer gemeinsamen Achse befestigt sind. Diese Achse liegt
in der Ebene jeder Spule. Eine Einstellung der Winkel der
optischen Faserschleifen stellt den Polarisationszustand des von
der Faser geführten Lichts ein.
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In einer optischen Monomodefaser kann durch Biegen der
Faser zu einer Spule Doppelbrechung induziert werden. Biegen
einer optischen Faser verursacht eine Erhöhung der Materialdichte
an der zur Ebene der Spule senkrechten Stelle, wodurch in
dieser Ebene der Brechungsindex erhöht wird. Aufgrund des
entgegengesetzten Kompressionseffekts im inneren und der Zugspannung
im äußeren Teil der Krümmung sind Änderungen des
Brechungsindexes in der Spulenebene vernachlässigbar. Die Beanspruchung und
deshalb die Änderung des Brechungsindexes ist über dem
Faserkern im wesentlichen konstant. In einem isotropischen Material
kann die Änderung des Brechungsindexes ausgedrückt werde durch
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wobei
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n der Brechungsindex ist,
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s das Poissonverhältnis ist,
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p&sub1;&sub1;-p&sub1;&sub2; Komponenten des photoelastischen Tensors sind,
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r der Radius der Faser ist und
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R der Krümmungsradius der Biegung ist.
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Für Quarzglas gilt bei einer Wellenlänge von λ = 633 nm
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s = 0,16, p11 = 0,121, p12 = 0,270 und n = 1,46. Bei Verwendung
dieser Werte reduziert sich Gleichung (1) zu
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wobei a eine Konstante des Werts 0,133 ist.
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Bei Verwendung der Gleichung (2) kann man den
Krümmungsradius einer einzelnen Faserschleife für jede beliebig
ausgewählte Phasenverzögerung berechnen. Beispielsweise ist das
Erfordernis für ein Viertelwellenlängenplättchen 90º
Phasendifferenz, und der Radius R kann folgendermaßen berechnet werden:
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Δβ2πR = π/2;
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Δn
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Δβ+ = 2π λ
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wobei Δß die Differenz der Ausbreitungskonstanten der zwei
möglichen linearen Polarisationen und λ die Wellenlänge in Luft
ist.
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Der Krümmungsragius kann dann geschrieben werden als
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Bei einer Wellenlänge von 1300 nm hat R einen Wert von
etwa 10 nm. Ein Drehen einer der Spulen dreht einfach die
schnelle und langsame Achse der Schleife in bezug auf das elektrische
Eingangsfeld. Wenn eine Umwandlung eines beliebigen
Eingangspolarisationszustandes in einen beliebigen
Ausgangspolarisationszustand gewünscht ist, erzeugt eine Kombination und richtige
Orientierung zweier Schleifen des Polarisationsreglers die
gewünschte Transformation.
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Dieser durch H. C. Lefevre, "Single-Mode Fibre Fractional
Wave Devices and Polarisation Controllers", Electronics
Let
ters, 25 vol. 16, No 20, Sep. 1980, Seiten 778-780
exemplifizierte Stand der Technik hat den Nachteil, daß alle paar
Minuten eine manuelle Einstellung notwendig ist. Dies ist bei einem
Multisensorarray, das sieben oder mehr Sensoren aufweisen kann,
nicht praktikabel, da dieses Array aufwendig und sperrig wäre.
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Aus SE 463337 B ist ein optisches Detektionssystem
bekannt, das Interferenzmuster mittels zweier Polarisatoren
verarbeitet, jedoch ist dieses System nicht zur zuverlässigen
Verhinderung eines Signalschwundes ausgebildet und geeignet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Detektionssystem
bereit, welches einen Signalschwund in faseroptischen
interferometrischen Sensorsystemen verhindert.
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Ein Photodetektor gemäß der vorliegenden Erfindung (im
Anspruch 1 dargelegt) zum Empfangen optischer Signale
unbekannter Polarisation und zur Erzeugung elektrischer Signale, die
eine Interferenz zwischen den optischen Signalen anzeigen,
weist eine Polarisatoranordnung auf, die so angeordnet ist, daß
sie die optischen Signale empfängt. Die Polarisatoranordnung
weist wenigstens drei Polarisatoren mit Polarisationsachsen
auf, die um ausgewählte Winkel voneinander beabstandet sind,
derart, daß jedes optische Signal eine Polarisationskomponente
entlang wenigstens einer der Polarisationsachsen aufweist. Der
Photodetektor weist außerdem eine Anordnung von
photoelektrischen Elementen auf, die so angeordnet sind, daß jedes der
photoelektrischen Elemente Licht von einem ausgewählten der
Polarisatoren empfängt. Wenigstens eines der photoelektrischen
Elemente empfängt parallele Polarisationskomponenten von den
optischen Signalen, um ein elektrisches Signal zu bilden, das die
Interferenz zwischen den optischen Signalen anzeigt.
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Die Polarisatoren sind in einem Abstand von den
photoelektrischen Elementen angeordnet.
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Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere
Ausführungsformen.
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Ein klares Einsehen in die Aufgaben der vorliegenden
Erfindung und ein vollständigeres Verstehen ihrer Struktur und
ihres Betriebsverfahrens kann durch das Studium der folgenden
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen erhalten werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 stellt schematisch ein faseroptisches Mach-
Zehnder-Interferometer dar, welches so angeordnet ist, daß
optische Signale einer gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildeten Photodetektoranordnung zugeführt sind;
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Fig. 2 ist eine Draufsicht, welche Photodetektorelemente
zeigt, die in der Photodetektoranordnung nach Fig. 1 enthalten
sein können;
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Fig. 3 ist eine Draufsicht, welche Polarisatoren zeigt,
die in der Photodetektoranordnung nach Fig. 1 enthalten sein
können;
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Fig. 4 ist eine Vorderansicht der Polarisatoren nach
Fig. 3;
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Fig. 5 ist eine Draufsicht eines Keramikabstandshalters,
der in der Photodetektoranordnung nach Fig. 1 enthalten sein
kann;
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Fig. 6 ist eine Vorderansicht des Keramikabstandshalters
nach Fig. 5;
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Fig. 7 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung
eines Photodetektors nach der vorliegenden Erfindung, die aktive
Bereiche, den Keramikabstandshalter und Polarisatoren zeigt;
und
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Fig. 8 stellt die Orientierung der Polarisationsachsen
der Polarisatoren nach Fig. 7 relativ zu zwei orthogonalen
linearen Polarisatoren dar.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die Fig. 1 stellt ein Mach-Zehnder-Interferometer 20 dar,
welches so angeordnet ist, daß es ein an eine
Photodetektoranordnung 22 nach der vorliegenden Erfindung ausgegebenes
optisches Signal erzeugt. Das Mach-Zehnder-Interferometer 20 ist
illustrativ für einen faseroptischen Sensor, der mit der
Photodetektoranordnung 22 verwendet werden kann. Es können auch
andere Einrichtungen, beispielsweise ein (nicht dargestelltes)
Michelson-Interferometer zur Erzeugung von Signalen für die
Photodetektoranordnung 22 verwendet werden. Die folgende
Beschreibung der mit dem Mach-Zehnder-Interferometer 20
verwendeten Photodetektoranordnung 22 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist nicht als eine Beschränkung des Erfindungsgedankens und
Schutzbereichs der Erfindung auf einen besonderen Typ eines
faseroptischen Sensors zu verstehen.
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Das Mach-Zehnder-Interferometer 20 weist ein Paar optische
Fasern 24 und 26 auf, die zwischen ein Paar faseroptische
Koppler 28 und 30 geschaltet sind. Die optischen Fasern 24 und 26
bilden Arme des Mach-Zehnder-Interferometers 20. Die optische
Faser 24 wird manchmal als der Referenzarm und die Faser 26 als
der Abtastarm des Mach-Zehnder-Interferometers 20 bezeichnet.
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Der optische Koppler 28 weist ein Paar optische Fasern 28A
und 28B auf, die so angeordnet sind, daß Licht zwischen ihnen
Koppeln kann. Ähnlich weist der optische Koppler 30 ein Paar
optische Fasern 30A und 30B auf. Alle optischen Fasern der
beschriebenen Ausführungsform der Erfindung sind vorzugsweise
gewöhnliche nicht polarisationserhaltende Monomodefasern. Die
faseroptischen Koppler 28 und 30 sind vorzugsweise felddämpfende
Koppler.
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Die Faser 24 ist an Spleißstellen 31 bzw. 32 zwischen die
Fasern 28A und 30A geschaltet. Die Faser 26 ist an
Spleißstellen 33 bzw. 34 zwischen die Fasern 28B und 30B geschaltet.
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Eine Lichtquelle 35 optische Leistung, die über eine
optische Faser 23 einem Eingangstor des optischen Kopplers 28
zugeführt wird. Die optische Faser 23 ist an einer Spleißstelle 29
an die optische Faser 28A gespleißt. Der Koppler 28 ist
typischerweise ein 50/50-Koppler, gekennzeichnet dadurch, daß er
die optische Leistung aus dem Eingangstor in zu gleichen Teilen
in Strahlen teilt, die die sich durch die Arme 24 und 26 des
Interferometers ausbreiten. Die optische Faser 24 sowie die
Faser 26 führt den jeweiligen Signalstrahl zum ersten bzw.
zweiten Eingangstor des Kopplers 30, der ebenfalls typischerweise
ein 50/50-Koppler ist.
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Der zweite faseroptische Koppler 30 kombiniert den ersten
und zweiten Signalstrahl über eine optische Faser 30A auf der
Photodetektoranordnung 22. Der faseroptische Abtastarm 26
enthält einen Spulenabschnitt 37, so daß die optische Länge des
faseroptischen Abtastarms 26 zwischen den Kopplern 28 und 30
länger als die des faseroptischen Referenzarms 24 ist. Der
durch den jeweiligen faseroptischen Arm 24 bzw. 26 geführte
erste und zweite Signalstrahl folgen optischen Wegen
unterschiedlicher länge, so daß eine Phasendifferenz zwischen den
Signalstrahlen vorhanden ist, wenn die Strahlen im faseroptischen
Koppler 30 kombiniert werden. Die kombinierten Signale breiten
sich wie in Fig. 1 gezeigt über die optische Faser 30A zur
Detektoranordnung 22 aus.
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Wenn die zwei Signalstrahlen in den optischen Fasern 24
und 26 am Koppler 30 den gleichen Polarisationszustand
aufweisen, interferieren die Signale und bilden ein Linienmuster aus
hellen und dunklen Linien, die von einem Photodetektor
überwacht werden. Wenn jedoch die zwei Signalstrahlen in den
faseroptischen Armen 24 und 26 orthogonale Polarisationszustände
aufweisen, wird kein Linienmuster erzeugt.
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Nach Fig. 1 ändert ein Aussetzen des Spulenabschnitts 37
des faseroptischen Abtastarmes 26 einer Änderung der
Umgebungsparameter, beispielsweise eines akustischen Drucks das auf die
Photodetektoranordnung 22 einfallende Linienmuster. Der Wert
des überwachten Signals kann durch Verarbeiten des
Ausgangssignals der Photodetektoranordnung 22 kontinuierlich beobachtet
werden.
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Nach den Fig. 2-7 enthält die Photodetektoranordnung 22
nach der vorliegenden Erfindung drei Photodetektorelemente 37A,
37B und 37C. Das Lichtstrahl-Ausgangssignal aus der optischen
Faser 30A verbreitert sich und fällt auf drei Polarisatoren
38A, 38B und 38C, die zwischen dem Ende der optischen Faser 30A
und den Photodetektorelementen 37A, 37B bzw. 37C angeordnet
sind. Jedes der drei Photodetektorelemente 37A, 37B und 37C
enthält einen aktiven Bereich, der vorzugsweise eine InGaAs-
Photodiode aufweist. Solche Photodioden sind wohlbekannt und
kommerziell erhältlich.
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Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform sind die
aktiven Bereiche vorzugsweise durch 0,25 mm-Spalte 44A, 44B und
44C getrennt, die auf dem Substrat 40 ausgebildet sind. Jeder
der aktiven Bereiche 27A, 37B und 37C besteht vorzugsweise aus
einem 120º-Sektor eines kreisförmigen Bereichs. Der Durchmesser
des Kreises beträgt vorzugsweise etwa 1,8 Millimeter.
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Das Photodetektorelement 37A enthält einen leitenden
Streifen 46A, der sich vom aktiven Bereich 37A generell radial
auswärts zum äußeren Rand erstreckt. Die Photodetektorelemente
37B und 37C enthalten leitende Streifen 46B bzw. 46C, die dem
leitenden Streifen 46A ähneln. Vom äußeren Ende des leitenden
Streifens 46A erstreckt sich ein Verdrahtungspad 48A so, daß
ein (nicht dargestellter) elektrischer Leiter mit dem aktiven
Bereich des Photodetektorelements 37A verbunden werden kann, um
davon Signale fortzutragen. Ähnlich weisen die leitenden
Streifen 46B und 46C an diese angeschlossene Verdrahtungspads 48B
bzw. 48C auf.
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Die Photodetektoranordnung 22 weist außerdem einen
Abstandshalter 50 auf. Der Abstandshalter weist einen peripheren
Ring 52 und drei speichenartige Teile 54A, 54B und 54C auf, die
Löcher 56A, 56b und 56C einschließen. Die Löcher 56A, 56b und
56C sind zu den aktiven Bereichen 37A, 37B und 37C ausgerichtet
und weisen vorzugsweise generell die gleiche Form auf. Die
Löcher 56A, 56b und 56C und aktiven Bereiche 37A, 37B und 37C
sind so ausgebildet, daß sie eine obere und untere Oberfläche
aufweisen, die Sektoren eines Kreises sind. Der
Keramikabstandshalter 50 hat eine Dicke von etwa 0,35 mm. Der Ring 52
weist vorzugsweise einen Innen- und Außendurchmesser von etwa
1,83 mm bzw. 2,3 mm auf.
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Nach Fig. 4 kann jeder Polarisator 38A, 38B und 38C als
ein Parallelogramm mit Seiten ausgebildet sein, die
typischerweise 1,4 mm lang sind. Jeder Polarisator kann eine Dicke von
etwa 0,5 mm aufweisen.
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Nach Fig. 7 sind die Polarisatoren 38A, 38B und 38C
zwischen dem Ende der Faser 24 und den aktiven Bereichen 37A, 37B
und 37C der Photodetektoranordnung 22 angeordnet. Jeder der
Polarisatoren 38A, 38B und 38C ist so ausgebildet und angeordnet,
daß er eine Transmissionsachse aufweist, die die in bezug auf
die Transmissionsachse des benachbarten Polarisators einen
Winkel von 120º bildet. Deshalb weist ein einfallendes Signal
beliebiger Polarisation parallel Polarisationskomponenten auf,
die auf wenigstens einen der aktiven Bereiche 37A, 37B bzw. 37C
der Photodetektoranordnung 22 einfallen. Deshalb weist
wenigstens einer der aktiven Bereiche 37A, 37B bzw. 37C der
Photodetektoranordnung 22 interferierende optische Signale auf und
erzeugt ein elektrisches Signal, welches die Lichtintensität des
resultierenden Interferenzlinienmusters anzeigt.
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In Fig. 8 deuten die Pfeile 62A, 62B und 62C an, daß die
drei Transmissionsachsen der Polarisatoren im Abstand von 120º
angeordnet sind. Ein optisches Signal weist die orthogonalen
Polarisationskomponenten Ix und Iy in der horizontalen und
vertikalen Richtung in der Zeichenebene der Fig. 8 und gemeinsame
Komponenten entlang den Transmissionsachsen der Polarisatoren
38B und 38C auf. Die aktiven Bereiche 37B und 37C würden ein
elektrisches Signal in Abhängigkeit von einem einfallenden
Signal erzeugen, das die angezeigte Polarisation aufweist. Der
aktive Bereich 37A würde kein Interferenzsignal erzeugen, da
nur die Komponente Ix durch den Polarisator 38A ginge.
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Nach den Fig. 4 und 7 bedecken die Polarisatoren 38A,
38B und 38C die aktiven Bereiche 37A, 37B und 37C der
Photodetektoranordnung 22. Der Abstandshalter 50 ist zwischen den
Polarisatoren 38A, 38B und 38C und dem Substrat 40 der
Photodetektoranordnung 22 angeordnet. Der Abstandshalter 50 weist
vorzugsweise opakes Keramikmaterial auf. Der Abstandshalter 50
wirkt als Stütze für die Polarisatoren 38A, 38B und 38C und
verhindert, daß diese in Kontakt mit den aktiven Bereichen 37A,
37B und 37C kommen. Der Abstandshalter 50 isoliert auch optisch
jede Zelle 37A, 37B und 37C der Photodetektoranordnung 22 von
den anderen Zellen.
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Wie in den Fig. 4 und 7 dargestellt besteht
vorzugsweise jeder der Polarisatoren 38A, 38B und 38C aus einer linear
polarisierenden dünnen Glasplatte. Die Dicke jeder Glasplatte
beträgt vorzugsweise etwa 0,5 mm. Die Polarisatoren 38A, 38B und
38C sind poliert und in einer spezifischen Orientierung
geschnitten, die es ermöglicht, daß ihre Transmissionsachsen bei
ihrem Zusammensetzen im Abstand von 120º in bezug zueinander
angeordnet sind. Durch jeden Polarisator gehende optische
Leistung ist proportional zu cos²q, wobei q der Winkel zwischen
der Polarisationsebene und der Polarisator-Transmissionsachse
ist.
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Die Polarisatoren 38A, 38B und 38C und der
Keramikabstandshalter 50 werden vorzugsweise zueinander zentriert. Die
Polarisatoren 38A, 38b und 38C und der Keramikabstandshalter 50
werden dann auf dem bestimmten Bereich auf der
Photodetektoranordnung 22 plaziert und dann an Ort und Stelle zementiert.
Die ganze Anordnung wird dann vorzugsweise in einem
Detektorgehäuse, das ein (nicht dargestelltes) TO-5 sein kann,
verkapselt und hermetisch abgedichtet.
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Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus Aluminium und nimmt
die Detektoranordnung 22 und die optische Faser 27 auf. Das
Gehäuse ist so beschaffen, daß es die optische Faser 30A
automatisch zum Fenster des Photodetektors 22 ausrichtet und in einem
vorbestimmten Abstand zu diesem plaziert, um die aktiven
Berei
che 37A, 37b und 37C mit den optischen Ausgangssignalen aus der
Faser 30A zu beaufschlagen. Sowohl der Faserhalter als auch der
Detektor sind so ausgebildet, daß sie im Gehäuse zementiert
sind. Diese kompakte Anordnung kann auf einer (nicht
dargestellten) gedruckten Schaltungsplatte befestigt sein.
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Nach Fig. 1 beaufschlagt das Ausgangssignal aus dem
Interferometer 20 die ganze Fläche der Polarisatoren 38A, 38B und
38C in der Detektoranordnung 22. Die Anordnung der
Polarisatoren 38A, 38B und 38C und der Dreisegmentdetektor stellen eine
Einrichtung bereit, welche den Signalschwund aufgrund von
Polarisationsdriften in einem faseroptischen interferometrischen
Sensor vollständig eliminiert. Berechnungen haben gezeigt, daß
die Minimalzahl erforderlicher Polarisator/Detektor-Kanäle drei
beträgt, da es unmöglich ist, daß alle drei Kanäle gleichzeitig
verschwinden, um ein Nullausgangssignal zu erzeugen. Die
Polarisationen der von der optischen Faser 30A emittierten
Ausgangssignale weisen entlang der Polarisationsachse wenigstens
eines der Polarisatoren gemeinsame Komponenten auf.
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Die vorliegende Erfindung hat den Vorteil der
Bedienungsfreiheit, da keine Notwendigkeit zu einer manuellen Einstellung
irgendeines Teils der Einrichtung besteht. Der Photodetektor 22
gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei Multisensorarrays
anwendbar und ist robust und kompakt. Die vorliegende Erfindung
kann hermetisch abgedichtet sein und eliminiert einen totalen
Polarisationsschwund bzw. eine totale Polarisationsdämpfung und
reduziert das polarisationsinduzierte Phasengeräusch
(Klimpergeräusch).
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Die hier dargelegten Strukturen und Verfahren können
beispielsweise so modifiziert werden, daß der Photodetektor mehr
als drei Segmente aufweist.