EP2475971A1 - Vorrichtung zum auslesen eines spektral selektiven optischen messaufnehmers und messvorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum auslesen eines spektral selektiven optischen messaufnehmers und messvorrichtung

Info

Publication number
EP2475971A1
EP2475971A1 EP10752800A EP10752800A EP2475971A1 EP 2475971 A1 EP2475971 A1 EP 2475971A1 EP 10752800 A EP10752800 A EP 10752800A EP 10752800 A EP10752800 A EP 10752800A EP 2475971 A1 EP2475971 A1 EP 2475971A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
outputs
grating
measuring
transmission characteristics
sensor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10752800A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thorbjörn BUCK
Mathias Müller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Muenchen
Original Assignee
Technische Universitaet Muenchen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Muenchen filed Critical Technische Universitaet Muenchen
Publication of EP2475971A1 publication Critical patent/EP2475971A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/02—Details
    • G01J3/0256—Compact construction
    • G01J3/0259—Monolithic
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/1809—Echelle gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/1895—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating using fiber Bragg gratings or gratings integrated in a waveguide
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
    • G01J3/36—Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12007—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer
    • G02B6/12009—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides
    • G02B6/12019—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind forming wavelength selective elements, e.g. multiplexer, demultiplexer comprising arrayed waveguide grating [AWG] devices, i.e. with a phased array of waveguides characterised by the optical interconnection to or from the AWG devices, e.g. integration or coupling with lasers or photodiodes

Definitions

  • the invention relates to a device for reading at least one spectrally selective measuring sensor, which is formed in a light guide arrangement, comprising:
  • a spectrally selective grating arrangement by means of which an input signal, which is applied to the measuring input and which is assigned to the measuring sensor, can be distributed to the outputs assigned to the respective sensor,
  • An evaluation unit downstream of the detectors which determines a ratio of the detected by the detectors intensities.
  • the invention further relates to a measuring device which comprises the device for reading out a spectrally selective measuring transducer.
  • a measuring device which comprises the device for reading out a spectrally selective measuring transducer.
  • a device for reading a spectrally selective sensor is known from the publication SANO, Y. and YOSHINO, T. , Fast Optical Wavelength Interrogator Employing Arrayed Waveguide Grating for Distributed Fiber Bragg Grating Sensors, Journal of Lightwave Technology, Vol. 1, January 2003.
  • the Input signal spectrally dissected by means of a waveguide grating and distributed to outputs, each of which is assigned a photodetector.
  • the input signal comes to lie between transmission characteristics of the waveguide grating, which are assigned to the individual outputs.
  • the spectrum of the light reflected by the fiber Bragg grating changes. Accordingly, the spectral position of the input signal, that of the waveguide grating, changes to the corresponding one
  • a disadvantage of the known measuring device is the small range of ambient conditions detectable by the measuring device. With the known measuring device, a wavelength change of about 1 nm can be detected. This typically corresponds to a temperature range of 100 K or a strain range of 1000 ⁇ / m. However, in many applications larger measuring ranges are required. From the publication XIAO, G. et al, Miniaturized Optical Fiber Bragg Grating Sensor Interrogator Based on Echelle Diffractive Grattings in: Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 3, March 2007, there is also known a measuring device in which, instead of a waveguide grating, an Echelle grating is used for the distribution of the input signals to the outputs. In this measuring device is the temperature response of the echelle grating is used to determine the spectral position of the input signals.
  • the invention has the object to provide a device for reading at least one spectrally selective sensor with extended measuring range.
  • This object is achieved in that the transmission characteristics associated with the outputs partially overlap at a transmission value above a base value of the transmission characteristics set equal to one tenth.
  • the transmission value should be related to the power. Furthermore, below the tenth of the
  • Transmission characteristics to understand that value at which the transmission characteristics has only one tenth of the transmission value in the maximum of the respective transmission characteristic. This is the value at which the transmission has fallen by -10 dB from the transmission maximum.
  • the available measuring range is determined by the range in which the input signal falls within the range of two adjacent outputs. With a small spectral width of the input signal, therefore, the more the available transmission characteristics of the grid arrangement overlap, the greater the available measuring range. However, the transmission characteristics must not be congruent, since otherwise no change in the ratio of the measured intensities occurs. The transmission characteristics may therefore only partially overlap. Since the measuring range is greater, the more the transmission characteristics overlap, in another embodiment, the base value is set equal to the half-value.
  • the half-value should be understood here as the value at which the half-width of the respective transmission characteristics is determined. As a rule, this is the value at which the transmission value is reduced by -3 dB compared with the maximum value of the transmission characteristic.
  • the partial overlap of the transmission characteristics is accomplished by selecting the spatial distance between the outputs smaller than the base width of a defocused diffraction image of a diffraction order of the grating array.
  • Base width is to be understood as the width of the diffraction image in which the intensity of the diffraction image is equal to the respective base value.
  • the transmission characteristics result from convolution of the
  • Diffraction pattern with the acceptance profiles of the outputs should be understood to mean the spatial distribution of the transmission of the outputs which is dependent on the angle of entry.
  • the folding must therefore take place in the general case about the location and the entrance angle. With a weak angle dependence of the acceptance profile in the entrance angle range, the folding over the entry angle can be replaced by integration over the entry angle or the angular dependence can be disregarded.
  • An advantage of this embodiment is that one and the same diffraction order is assigned to the outputs, so that no variation of the intensities in different diffraction orders has to be taken into account.
  • the partial overlap of the transmission characteristics is achieved by assigning the outputs to diffraction patterns of different orders of diffraction and by comparing the outputs with respect to the spectral characteristics. Middle of the respective diffraction image are offset by different distances.
  • a reflection grating for the grating arrangement, which requires less space than a waveguide grating and also offers the possibility of providing a larger number of grating elements than is the case with a waveguide grating. In this way, secondary maxima of the diffraction image can be effectively suppressed so that the transmission characteristics have monotonically falling edges starting from the transmission maximum.
  • reflection grating is designed as an imaging concave reflection grating, additional focusing or collimating optical elements can be dispensed with.
  • the outputs are preferably arranged along a focal line, for example along the so-called Rowland circle, so that the diffraction patterns of light entering via an input in the grating arrangement are substantially focused on the outputs.
  • the imaging reflection grating is generally an Echelle grating in which the incident light is reflected off the narrow sides of the facets.
  • Such a reflection grating can be operated in a high order, for example in an order above the tenth order, as a result of which, due to the high angle dispersion of high orders, a high local dispersion results along the entry surfaces of the outputs.
  • For the effective suppression of the secondary maxima also contributes a large number of facets.
  • the spectral position of an input signal assigned to the sensor can be determined by evaluating the ratio of the intensities measured in the two outputs. Since the measuring range is covered by no more than two outputs, the changes in the measuring signals generated by detectors are slower than if the measuring range has more than two outputs. In this respect, the necessary bandwidth of the amplifier downstream of the detectors amplifier circuit can be chosen smaller, so that a larger amplification of the detector signals supplied by the detectors is possible.
  • active cooling of the grid arrangement can be provided.
  • the grid arrangement can be integrated together with the detectors in a semiconductor chip.
  • the various embodiments of the device can be used for a measuring device which uses at least one spectrally selective sensor in an optical waveguide arrangement.
  • the measuring device is able to read several sensors.
  • the sensor is preferably fiber Bragg gratings, which are arranged along a light guide.
  • the input signal generated by the sensors preferably has a spectral half width which is more than half smaller than the spectral half width of the associated transmission characteristics. In this way, the steepness of the characteristic is preserved.
  • Figure 1 is a functional diagram of a measuring device in which a plurality of arranged in a light guide sensors are read;
  • Figure 2 is an illustration of a device for reading the
  • FIG. 3 is an illustration showing the occurrence of a
  • Figure 4 is an illustration of the measuring principle
  • Figure 5 is a diagram showing another way to
  • FIG. 1 shows a functional diagram of a measuring device 1, which is set up to read out fiber Bragg gratings 3 formed in an optical fiber 2. According to Figure 1, this is a total of n fiber Bragg grating 3.
  • the optical fiber 2 is connected via a fiber coupler 4 and another optical fiber 5 to a light source 6, which may be a so-called superluminescent diode.
  • the light source 6 acts on in the Optical fiber 2 arranged fiber Bragg gratings 3 with light. These are generally light in the infrared wavelength range, in particular light in the range of 980 nm or in the range of 1550 nm.
  • the individual fiber Bragg gratings 3 reflect the incident light at different wavelengths up to ⁇ ⁇ .
  • the light reflected by the fiber Bragg grating 3 passes through the fiber coupler 4 into an optical fiber 7, through which the light reflected back from the fiber Bragg gratings 3 is guided to an input 8 of a read-out device 9.
  • the reflected back from the fiber Bragg gratings 3 signals, which are input to the
  • Input 8 occur are distributed by a grid assembly 10 to outputs 11.
  • two outputs 11 are assigned to a fiber Bragg grating 3.
  • the transmission from the input 8 to one of the outputs 11 takes place in accordance with transmission characteristics 12 of the grating arrangement 10 whose transmission maxima 13 are offset from the central wavelength to ⁇ ⁇ in spectral terms.
  • the ambient conditions in particular the temperature or the extension of the optical fiber 2 at the location of one of the fiber Bragg gratings 3 changes, the associated central wavelength of the light reflected back from the fiber Bragg grating 3 also changes.
  • the central wavelength of the light reflected by a fiber Bragg grating is equal to the wavelength of the respective intensity maximum of the back-reflected light.
  • the intensity of the light appearing at the outputs 11 also changes.
  • the outputs 11 of the grid assembly 10 are connected to optical fibers 14 which lead to detectors 15.
  • the detectors 15 may be, for example, photodiodes, which convert the incident light into a detector signal 16.
  • the detector signals 16 are amplified by the detectors 15 downstream amplifiers 17 and converted into measuring signals 18.
  • the measurement signals 18 are fed to an evaluation unit 19, in the computing units 20, the analog measurement signals 18 convert into digital signals and the ratio of a Fiber Bragg grating 3 associated measurement signals 18 calculate.
  • the logarithmic ratio of the measurement signals 18, which corresponds to the logarithmic ratio of the intensities of the light appearing at the outputs 11, can then be output as an output signal 21 from the evaluation unit 19.
  • FIG. 2 shows further details of the grating arrangement 10.
  • the grating arrangement 10 shown in FIG. 2 has an imaging, concave echelle grating 22 which distributes input signals present at the input 8 to outputs 11.
  • the input 8 is via a light guide 23 with a
  • the input 8 is formed by the exit surface of the optical waveguide 23, while the exits 11 are formed by the entry surfaces of the optical waveguides 25.
  • the light 27 entering at the entrance 8 strikes the echelle grating 22, which has a multiplicity of facets 28, each having a narrow side 29 and a broad side 30, which are arranged along an elliptical baseline.
  • the incident light 27 is predominantly reflected at the narrow sides 29 of the facets 28.
  • the light 31 reflected at the narrow sides 29 of the facets 28 reaches the outputs 11, which are arranged along a focal line 32.
  • the focal line 32 may follow a so-called Rowland circle.
  • the imaging concave echelle grating 22 focuses the input 8 onto diffraction patterns that lie along the focal line 32.
  • the outputs 11 are formed by the light guides 25, the outputs 11 have acceptance profiles 33 shown in FIG. In the case of a single-mode optical waveguide 25, the acceptance profiles 33 are approximately bell-shaped or corresponding to one over the entry surface of the light guides 25
  • the acceptance profiles 33 formed along the focal line 32 are combined with a diffraction pattern 34 whose position along the focal line 32 depends on the spectral composition of the input signal generated by one of the fiber Bragg gratings 3.
  • the transmission characteristics 12 thus result from a convolution of the diffraction pattern 34 with the acceptance profiles 33
  • Intensity maxima 13 of the transmission characteristics 12 result when an intensity maximum 35 of an acceptance profile 33 coincides with an intensity maximum 36 of a diffraction image 34.
  • the diffraction image 34 is a diffraction image resulting when a monochromatic input signal is applied to the input 8.
  • the acceptance profiles reflect the transmissivity of the outputs 11 as a function of the location x along the focal line 32.
  • the angular dependence of the transmissivity of the outputs 11 would also have to be taken into account so that the convolution of the diffraction patterns 34 with the acceptance profiles has to be carried out not only with respect to the location but also via the entrance angle.
  • the acceptance profiles 33 and the diffraction patterns 34 may be considered as profiles that result when integrated over the entrance angle. This is permissible if the acceptance profile shows only a small dependence on the entry angle over the entry angle range.
  • the transmission characteristics 12 are the transmission profiles of the grating arrangement 10 with respect to the outputs 11.
  • the output signal 21, which is equal to the logarithmic ratio of the intensity th of the light fed into the outputs 11, has in a region of overlap 38 usually a monotonously rising or falling course. From the output signal 21 can therefore be in principle closed to the spectral position of the input signal and thus to the environmental conditions at the location of the associated fiber Bragg grating 3.
  • the overlap area 38 is the larger the further the transmission characteristics 12 overlap.
  • the degree of overlap depends firstly on the spatial distance of the acceptance profiles 33 along the focal line 32 and secondly on the spatial width of the diffraction image 34. Since the distance between the optical fibers 25 can not be reduced arbitrarily, the diffraction image 34 must have a sufficient spatial width.
  • the spatial width of the diffraction image 34 can also be increased by arranging the outputs 11 in the propagation direction before or after the focal line 32, so that the diffraction image 34 is defocused. The defocus may also be due to aberrations caused by geometry deviations of the echelle grating 22.
  • the baseline of the echelle grating 22 may deviate from the shape of an ellipse so that different regions of the echelle grating 22 image the input 8 differently.
  • Such phase apportioning likewise leads to defocused diffraction patterns 34.
  • echelle grating 22 has a large number of facets, since in this case the secondary maxima are relatively weak. In this way, starting from the transmission maximum, monotonously rising or monotonically falling edges of the transmission characteristics 12 are ensured. For this reason, echelle grating 22 typically has more than fifty facets 28. If the transmission characteristics 12 in spectral
  • Width of the input signal 37 is considerably smaller than the spectral width of the transmission characteristics 12. As a rule, therefore, the spectral half-width of the input signal 37 will be less than half of the spectral half-width of the transmission characteristics.
  • the spectral location of the transmission characteristics 12 is chosen so that the transmission characteristics 12 overlap one tenth of the transmission value at the transmission maximum 13.
  • the overlap can also be selected such that the transmission characteristics 12 overlap above the half value used to determine the half-width.
  • the spectral half width of the input signal 37 should be smaller than half the spectral half width of the transmission characteristics 12.
  • the acceptance profiles 33 can, as shown in FIG. 5, be offset in opposite directions relative to the location of the transmission maxima 40 by less than half the base width of the respective diffraction pattern 39. In the embodiment shown in FIG. 5, for example, that of FIG
  • Diffraction order k assigned acceptance profile 33 offset by Ax k relative to the transmission maximum 40 of the diffraction order k associated diffraction pattern 39.
  • the acceptance profile 33 associated with the diffraction order k + 1 is offset by Ax k + 1 with respect to the transmission maximum 40 of the diffraction pattern 39 assigned to the diffraction order k + 1.
  • transmissivity oncharacteristics 12 which is a local distance
  • Ax k + Ax k + I corresponding spectral distance A ⁇ k + ⁇ + ⁇ have.
  • overlapping areas with a spectral width of 3 nm to 4 nm can be created.
  • the measuring range of the measuring device 1 compared to the prior art is significantly expanded.
  • the read-out device 9 can be formed on an integrated semiconductor chip.
  • an echelette grating may also be used in which the light is reflected at the broad sides of the facets.
  • the read-out device 9 described here is realized by means of an echelle grating 22.
  • the AWG can be a half-sided AWG with mirrored terminations of the individual light guides.
  • the input ports 24 and the output ports 26 are on the same side of the filter assembly 10 as in the embodiment shown in Figure 2.
  • the AWG may also be a full AWG with the input ports and output ports typically on opposite sides lie.
  • the overlap of the transmission characteristics 12 may also be accomplished by defocusing the diffraction patterns 34 when using an AWG.
  • the outputs 11 are arranged away from the foci in the free-jet areas or arranged in different diffraction orders.
  • a polarization-rotating component in the waveguides of the read-out device 9 the birefringence in the waveguide substrate caused by material anisotropies, material stresses or temperature changes can be reduced.
  • Birefringence in the AWG can degrade the measurement accuracy by using an AWG instead of the Echelle grating 22.
  • This polarization-rotating component can be realized, for example, by a ⁇ / 2 plate or by a geometric variation of the waveguide geometry.
  • care should also be taken that the crosstalk between non-adjoining waveguides ( non-adjacent channel crosstalk) is as small as possible; This quantity indicates how much light appears at the outputs 11 at a wavelength outside the channel-specific transmission characteristic. This size should be as small as possible to keep the basic smoking as low as possible.
  • AWGs and Echelle grids 22 have a temperature dependent
  • the substrate should be chosen such that the coefficient of thermal expansion of the substrate compensates for the coefficient of thermal expansion and the thermo-optic effect in the waveguide structure relative to the shift in transmission characteristics.
  • the photodiodes can be incorporated directly into the read-out device 9 in the case of certain semiconductor materials during the manufacturing process.
  • Example material systems are material compositions based on InP.
  • the light source 6 can be integrated into the read-out device 9.
  • Optical amplifiers can also be integrated into read-out device 9 in the case of certain semiconductor materials during the production process.
  • Exemplary material systems are material compositions based on InP.
  • the optical amplifiers allow, even with weak light sources or high attenuations to achieve a sufficiently high signal-to-noise ratio in the light detection behind the grid assembly 10.
  • the optical amplifiers are usually arranged between input 8 and outputs 11.
  • optical modulators may be incorporated directly into the readout device 9 in certain semiconductor materials during the manufacturing process.
  • Exemplary material systems are in turn material compositions based on InP.
  • WDM wavelength-division multiplexing
  • a wavelength-division multiplexing (WDM) -based measuring device 1 can become a measuring device with a combined wavelength / time-multiplexing method.
  • the use of optical modulators allows many of the fiber
  • Bragg gratings formed sensor 3 read with a wavelength and read-out device 9, but with limitations in the measurement speed and anti-aliasing.
  • the optical modulators can be used, for example, successively different branches of
  • the modulators can also be used to read out various sensors along the optical fiber 2 via a selection of the signal propagation time, for example by placing a modulator in the region of the input 8 which is opened within a certain time window whose time position varies with respect to the time is emitted from the light source 6, a light pulse.
  • optical circulators can be installed directly in the read-out device 9 in certain semiconductor materials during the manufacturing process.
  • a material composition based on InP may be mentioned.
  • Such circulators may be necessary in order to feed the light into the optical fiber 2 and to supply the light reflected back from the sensors to the read-out device 9.
  • electrical heating elements to the substrate of the read-out device 9
  • the refractive index in the individual components or other thermo-optical effects can be used be used to tune the components. This allows the control of the dispersion properties of the measuring device 1 and in particular of the read-out device 9.
  • electromagnetic radiation in the entire optical wavelength range including the infrared and ultraviolet wavelength range is meant when light is mentioned.

Abstract

Es wird eine Messvorrichtung zum Auslesen von in einer Lichtleitfaser angeordneten Messaufnehmern beschrieben. Die Messvorrichtung weist eine Gitteranordnung auf, die ein von den Messaufnehmern erzeugtes Eingangssignal auf verschiedene Ausgänge verteilt. Die den Ausgängen zugeordneten Transmissionscharakteristika (12) weisen dabei einen möglichst großen Überlappungsbereich auf, um den Messbereich der Messvorrichtung zu erhöhen.

Description

Beschreibung
VORRICHTUNG ZUM AUSLESEN EINES SPEKTRAL SELEKTIVEN OPTISCHEN MESSAUFNEHMERS UND MESSVORRICHTUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Auslesen wenigstens eines spektral selektiven Messaufnehmers, der in einer Lichtleiteranordnung ausgebildet ist, mit:
- einem Eingang, an den die Lichtleiteranordnung anschließbar ist,
- einer Mehrzahl von Ausgängen,
- einer spektral selektiven Gitteranordnung, durch die ein am Messeingang anliegendes und dem Messaufnehmer zugeordnetes Eingangssignal auf die dem jeweiligen Messaufnehmer zugeord- neten Ausgänge verteilbar ist,
- den Ausgängen zugeordneten Detektoren und mit
- einer den Detektoren nachgeschalteten Auswerteeinheit, die ein Verhältnis der von den Detektoren erfassten Intensitäten bestimmt .
Die Erfindung betrifft ferner eine Messvorrichtung, die die Vorrichtung zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmers umfasst. Eine derartige Vorrichtung zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmers ist aus der Veröffentlichung SANO, Y. und YOSHINO, T . , Fast Optical Wavelength Interrogator Employ- ing Arrayed Waveguide Gräting for Distributed Fiber Bragg Gräting Sensors, Journal of Lightwave Technology, Vol. 21, No. 1, January 2003 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung werden die Messaufnehmer von Faser-Bragg-Gittern (= FBG) gebildet, die in einem Lichtwellenleiter ausgebildet sind. In diesen Lichtwellenleiter wird Licht aus einer Lichtquelle eingespeist. Das von den Faser-Bragg-Gittern zurückgeworfene Licht wird über einen Koppler ausgekoppelt und zu einer
Vorrichtung zum Auslesen der Faser-Bragg-Gitter geführt. In der Vorrichtung zum Auslesen der Faser-Bragg-Gitter wird das Eingangssignal mithilfe eines Wellenleitergitters spektral zerlegt und auf Ausgänge verteilt, denen jeweils ein Photodetektor zugeordnet ist. Die bei der bekannten Vorrichtung verwendeten Wellenleitergitter sind dem Fachmann auch unter der Bezeichnung "Arrayed Waveguide Gräting" (= AWG) bekannt. Durch das Wellenleitergitter wird somit ein von einem Faser- Bragg-Gitter (= FBG) erzeugtes Eingangssignal auf zugeordnete Ausgänge verteilt. Das Eingangssignal kommt dabei zwischen Transmissionscharakteristika des Wellenleitergitters zu liegen, die den einzelnen Ausgängen zugeordnet sind. Bei einer Änderung der am Ort eines Faser-Bragg-Gitters herrschenden Temperatur oder bei einer Zugbelastung der Lichtleitfaser am Ort des Faser-Bragg-Gitters ändert sich das Spektrum des vom Faser-Bragg-Gitter zurückgeworfenen Lichtes. Dementsprechend ändert sich die spektrale Lage des Eingangssignals, das vom Wellenleitergitter auf die zugehörigen
Ausgänge verteilt wird. Aus dem Verhältnis der an den Ausgängen gemessenen Intensitäten kann nun auf die am Ort des jeweiligen Faser-Bragg-Gitters herrschenden Umgebungsbedin- gungen geschlossen werden.
Ein Nachteil der bekannten Messvorrichtung ist der geringe Bereich der von der Messvorrichtung erfassbaren Umgebungsbedingungen. Mit der bekannten Messvorrichtung ist eine Wellen- längenänderung von etwa 1 nm erfassbar. Dies entspricht typischerweise einem Temperaturbereich von 100 K oder einem Dehnungsbereich von 1.000 μπι/m. In zahlreichen Anwendungen werden aber größere Messbereiche gefordert. Aus der Veröffentlichung XIAO, G. et al, Miniaturized Optical Fiber Bragg Gräting Sensor Interrogator Based on Echelle Diffractive Grätings in: Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 49, No. 3, March 2007 ist ferner eine Messvorrichtung bekannt, bei der anstelle eines Wellenleitergitters ein Echelle-Gitter für die Verteilung der Eingangssignale auf die Ausgänge verwendet wird. Bei dieser Messvorrichtung wird der Temperaturgang des Echelle-Gitters dazu verwendet, die spektrale Lage der Eingangssignale zu bestimmen.
Auch mit dieser Messvorrichtung lassen sich Temperaturände- rungen und Dehnungsänderungen nur innerhalb verhältnismäßig kleiner Messbereiche erfassen. Außerdem können keine schnellen Änderungen erfasst werden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Auslesen wenigstens eines spektral selektiven Messaufnehmers mit erweitertem Messbereich zu schaffen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die den Ausgängen zugeordneten Transmissionscharakteristika bei einem Transmissionswert oberhalb eines gleich dem Zehntelwert gesetzten Basiswert der Transmissionscharakteristika teilweise überlappen. Der Transmissionswert soll dabei jeweils auf die Leistung bezogen sein. Ferner ist unter dem Zehntelwert der
Transmissionscharakteristika derjenige Wert zu verstehen, bei dem die Transmissionscharakteristika nur noch ein Zehntel des Transmissionswerts im Maximum der jeweiligen Transmissionscharakteristik aufweist. Dabei handelt es sich um den Wert, bei dem die Transmission gegenüber dem Transmissionsmaximum um -10 dB gefallen ist.
Der verfügbare Messbereich wird durch den Bereich bestimmt, in dem das Eingangssignal in den Bereich zweier benachbarter Ausgänge fällt. Bei kleiner spektraler Breite des Eingangs- signals ist daher der verfügbare Messbereich umso größer, je mehr die den Ausgängen zugeordneten Transmissionscharakteristika der Gitteranordnung überlappen. Allerdings dürfen die Transmissionscharakteristika nicht deckungsgleich sein, da ansonsten keine Veränderung im Verhältnis der gemessenen Intensitäten auftritt. Die Transmissionscharakteristika dürfen daher nur teilweise überlappen. Da der Messbereich umso größer ist, je mehr sich die Trans- missionscharakteristika überlappen, ist bei einer weiteren Ausführungsform der Basiswert gleich dem Halbwert gesetzt. Unter dem Halbwert soll dabei derjenige Wert verstanden werden, bei dem die Halbwertsbreite der jeweiligen Transmis- sionscharakteristika bestimmt wird. In der Regel handelt es sich um denjenigen Wert, bei dem der Transmissionswert um -3 dB gegenüber dem Maximalwert der Transmissionscharakteristik vermindert ist.
Bei einer Ausführungsform wird die teilweise Überlappung der Transmissionscharakteristika bewerkstelligt, indem der räumliche Abstand zwischen den Ausgängen kleiner als die Basiswertbreite eines defokussierten Beugungsbildes einer Beu- gungsordnung der Gitteranordnung gewählt wird. Unter der
Basiswertbreite ist dabei diejenige Breite des Beugungsbildes zu verstehen, bei der die Intensität des Beugungsbildes gleich dem jeweiligen Basiswert ist. In diesem Fall ergeben sich die Transmissionscharakteristika durch Faltung des
Beugungsbildes mit den Akzeptanzprofilen der Ausgänge. Unter Akzeptanzprofil der Ausgänge soll dabei die räumliche und vom Eintrittswinkel abhängige Verteilung der Transmission der Ausgänge verstanden werden. Die Faltung muss daher im allgemeinen Fall über den Ort und den Eintrittswinkel erfolgen. Bei einer schwachen Winkelabhängigkeit des Akzeptanzprofils im Eintrittswinkelbereich kann die Faltung über den Eintrittswinkel durch eine Integration über den Eintrittswinkel ersetzt werden oder die Winkelabhängigkeit außer Betracht gelassen werden. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass ein und dieselbe Beugungsordnung den Ausgängen zugeordnet ist, so dass keine Variation der Intensitäten in verschiedenen Beugungsordnungen berücksichtigt werden muss.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die teilweise Über- lappung der Transmissionscharakteristika bewerkstelligt, indem die Ausgänge Beugungsbildern verschiedener Beugungsordnungen zugeordnet sind und die Ausgänge bezüglich der spekt- ralen Mitte des jeweiligen Beugungsbildes um unterschiedliche Strecken versetzt sind. Ein Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die Ausgänge in spektraler Hinsicht weiter aneinander angenähert werden können, als es der räumlichen Breite der Ausgänge entspricht.
Für die Gitteranordnung kann ein Wellenleitergitter (= AWG) verwendet werden, dass sich mit verhältnismäßig geringem Aufwand herstellen lässt. Daneben ist es möglich, für die Gitteranordnung ein Reflektionsgitter zu verwenden, das weniger Platz als ein Wellenleitergitter benötigt und außerdem die Möglichkeit bietet, eine größere Anzahl von Gitterelementen vorzusehen, als es bei einem Wellenleitergitter der Fall ist. Auf diese Weise lassen sich Nebenmaxima des Beu- gungsbildes wirksam unterdrücken, so dass die Transmissions- charakteristika vom Transmissionsmaximum ausgehend monoton fallende Flanken aufweisen.
Falls das Reflektionsgitter als abbildendes konkaves Reflek- tionsgitter ausgeführt ist, kann auf zusätzliche fokussieren- de oder kollimierende optische Elemente verzichtet werden.
Dabei sind die Ausgänge vorzugsweise entlang einer Fokal- Linie, zum Beispiel entlang dem so genannten Rowland-Kreis angeordnet, so dass die Beugungsbilder von über einen Eingang in die Gitteranordnung eintretendem Licht im Wesentlichen auf die Ausgänge fokussiert sind.
Bei dem abbildenden Reflektionsgitter handelt es sich im Allgemeinen um ein Echelle-Gitter , bei dem das einfallende Licht an den schmalen Seiten der Facetten reflektiert wird. Ein derartiges Reflektionsgitter kann in hoher Ordnung, zum Beispiel in einer Ordnung oberhalb der zehnten Ordnung, betrieben werden, wodurch sich aufgrund der hohen Winkeldis- persion hoher Ordnungen eine hohe lokale Dispersion entlang den Eintrittsflächen der Ausgänge ergibt. Zur wirksamen Unterdrückung der Nebenmaxima trägt auch eine große Anzahl von Facetten bei. So ist es möglich, das Reflek- tionsgitter mit mehr als 50 oder mehr als 100 Facetten auszubilden .
Im Allgemeinen sind zwei Ausgänge einem Messaufnehmer zugeordnet. Dadurch kann die spektrale Lage eines dem Messaufnehmer zugeordneten Eingangssignals durch Auswertung des Verhältnisses der in an den beiden Ausgängen gemessenen Intensi- täten bestimmt werden. Da der Messbereich von nicht mehr als zwei Ausgängen abgedeckt ist, erfolgen die Änderungen der von Detektoren erzeugten Messsignale langsamer, als wenn dem Messbereich mehr als zwei Ausgänge zugeordnet sind. Insofern kann die notwendige Bandbreite der den Detektoren nachgeord- neten Verstärkerschaltung kleiner gewählt werden, so dass eine größere Verstärkung der von den Detektoren gelieferten Detektorsignale möglich wird.
Um Temperaturdriften der Gitteranordnung zu vermeiden, kann eine aktive Kühlung der Gitteranordnung vorgesehen sein.
Für die Miniaturisierung der Vorrichtung kann die Gitteranordnung zusammen mit den Detektoren in einen Halbleiterchip integriert sein.
Die verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung können für eine Messvorrichtung verwendet werden, die wenigstens einen spektral selektiven Messaufnehmer in einer Lichtleiteranordnung verwendet.
Die Messvorrichtung ist dabei in der Lage, mehrere Messaufnehmer auszulesen.
Bei dem Messaufnehmer handelt es sich vorzugsweise um Faser- Bragg-Gitter , die entlang einem Lichtleiter angeordnet sind. Für eine hohe Empfindlichkeit der Messvorrichtung weist das von den Messaufnehmern erzeugte Eingangssignal vorzugsweise eine spektrale Halbwertsbreite auf, die mehr als die Hälfte kleiner als die spektrale Halbwertsbreite der zugeordneten Transmissionscharakteristika ist. Auf diese Weise wird die Steilheit der Kennlinie bewahrt.
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbe spiele der Erfindung anhand der Zeichnungen im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 ein Funktionsdiagramm einer Messvorrichtung bei der eine Vielzahl von in einem Lichtleiter angeordneten Messaufnehmern ausgelesen werden;
Figur 2 eine Darstellung einer Vorrichtung zum Auslesen der
Messaufnehmer aus Figur 1, die mit einem Echelle- Gitter versehen ist;
Figur 3 eine Darstellung, die das Zustandekommen einer
Transmissionscharakteristik veranschaulicht ;
Figur 4 eine Darstellung des Messprinzips; und
Figur 5 ein Diagramm, das eine weitere Möglichkeit zur
Bildung der Transmissionscharakteristika veranschaulicht . Figur 1 zeigt ein Funktionsdiagramm einer Messvorrichtung 1, die dazu eingerichtet ist, in einer Lichtleiterfaser 2 ausgebildete Faser-Bragg-Gitter 3 auszulesen. Gemäß Figur 1 handelt es sich dabei um insgesamt n Faser-Bragg-Gitter 3. Die Lichtleitfaser 2 ist über einen Faserkoppler 4 und eine weitere Lichtleitfaser 5 an eine Lichtquelle 6 angeschlossen, bei der es sich um eine sogenannte superlumineszente Diode handeln kann. Die Lichtquelle 6 beaufschlagt die in der Lichtleitfaser 2 angeordneten Faser-Bragg-Gitter 3 mit Licht. Dabei handelt es sich in der Regel um Licht im infraroten Wellenlängenbereich, insbesondere um Licht im Bereich von 980 nm oder im Bereich von 1550 nm. Die einzelnen Faser-Bragg- Gitter 3 reflektieren das einfallende Licht bei verschiedenen Wellenlängen bis λη . Das von dem Faser-Bragg-Gitter 3 zurückgeworfene Licht gelangt über den Faserkoppler 4 in eine Lichtleitfaser 7, durch die das von den Faser-Bragg-Gittern 3 zurückreflektierte Licht zu einem Eingang 8 einer Auslesevor- richtung 9 geführt wird. Die von den Faser-Bragg-Gittern 3 zurückreflektierten Signale, die als Eingangssignale am
Eingang 8 auftreten, werden durch eine Gitteranordnung 10 auf Ausgänge 11 verteilt. Dabei sind jeweils zwei Ausgänge 11 einem Faser-Bragg-Gitter 3 zugeordnet. Die Übertragung vom Eingang 8 zu einem der Ausgänge 11 erfolgt gemäß Transmissi- onscharakteristika 12 der Gitteranordnung 10, deren Transmis- sionsmaxima 13 gegenüber der zentralen Wellenlänge bis λη in spektraler Hinsicht versetzt sind. Wenn sich die Umgebungsbedingungen, insbesondere die Temperatur oder die Deh- nung der Lichtleitfaser 2 am Ort eines der Faser-Bragg-Gitter 3 ändert, ändert sich auch die zugehörige zentrale Wellenlänge des vom Faser-Bragg-Gitter 3 zurückreflektierten Lichts. Die zentrale Wellenlänge des von einem Faser-Bragg-Gitter zurückgeworfenen Lichts ist gleich der Wellenlänge des jewei- ligen Intensitätsmaximums des zurückreflektierten Lichts.
Dementsprechend ändert sich auch die Intensität des Lichts, das an den Ausgängen 11 erscheint.
Die Ausgänge 11 der Gitteranordnung 10 sind mit Lichtleitern 14 verbunden, die zu Detektoren 15 führen. Bei den Detektoren 15 kann es sich beispielsweise um Photodioden handeln, die das einfallende Licht in ein Detektorsignal 16 umwandeln. Die Detektorsignale 16 werden von den Detektoren 15 nachgeschalteten Verstärkern 17 verstärkt und in Messsignale 18 gewan- delt. Die Messsignale 18 werden einer Auswerteeinheit 19 zugeführt, in der Recheneinheiten 20 die analogen Messsignale 18 in digitale Signale wandeln und das Verhältnis der einem Faser-Bragg-Gitter 3 zugeordneten Messsignale 18 berechnen. Das logarithmierte Verhältnis der Messsignale 18, das dem logarithmierten Verhältnis der Intensitäten des an den Ausgängen 11 erscheinenden Lichts entspricht, kann dann als Ausgangssignal 21 von der Auswerteeinheit 19 ausgegeben werden .
Figur 2 zeigt weitere Einzelheiten der Gitteranordnung 10. Die in Figur 2 dargestellte Gitteranordnung 10 verfügt über ein abbildendes, konkaves Echelle-Gitter 22, das am Eingang 8 anliegende Eingangssignale auf Ausgänge 11 verteilt. Der Eingang 8 ist dabei über einen Lichtleiter 23 mit einem
Eingangsanschluss 24 und die Ausgänge 11 über Lichtleiter 25 mit Ausgangsanschlüssen 26 verbunden. Der Eingang 8 wird von der Austrittsfläche des Lichtleiters 23 gebildet, während die Ausgänge 11 von den Eintrittsflächen der Lichtleiter 25 gebildet sind. Das am Eingang 8 eintretende Licht 27 trifft auf das Echelle-Gitter 22, das eine Vielzahl von Facetten 28 mit jeweils einer Schmalseite 29 und einer Breitseite 30 aufweist, die entlang einer elliptischen Grundlinie angeordnet sind. Entsprechend der Ausrichtung der Facetten 28 bei dem Echelle-Gitter 22 wird das einfallende Licht 27 überwiegend an den Schmalseiten 29 der Facetten 28 reflektiert. Das an den Schmalseiten 29 der Facetten 28 reflektierte Licht 31 gelangt zu den Ausgängen 11, die entlang einer Fokal-Linie 32 angeordnet sind. Die Fokal-Linie 32 kann einem sogenannten Rowland-Kreis folgen. Durch das abbildende, konkave Echelle- Gitter 22 wird der Eingang 8 fokussiert auf Beugungsbilder abgebildet, die entlang der Fokal-Linie 32 liegen.
Da die Ausgänge 11 von den Lichtleitern 25 gebildet sind, weisen die Ausgänge 11 in Figur 3 dargestellte Akzeptanzprofile 33 auf. Die Akzeptanzprofile 33 sind bei einem einmodi- gen Lichtleiter 25 über die Eintrittsfläche der Lichtleiter 25 hinweg in etwa glockenförmig oder entsprechend einer
Gausskurve ausgebildet. Die entlang der Fokal-Linie 32 ausgebildeten Akzeptanzprofile 33 werden mit einem Beugungsbild 34 beaufschlagt, dessen Position entlang der Fokal-Linie 32 von der spektralen Zusammensetzung des von einem der Faser-Bragg- Gitter 3 erzeugten Eingangssignals abhängt. Die Transmissi- onscharakteristika 12 ergeben sich somit durch eine Faltung des Beugungsbildes 34 mit den Akzeptanzprofilen 33. Die
Intensitätsmaxima 13 der Transmissionscharakteristika 12 ergeben sich, wenn ein Intensitätsmaximum 35 eines Akzeptanzprofils 33 mit einem Intensitätsmaximum 36 eines Beugungsbildes 34 zusammenfällt.
Es sei angemerkt, dass das Beugungsbild 34 ein Beugungsbild ist, das sich ergibt, wenn ein monochromatisches Eingangssignal am Eingang 8 anliegt. Ferner sei angemerkt, dass in Figur 3 die Akzeptanzprofile die Transmissivität der Ausgänge 11 in Abhängigkeit vom Ort x entlang der Fokallinie 32 wiedergeben. Bei einer genaueren Betrachtungsweise müsste aber auch die Winkelabhängigkeit der Transmissivität der Ausgänge 11 berücksichtigt werden, so dass die Faltung der Beugungsbilder 34 mit den Akzeptanzprofilen nicht nur hinsichtlich des Orts, sondern auch über den Eintrittswinkel hinweg ausgeführt werden muss. Insofern können die Akzeptanzprofile 33 und die Beugungsbilder 34 als Profile angesehen werden, die sich ergeben, wenn über den Eintrittswinkel hinweg integriert wird. Dies ist zulässig, wenn das Akzeptanzprofil über den Eintrittswinkelbereich nur eine geringe Abhängigkeit vom Eintrittswinkel zeigt.
Schließlich sei nochmals betont, dass die Transmissionscha- rakteristika 12 die Transmissionsprofile der Gitteranordnung 10 bezüglich der Ausgänge 11 sind. Wenn nun, wie in Figur 4 dargestellt, ein Eingangssignal 37, das von einem der Faser- Bragg-Gitter 3 erzeugt worden ist, am Eingang 8 der Gitteranordnung 10 anliegt, wird die Intensität des Eingangssignals 37 entsprechend der Überlappung mit den Transmissionscharakteristika 12 auf die Ausgänge 11 verteilt. Das Ausgangssignal 21, das gleich dem logarithmierten Verhältnis der Intensitä- ten des in die Ausgänge 11 eingespeisten Lichts ist, weist in einem Überlappungsbereich 38 in der Regel einen monoton ansteigenden oder fallenden Verlauf auf. Aus dem Ausgangssignal 21 kann daher grundsätzlich auf die spektrale Lage des Eingangssignals und damit auf die Umgebungsbedingungen am Ort des zugeordneten Faser-Bragg-Gitters 3 geschlossen werden.
Der Überlappungsbereich 38 ist umso größer je weiter die Transmissionscharakteristika 12 überlappen. Der Grad der Überlappung hängt zum einen vom räumlichen Abstand der Akzeptanzprofile 33 entlang der Fokal-Linie 32 und zum anderen von der räumlichen Breite des Beugungsbildes 34 ab. Da der Abstand zwischen den Lichtleitern 25 nicht beliebig verkleinert werden kann, muss das Beugungsbild 34 eine ausreichende räumliche Breite aufweisen. Die räumliche Breite des Beugungsbildes 34 kann auch vergrößert werden, indem die Ausgänge 11 in Ausbreitungsrichtung vor oder nach der Fokallinie 32 angeordnet werden, so dass das Beugungsbild 34 defokussiert ist. Die Defokussierung kann auch auf Abbildungsfehlern beruhen, die durch Geometrieabweichungen des Echelle-Gitters 22 hervorgerufen werden. Beispielsweise kann die Grundlinie des Echelle-Gitters 22 von der Form einer Ellipse abweichen, so dass verschiedene Bereiche des Echelle-Gitters 22 den Eingang 8 unterschiedlich abbilden. Eine derartige Phasenapo- disierung führt ebenfalls zu defokussierten Beugungsbilden 34.
In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn das Echelle- Gitter 22 eine große Anzahl von Facetten aufweist, da in diesem Fall die Nebenmaxima verhältnismäßig schwach ausgebildet sind. Auf diese Weise werden ausgehend vom Transmissionsmaximum monoton ansteigende oder monoton fallende Flanken der Transmissionscharakteristika 12 gewährleistet. Aus diesem Grund weist das Echelle-Gitter 22 in der Regel mehr als fünfzig Facetten 28 auf. Falls die Transmissionscharakteristika 12 in spektraler
Hinsicht näher zusammenrücken und der Überlappungsbereich 38 größer wird, wird die Kennlinie des Ausgangssignals 21 flacher. Insofern ist es von Bedeutung, dass die spektrale
Breite des Eingangssignals 37 erheblich kleiner als die spektrale Breite der Transmissionscharakteristika 12 ist. In der Regel wird daher die spektrale Halbwertsbreite des Eingangssignals 37 weniger als die Hälfte der spektralen Halbwertsbreite der Transmissionscharakteristika betragen.
Typischerweise wird die spektrale Lage der Transmissionscharakteristika 12 so gewählt, dass die Transmissionscharakteristika 12 oberhalb eines Zehntels des Transmissionswerts am Transmissionsmaximum 13 überlappen. Insbesondere kann die Überlappung auch so gewählt werden, dass die Transmissionscharakteristika 12 oberhalb des zur Bestimmung der Halbwertsbreite herangezogenen Halbwerts überlappen. In beiden Fällen sollte die spektrale Halbwertsbreite des Eingangssignals 37 kleiner als die halbe spektrale Halbwertsbreite der Transmis- sionscharakteristika 12 sein.
Neben der bereits erwähnten Defokussierung des Beugungsbildes 34 besteht auch die Möglichkeit, die Akzeptanzprofile 33 im Bereich von verschiedenen Beugungsordnungen k und k+1 zuge- ordneten Beugungsbildern 39 anzuordnen. Die Akzeptanzprofile 33 können dabei, wie in Figur 5 dargstellt, in entgegengesetzte Richtungen gegenüber dem Ort der Transmissionsmaxima 40 um weniger als die halbe Basisbreite des jeweiligen Beugungsbildes 39 versetzt werden. Bei dem in Figur 5 darge- stellten Ausführungsbeispiel ist beispielsweise das der
Beugungsordnung k zugeordnete Akzeptanzprofil 33 um Axk gegenüber dem Transmissionsmaximum 40 des der Beugungsordnung k zugeordneten Beugungsbildes 39 versetzt. In entsprechender Weise ist das der Beugungsordnung k+1 zugeordnete Akzeptanz- profil 33 um Axk+l gegenüber dem Transmissionsmaximum 40 des der Beugungsordnung k+1 zugeordneten Beugungsbildes 39 versetzt. In spektraler Hinsicht ergeben sich dann Transmissi- onscharakteristika 12, die einen dem örtlichen Abstand
Axk + Axk+I entsprechenden spektralen Abstand AÄk + Δ +ι aufweisen . Durch die weitgehende Überlappung der Transmissionscharakte- ristika 12 können Überlappungsbereiche mit einer spektralen Breite von 3 nm bis 4 nm geschaffen werden. Dadurch wird der Messbereich der Messvorrichtung 1 gegenüber dem Stand der Technik wesentlich erweitert.
Die spektrale Breite des Eingangssignals liegt typischerweise im Bereich von 50 pm bis 500 pm. Bei der üblicherweise verwendeten Wellenlänge im Bereich von 1550 nm entspricht dies einem Lichtstrom zwischen 0,5 nW und 1 μίί. Dementsprechend hoch muss die Verstärkung der Verstärker 17 gewählt werden. Typischerweise muss das Detektorsignal 16 mit einem Verstärkungsfaktor im Bereich von 107 verstärkt werden. Da gleichzeitig Änderungen der Umgebungsbedingungen im Bereich von 10 kHz bis 20 kHz erfasst werden sollen, ist es zur Beschränkung des Verstärkungs-Bandbreiten-Produkts (= Gain Band Width
Products = GWB = GB) von Vorteil, wenn nicht mehr als zwei spektral versetzte Ausgänge 11 überwacht werden müssen. Es ist daher von Vorteil, wenn der gesamte Messbereich von zwei Transmissionscharakteristika, wie bei der Messvorrichtung 1, abgedeckt wird.
Die Auslesevorrichtung 9 kann auf einem integrierten Halbleiterchip ausgebildet werden. Dabei können die üblichen Techniken auf der Grundlage von Indiumphosphit und Galliumarsenid, Siliziumoxinitrid oder SOI (= Silicon On Insolator) oder auch Polymere zur Ausbildung der Wellenleiter und des Echelle- Gitters 22 verwendet werden.
Anstelle des Echelle-Gitters 22 kann auch ein Echelette- Gitter verwendet werden, bei dem das Licht an den Breitseiten der Facetten reflektiert wird. Die hier beschriebene Auslesevorrichtung 9 ist mithilfe eines Echelle-Gitters 22 realisiert. Grundsätzlich kann jedoch anstelle des Echelle-Gitters 22 auch ein Wellenleitergitter (= Arrayed Wavelength Gräting = AWG) verwendet werden, das zwischen den Eingangsanschlüssen 24 und den Ausgangsanschlüssen 26 angeordnet ist. Das AWG kann ein halbseitiges AWG mit verspiegelten Abschlüssen der einzelnen Lichtleiter sein. In diesem Fall liegen die Eingangsanschlüsse 24 und die Ausgangsanschlüsse 26, wie bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, auf derselben Seite der Filteranordnung 10. Das AWG kann auch ein vollständiges AWG sein, beim dem die Eingangsanschlüsse und die Ausgangsanschlüsse in der Regel auf gegenüberliegenden Seiten liegen. Die Überlappung der Transmissionscharakteristika 12 kann bei der Verwendung eines AWGs ebenfalls durch eine Defokussierung der Beugungsbilder 34 bewerkstelligt werden. Dabei werden die Ausgänge 11 abseits der Fokusse in den Freistrahlbereichen angeordnet oder in verschiedenen Beugungsordnungen angeord- net . Darüber hinaus ist es möglich, eine Phasenapodisierung durch eine Längenvariation der Wellenleiter des Wellenleitergitters durchzuführen und dadurch eine Defokussierung zu erreichen . Durch den Einsatz einer polarisationsdrehenden Komponente in den Wellenleitern der Auslesevorrichtung 9 kann die durch Materialanisotropien, Materialspannungen oder Temperaturänderung hervorgerufene Doppelbrechung im Wellenleitersubstrat reduziert werden. Doppelbrechung im AWG kann zusammen mit einer teilpolarisierten Lichtquelle, die Messgenauigkeit verschlechtern, wenn anstelle des Echelle-Gitters 22 ein AWG verwendet wird. Realisiert werden kann diese polarisations- drehende Komponente beispielsweise durch eine lambda/2-Platte oder durch eine geometrische Variation der Wellenleitergeo- metrie. Bei der Auslegung der Gitteranordnung 10, insbesondere des AWGs, ist auch darauf zu achten, dass das Übersprechen zwischen nicht benachbarten Wellenleitern (= non-adj acent- channel crosstalk) möglichst gering ist; diese Größe bezeich- net, wie viel Licht bei einer Wellenlänge außerhalb der kanalspezifischen Transmissionscharakteristik an den Ausgängen 11 erscheint. Diese Größe sollte möglichst gering sein, um das Grundrauchen möglichst gering zu halten. AWGs und Echelle-Gitter 22 weisen eine temperaturabhängige
Verschiebung der Kanaltransmissionscharakteristika auf. Dies kann im Herstellungsprozess kompensiert werden, indem die Komponenten auf einem athermalen Substrat ausgebildet werden.
Das Substrat ist nach Möglichkeit so zu wählen, dass der Koeffizient der thermischen Wärmeausdehnung des Substrats den Koeffizient der thermischen Wärmeausdehnung und den thermoop- tischen Effekt in der Wellenleiterstruktur bezogen auf die Verschiebung der Transmissionscharakteristika kompensiert.
Ferner ist es möglich, einzelne oder mehrere Photodioden direkt auf dem Substrat der Auslesevorrichtung 9 auszubilden. Das vereinfacht die Kapselung (= packaging) und reduziert die Baugröße .
Die Photodioden können bei bestimmten Halbeleitermaterialien wahrend des Herstellungsprozesses direkt in die Auslesevorrichtung 9 eingebaut werden. Beispielmaterialsysteme sind Materialzusammensetzungen auf der Basis von InP. Insofern kann auch die Lichtquelle 6 in die Auslesevorrichtung 9 integriert werden.
Auch optische Verstärker können bei bestimmten Halbeleitermaterialien während des Herstellungsprozesses in die Auslese- Vorrichtung 9 integriert werden. Beispielmaterialsystem sind Materialzusammensetzungen auf der Basis von InP. Die optischen Verstärker erlauben, auch bei schwachen Lichtquellen oder hohen Dämpfungen ein ausreichend hohes Signal-zu-Rausch- Verhältnis bei der Lichtdetektion hinter der Gitteranordnung 10 zu bewerkstelligen. Die optischen Verstärker sind in der Regel zwischen Eingang 8 und Ausgängen 11 angeordnet.
Ferner können optische Modulatoren bei bestimmten Halbeleitermaterialien während des Herstellungsprozesses direkt in die Auslesevorrichtung 9 eingebaut werden. Beispielmaterialsystem sind wiederum Materialzusammensetzungen auf der Basis von InP. Durch den Einsatz eines optischen Modulators kann aus der filterbasierten Messvorrichtung 1 mit Wellenlängen- Multiplex-Verfahren (= wavelength division multiplex = WDM) eine Messvorrichtung mit einem kombinierten Wellenlän- gen/Zeit-Multiplex Verfahren werden. Der Einsatz von opti- sehen Modulatoren ermöglicht, zahlreiche der von den Faser-
Bragg-Gittern 3 gebildeten Messaufnehmer mit einer Wellenlänge und Auslesevorrichtung 9 auszulesen, allerdings mit Einschränkungen bei der Messgeschwindigkeit und beim Anti- Aliasing. Die optischen Modulatoren können beispielsweise dazu verwendet werden, nacheinander verschiedene Zweige der
Lichtleitfaser 2 mit der Auslesevorrichtung 9 zu koppeln. Die Modulatoren können auch dazu verwendet werden, verschiedene Messaufnehmer entlang der Lichtleitfaser 2 über eine Selektion der Signallaufzeit auszulesen, indem beispielsweise ein Modulator im Bereich des Eingangs 8 angeordnet wird, der innerhalb eines gewissen Zeitfensters geöffnet wird, dessen zeitliche Lage bezüglich des Zeitpunkts variiert, zu dem von der Lichtquelle 6 ein Lichtpuls ausgesandt wird. Weiter kann die Auslesevorrichtung 9 mit weiteren Halbleiter- Lichtquellen versehen werden. Diese können beispielsweise so genannte SOAs (= seminconduetor optical amplifier) sein, die bei bestimmten Halbleitermaterialien in die Auslesevorrichtung 9 integriert werden können. Beispielmaterialsysteme beruhen wiederum auf InP. Durch diese Komponenten können die Kosten und die Baugröße des Gesamtsystems verringert werden. Auch optische Zirkulatoren können bei bestimmten Halbeleitermaterialien während des Herstellungsprozesses direkt in die Auslesevorrichtung 9 eingebaut werden. Auch hier kann als Beispielmaterialsystem eine Materialzusammensetzung auf der Grundlage von InP genannt werden. Derartige Zirkulatoren können notwendig sein, um das Licht in die Lichtleitfaser 2 einzuspeisen und um das von den Messaufnehmern zurückreflektierte Licht der Auslesevorrichtung 9 zuzuführen Durch das Aufbringen von elektrischen Heizelementen auf das Substrat der Auslesevorrichtung 9 können der Brechungsindex in den einzelnen Komponenten oder weitere thermooptischen Effekte dazu verwendet werden, die Komponenten durchzustimmen. Dies erlaubt die Regelung der Dispersionseigenschaften der Messvorrichtung 1 und insbesondere der Auslesevorrichtung 9.
Schließlich sein in diesem Zusammenhang noch darauf hingewiesen, dass elektromagnetische Strahlung im gesamten optischen Wellenlängenbereich einschließlich dem infraroten und ultravioletten Wellenlängenbereich gemeint ist, wenn von Licht die Rede ist.
Abschließend sei noch darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten
Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist. Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Auslesen wenigstens eines spektral selektiven Messaufnehmers (3), der in einer Lichtleiteranordnung (2, 4, 5, 7) ausgebildet ist, mit:
- einem Eingang (8), an den die Lichtleiteranordnung (2, 4, 5, 7) anschließbar ist,
- einer Mehrzahl von Ausgängen (11),
- einer spektral selektiven Gitteranordnung (10, 22), durch die ein am Messeingang (8) anliegendes und dem Messaufnehmer
(3) zugeordnetes Eingangssignal (37) auf die dem jeweiligen Messaufnehmer (3) zugeordneten Ausgänge (11) verteilbar ist,
- den Ausgängen (11) zugeordneten Detektoren (15) und mit
- einer den Detektoren (15) nachgeschalteten Auswerteeinheit (19), die ein Verhältnis der von den Detektoren erfassten
Intensitäten bestimmt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s den Ausgängen (11) zugeordnete Transmissionscharakteristika (12) bei einem Transmissionswert oberhalb eines gleich dem Zehntelwert gesetzten Basiswerts der Transmissionscharakteristika (12) teilweise überlappen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Basiswert gleich dem Halbwert gesetzt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die den Ausgängen (11) zugeordneten Transmissionscharakteris- tika (12) in spektraler Hinsicht teilweise überlappend ausgebildet sind, indem der räumliche Abstand zwischen den Ausgängen (11) kleiner als die Basiswertbreite eines defokussierten Beugungsbildes (34) einer Beugungsordnung ist.
4. Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s den Ausgängen zugeordnete Transmissionscharakteristika in spektraler Hinsicht teilweise überlappend ausgebildet sind, indem die Ausgänge (11) Beugungsbildern (39) verschiedener Beugungsordnungen zugeordnet sind und die Ausgänge (11) bezüglich dem Intensitätsmaximum (40) des jeweiligen Beugungsbildes (39) um unterschiedliche Strecken versetzt sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Gitteranordnung (10) von einem Wellenleitergitter gebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Gitteranordnung (10) von einem Reflektionsgitter gebilde te ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Vorrichtung von einem abbildenden konkaven Reflektions- gitter (22) gebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Grundlinie des Reflektionsgitters elliptisch ausgebildet ist .
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Ausgänge (11) entlang einer Fokal-Linie (32) des Reflek- tionsgitters (22) angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Reflektionsgitter ein Echelle-Gitter (22) ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das Echelle-Gitter (22) mehr als 50 Facetten (28) aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s jeweils zwei Ausgänge (11) einem Messaufnehmer (3) zugeordnet sind .
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Gitteranordnung (10) aktiv gekühlt ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s
die Gitteranordnung (10) und die Detektoren (15) auf
Halbleiterchip ausgebildet sind.
15. Messvorrichtung mit wenigstens einem spektral selektiven Messaufnehmer (3) , der in einer Lichtleiteranordnung (2, 4, 5, 7) ausgebildet ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Lichtleiteranordnung (2, 4 ,5 ,7) zum Auslesen des Messaufnehmers (3) an eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 angeschlossen ist.
16. Messvorrichtung nach Anspruch 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s im Lichtleiter mehr als ein Messaufnehmer (3) ausgebildet ist.
17. Messvorrichtung nach Anspruch 15 oder 16,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Messaufnehmer ein Faser-Bragg-Gitter (3) ist.
18. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die spektrale Halbwertsbreite des vom Messaufnehmers (3) erzeugten Eingangssignals wenigstens um die Hälfte kleinei als die spektrale Halbwertsbreite der zugeordneten Transmi sionscharakteristika (12) ist.
EP10752800A 2009-09-09 2010-09-09 Vorrichtung zum auslesen eines spektral selektiven optischen messaufnehmers und messvorrichtung Withdrawn EP2475971A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009040885A DE102009040885A1 (de) 2009-09-09 2009-09-09 Vorrichtung zum Auslesen eines spektral selektiven Messaufnehmers und Messvorrichtung
PCT/EP2010/063261 WO2011029884A1 (de) 2009-09-09 2010-09-09 Vorrichtung zum auslesen eines spektral selektiven optischen messaufnehmers und messvorrichtung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2475971A1 true EP2475971A1 (de) 2012-07-18

Family

ID=43064671

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP10752800A Withdrawn EP2475971A1 (de) 2009-09-09 2010-09-09 Vorrichtung zum auslesen eines spektral selektiven optischen messaufnehmers und messvorrichtung

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2475971A1 (de)
DE (1) DE102009040885A1 (de)
WO (1) WO2011029884A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011080278A1 (de) * 2011-08-02 2013-02-07 Carl Zeiss Ag Echelle-Spektrometer
CN112665749B (zh) * 2020-12-31 2023-04-11 武汉科宇智联信息技术有限公司 一种中阶梯光栅硅光芯片温度传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2011029884A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011029884A1 (de) 2011-03-17
DE102009040885A1 (de) 2011-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19754910C2 (de) Wellenlängendetektion an Faser-Bragg-Gitter-Sensoren
DE69831405T2 (de) Verteiltes sensorsystem
EP0795121B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur messung von lichtbündeln
DE112007002368B9 (de) Verfahren und System zur diffraktiven Hybrid-Kombination von kohärenten und inkohärenten Strahlen durch einen Strahlformer
DE69433154T2 (de) Optische Reflexionsmessung im Zeitbereich
EP2765394B1 (de) Optische Positionsmesseinrichtung
DE60014631T2 (de) Dehnungsmessung
EP2333493A2 (de) Positionsmesseinrichtung
DE60214852T2 (de) Differenzmesssystem auf der basis der benutzung von paaren von bragg-gittern
DE60012704T2 (de) Abstimmbarer laser mit einer integrierten vorrichtung zur wellenlängenüberwachung und zugehöriges betriebsverfahren
DE102009014478B4 (de) Vorrichtung zum Umsetzen eines optischen Eingangssignals in ein elektrisches Ausgangssignal und Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung
DE60216907T2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Wellenlängenbestimmung
EP1178295A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Wellenlängendetektion
DE69818461T2 (de) Einrichtung zum lesen von spektrallinien in einem optischen spektrum
DE102008044810B4 (de) Faseroptisches Interferometer und Verfahren zur Bestimmung physikalischer Zustandsgrößen im Innern einer Faserspule eines faseroptischen Interferometers
EP2475971A1 (de) Vorrichtung zum auslesen eines spektral selektiven optischen messaufnehmers und messvorrichtung
WO2010040726A1 (de) Kompakter multiplexer/demultiplexer
DE19913800C2 (de) Anordnung zur Auswertung schmalbandiger optischer Signale
EP1266198A1 (de) Optisches modul zur wellenlängen-referenzmessung in wdm-systemen
DE3625703C2 (de)
DE4133125C1 (de)
DE60203578T2 (de) Auswertungsverfahren eines optischen Halbleiterverstärker und Instrument zur Auswertung
EP3962362B1 (de) Optischer sensor enthaltend einen wellenleiter mit holographischen elementen zur messung des pulses und der blutsauerstoffsättigung
DE102012100733B4 (de) Verfahren zum Kompensieren parasitärer Reflexionen und Messvorrichtung
DE10061147C2 (de) Anordnung zur Bestimmung der Reflexionswellenlänge von Faser-Bragg-Gittern

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20120320

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK SM TR

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: MUELLER, MATHIAS

Inventor name: BUCK, THORBJOERN

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20160401