SE447601B - Fiberoptisk interferometer - Google Patents

Description

447 601 10 15 20 25 REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGI-:N Ovanstående svårigheter löses enligt uppfinningen genom att ljuset frân de optiska fibrerna före detekteringen ledes genom ett enkelt elektrooptiskt kopplingsorgan som medger hög mätnoggrannhet.

Uppfinningens kännetecken framgår av bifogade patentkrav.

FIGURFÜRTECKNING En föredragen utföringsform av uppfinningen skall beskrivas nedan i anslutning till en ritning där figur 1 schematiskt visar en Mach - Zehnder interferometer, figur 2 visar en elektrooptisk riktkopplare i perspektiv snett ovanifran, figur 3 visar en del av interferometern med riktkopplare och ljusdetektorer figur 4 visar ett kopplingsorgan med en elektrooptisk bifurkation i perspektiv snett ovanifràn och figur 5 visar en ytterligare interferometer enligt uppfinningen.

FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM I figur 1 visas schematiskt ett utföringsexempel av en fiberoptisk Mach- Zehnder interferometer. Interferometern har pa känt sätt tva optiska fibrer, en referensfiber 1 och en mätfiber 2 vilka genom ett fördelningsorgan 3 är anslutna till en laser 5. Fördelningsorganet 3 är en skiva av elektrooptiskt material i vars yta vagledare 4 är indiffunderade, vilka fördelar ljuset fràn lasern till de bada fibrerna 1 och 2. Till mätfibern 2 är ansluten en mät- omvandlare 6 vilken kan pâverkas av en storhet P, exempelvis en längd- eller temperaturändring, som man önskar mäta. Lasern utsänder inom ett smalt vàglängdsomràde ljusvàgor, vilka passerar komponenten 3 och fibrerna 1 resp 2.

Vid fibrernas bortre ändar blir ljusvagorna fasförskjutna i förhållande till varandra beroende på skillnaden i optisk våglängd fràn fördelningspunkten hos fördelningsorganet 3 till fibrernas bortre ändar. Den optiska våglängden beror dels av den vägsträcka ljusvàgen tillryggalägger och dels av brytningaindexet i det medium ljusvagen passerar. I mätomvandlaren 6 kan den optiska våglängden förändras exempelvis genom att fibern 2 sträckes så att vägsträckan förlängs m) 10 15 20 25 30 35 447 601 eller att fibern utsättas för en tvärriktad tryckkreft eller en böjning så att fiberns brytningsindex förändras. Da mätomvandlaren 6 utsättas för påverkan av storheten P förändras den optiska våglängden i motsvarighet till denna påverkan så att en fasförskjutning mellan ljusvågorna, vinkeln (P , erhålles. referensfibern 1 jämföras med Fasvinkeln för ljusvågen i mätfibern 2 resp 1 hjälp av två optoelektriska detektorer 8 för ljusintensiteten och en skillnade- krets 9, vars ingångar är anslutna till detektorernas 8 utgångar. För att härvid på ett enkelt sätt erhålla en noggrann jämförelsesignall från skillnadskretsen 9 leds ljuset enligt uppfinningen före detekteringen genom ett elektrooptiskt kopplingsorgan 7, vilket skall beskrivas nedan. Jämförelsesignalen I är på känt sätt återkopplad för att kompensera för fasförskjutningen med vinkeln g) mellan ljusvågorna i de två optiska fibrerna 1 och 2. Skillnadskretsens 9 utgång är ansluten till en styrkrets 10 vars utgående styrsignal U är ansluten till en elektrod ll på fördelningsorganet 3. Med hjälp av styrsignalen U förändras ljushastigheten och därmed brytningsindexet hos den vågledare li som ligger vid elektroden 11. Härigenom förändras den optiska våglängden och därmedafas- vinkeln för en ljusvåg i referensfibern 1. Den faaförskjutning som uppstår i mätomvandlaren 6 kan på detta sätt kompenseras genom styrsignalen U vilken utgör ett matt på storheten P.

Som nämndes ovan leds ljuset från referensfibern 1 och mätfibern 2 enligt uppfinningen genom det elektrooptiska kopplingsorgenet 7 före detekteringen av ljusintensiteten. Kopplingsorganet, enligt utföringsexemplet en elektrooptisk riktkopplare, visas i figur 2. En närmare beskrivning av riktkopplarens funktion återfinnas i IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol QE-l2, No 7, July 1976, H Kogelink and R Schmidt: "Switched Directional Couplers with Alternating A ", eller i IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol Cas-26, No 12, December 1979, R Schmidt and R Alferness: "Directionel Coupler Switchers, Modulators, and Filters Using Alternating A/ß Techniques". Riktkopplaren består av en skiva 12 av elektrooptiskt material, exempelvis litiurnniobat, vilken vid sin övre yta 13 har ljusvàgledare 14. Dessa har högre brytningsindex än skivans material och kan erhållas genom att exempelvis titan diffunderas in i skivans ytskikt. Ljusvågledarna 14 har ingångar llia och utgångar 14b vid skivans 12 plana ändytor 15 och ligger nära intill varandra i ett interaktione- område L. En ljusstråle som leds in i den ena av vågledarna 14 vandrar i interaktionsområdet L helt eller delvis över till den andra av vågledarna såsom PooR Quatiä 447 601 10 15 20 25 30 beskrivas i de citerade publikationerna. Fördelningen av ljusenergin vid ut- gangarna lllb, beror av ljusets våglängd, interaktionsomradets utsträckning och kopplingen mellan vågledarna. Fördelningen kan påverkas genom att en elekt- risk spänning palägges mellan elektroder 16 vilka ligger pa skivans yta utefter vagledarna 14 i interaktionsomradet L. För att erhalla den önskade jämförelse- signalen I fran skillnadskretsen 9 väljes riktkopplarens parametrar sa att ljusenergin för en ljusvag på en av vagledaringangarna llza fördelas lika mellan vagledarutgangarna làb såsom skall närmare anges i anslutning till figur 3. I denna figur visas riktkopplaren 7 med referensfibern 1 och mätfibern 2 anslutna till var sin av vagledaringangarna llla. De bada vagledarutgangarna lllb är genom optiska fibrer 20 anslutna till var sin av de optoelektriska detektorerna 8. Ljusvågen fran lasern i referensfibern l har en amplitud A och ljusvagen i mätfibern 2 har en amplitud B så att de bada ljusvagornas intensiteter är proportionella mot A2 resp BZ. Före mätningen av storheten P kan ljusvagorna i mät- respektive referensfibern vara fasförskjutna i förhållande till varandra en vinkel som är en multipel av ett halvt varv. Vid påverkan pa mätomvandlaren 6 av storheten P förändras den optiska våglängden sa att fasförskjutningen mellan ljusvågorna vid ingangarna lila förändras en vinkel T . Ljusvagorna växelverkar med varandra i interaktionsomràdet L och de utgående ljusvagornas inten- siteter, Ul respektive UZ, detekteras av detektorerna 8. Dessa avger mot Ul respektive Uz proportionella elektriska signaler Il respektive 12, vilka huvud- sakligen anges av sambanden: 11 = 1/2(A2 + BZ) + A se sin a: 12 = 1/2(A2 + eZ) - A e sin 7 .

Skillnadskretsen 9 bildar skillnaden mellan signalerna Il och 12 och avger den utgående signalen I enligt sambandet: I=I1-I2=2ABsin :f .

Som nämnts i anslutning till figur l aterkopplas signalen I genom styrkretsen 10 vilken avger styrsignalen U till elektroden ll. Härvid kompenseras fasför- skjutningen mellan ljusvagorna i fibrerna 1 och 2 sa att vinkeln f avtar. Vid full kompensation är q) = 0 och, enligt sambandet ovan, I = 0. Styrsignalen U ' ,-n~ ”ä d) 10 '15 20 25 30 447 sin har härvid natt sitt slutvärde och utgör ett matt pa storheten P som man önskar mäta. Det bör observeras att faskompenseringen fungerar även om fas- förskjutningen i mätomvandlaren 6 är större än 900. Da storheten P anbringas och fasförskjutningen i mätomvandlaren växer sker fortlöpande en kompen- sering av fasskillnaden vinkeln y mellan mätfibern 2 och referensfibern l genom att styrsignalen U växer i motsvarande grad.

Ovan har nämnts att parametrarna hos riktkopplaren 7 skall väljas sa att om ljus anslutes till endast en av ingangarna l4a ljusenergin fördelas lika mellan utgangarna llib. Detta framgar av sambanden för signalerna Il och Iz. Om amplituden B = 0 erhålles halva ljusenergin pa var och en av utgangarna llßb.

Av det ovan angivna sambandet för signalen I framgar att denna signal är praktiskt taget oberoende av ljusamplituderna A och B vid full kompensering av fasförskjutningen, da det gäller att 7 = mätvärde för storheten P, är alltsa oberoende av en variation i ljusstyrkan fran lasern 5 och oberoende av fördelningen av ljusenergin mellan mätfibern 2 och 0. Styrsignalen U, vilken utgör referensfibern l. Detta medger att interferometern kan ges ett relativt enkelt utförande och samtidigt ha hög noggrannhet.

I det ovan beskrivna utföringsexemplet bestar kopplingsorganet 7 hos inter- ferometern av en elektrooptisk riktkopplare. Kopplingsorganet 7 kan ocksa utgöras av en elektrooptisk bifurkation vilken visas i figur ll. I likhet med riktkopplaren har den elektrooptiska bifurkationen vagledare 18 indiffunderade i ytan av en skiva 17 av elektrooptiskt material. Bifurkationen har tva ingångar 1Ba och tva utgångar l8b men har till skillnad fran riktkopplaren endast en vagledare i sitt interaktionsmnrade Ll. De inkommande ljusvagorna fran mät- ooh referensfibern överlagras i interaktionsomradet och de utgaende ljus- vagornas intansiteter följer nära de samband som gäller för riktkopplaren och som angivits ovan. En närmare beskrivning av den elektrooptiska bifurkationen aterfinnes i Applied Physics Letters, Vol 31, No 4, 15 August 1977, M Papuchon, M Roy and O B Ostrowsky: "Electrically active optical bifurcation: BOA".

Vid riktkopplaren 7 i den beskrivna intarferometern antar jämförelsesignalen I nollvärde da fasförskjutningen ¶9 mellan ljusvagorna är kompenserad till nollvärde enligt sambandet I = 2 A B sin f? . En riktkopplare kan även utformas Pßsfleøwiïfi 447 601 10 15 20 25 30 6 så att den utgående skillnadssignalen I antar nollvärde då de inkommande ljusvågorna är fasförskjutna en bestämd vinkel Då tva ljusvâgor med amplítuderna A respektive B och fasförskjutningen Û i förhållande till varandra. inkommer pa ingångarna till denna riktkopplare fördelas ljusenergin lika mellan utgångarna. Vinkeln 39 Û är karakteristisk för riktkopplaren och jämförelse- signalen I som erhålles vid fasförskjutningen anges huvudsakli en av» 9 sambandet: I=Il-I2=2ABSÜ1(?' De optiska våglängderna i mät- respektive referensfibern väljes härvid så att ljusvågorna, så när som på en multipel av ett halvt varv, är fasförskjutna vinkeln (f) = 9D när mätomvandlaren 6 är opåverkad av storheten P. De förändringar av fasförskjutningen som vid mätningen erhålles i mätomvandlaren 6 kompenseras kring vinkel f Û genom styrsignalen U såsom beskrivits ovan.

I figur 5 visas en ytterligare utföringsform av en interferometer enligt uppfinningen. En skiva Zl] av elektrooptiskt material har på sin övre plana yta en elektrooptisk riktkopplare 21 så som beskrivits i anslutning till figur 2.

Skivan har en ytterligare riktkopplare 22 och en vågledare 23 med en elektrod 24. Vàgledaren 23 är ansluten till den ena ingången hos riktkopplaren 21.

Mätfibern 2 med mätomvandlaren 6 är optiskt förbunden med den andra utgången hos den ytterligare riktkopplaren 22 och med vågledaren 23. Ljuset från lasern 5 fördelas i riktkopplaren 22 till mätfibern 2 och referensfibern l.

Efter passagen genom fibrerna l och 2 har ljusvågorna fasförskjutits inbördes en vinkel t? genom påverkan av storheten P på mätomvandlaren 6. Denna fasförskjutning kompenseras genom att styrsignalen U påverkar elektroden 24 såsom beskrivits i anslutning till figur l. Ljusvågorna från mät- och referens- fibrerna leds genom riktkopplaren 21 före detekteringen i detektorerna 8 och jämföras i skillnadskretsen 9 såsom beskrivits i anslutning till figur 2. Skillnade- signalen I påverkar styrkretsen lD vilken avger styrsignalen U till elektroden 24.

-Vid denna interferometer ligger alla de elektrooptiska komponenterna på den gemensamma skiva som 20, vilket medför fördelen att interferometern kan göras enkel och robust. 447 601 Känsligheten för en interferometer av ovan beskrivet slag beror av hur noga en förändring hos vinkeln y kan detekteras. Denna noggrannhet är störst för ljusvàgor av planpolariserat ljus som har väl definierad fasvinkel. Den upp- finningsenliga interferometern har fördelen att kunna utnyttja detta förhållande 5 da polarisationsplanet för en ljusvag inte förändras i det elektrooptiska kopp- lingsorganet 7. Om polarisationsbevarande optiska fibrer och ett polarisations- bevarande fördelníngsorgan användes behållas polarisationsriktningen för ljuset fràn lasern 5 genom hela interferometern fram till detektorerna 8. Den känslighet som härvid kan erhållas är mycket stor och är, uttryckt i längd- 10 ändring hos mätfibern, 10"” meter.

Poor QUBPÉL

Claims (1)

1. 447 601 8 PATENTKRAV l Fiber-optisk interferometer för att mäta en förändring hos en storhet, exempelvis längdändring eller temperaturändring, omfattande tva ljusledande fibrer vilka är anslutna till en gemensam koherent ljuskälla där åtminstone den ena fibern har en mätomvandlare vilken förändrar den optiska våglängden och 5 därigenom förändrar fasvinkeln för en ljusvag genom denna fiber i motsvarighet till storhetens förändring varvid fasvinklarna för ljusvagorna i fibrerna jämföras och nämnda fasvinkelförändring kompenseras och kompensationsvärdet ut- nyttjas som mätvärde k ä n n e t e t e c k n a d därav att för- att vid jämförelsen göra jämförelseresultat (I) huvudsakligen oberoende av ljusintensiteten i de 10 ljusledande fibrerna (l, 2), dessa fibrer är anslutna till ett elektrooptiskt kopplingsorgan (7) av typ riktkopplare vilket har tva ingångar (lila, l8a) som genom ljusvagledare (lil,l8) via ett interaktionsomrade (L,L1) är förbundna med tva utgångar (lilb,18b) och vilket är sa anordnat att ljuseffekten fördelas lika mellan utgangarna (lilb, l8b) da en ljusvag fran ljuskällan (5) inkommer pa 15 endast en av ingangarna (lila, l8a) eller da tva ljusvagor med en bestämd fasskillnad (?Ü), som även kan vara noll, inkommer pa de respektive in- gangarna (lila, l8a) och att da tva ljusvagor vilkas fasskillnad ( i? ) avviker fran nämnda bestämda fasskillnad (770) inkommer pa de respektive ingangarna (lila, l8a) en av fasskillnaden (97) beroende faktor påverkar de utgående intensi- 20 teterna huvudsakligen enligt sambanden: U _ 2 + 82 1 _ 2 + + A B sinflf -?0) A2 az UZ =_-r - A B sinüf -TDJ där A och B är ljusvagornas amplituder vid íngangarna (lila, l8a), i? är deras inbördes fasskillnad, y Û är nämnda bestämda fasskillnad och Ul och Uz är 25 ljusvagornas intensiteter vid utgangarna (lilb, l8b), sa att skillnadsvärdet mellan dessa intensiteter blir huvudsakligen oberoende av en variation i ljusintensiteterna i fibrerna (1, 2) vid kompensering av fasförskjutningen (T) till det bestämda värdet (TO), 'rn-ig. - y* ä yr-'I-l-rzš, < bv gp] t ' l ' z . _ .ut “<4 _ , *z ...ag-i ¿ Hm- - _. \~¿,¿_;.¿J.;.-_å 447gen1 9 2 Fiberoptisk interferometer enligt patentkrav l k ä n n e t e c k n a d därav att ingangarna (lita) och utgàngarna (llsb) hos kupplingsorganet (7) är förbundna via tvâ pa avstånd fràn varandra liggande ljusvagledare i interaktionsomradet (L). 3 Fiberoptisk interferometer enligt patentkrav 1 k ä n n e t e c k n a d därav att ingången-na (l8a) ueh utgångar-na (l8b) hos kopplingsorganet (7) är förbundna via en gemensam ljusvàgledare i interaktionsomradet (LI). 1,: ø få- Pocm QUAuTï , ¿~". ' .k w“"""'Û