DE69729571T2 - Ein optischer wellenlängenscanner versehen mit einem referenzsystem - Google Patents

Ein optischer wellenlängenscanner versehen mit einem referenzsystem Download PDF

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Description

  • QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung nimmt nach 35 § 119 (e) USC die Priorität der amerikanischen vorläufigen Anmeldungen mit der laufenden Nummer 60/031,562, eingereicht am 3. Dezember 1996, und der laufenden Nummer 60/028,517, eingereicht am 18. Oktober 1996, in Anspruch.
  • BEREICH DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen und Verfahren zum Messen der Wellenlängen von Licht und insbesondere auf ein Bezugssystem, das die Ausgabe eines In-Faser-Bragg-Gitters und eines festen Faser-Fabry-Perot-Filters als Bezug zum Messen der Wellenlängen des Lichtes benutzt. Die Erfindung stellt sowohl Vorrichtungen und Verfahren zum Kalibrieren von Scannern optischer Spektren als auch kalibrierte Scanner optischer Spektren und Analysiergeräte zur Verfügung. Das Bezugssystem stellt viele Wellenlängenbezüge über den Scanbereich zur Verfügung. Die Vorrichtungen und Verfahren sind besonders bei Sensorsystemen, insbesondere bei Spannungssensoren, und für Systeme zum Wellenlängen-Demultiplexen nützlich.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Feste Faser-Fabry-Perot(feste FFP)-Filter können als genaue Bezugspunkte der Wellenlänge (λ) für die Kalibrierung von Analysiergeräten optischer Spektren (OSA) benutzt werden, um sowohl die Genauigkeit als auch die Auflösung der Messungen zu erhöhen.
  • Obwohl feste FFP-Filter sehr genau beabstandete Mehrfachwellenlängen produzieren (d. h. einen Peak-Kamm), war ein durchgehendes Problem die Schwierigkeit eines genauen Identifizierens einer bestimmten Wellenlänge unter den vielen Wellenlängen, die hergestellt wurden.
  • Abstimmbare Faser-Fabry-Perot-Filter (FFP-TF) haben eine erfolgreiche Kommerzialisierung bei Systemen für das erste Wellenlängen-Detektions-Multiplexen (WDM) erfahren und haben einen robusten und einsatztauglichen Betrieb gezeigt. WDM-Systeme haben sich schnell zu 8, 16 und 32 (und höheren) Wellenlängensystemen mit anderen, weniger teuren Demultiplexverfahren entwickelt. Diese Entwicklungen ermöglichten Abfragesendersysteme zum genauen Messen der Wellenlängenantwort von passiven faseroptischen Vorrichtungen. Wenn geeignete Verfahren für die Bezugspunkte der Wellenlänge und zur Kalibrierung gefunden werden können, können abstimmbare FFP-Filter als die erforderlichen OSA-Bauteile in solchen dichten WDM benutzt werden. Für dichte WDM-Systeme beträgt die Genauigkeit der absoluten Wellenlängenmessungen ungefähr 0,5 bis ungefähr 0,1 nm oder besser, betragen die Leistungsmessungen vorzugsweise ungefähr 0,1 dB und die Signal-zu-Rauschmessungen vorzugsweise ungefähr 1 dB oder weniger. Feste FFP und FFP-TF sind insbesondere für die Offenbarung der Struktur und den Betrieb dieser Filter z. B. in den amerikanischen Patenten 5,212,745; 5,212,746; 5,289,552; 5,375,181; 5,422,970; 5,509,093 und 5,563,973 beschrieben.
  • In-Faser-Bragg-Gitter (FBG) führen zu dem Gebrauch von faseroptischen Sensoren für Spannungs- und Temperaturmessungen. Siehe z. B. die amerikanischen Patente 4,996,419 (Morey), erteilt am 26. Februar 1991; 5,380,995 (Udd et al.), erteilt am 10. Januar 1995; 5,397,891 (Udd et al.), erteilt am 14. März 1995; 5,591965 (Udd), erteilt am 7. Januar 1997. FBG können verwendet werden, um In-Faser-Laser zu bilden, die für Messanwendungen verwendet werden können, wie in dem amerikanischen Patent 5,513,913 (Ball et al.) beschrieben wurde, das am 7. Mai 1996 erteilt wurde. Diese Messverfahren hängen von der Möglichkeit ab, genau die Wellenlänge des Lichtes zu messen, das von FBG in einer Sensorfaser reflektiert oder transmittiert wurde. Eine Anzahl von Messsystemkonfigurationen ist entwickelt worden. Siehe z. B. die amerikanischen Patent 5,361,30 (Kersey et al.), das am 1. November 1994 erteilt wurde, und 5,410,404 (Kersey et al.), das am 25. April 1995 erteilt wurde; A. D. Kersey et al. (1993) "Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter" Optics Letters 18(16): 1370; E. J. Friebele et al. (1994) "Fiberoptic Sensors measure up for smart structures" Laser Focus World (Mai) pp. 165–169; A. D. Kersey et al. (1995) "Development of Fiber Sensors for Structural Monitoring" SPIE 2456: 262–268 (0-8194-1809-9/95); A. D. Kersey (1996) "Interrogation and Multiplexing Techniques for Fiber Bragg Grating Strain-Sensors" Optical Sciences Division Naval Research Laboratory (NRL) Code 5674, verteilt von NRL beim SPIE Herbsttreffen 1996 (Denver, CO); das amerikanische Patent 5,426,297 (J. R. Dunphy et al.), das am 20. Juni 1995 erteilt wurde; Y-j. Rao und D. A. Jackson (1996) "Universal Fiber-Optic Point Sensor System for Quasi-Static Absolute Measurements of Multiparameters Exploiting Low Coherence Interrogation." J. Lightwave Technol. 14(4): 592–600; Y-j. Rao et al. (1996) "Strain sensing of modern composite materials with a spatial/wavelength-division multiplexed fiber grating network." Optics Letters 21(9): 683–685 und die darin zitierten Literaturstellen.
  • Faser-Bragg-Gitter können eine Schmalbandantwort um eine einzelne Wellenlänge erzeugen (wobei sie ein Schmalbandpeak beugen oder das Leuchtspektrum mit einer Schmalbandkerbe oder -loch durchlassen). Die Dotierungsmittel, die benutzt werden, um den Beugungsindex in den Zentren der optischen Fasern zu erhöhen, sind fotosensitiv. Ein Beugungsmuster, das eine einzelne Schmalbandwellenlänge des Lichtes beugt, kann in das Zentrum geschrieben werden, indem eine Einzel-Modenfaser interferrierende Strahlen von UV-Licht oder einer geeigneten Maske ausgesetzt wird. Das sich daraus ergebende Faser-Bragg-Gitter (FBG) lässt alle anderen Wellenlängen passieren, die durch die Einzel-Modenfaser geleitet werden, und reflektiert fast vollständig (bis zu 99,9%) das Licht, das die Bragg-Bedingung erfüllt (λ = 2s, die Bragg-Beugungswellenlänge), wobei s der Abstand des Gitters ist. Wenn das FBG auf einer Struktur angebracht wird (typischerweise eine Struktur, die sehr viel größer als das Gitter selber ist), dann werden der Gitterabstand und die entsprechend gebeugte Wellenlänge des FBG von der Verspannung, der Temperatur, des Drucks usw. in der Struktur in Abhängigkeit von der angebrachten Konfiguration beeinflusst und können und zu deren Messung verwendet werden.
  • Ein Sensorsystem wird gebildet, indem eine Anzahl von FBG erzeugt wird (üblicherweise weist jedes eine verschiedene Bragg-Wellenlänge auf), die entlang einer einzelnen optischen Faser beabstandet sind, um ein hoch muliplexes Sensorsystem zu erzeugen, das bei verschiedenen Wellenlängen beugt. Es können auch Sensorsysteme gebildet werden, bei denen mehrfache FGB (verschiedener Wellenlänge) in demselben Bereich einer Faser gebildet werden.
  • FGB sind seit neuerer Zeit zu relativ geringen Kosten einfach kommerziell erhältlich und es wird vorhergesagt, das sie extensiv in Multiwellenlängen-Telekommunikationssystemen verwendet werden. Somit gibt es einen steigenden Bedarf für Vorrichtungen und Verfahren für Abfrage von Sensoren, Telekommunikation und verwandten Systemen, die FBG verwenden. Insbesondere gibt es einen Bedarf für Vorrichtungen und Verfahren, die eine präzise, genaue und reproduzierbare Bestimmung der Wellenlänge ermöglichen, die von den FBG gebeugt werden (oder ersatzweise der durchgelassenen Kerben).
  • Wellenlängenmessungen zu Sub-Picometerbereichen kann mit abstimmbaren Faser-Fabry-Perot-Filtern (FFP-TF) erreicht werden. Insbesondere der linsenlose Ganzfaser-FFP-TF ist mechanisch robust und arbeitet, wenn die Temperatur geeignet kompensiert wird, mit geringen Temperaturvariationen von –20°C bis +80°C und hat einen Zuverlässigkeitsrekord in dem Bereich von weniger als 500 FITS (failure interval times). Allerdings haben die Kosten, die Größe, der Stromverbrauch der Steuerschaltung und die Erfordernis für einen FFP-TF pro Wellenlänge, ihren Gebrauch in dichten Multiwellenlängen-Telekommunikationssystemen ausgeschlossen; vielmehr haben für solche Systeme als dichte Demultiplexbauteile FBG weit verbreitete Anwendung gefunden.
  • FFP-TF, die als Abtast-Interferrometer benutzt werden, können aufgrund der hohen mechanischen Auflösung der piezoelektrischen Aktuatoren (PZT), die für das Abstimmen der optischen Multipass-Doppelspiegel-Kavität benutzt werden, extrem geringe Wellenlängenverschiebungen messen. Frühe Arbeiten zum Gebrauch von FFP-TF zum Messen von Wellenlängenverschiebungen in gebeugten FBG mangelte es an Wellenlängenbezugs punkten für die Langzeitstabilität und es wurde rudimentäre Softwaresteuerung benutzt. Siehe: A. D. Kersey et al. (1993) oben; E. J. Friebele et al. (1994) oben; A. D. Kersey et al. (1995) oben und A. D. Kersey (1996) oben.
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Abfragesendersystems. Eine Objektlichtquelle 1 ist über eine 1 × 2 Frequenzweiche 2 an ein Bezugsfaser-Bragg-Gitter (FBG) 3, das wahlweise in einer temperaturgesteuerten Umgebung 4 untergebracht ist, und an FBG 12, 13 und 14 unbekannter Wellenlänge optisch gekoppelt (optische Kopplung ist in allen Blockdiagrammen durch dicke Linien angedeutet). Die Frequenzweiche 2 ist auch optisch mit einem Scanner 20 gekoppelt, der einen abstimmbaren Faser-Perot-Filter (FFP-TF) 21, einen Fotodetektor 22, ein Differenzierglied 23, einen Null-Durchgangsdetektor 24, einen piezoelektrischen Wandler (PZT) 25, einen Durchlaufgenerator 26, einen Zähler 27, einen Takt 28 und einen Datenzwischenspeicher 29 enthält. Die Frequenzweiche 2 ist über den abstimmbaren Faser-Perot-Filter (FFP-TF) 21 an den Fotodetektor 22 optisch gekoppelt. Der Fotodetektor 22 ist über das Differenzierglied 23 und den Null-Durchgangsdetektor 24 an den Datenzwischenspeicher 29 elektrisch gekoppelt. Der Takt 28 ist elektrisch an den Zähler 27 gekoppelt, der seinerseits über den Durchlaufgenerator 26 mit dem PZT 25 elektrisch gekoppelt ist. Der PZT 25 ist mechanisch mit dem FFP-TF 21 gekoppelt. Der Durchlaufgenerator 26 und der Datenzwischenspeicher 29 sind mit dem Computer 40 elektrisch gekoppelt.
  • Beim Betrieb wird das breite Spektrumlicht an der Objektlichtquelle 1 über die Frequenzweiche 2 gekoppelt und beleuchtet die FBG 3, 12, 13 und 14. Licht der spezifischen Wellenlänge von jeder der FBG wird durch die Frequenzweiche zurückreflektiert und ein Teil des reflektierten Lichts wird an den FFP-TF 21 gekoppelt. Licht der Wellenlänge, auf die der FFP-TF 21 abgestimmt ist, gelangt durch an den Detektor 22. Der elektronische Taktgeber 28 führt eine Pulskette zu, um den Zähler 27 zu betreiben, der einen numerischen Wert n erzeugt, der proportional zur Zeit ist. Der numerische Wert n in dem Zähler 27 wird an den Durchlaufgenerator 26 durchgegeben, der dem PZT 25 ein n proportionales Durchlaufsignal zuführt. In Abhängigkeit von dem Durchlaufsignal erzeugt der PZT 25 dann eine mechanische Bewegung, die den FFP-TF ungefähr linear zu dem numerischen Wert n im Zähler 27 auf die entsprechenden Wellenlängen einstellt (indem die FFP-Kavitätslänge verändert wird). Der Zähler 27 führt seine numerischen Werte auch dem Datenzwischenspeicher 29 zu. Beim üblichen Betrieb wird der Zähler 27 zurückgestellt und zählt dann die Pulse vom Taktgeber 28 linear hinsichtlich der Zeit. Der Durchlaufgenerator 26 erzeugt eine lineare Durchlaufspannungsrampe ν von den numerischen Werten n, die von dem Zähler 27 zugeführt werden, und legt sie an den PZT 25 an, der seinerseits eine ungefähr lineare Bewegung an den FFP-TF 21 anlegt. Wenn der FFP-TF 21 durch das Wellenlängenspektrum durchläuft, erscheint das Licht, das von jedem der FBG reflektiert wird, an dem Eingang des Fotodetektors 22 zu einer bestimmten Zeit t und zu einem bestimmten numerischen Wert n. Der Fotodetektor 22 erzeugt ein elektrisches Signal h, das proportional zu der Intensität des Lichtes ist, das auf ihn fällt. Dies ist in 11 dargestellt, die eine Darstellung von h 103 und eine Darstellung von ν 101 gegen t (oder n) ist. Das Differenzierglied 23 erzeugt ein Signal dh/dt (oder dh/dn), das einen Null-Durchgang bei jeder Wellenlänge λ aufweist, bei der ein FBG eine maximale Reflexion bewirkt. Dies ist in 14 dargestellt, die eine Darstellung von dh/dt gegen t (proportional zu n) ist. Das Signal dh/dt wird dem Null-Durchgangsdetektor 24 zugeführt, der ein Null-Durchgangssignal produziert, das coinzident mit dem Null-Durchgang von dh/dt ist. Das Null-Durchgangssignal wird an dem Datenzwischenspeicher 29 angelegt, der jeweils den Wert von n erfasst, wenn ein Null-Durchgang auftritt. Über Haltesteuerleitungen 31 fragt der Computer 40 asynchron den Datenzwischenspeicher 29 ab und empfängt die gespeicherten Werte von n, bei denen die Null-Durchgänge auftraten, über die Datenleitungen 32. Der Computer 40 stellt auch Steuersignale und Ruhevorspannungsdaten an den Durchlaufgenerator 26 bereit und seinerseits über Durchlaufsteuerleitungen 33 an den Zähler 27.
  • Mit diesem Verfahren kann eine Beziehung zwischen den Zählerwerten n und den Wellenlängen λ, bei denen Peakbeugungen von den Faser-Bragg-Gittern (FBG) auftreten, erhalten werden.
  • Der FBG-Abfragesender von 1 kann zwischen 1.520 nm bis 1.570 nm (dem Haupttelekommuniationsfenster, in dem die meisten FBG betrieben werden) mit sehr ho her Auflösung (1 μ-Verspannung) für kurzfristiges mechanisches Messen betrieben werden. Ein mit einer Standardanschlussleitung angeschlossener LED kann genügend Breitbandleistung bereitstellen, um bis zu 32 Gitter (FBG) zu beleuchten, und ein sensitiver Null-Durchgangsdetektor kann Wellenlängenverschiebungen weniger 1/10 Picometer über einen 50 nm Wellenlängenbereich erfassen. Allerdings werden Wellenlängennullpunktverschiebungen in diesem Wellenlängenhochauflösungssystem beobachtet, die vielfach größer als die Sub-μ-Verspannungsauflösung sind, was den Bedarf für Wellenlängenbezugspunkte hoher Genauigkeit demonstriert. Die Schwierigkeit liegt in der Kalibrierung der Instrumente mit hinreichender Genauigkeit, um die sehr geringen Veränderungen in der Wellenlänge zu messen, die durch die Spannungsänderungen in einer Faser hervorgerufen werden oder die Messungen in den Wellenlängen mit sehr engen Toleranzen durchzuführen.
  • Bei dem System von 1 stellt das Bezugs-FBG nur einen Bezugspunkt in einer Darstellung von h gegen n dar. Die FFP-TF und die PZT sind nicht perfekt linear und daher ist ein Mittel zum Bereitstellen mehrerer Bezugspunkte über dem gewünschten Wellenlängenspektrum notwendig, um die Genauigkeit über das Spektrum zu gewährleisten. Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Bezugssystem mit mehreren kalibrierten Bezugspunkten über ein Wellenlängenspektrum zur genauen Kalibrierung von Abfragesystemen wie. z. B. denen von 1 bereitzustellen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung ist ein Bezugssystem für einen optischen Wellenlängenscanner oder ein Analysegerät optischer Spektren, das zum Messen oder Identifizieren der Wellenlänge der Strahlung benutzt wird, die von optischen Vorrichtungen emittiert oder reflektiert werden. Das Bezugssystem kombiniert ein festes Faser-Fabry-Perot-Filter (festen FFP), das eine Anzahl von sehr genau beabstandeten Wellenlängen produziert (im Nachfolgenden auch als Kamm bezeichnet), mit einem Faser-Bragg-Gitter (FBG), das eine Bezugswellenlänge zum Identifizieren der Wellenlängen bereitsteht, die durch das feste FFP-Filter produziert werden. Die Erfindung stellt Abfragesendersysteme insbesondere für FBG-basierte Sensorsysteme und Analysiergeräte optischer Spektren bereit, die das erfindungsgemäße Bezugssystem verwenden. Die Erfindung stellt Mess- und Wellenlängenabfrageverfahren, die das Bezugssystem verwenden, und Verfahren zur Kalibrierung optischer Wellenlängenscanner, Analysiergeräte optischer Spektren und verwandter Wellenlängenmessvorrichtungen bereit, die das Bezugssystem verwenden. Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Nutzen einer kalibrierten Schmalbandlichtquelle (z. B. einer Schmalbandlaserquelle) bereit, um die festen FFP-Filter und das Bezugs-Faser-Bragg-Gitter zu kalibrieren, die in dem System dieser Erfindung benutzt werden.
  • Das Bezugssystem enthält einen optischen Pfad zum Verbinden eines Scanners und zweier optischer Zweige, einem Messzweig, der die Vorrichtung (oder die Vorrichtungen) enthält, die getestet werden (d. h. durch Messen oder Identifizieren der Wellenlänge, die durch die Vorrichtung erzeugt wird) und einem Bezugszweig, der den festen FFP-Filter enthält. Beim Betrieb werden der Bezugs- und der Messzweig periodisch vorzugsweise mittels einer Breitbandlichtquelle beleuchtet, und in den spezifischen Ausführungsbeispielen werden die Zweige abwechselnd beleuchtet (wenn der Bezugszweig beleuchtet wird (d. h. während einer Bezugsbeleuchtungsperiode) wird der Messzweig nicht beleuchtet, und wenn der Messzweig beleuchtet wird (d. h. während einer Messbeleuchtungsperiode) wird der Bezugszweig nicht beleuchtet). Während jeder Beleuchtungsperiode wird ein abstimmbarer FFP-Filter, der in dem Scanner angebracht ist und Licht von einem der Zweige (abhängig davon, welcher Zweig beleuchtet wird) an einen Fotodetektor gekoppelt, über das gewünschte Wellenlängenband durchlaufen (oder gescannt). Ein einzelner Scan oder mehrfache Scans können während einer gegebenen Beleuchtungsperiode durchgeführt werden. Wenn der FFP-TF das Wellenband durchläuft, werden die Wellen, bei denen Peaks (oder Kerben) in dem Detektorausgang auftreten, durch das System festgehalten. Da der feste FFP-Filter und die Vorrichtung im Test periodisch beleuchtet werden, werden der Bezugs- und der Messzweig unabhängig voneinander gescannt. Allerdings sind die einzelnen Scans der FFP-TF identisch während der Mess- und der Bezugsbeleuchtungsperioden, und daher können die Peaks in dem Ausgang des Gerätes im Test durch Interpolation zwischen den Peaks des festen FFP-Filters erhalten werden. Die Beleuchtungsperioden des Bezugs- und des Messzweiges brauchen nicht dieselbe Länge aufzuweisen und brauchen sich nicht über dieselbe Anzahl von Filterscans zu erstrecken. Die Zweige können allerdings abwechselnd durch abwechselnde Scans des abstimmbaren FFT beleuchtet werden. Bei einem Rausch-begrenzten System sind abwechselnde Beleuchtungen der Zweige oder abwechselnde Scans des abstimmbaren Filters vorzuziehen. Der Bereich der und die Trennung zwischen den Peaks des festen FFP-Filters werden durch Kalibrierung bestimmt. Allerdings kann es nach der Kalibrierung extrem schwierig sein, einen bestimmten Peak als einen bekannten Bezugspunkt unter den vielen dicht beabstandeten Zähnen des Kammes der Peaks entlang des Durchganges zu identifizieren. Daher wird ein Bezugs-Faser-Bragg-Gitter (FBG), das entweder in dem Messzweig oder in dem Bezugszweig untergebracht ist, benutzt, um einen einzelnen Wellenlängen-Peak bzw. -Kerbe bereitzustellen, beziehungsweise um einen bestimmten der Peaks des festen FFP-Filters als einen bekannten Bezugspunkt positiv zu identifizieren (oder zu markieren). Normalerweise ist die Wellenlänge des Bezugs-FBG-Peaks irgendwo zwischen den zwei bestimmten Peaks von dem festen FFP-Filter angeordnet (ersatzweise kann der Bezugs-FBG-Peak ausgewählt werden, um mit der Wellenlänge eines der FFP-Peaks zu übereinstimmen), und daher kann er benutzt werden, um die Wellenlänge eines Peaks in dem FFP-Filterkamm zu identifizieren.
  • Das Bezugssystem der Erfindung kann mit einer Vielzahl von abstimmbaren Filtern kombiniert werden, um die Wellenlängen, die von FBG reflektiert oder durchgelassen werden oder die Wellenlänge zu bestimmen, die von anderen optischen Vorrichtungsbauteilen oder Wellenlängenquellen erzeugt, emittiert oder reflektiert werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Wellenlängenabfragesystems ohne das Bezugssystem der Erfindung.
  • 2 zeigt ein reflektierendes Sensorsystem der Erfindung mit dem Bezugs-FBG in dem Objektzweig.
  • 3 zeigt ein reflektierendes Sensorsystem der Erfindung mit dem Bezugs-FBG in dem Bezugszweig.
  • 4 zeigt ein Sende-Sensorsystem der Erfindung mit dem Bezugs-FBG in dem Objektzweig.
  • 5 zeigt ein Sende-Sensorsystem der Erfindung mit dem Bezugs-FBG in dem Bezugszweig.
  • 6 zeigt ein Fernquellensystem der Erfindung mit dem Bezugs-FBG in dem Objektzweig.
  • 7 zeigt ein Fernquellensystem der Erfindung mit dem Bezugs-FBG in dem Bezugszweig.
  • 8 zeigt ein Schmalbandquellensystem der Erfindung mit dem Bezugs-FBG in dem Objektzweig.
  • 9 zeigt ein Schmalbandquellensystem der Erfindung mit dem Bezugs-FBG in dem Bezugszweig.
  • 10 zeigt ein Abfragesystem mit einem Bezugszweig der Erfindung mit einer einzelnen Lichtquelle.
  • 11 ist eine Darstellung der Wellenlängenantwort auf einem beispielhaften festen FFP-Filter.
  • 12 ist eine Darstellung der Wellenlängenantwort auf einem beispielhaften FBG.
  • 13 ist eine Überlagerung der Darstellungen des festen FFP-Filters und des FBG von den 11 und 12.
  • 14 ist eine Darstellung der Ableitung der Antwort des festen FFP-Filters.
  • 15 ist eine Darstellung der Ableitung der Antwort des FBG.
  • 16 ist eine Überlagerung der Darstellung der Ableitung des festen FFP-Filters und des FBG der 14 und 15.
  • 17 ist eine Explosionsdarstellung von 16, das die Darstellung der Ableitung des ersten FBG zeigt.
  • 18 ist eine Explosionsdarstellung von 16, das die Darstellung der Ableitung des dritten FBG zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Zusätzlich zu seiner wörtlichen Bedeutung wird der Ausdruck "Wellenlänge" wie allgemein üblich und auch hier gebraucht, in Kontextzusammenhang gebraucht, um Strahlung oder einen Peak oder eine Kerbe in der Strahlungsintensität bei einer bestimmten Wellenlänge zu bedeuten (z. B. "die Vorrichtung produziert eine Wellenlänge von 1.510 nm"). Der Ausdruck "Resonanzwellenlänge" bezieht sich auf die Wellenlänge, bei der in der Ausgabe eines FFP-Filters ein Peak auftritt. Der Ausdruck "Bragg-Wellenlänge" bezieht sich auf die Wellenlänge, bei der ein Peak oder eine Kerbe in der reflektierten bzw. der durchgelassenen spektralen Ausgabe eines FBG auftritt. Auch sind hier die Ausdrücke Licht und Beleuchtung nicht auf das sichtbare Licht begrenzt, sondern umfassen auch die elektromagnetische Strahlung in dem infraroten und ultravioletten Bereich.
  • In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugsziffern gleiche Eigenschaften und eine Bezugsziffer, die in mehr als in einer Figur auftritt, bezieht sich auf dasselbe Bauteil. Die Zeichnungen und die folgende detaillierte Beschreibung zeigt bestimmte Ausführungsformen der Erfindung. Viele bestimmte Details einschließlich Materialien, Maße und Produkte werden gegeben, um die Erfindung zu illustrieren und ein tieferes Verständnis der Erfindung zu liefern. Allerdings ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung auch ohne diese bestimmten Details ausgeführt werden kann.
  • 2 ist ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, ein reflektiver FBG-Sensor. Eine Objektlichtquelle 1 ist über eine Frequenzweiche 2 an ein Bezugs-Faser-Bragg-Gitter (FBG) 3, das in einer temperaturgesteuerten Umgebung 4 angebracht sein kann, um für eine Temperaturstabilisation zu sorgen, und an einer Anzahl von FBG unbekannter Wellenlängen (z. B. eine beliebige Anzahl von Sensor-FBG) optisch gekoppelt, die hier durch die drei FBG 12, 13 und 14 dargestellt sind. Eine Bezugslichtquelle 8 ist über ein festes FFP-Filter 7 (das in einer temperaturgesteuerten Umgebung angebracht sein kann, um Temperaturstabilisation bereitzustellen), ein Bandpassfilter 6 und einen optischen Isolator 5 an die Frequenzweiche 2 optisch gekoppelt. Wie in der Figur gezeigt, ist bei einem bevorzugten Aufbau das feste FFP-Filter in derselben temperaturgesteuerten Umgebung wie der Bezugs-FBG 3 untergebracht. Die Frequenzweiche 2 ist auch optisch mit dem Scanner 20 gekoppelt, der elektrisch mit einem Computer 40 gekoppelt ist. Der Scanner 20 enthält auch eine Lichtquellensteuerung 30, die mit dem Durchlaufgenerator 26 verbunden ist. Die Lichtquellensteuerung 30 ist elektrisch mit der Objektlichtquelle 1 und einer Bezugslichtquelle 8 gekoppelt.
  • Das System von 2 enthält einen optischen Pfad 19 mit zwei Zweigen: dem Messzweig 15 und dem Bezugszweig 16. Der Messzweig 15 koppelt über die Frequenzweiche 2 die Vorrichtung, dessen Wellenlänge zu bestimmen ist, in diesem Fall die FBG 12, 13 und 14, an den Scanner 20. Der Bezugszweig 16 koppelt den festen FFP-Filter 7 (den Präzisionsbezugspunkt) mit seinen unterstützenden Bauteilen über die Frequenzweiche 2 an den Scanner 20.
  • Beim Betrieb kann zu einer gegebenen Zeit nur die Objektlichtquelle 1 oder die Bezugslichtquelle 8 eingeschaltet sein. In Abhängigkeit von den Signalen des Durchlaufgenerators 26 werden die Quellen 1 und 8 durch die Lichtquellensteuerung 30 ein- und ausgeschaltet. Wenn die Quelle 1 eingeschaltet ist, funktioniert das System wie vorher in 1 beschrieben. Während der Zeit, in der die Quelle 1 eingeschaltet ist, durchläuft der Scanner das Wellenlängenspektrum und die Zählervariablen n, die der Wellenlänge λ für den Reflexionspeak von jeder FBG entsprechen, werden von dem Datenzwischenspeicher 29 erfasst. Wenn die Bezugslichtquelle 8 eingeschaltet ist, wird das Breitbandspektrumslicht von der Quelle 8 an das feste FFP-Filter 7 gekoppelt, das das maximale Licht nur bei spezifischen und genau getrennten Wellenlängen übermittelt. Das Licht vom Filter 7 gelangt durch das Bandpassfilter, das Licht nur innerhalb eines gewünschten Wellenlängenspektrums durchlässt. Das Licht gelangt dann von dem BPF 6 über einen optischen Isolator 5 (der das reflektierte Licht von dem wiedereintretenden FFP-Filter 7 sperrt) und die Frequenzweiche 2 an den Scanner 20. Während die Bezugsquelle 8 eingeschaltet ist, durchläuft der Scanner wieder das Wellenlängenspektrum und es werden zu dieser Zeit die Zählervariablen n, die den Wellenlängen λ für jeden der Transmissionspeaks des fe sten FFP-Filters 7 entsprechen, von dem Datenzwischenspeicher 29 erfasst. Die Transmissionspeaks des festen FFP-Filters 7 (Bezugssignal) sind in 11 dargestellt, die eine Darstellung der Lichtintensität h 102 und eine Darstellung der Durchlaufspannung ν 101 gegen die Zeit t (oder gegen die Zählervariablen n) ist. 12 stellt die Reflexionspeaks der FBG (Objektsignal) in einer Darstellung von h 103 gegen t dar. 13 ist eine Überlagerung der Darstellungen 102 und 103, die die Beziehung zwischen den Objekt- und Bezugssignalen zeigt. Die 14 bis 16 stellen die abgeleiteten Signale dh/dn für das Bezugssignal 104, das Objektsignal 105 bzw. die Überlagerung der Bezugs- und Objektsignale dar. 17 ist eine zeitlich vergrößerte Darstellung von 16, die den Bezugs-FBG-Null-Durchgang 106 von FBG 3 zeigt, der benutzt wird, um den dritten Null-Durchgang 107 von dem festen FFP-Filter 7 zu identifizieren. Die verringerte Amplitude des festen FFP-Signals 104 auf der linken Seite der Spur ist durch den Abfall des Bandpassfilters 6, der Spektralantwort der Lichtquelle und der Wirkung der anderen optischen Vorrichtungen in dem System bedingt. 18 ist auch eine zeitlich gedehnte Darstellung von 16, die zwischen den zwei Null-Durchgängen 109 und 110 von dem festen FFP-Filter 7 einen unbekannten FBG-Null-Durchgang 108 von dem FBG 13 zeigt. Da der Null-Durchgang 106 von dem FBG 3 benutzt wird, um einen bestimmten Null-Durchgang 107 (z. B. den dritten) von dem FFP-Filter 7 zu identifizieren, und da der Datenfestspeicher 29 daraufhin für jeden Null-Durchgang des Filters 7 einen Wert n speichert, kann der Computer 40 die Daten von dem Datenzwischenspeicher 29 holen und die Null-Durchgänge des Filters 7 von dem einen identifizierten 107 bis zu dem unbekannten FBG-Null-Durchgang 108 zählen. Der Computer kann dann zwischen den zwei Null-Durchgängen 109 und 110 des Filters 7, einer auf jeder Seite des unbekannten Null-Durchganges 108, interpolieren, um genau die Wellenlänge des unbekannten Null-Durchganges zu bestimmen.
  • Obwohl die genaue Beziehung zwischen einem beliebigen Zählwert n und einer entsprechenden Wellenlänge λ des abstimmbaren FFP-Filters 21 (1) nicht genau vorhergesagt werden kann, können genaue Messungen durchgeführt werden, wenn der Ort eines unbekannten Peaks zwischen zwei Zähnen des Kamms (oder übereinstimmend mit einem Kammpeak) durch Interpolation mittels eines festen FFP-Filters zur Herstellung eines Kammes von genau lokalisierten und getrennten Bezugspunkten und eines Bezugs-FBG 3 zur Identifizierung eines Zahns des Kamms als ein bekannter Bezugspunkt errechnet wird.
  • 3 ist ein Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels, das ähnlich zu dem oben für 2 beschriebenen ist, außer dass das Bezugs-FBG 3 in dem optischen Bezugszweig 16 anstelle von dem Messzweig 15 angebracht ist. Es ist dargestellt, dass der FBG 3 zwischen dem festen FFP-Filter 7 und dem Bandpassfilter 6 angeordnet ist. Der Bezugs-FBG 3, der feste FFP 7 und das Bandpassfilter können allerdings in einer beliebigen Reihenfolge entlang des Bezugszweiges angeordnet sein. Der Isolator sollte an dem Ende des Zweiges angeordnet sein, um Reflexionen in dem Zweig zu vermeiden. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Bezugslicht durch das FBG 3 geleitet, anstatt von ihm reflektiert zu werden. Eine Charakteristik von dem FBG ist, dass sie bei ihrer Bragg-Wellenlänge reflektieren und die Durchleitung von Licht sperren. Im Ausführungsbeispiel ergibt sich, dass das von dem Scanner an das FBG 3 angelegte Licht ein Breitbandspektrum mit einer Kerbe oder einem Loch bei der Resonanzwellenlänge des FBG 3 anstelle eines Peaks wie in dem Fall von 2 ist. Mit anderen Worten weist das Bezugsspektrum nun einen Pegel oder ein Plateau mit sowohl einem Peak-Kamm von dem FFP-Filter 7 als auch eine Kerbe von dem FBG 3 auf. Das FBG 3 produziert eine Kerbe bei seiner Resonanzwellenlänge in dem Spektrum von Wellenlängen, die durch den FFP-Filter 7 gelangt sind. Sein Ort kann durch einen Null-Durchgang des entgegengesetzten Vorzeichens von dem des Peaks des festen FFP-Filterkamms erkannt werden. Andererseits ist der Betrieb des Systems im Wesentlichen gleich dem Vorbeschriebenen, außer dass der Null-Durchgang des FBG nun bei einer Kerbe anstelle eines Peaks auftritt (und die Null in der entgegengesetzten Richtung kreuzt). Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass alle Bezugspunkte in demselben optischen Zweig angebracht sind und durch dieselbe Bezugslichtquelle zu derselben Zeit beleuchtet werden.
  • 4 ist ein Diagramm für ein drittes Ausführungsbeispiel, das auch ähnlich zu dem oben für 2 beschrieben ist, außer dass die Objektlichtquelle 1 an das FBG 14 anstelle der Frequenzweiche 2 gekoppelt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das analysierte Licht das Licht, das durch die FBG geleitet wird, anstelle des Lichtes, das durch sie reflektiert wird. Das Ergebnis ist, dass das von dem FBG dem Scanner zugeführte Licht ein breites Spektrum mit Kerben bei den Bragg-Wellenlängen der FBG anstelle der Peaks wie in dem Fall von 2 ist. Im Übrigen ist der Betrieb des Systems im Wesentlichen der gleiche, außer dass die FBG Null-Durchgänge nun an den Kerben anstelle der Peaks auftreten (und die Null in der entgegengesetzten Richtung kreuzen).
  • 5 ist ein Diagramm eines vierten Ausführungsbeispiels, das ähnlich dem oben für 3 beschrieben ist, außer dass die Objektlichtquelle 1 mit dem FBG 14 anstelle der Frequenzweiche 2 gekoppelt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist wie in 4 das analysierte Licht das Licht, das durch die FBG geleitet wird. Das Ergebnis ist, dass das Licht, das dem Scanner von dem Objekt FBG zugeführt wird, ein breites Spektrum mit Kerben bei dem Bragg-Wellenlängen der FBG anstelle der Peaks wie in dem Fall von 3 ist. Der Betrieb des Messzweiges des Systems ist im Wesentlichen der Gleiche wie in 4, und der Betrieb des Bezugszweiges ist so wie für 3 beschrieben.
  • 6 ist ein Diagramm eines fünften Ausführungsbeispiels, das ähnlich dem von 4 ist, außer dass eine externe (oder ungesteuerte) Breitbandlichtquelle 9 als die Objektlichtquelle benutzt wird und ein optischer Schalter 10 zwischen der Quelle 9 und dem FBG 14 eingefügt ist. Dieses Ausführungsbeispiel arbeitet gleich dem aus 4, außer dass die Lichtquellensteuerung 30 nun die Beleuchtung der FBG durch Betätigung eines optischen Schalters 10 anstelle der Quelle 9 steuert.
  • 7 ist ein Diagramm eines sechsten Ausführungsbeispiels, das ähnlich dem von 6 ist, außer dass wie in den 3 und 5 das Bezugs-FBG 3 in den optischen Bezugszweig 16 anstelle des Messzweiges 15 angeordnet ist. Dieses Ausführungsbeispiel funktioniert gleich dem aus 5, außer dass die Lichtquellensteuerung 30 nun die Beleuchtung der FBG durch Betätigung des optischen Schalters 10 anstelle der Quelle 9 steuert.
  • 8 ist ein Diagramm eines siebten Ausführungsbeispiels, in dem eine externe Quelle von Schmalbandwellenlängenlicht, das durch die Schmalbandquelle 11 angedeutet wird, gemessen, identifiziert oder benutzt werden kann, um den Bezugspunkt selber zu kalibrieren. Zur Kalibrierung sind mindestens zwei Schmalbandwellenlängen erforderlich oder es kann eine abstimmbare Wellenlängenquelle verwendet werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich zu dem in 6 gezeigten, außer dass nur das Bezugs-FBG 3 in dem Messzweig verbleibt und die Objektlichtquelle 1 an die Frequenzweiche 2 wie in 2 gekoppelt ist. Beim Betrieb werden die Objektlichtquelle 1 und der optische Schalter 10 zur selben Zeit bei einem abwechselnden Durchlauf (scan) des abstimmbaren Filters aktiviert und die Bezugslichtquelle 8 wird während des anderen Durchlaufes aktiviert. Das Licht von der Schmalbandquelle 11 und das Licht, das von dem FBG 3 reflektiert wird, werden beide von dem Scanner während des Mess-Scans gesehen. Der Reflexionspeak von dem FBG 3 wird benutzt, um den Bezugspeak von dem festen FFP-Filter 7 zu identifizieren. Die Orte der Peaks von den zwei Schmalbandquellen 1 (oder zwei Peaks von einer einzelnen abstimmbaren Wellenlängenquelle), vorzugsweise durch einen signifikanten Unterschied in der Wellenlänge getrennt, können dann ausgemessen und benutzt werden, um die Bezugspunkte zu kalibrieren, indem deren Orte mit dem Kamm der Peaks von dem FFP-Filter 7 verglichen werden. Dieses Verfahren erlaubt die Berechnung des Abstands der Peaks in dem Kamm und die Bestimmung der Bezugswellenlänge eines Peaks.
  • 9 ist ein Diagramm eines achten Ausführungsbeispiels, das ähnlich dem von 7 ist, außer dass alle FBG von dem Messzweig 15 entfernt sind, der FBG 3 in dem Bezugszweig 16 angeordnet ist und die Breitbandquelle 9 durch eine Engbandquelle 11 ersetzt worden ist (oder durch zwei Engbandquellen oder durch eine abstimmbare Quelle ersetzt worden ist, die mindestens zwei Wellenlängen erzeugen kann, die vorzugsweise durch eine signifikante Wellenlänge getrennt sind, aber innerhalb des gewünschten Wellenlängenbereichs zur Kalibrierung liegen). Der Betrieb ist gleich dem in 8, aber da das Bezugs-FBG 3 sich in dem Bezugszweig wie in den 3, 5 und 7 befindet, ist eine Objektlichtquelle 1 nicht erforderlich.
  • Diese Ausführungsbeispiele der 8 und 9 (bei denen zwei Wellenlängen von Schmalbandquellen verwendet werden) können benutzt werden, um das Bezugssystem zu kalibrieren. Das Kalibrierungsverfahren umfasst den Gebrauch kalibrierter Laser (oder anderer kalibrierter Quellen) oder eines abstimmbaren Lasers als die Schmalbandquelle und den Gebrauch des Scanners, um die Laserwellenlänge relativ zu den Resonanzwellenlängen des festen FFP-Filters und der Bragg-Wellenlänge des Bezugs-FBG zu lokalisieren. Das Kalibrierungsverfahren ist ähnlich zu der Messung einer unbekannten Wellenlänge. Ein Kalibrierungssignal nahe der Wellenlänge des FBG wird gescannt und seine Zählerposition n durch Interpolation relativ zu der Bezugs-FBG-Position und der nächsten festen FFP-Filterposition lokalisiert. Dann wird eine kalibrierte Wellenlänge nahe des entgegengesetzten Endes des gewünschten Spektrums gescannt und seine Position durch Interpolation relativ zu der nächsten festen FFP-Filter-Position lokalisiert. Da bekannt ist, dass die festen FFP-Wellenlängen, d. h. die Zähne des Kamms, gleich beabstandet sind und die zwei kalibrierten Wellenlängen bekannt sind und relativ zu den zwei Zähnen positioniert sind, kann die Wellenlänge eines Zahns (der willkürlich als der erste Zahn bezeichnet wird) und der Wellenlängenabstand aller Zähne des Kamms bestimmt werden. Und da die Position des Bezugs-FBG relativ zu dem ersten Zahn bekannt ist, kann dessen Wellenlänge auch bestimmt werden. Auf diese Weise kann der erste Zahn immer durch seine Relativposition zu dem Bezugs-FBG identifiziert werden, und da dessen Wellenlänge und der Wellenlängenabstand zwischen den ganzen Zähnen bekannt ist, wird der Kamm ein Bezug mit einer Anzahl von Markierungen bei allen bekannten Wellenlängen.
  • 10 ist ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels, das ähnlich zu dem von 2 ist, bei dem eine einzelne Breitbandlichtquelle 9 Licht für sowohl den Messzweig als auch den Bezugszweig bereitstellt. Die Quelle 9 ist sowohl mit dem optischen Bezugsschalter 17 als auch dem optischen Messschalter 18 optisch gekoppelt. Der Schalter 17 ist optisch mit dem Bezugszweig 16 gekoppelt und der Schalter 18 ist über die Frequenzweiche 2 an dem Objektzweig 15 optisch gekoppelt. Die Lichtquellensteuerung 30 ist an die Schalter 17 und 18 elektrisch gekoppelt. Der Betrieb ist im wesentlichen gleich dem von 2, außer dass anstelle des abwechselnden Ein-Aus-Schaltens zweier Lichtquellen die einzelne Quelle 9 eingeschaltet bleibt und die zwei optischen Zweige 15 und 16 durch abwechselndes Schalten der optischen Schalter 17 und 18 unter der Steuerung der Lichtquellensteuerung 30 beleuchtet werden. Das Muster des Schaltens der optischen Schalter 17 und 18 steuert die Dauer und das relative Muster der Beleuchtungsperioden der Bezugs- und Messzweige.
  • Obwohl nur ein Beispiel einer einzelnen Lichtquelle beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass eine einzelne Lichtquellenanordnung auch für die anderen Ausführungsbeispiele einschließlich der der 2 bis 9 angewandt werden kann. Zum Beispiel kann der optische Schalter 18 für die Objektlichtquelle 1 in 4 ersetzt und an das FBG 14 anstelle der Frequenzweiche 2 gekoppelt werden.
  • Das Bezugssystem (d. h. die festen FFP) erzeugt üblicherweise einen Kamm der Wellenlängen, die voneinander ungefähr 0,1 bis 10 nm beabstandet sind. Innerhalb eines 50 nm (6.250 GHz)-Spektrums können sich typischerweise ungefähr 5 bis ungefähr 500 Wellenlängenpeaks befinden, die fast identische Abstände aufweisen. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen wird der feste FFP ausgewählt, um einen Kamm von Wellenlängen bereitzustellen, die ungefähr 1 nm voneinander beabstandet sind, was ungefähr 50 Peaks in einem 50 nm-Spektrum ergibt. Die Konfigurationen und Verfahren dieser Erfindung liefern eine genaue Identifikation dieser Peaks (Wellenlängen), was das Problem der Kalibrierung der Sensoren und der Abfragesysteme, besonders derer die auf den Gebrauch von FBG basieren, löst. Das Bezugs-FBG, das in dem erfindungsgemäßen Aufbau beschrieben ist, wird benutzt, um einen der Peaks des Kamms zur positiven Identifikation zu markieren, was die Schwierigkeit des Unterscheidens zwischen den eng beabstandeten Peaks beseitigt, die durch den festen FFP-Filter hergestellt werden. Die Kalibrierung bei zwei Wellenlängen (die vorzugsweise nahe den Enden des Wellenlängenbereiches beabstandet sind) liefert eine genaue Kalibrierung des Abstands des Kamms, der durch das feste FFP-Filter erzeugt wird.
  • Bei diesen beschriebenen bestimmten Konfigurationen durchläuft der Scanner das Wellenlängenspektrum einmal in 5 Millisekunden und der feste FFP-Bezugspunkt wird mit dem unbekannten FBG (oder einer Schmalbandlichtquelle) jeden zweiten Durchlauf verglichen. Dieses Verfahren, das abwechselnde Scans der Ausgabe des Bezugs- und des Messzweiges verwendet, wird für Rausch-begrenzte Systeme vorgezogen. Abwechselnde Scan/Beleuchtungsmuster können auch verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Messzweig beleuchtet werden und Daten für eine Anzahl von Scans gesammelt werden, bevor das System umgeschaltet wird, um Daten von dem Bezugszweig zu sammeln. Der Bezugszweig kann z. B. jeden zweiten Scan (abwechselnd), jeden zehnten Scan oder jeden hunderten Scan geprüft werden. Die Wahl der relativen Zweigbeleuchtung und des Scanmusters ist eine Sache der regelmäßigen Optimierung, die auf den verwendeten optischen Bauteilen unter Anwendung des Bezugssystems basiert. Im Allgemeinen stabilisiert allerdings das in dieser Erfindung verwendete Bezugsverfahren nicht nur das System gegen thermische und mechanische Messwertwanderungen, sondern berichtigt auch Nichtlinearitäten des Filters und der PZT. Durch genaue Interpolationsverfahren können FBG-Verschiebungen auf eine Genauigkeit von wenigen μ-Dehnungen über sehr lange Zeit dauernd gemessen werden.
  • Der Fachmann weiß, dass die hier dargestellten Konfigurationen auf eine Anzahl von Systemen angepasst werden kann. Konfigurationen mit verschiedenen Kombinationen von optischen Bauteilen wie z. B. Schaltern, Kupplern und LED- und ASE-Quellen sind für den Fachmann aufgrund dessen was dargestellt worden ist, einfach offensichtlich. Andere als die hier spezifisch beschriebenen optischen und elektrischen Konfigurationen und die optischen Bauteile und andere als die hier spezifisch beschriebenen Verfahren zum Sammeln von Daten und zum Durchführen des Datenvergleichs können alternativ in den Systemen und den Verfahren dieser Erfindung angewendet werden. Auch weiß der Fachmann, dass es funktionale Äquivalente der Bauteile (einschl. der optischen Vorrichtungselemente) in den dargestellten Konfigurationen gibt, die darin einfach ersetzt werden können oder für die einfache Anpassung möglich ist. All diese Variationen und funktionalen Äquivalente sind von der Erfindung umfasst. Einige werden in den folgenden Beispielen dargestellt.
  • Eine 2 × 2 optische Signalweiche wird gezeigt, die das Licht von den zwei Zweigen über die Leitung an den Scanner koppelt. Allerdings können auch andere herkömmliche Kopplungsvorrichtungen und -mittel verwendet werden. Optische Vorrichtungsbauteile, die das gesamte Licht oder nur einen Teil des Lichtes von einem optischen Pfad (oder einen Zweig) auf einen anderen ablenken, können mit einer einfachen Anpassung in dem Aufbau dieser Erfindung verwendet werden, um wie beschrieben, optisches Koppeln bereitzustellen.
  • Optische Schalter enthalten mechanische Verschlüsse, Polymerschalter und Flüssigkristallvorrichtungen, wie z. B. FLC-Verschlüsse, um einen Lichtpfad zu sperren. Andere optische Schaltvorrichtungen, die nützlich für diese Erfindung sind, enthalten solche, die Licht von einem Pfad zu einem anderen ablenken, anstatt nur einen Pfad zu blockieren. Eine besonders interessante Alternative zu Frequenzweichen und Schaltern ist eine optischer Zirkulator, der eine Anzahl von Anschlüssen aufweist. Licht, das in einen Anschluss des Zirkulators eintritt, tritt aus einem zweiten Anschluss aus, und Licht, das in diesen zweiten Anschluss eintritt, tritt aus einem dritten Anschluss aus usw. Zirkulatoren sind besonders interessant für die Minimierung der Signalverluste.
  • Verschiedene Arten und Typen von Lichtquellen können benutzt werden. Breitbandquellen können sich von Glühlampen zu herkömmlichen und Flanken aussendenden lichtausstrahlenden Dioden (LED und ELED) erstrecken. Schmalbandquellen schließen Laser und Breitbandquellen in Kombination mit mehrstufigen Filtern ein.
  • Der spezifische Aufbau mit linsenlosen FFP-TF wie z. B. denen, die in den Patenten beschrieben sind, die in dem Hintergrund der Erfindung zitiert sind, wurde beispielhaft beschrieben. Alternative einstellbare Vorrichtungen können wie das Wellenlängenscannen verwendet werden, einschl. ohne Beschränkung auf abstimmbare mikrooptische Filter (mit z. B. solchen Linsen, die kommerziell von Queensgate oder JDS erhältlich sind), abstimmbare akustisch-optische Filter, abstimmbare Beugungsgitter (durch Bewegen des Detektors oder durch Bewegen des Gitters abstimmbar) und Michelson Interferometer.
  • FBG und FFP-Filter sind temperatursensitiv, so dass deren Wellenlänge mit der Temperatur sich verändert. Es ist notwendig, die Wellenlängenbeziehung zwischen den Bezugs-FBG und den festen FFP-Filter zu erhalten, um zu gewährleisten, dass der korrekte Zahn des Kamms des FFP-Filters identifiziert wird. Dies kann durch verschiedene Verfahren erreicht werden. Beide Vorrichtungen können in einer temperaturgesteuerten Umgebung (dieselbe oder eine abgestimmte Umgebung) untergebracht werden oder an eine thermisch leitende Masse angebracht werden, die die Nachführung der Temperatur gewährleistet, so dass beide im Wesentlichen auf derselben Temperatur gehalten werden. Thermoelektrische Vorrichtungen können benutzt werden, um die Temperaturen zu regulieren. Verschiedene Verfahren der Temperaturkombination oder Temperaturstabilisation können auch verwendet werden, wie z. B. in den Patenten beschrieben, die in dem Hintergrund der Erfindung aufgelistet sind. Die Genauigkeit der FFP-Filterbezugspunkte kann auch durch Temperaturkompensation, Temperatursteuerung oder durch eine gemessene Kalibrierungskurve bestimmt werden, die die Wellenlänge und die Temperatur miteinander in Beziehung setzt. Der erforderliche Grad der Temperatursteuerung des FBG und der festen FFP-Bezugselemente hänge von der Wellenlängenvariation der Vorrichtungen mit der Temperatur ab, im Allgemeinen von der Anwendung des Bezugssystems und der gewünschten Genauigkeit der Kalibrierung. Wenn z. B. die Vorrichtung eine Variation von 10 Picometern (in Wellenlängen)/°C aufweist, dann muss die Temperatur auf 0,1°C gesteuert werden, um Messungen auf einen Picometer zu erlauben.
  • Die Messgenauigkeit kann durch wiederholtes Scannen des Spektrums und Mitteln, oder im Übrigen durch statistische Analyse der gemessenen Werte erhöht werden. Es ist daher erwünscht, einen Scanner zu haben, der sowohl aus den vorgenannten Gründen als auch zum Messen sich schnell ändernder Wellenlängen mit einer hohen Wiederholungsrate scannen kann, um die Wirkungen der thermischen und anderer Messwertwanderungen innerhalb des Scanners zu minimieren. Ein wesentlicher Vorteil, der sich daraus ergibt, dass nur die Wellenlängenwerte erfasst und gespeichert werden, bei denen Peaks oder Tal-Punkte auftreten ist, dass relativ wenig Daten erforderlich sind, um die Ergebnisse vieler Scans zu speichern.
  • Die hier beschriebenen spezifischen Konfigurationen haben die Messung von unbekannten Wellenlängen betont, wie z. B. derer, die von dem Sensor-FBG zurückreflektiert werden, deren Bragg-Wellenlängen durch Umweltveränderungen wie z. B. Dehnung oder Temperatur beeinflusst werden. Die Abfragesysteme, die das Bezugssystem dieser Erfindung verwenden, können auch dazu verwendet werden, welche Wellenlänge, die aus einer Anzahl von bekannten Wellenlängen erzeugt wird oder in einem Messzweig geleitet wird, zu identifizieren.
  • Zusammengefasst stellt die Erfindung ein Bezugssystem für einen Wellenlängenscanner zur Verfügung, der einen Kamm von bekannten Wellenlängenmarkierungen auf einen Scan von unbekannten Wellenlängen überlagert und damit die Wirkungen von Messwertwanderungen und Abweichungen von der Linearität in dem Scanner beseitigt. Da die Zähne des Kamms sich relativ nahe beieinander befinden und einen konstanten Abstand aufweisen, kann der Ort einer unbekannten Wellenlänge durch Interpolation zwischen seinen benachbarten Kammzähnen bestimmt werden.

Claims (14)

  1. Optischer Scanner zum Messen der Wellenlängen von Strahlung einer optischen Vorrichtung mit: einem Bezugssystem mit einem Bezugzweig (16) und einem Messzweig (15), wobei der Messzweig zum Koppeln zu der optischen Vorrichtung vorgesehen ist, einem festen FFP-Filter (7), d. h. Fabry-Perot, in dem Bezugszweig, einem FBG, d. h. Fiber-Bragg-Gitter (3; 12–14), in dem Messzweig oder dem Bezugszweig, Mitteln (1, 8) zum abwechselnden Beleuchten des Messzweigs und des Bezugszweigs, einem abstimmbaren Filter (21), das selektiv optisch an den Messzweig und den Bezugszweig gekoppelt werden kann, einem optischen Detektor (22), der optisch an das abstimmbare Filter gekoppelt ist, einem Differenzierer (23) der elektrisch an dem optischen Detektor gekoppelt ist, einen Null-Durchgangsdetektor (24), der elektrisch den Differenzierer gekoppelt ist, einer Daten-Haltevorrichtung (29), die elektrisch an den Null-Durchgangsdetektor gekoppelt ist, einem Betätigungsglied (25), das mechanisch an das abstimmbare Filter gekoppelt ist, einem Durchlaufgenerator (26), der elektrisch mit dem Betätigungsglied gekoppelt ist, einem Zähler (27), der elektrisch mit der Daten-Haltevorrichtung und dem Durchlaufgeneratur gekoppelt ist, und einer Lichtquellensteuerung (30), die elektrisch mit dem Durchlaufgenerator und dem Mittel zum abwechselnden Beleuchten des Subjektzweiges und des Bezugszweiges verbunden ist.
  2. Scanner nach Anspruch 1, wobei das Beleuchtungsmittel eine Bezugslichtquelle (8) aufweist, die mit dem Bezugszweig gekoppelt ist, und eine Subjektlichtquelle (1), die mit dem Messzweig verbunden ist.
  3. Scanner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, mit ferner einer Lichtquellensteuerung, die mit dem Scanner und der Subjektlichtquelle und der Bezugslichtquelle verbunden ist.
  4. Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bezugs-FBG in dem Messzweig ist.
  5. Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Bezugs-FBG in dem Bezugszweig ist.
  6. Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Beleuchtungsmittel eine Bezugslichtquelle aufweist, die mit dem Bezugszweig gekoppelt ist, einen optischen Schalter (10), der mit dem Messzweig gekoppelt ist, und eine Lichtquelle, die mit dem optischen Schalter gekoppelt ist.
  7. Scanner nach Anspruch 6 mit ferner einer Lichtquellensteuerung, die mit dem Scanner und mit dem optischen Schalter und mit der Bezugslichtquelle verbunden ist.
  8. Scanner nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Lichtquelle eine Breitbandquelle (9) ist.
  9. Scanner nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Lichtquelle eine Schmalbandquelle (11) ist.
  10. Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Beleuchtungsmittel einen ersten optischen Schalter (18) aufweist, der mit dem Messzweig gekoppelt ist, und einen zweiten optischen Schalter (17), der mit dem Bezugszweig verbunden ist, eine Lichtquelle, die mit dem ersten und dem zweiten optischen Schalter gekoppelt ist und eine Lichtquel lensteuerung, die mit dem Scanner und dem ersten und dem zweiten optischen Schalter verbunden ist.
  11. Scanner nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Beleuchtungsmittel einen optischen Verläufer aufweist, der mit dem Messzweig und dem Bezugszweig gekoppelt ist, eine Lichtquelle, die mit dem optischen Verläufer verbunden ist, und eine Lichtquellensteuerung, die mit dem Scanner und dem optischen Verläufer gekoppelt ist.
  12. Bezugssystem für einen optischen Scanner zur Messung von Wellenlängen von Strahlung einer optischen Vorrichtung mit: einem Bezugzweig (16) und einem Messzweig (15), wobei der Bezugszweig zur Kopplung mit der optischen Vorrichtung vorgesehen ist, einem festen FFP-Filter (7), d. h. feststehender Fabry-Perot, in dem Bezugszweig, einem FBG, d. h. Fiber-Bragg-Gitter (3; 12–14), in dem Messzweig oder dem Bezugszweig, und Mitteln (1, 8) zum wechselweisen Beleuchten des Messzweiges und des Bezugszweiges.
  13. Optischer Wellenlängenanalysator mit dem Bezugssystem von Anspruch von Anspruch 12.
  14. Verfahren zum Kalibrieren eines Scanners mit einem Bezugssystem nach Anspruch 9 mit: Kalibrieren der Schmalbandquelle, Abscanner der Schmalbandquelle, Lokalisieren einer kalibrierten Wellenlänge, die durch die Schmalbandquelle erzeugt wurde, relativ zu einer Wellenlänge, die durch das feste FFP-Filter erzeugt wurde, Lokalisieren einer kalibrierten Wellenlänge, die durch die Schmalbandquelle erzeugt wurde, relativ zu einer Wellenlänge, die durch das Bezugs-FBG erzeugt wurde.
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