WO2012126983A1 - Optoakustischer wandler sowie hydrophonanordnung mit derartigem oder derartigen wandlern - Google Patents

Optoakustischer wandler sowie hydrophonanordnung mit derartigem oder derartigen wandlern Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to an optoacoustic transducer according to the preamble of claim 1 and to a hydrophone arrangement with one or more such optoacoustic transducers.
  • optoacoustic transducers In hydroacoustics, in addition to electroacoustic transducers more recently, optoacoustic transducers have also been used, which convert water sound waves impinging on the transducer into a modulated optical signal.
  • the pressure fluctuations of the water sound wave modulate a fed-in light signal in such a way that these changes can be assigned by means of the signal processing corresponding to acoustic frequencies.
  • the modulation may relate to the amplitude and / or the phase.
  • an optically active component in the form of an optical waveguide coil is used for this purpose. This optical fiber coil is thereby exposed to the waterborne sound field, while at the same time the optical fiber coil is penetrated by a laser light.
  • the sound wave thereby alters the length of the optical waveguide, albeit to a lesser extent, as well as the refractive index within the optical waveguide.
  • These changes can be detected on a light sensor. They can finally be converted back into electrical signals and these electrical signals are then digitized and fed to electronic signal processing in order to be able to process the underwater sound signal electronically.
  • find such opto-acoustic transducers use in sonar systems for receiving sound waves in the water.
  • a disadvantage of such optical waveguide coils is that they are large and mechanically unstable. They are therefore not suitable for certain hydrophone antennas, especially for thin towed antennas.
  • the invention is therefore based on the problem of providing optoacoustic transducers or hydrophone assemblies constructed therefrom which have smaller structures.
  • the invention solves this problem by means of an optoacoustic transducer according to claim 1 or with a hydrophone arrangement according to claim 6.
  • an opto-acoustic transducer for converting water sound waves in a modulated optical signal on a photonic crystal as an optically active device which applied to light and water sound waves generates a modulated optical signal whose waveform is dependent on the waveform of a hydroacoustic signal generated by the water sound waves ,
  • the light acting on the photonic crystal forms a carrier which is modulated by the hydroacoustic signal and thus by the water sound waves.
  • the invention solves the above problem with a hydrophone arrangement comprising one or more such optoacoustic transducers and one or more light sources for generating the photonic crystal (s) and one or more light sensors, in particular photodiodes, for receiving photonic crystal or photonic crystals the light reflected from the photonic crystals or light transmitted by the photonic crystal or photonic crystals and generating an electrical signal in response to the received light.
  • a smaller design of optoacoustic transducers can be realized, which is particularly suitable for acoustic antennas with low expansion in at least one dimension or two dimensions, in particular for linear antennas or towed antennas. Due to the small size or small size of the optoacoustic converters, these converters are also mechanically stable and have a low susceptibility due to the mechanical stability. The mechanical stability is of considerable importance in particular with regard to underwater applications, since such antennas are exposed to particular loads because of their application to watercraft, in particular surface vessels and submarines.
  • the invention is based on the finding that photonic crystals change their reflectivity or transmittance when the pressure changes and these changes are detectable.
  • the incident on a photonic crystal sound pressure can be converted into an optical signal which can be supplied via a corresponding light path, in particular optical waveguide, a transmitter to further process the thus detected acoustic signal.
  • the photonic crystal has a periodic lattice structure with at least one lattice structure constant which lies in the range of the wavelength, the half wavelength or a quarter of the wavelength of the light impinging on the photonic crystal or the wavelength, the half wavelength or a wavelength Quarter of the wavelength of the photonic crystal acting light corresponds.
  • the lattice structure of the photonic crystal is therefore sized to match the wavelength of the photonic crystal impinging light.
  • the adaptation of the light source to the structure size is also possible. This results in an advantageously utilizable specific course of the degree of reflection or the transmittance of the photonic crystal as a function of the wavelength of light within this range.
  • the lattice structure and thus also the lattice structure constant or lattice structure constants can be determined in the production process of the photonic crystals.
  • lithographic processes or sedimentation processes or special laser irradiation of appropriate starting materials are therefore suitable for producing such photonic crystals in order to produce photonic crystals of a specific structure.
  • the photonic crystals have a dependent on the wavelength of the impinging light gradient of the optical reflectance, which increases with increasing wavelength from a first region of minimum reflectance to a range of maximum reflectance and at further increasing wavelength up to a second region minimal reflectance drops.
  • These mentioned minimum and maximum reflection levels may be either global or local maxima or minima in the course of the reflectance.
  • the light impinging on the photonic crystal is preferably monochromatic light of a predetermined wavelength or polychromatic light having a plurality of predetermined wavelengths.
  • light with a narrow band wavelength range can also be used.
  • the structure constant is adapted to this wavelength or to the multiple wavelengths or narrowband wavelength range such that the optical reflectance for this wavelength or these multiple wavelengths or narrowband wavelength range between the maximum reflectance range and the first and / or second range is minimal
  • Reflectance is, in particular in a range in which the first derivative of the reflectance after the wavelength assumes a local or global extreme value and / or the second derivative of the reflectance after the wavelength is zero.
  • the operating point can be chosen such that the light acting on the photonic crystal has a wavelength which lies on a particularly steep flank of the course of the optical reflectance over the wavelength.
  • a steep flank causes even the smallest shifts in the curve of the reflectance due to pressure changes on the photonic crystal to a high sensitivity of the transducer, so that the transducer already provides a useful useful signal even with small changes in sound pressure.
  • the transmissivity of the photonic crystal is utilized.
  • the photonic crystal has one of the wave- Length of the incident light-dependent course of the optical transmittance, which decreases with increasing wavelength from a first range of maximum transmittance to a range of minimum transmittance and increases with increasing wavelength up to a second range of maximum transmittance.
  • these minima or maxima may be either local or global minima or maxima.
  • the impinging light is monochromatic light of a predetermined wavelength or polychromatic light having a plurality of predetermined wavelengths or light having a narrow band wavelength range.
  • the at least one structure constant is adapted to this wavelength or the plurality of wavelengths or narrowband wavelength range such that the optical transmittance for this wavelength or these multiple wavelengths or narrowband wavelength range between the range of minimum transmittance and the first and / or. or second region of maximum transmittance, in particular in a region in which the first derivative of the transmittance after the wavelength is a local or global extreme value and / or the second derivative of the transmittance after the wavelength zero.
  • a steep flank in the course of the transmittance can thus be selected as the operating point or range of the operating point, so that even a slight shift in the progression of the transmittance due to a change in sound pressure leads to a significant change in the optical signal.
  • the utilization of the transmission behavior thus leads to a converter with a high sensitivity.
  • the photonic crystal has predetermined defects or predetermined irregularities at predetermined regions.
  • the targeted incorporation of such defects or irregularities in the structure of the photonic crystal results in a very narrow frequency range within the range of the above-described steep flanks, which transmits light and thus reflects only slightly.
  • These additional steep flanks are particularly suitable for the choice of an operating point at which the photonic crystal can be operated, ie the choice of the wavelength or a plurality of wavelengths or a narrowband wavelength range, with which the photonic crystal is exposed to light.
  • the electrical signal generated by the light sensor is fed to a high-pass filter.
  • a high-pass filter This is advantageous because in this way an equal-share signal is generated.
  • a DC component in the course of the electrical signal results in particular from the hydrostatic pressure in the water, i. in particular due to the depth of the hydrophone arrangement.
  • Hydrophonan angelen are suitable, especially for the use of towed antennas on submarines, which are exposed to different depths.
  • the optical signal supplied to the light sensor is first subjected to optical high-pass filtering. As a result, an effect similar to the high-pass for the electrical signal is achieved.
  • the light wave or the light sources are adjustable with respect to the wavelength ⁇ ) generated by them.
  • the wavelength or wavelengths are controlled as a function of the depth of the hydrophone arrangement.
  • the wavelength or wavelengths are preferably reduced as the depth of immersion increases, that is to say as the pressure increases and the lattice structural constants thus become smaller, and increased as the depth of immersion decreases. In this way, it is possible to compensate for lower wavelengths or higher wavelengths despite a variation in the position of the course of the degree of reflection or the transmittance with the depth of immersion.
  • selected or the selected operating points can be maintained at a substantially same degree of reflection or transmittance, even if the ambient pressure changes.
  • a useful signal of the transducer, in particular the optical signal of the transducer can be generated with substantially the same quality.
  • a multiplicity of photonic crystals are arranged within a towed antenna of a sonar system, these photonic crystals being connected via optical waveguides to the light source (s) and the light sensor (s).
  • these photonic crystals being connected via optical waveguides to the light source (s) and the light sensor (s).
  • Such an embodiment is advantageous because thanks to the optical waveguide, the light source (s) and the / the light sensor (s) outside the towed antenna, but at least outside the acoustic part of a towed antenna can be arranged.
  • no electrical wires are necessary in this part of the towed antenna.
  • This allows a slim design of towed antennas, which in turn is advantageous because for smaller towed antennas smaller radii of a drum for winding the towed antenna are possible.
  • the drum can be formed for winding the towed antenna with a smaller diameter. Furthermore, a slim design of a towed antenna reduces the risk of damage to the towed antenna during rolling, which is in particular due to buckling of an enveloping hose.
  • the hydrophone arrangement comprises a group of photonic crystals, which are connected to each other via an optical waveguide for exposure to light.
  • the structural constants of these photonic crystals within the group are different.
  • the light impinging on these photonic crystals is polychromatic.
  • the wavelengths of this polychromatic light are adapted to the structural constants of the various photonic crystals.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a hydrophone arrangement with an optoacoustic transducer according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a profile of the optical reflectance for the arrangement according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows the temporal course of the reflectance according to FIG. 2 in the case of underwater sounding of an optoacoustic transducer according to FIG. 1 at different water pressures;
  • FIG. 4 shows a schematic diagram for illustrating a group of optoacoustic transducers according to the invention using the reflective properties of an optoacoustic transducer according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic diagram of a hydrophone arrangement with an optoacoustic converter according to a second exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 6 shows a profile of the optical transmittance for the arrangement according to FIG. 5;
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a group of optoacoustic transducers according to the present invention utilizing the present invention transmitting properties of an optoacoustic transducer according to the invention
  • FIG. 8 shows a photonic crystal with a planar defect
  • FIG. 10 shows the profile of the optical transmittance for a photonic crystal according to FIG. 8.
  • the optoacoustic transducer has an optically active device 16 in the form of a photonic crystal.
  • This is a transparent or semi-transparent solid with a periodic structure of the refractive index.
  • photonic crystals are optical metamaterials composed of various optical materials in different geometries on the order of the wavelength of light. By means of such photonic crystals, light can be filtered and guided.
  • a photonic crystal has a three-dimensional structure.
  • photonic crystal photonic crystals are not necessarily crystalline. Rather, the term “photonic crystal” based on the analogy to diffraction and reflection effects of short-wave electromagnetic radiation, namely X-rays, in crystals, which go back to their lattice constants.
  • Such photonic crystals have the property that light of a certain wavelength range can not be conducted through the structure, this wavelength range being determined by at least one structure constant which describes the periodic lattice structure of the photonic crystal.
  • the photonic crystal is a three-dimensionally structured body.
  • Such a homogeneous photonic crystal 16 is shown schematically in FIG.
  • the photonic crystal 16 is not only exposed to water sound waves 14, but also exposed to light of one or more specific wavelengths or light of a narrow band wavelength range.
  • a transmitted light beam S is supplied to the photonic crystal, which is generated by a light source 18, in particular a monochromatic or polychromatic laser or such a laser diode.
  • This light source 18 is controllable by means of a light source control 20.
  • the controllability relates in particular to the intensity and / or duration of the transmitted light beam S, which can either be limited or unlimited, in particular can generate a pulsed light beam.
  • the controller 20 and the light source 18 can be designed such that they can change the wavelength or wavelengths or the position of the narrowband wavelength range. Alternatively, this wavelength or these wavelengths or the wavelength range are fixed and not changeable, whereby the structure of the light source 18 and the controller 20 can be simplified.
  • the light beam S passes through an optical waveguide 22 to the optoacoustic transducer 12.
  • the light beam S is supplied to the photonic crystal 16 via a further optical waveguide 24, preferably via an optical system 26.
  • the photonic crystal 16 reflects the thus incident light beam S.
  • the reflected light beam E is led out, preferably again via the optics 26, and an optical waveguide 28 out of the optoacoustic transducer 12 and passes via an optical waveguide 30 to a light sensor 32.
  • the optoacoustic transducer 12 includes Thus, in addition to the optically active device in the form of the photonic crystal 16 and one or more optical fibers 24, 28 and preferably an optic 26, which are preferably all housed in a housing or potted together in a potting compound. According to the invention, at least one structural constant of the periodic lattice structure of the photonic crystal 16 is adapted to the wavelength or the wavelengths of the incident light beam S.
  • the light sensor 32 converts the optical signal in the form of the light beam E into an electrical signal 34, which is advantageously a high-pass filter 36 is fed to filter out a DC component and low frequency components of the electrical signal 34, so that only higher-frequency components remain in the electrical signal.
  • the cut-off frequency of this high-pass filter 36 is chosen such that the lowest expected frequencies of underwater noise can pass through this high-pass filter 36. This ensures that the acoustic signal received in the form of the water sound waves 14 is first supplied via an optical path as an electrical signal to a signal processing device 38.
  • optical waveguides 22, 24 for the transmitted light beam S on the one hand and optical waveguides 28, 30 for the received light beam E on the other hand were used.
  • an optical waveguide is sufficient both for the transport of the transmitted light beam S and the transport of the received light beam E.
  • the optics 26 can be omitted.
  • the optoacoustic transducer 12 in this case contains only the optically active component in the form of the photonic crystal 16 and a single optical waveguide which is led out of a housing or encapsulation of the optoacoustic transducer 12 and connected to a further optical waveguide, the direction separation unit (not shown), which has a first connection to the light source 18 and a second connection to the light sensor 32.
  • the number of required optical fibers is reduced.
  • FIG. 2 illustrates the profile of the degree of reflection of the photonic crystal 16 as a function of the light wavelength ⁇ .
  • FIG. 2 illustrates that the reflectance R increases strongly from a first region 40 of a minimum reflectance to a region of maximum reflectance 42, and then drops again with a further increase in the light wavelength ⁇ to a second region 44 of minimum reflectance.
  • the increase of the reflectance R between the first region 40 of minimum reflectance and the region 42 of maximum reflectance is very steep as well as the drop of region 42 maximum reflectance to the second region 44 of minimum reflectance.
  • the range 42 maximum reflectance is assigned a maximum wavelength A MAX .
  • a trembling i. to a periodic shifting of the course of the reflectance R in the direction of the horizontal axis. This trembling occurs at the frequency of the water sound waves 14.
  • the at least one structural constant of the grating structure of the photonic crystal is adapted to the wavelength of the light source 18 such that the operating point A, at which the hydrophone assembly 12 is operated, in the absence of water sound waves 14 between the first region 40 minimum reflectance and the second region 44th minimum reflectance and the range 42 maximum reflectance is.
  • the operating point A On the left rising steep edge of the course of the reflectance R of this operating point A is located. He has a light wavelength AR
  • the operating point could also on the right, steeply falling edge of the course of the reflectance R, i. lie between the area 42 and the area 44. Both alternative solutions are essentially equivalent.
  • standard light sources in particular standard laser diodes are to be used, which, however, emit only light of a certain frequency, which is not readily changeable.
  • the grating structure of the photonic crystal must be determined accordingly. the.
  • this is easily possible because the lattice structure of the photonic crystal is artificially generated according to the invention, or by sedimentation of a starting material or lithographic process or laser treatment of optical materials.
  • be adapted to an already existing periodic lattice structure of a photonic crystal, that the operating point A is located on said steep flanks.
  • this requires a more complex light source 18 together with the controller 20.
  • the choice of the operating point A on one of the two steep flanks has the advantage that even the slightest shifts in the course of the reflectance R in the direction of the horizontal axis as a result of sound pressure changes lead to a significant change in the reflectance R.
  • These changes in the degree of reflection lead to a periodic attenuation of the light beam S sent in the direction of the optoacoustic transducer 12, so that the received light beam E fluctuates periodically and indeed as a function of the frequency of the water sound waves 14 and is thus modulated by the water sound waves 14.
  • Fig. 3 shows the time course of the reflectance R when hitting a sound wave with the frequency fs- in the range of the time t- that varies
  • Fig. 4 illustrates the arrangement of a plurality of opto-acoustic transducers in a row utilizing the reflection characteristics of the photonic crystals. 4 therefore shows a group 50 of optoacoustic transducers 12, which are each connected to an optical waveguide 54 via optical components 52 for directional guidance, so that light reflected by the optoacoustic transducers 12 is returned to the optical waveguide 54 counter to the direction of the transmitted light beam.
  • the photonic crystals 16 of these transducers each have different structural constants which correspond to different wavelengths of light AR -
  • Such an arrangement is according to the invention housed in a towed antenna 56, of which a portion in Fig. 4 is shown.
  • a towed antenna for a sonar system without electrical lines for the connection of the converter can be constructed, since the transducers 12 alone are optically connected and the corresponding optical fiber 54 can be led out of the trailing antenna 56.
  • the towed antenna 56 can be formed with a very small diameter. This significantly simplifies the handling of towed antennas and in particular also allows a significant reduction in the diameter of a drum on which the towed antenna 56 is wound up.
  • FIG. 5 shows an alternative embodiment to FIG. 1 which, in contrast to FIG. 1, which is based on the reflective behavior of the photonic crystal 16, exploits the transmissive behavior of the photonic crystal.
  • Fig. 5 uses the same reference numerals as Fig. 1, these reference numerals refer to the same facts, so that reference is made to the corresponding statements to Fig. 1.
  • the incident light beam S passes via an optical waveguide 22 to the optoacoustic transducer 12, which has a photonic crystal 16, which corresponds to that shown in Fig. 1.
  • the optical waveguide section 24, which is connected to the optical waveguide 22 and belongs to the optoacoustic transducer 12, is guided directly onto the photonic crystal 16.
  • the optical waveguide 28 belonging to the optoacoustic transducer 12 guides the transmitted light beam to the optical waveguide 30, which guides the received light beam E to the light sensor 32.
  • the transmission through the photonic crystal 16 is thus utilized.
  • FIG. 6 shows the course of the transmittance T.
  • the transmittance T drops from a first region 58 of maximum transmittance T to a region 60 of minimal transmittance T, and then increases again to a second region 62 of maximum transmittance T.
  • the operating point A is preferably selected on one of the steep flanks of the course of the transmittance T in order to increase the sensitivity of this transducer 12.
  • the operating point A is thus on the transmittance curve between the first region 58 and the second region 62 maximum transmittance and the range 60 minimum transmittance.
  • the working point A is chosen so that it corresponds to the wavelength of the light source 18 ⁇ - ⁇
  • FIG. 7 again shows an arrangement of a further group 64 of optoacoustic transducers 1 2, which, however, are connected in such a way as to utilize the transmissive properties of the photonic crystals 16.
  • two separate optical fiber strands 66, 68 are provided analogously to the example shown in FIG. 5 for supplying the transmitted light beam S or for the opposite discharge of the received light beam E.
  • the photonic crystals of the individual optoacoustic transducers 12 have different structural constants, so that for each transducer 12 another operating point with different wavelength Aj , ⁇ ⁇ 2 ' ⁇ ⁇ 3' ⁇ ⁇ 4 ' ⁇ ⁇ 5 is provided.
  • FIG. 7 are the
  • the corresponding structural constants of the photonic crystals of a group are therefore chosen so far apart that the drops of transmittance T illustrated in FIG. 6 do not overlap in the respective region between the first region 58 and the second region 62 of maximum transmittance.
  • Fig. 8 shows another embodiment of a photonic crystal 1 6 'with a planar defect.
  • This defect is illustrated by painted circles.
  • Such a defect may be, for example, geometric irregularities or different materials used to construct the photonic crystal 16 '.
  • Such defects are deliberately installed.
  • Such a defect results in a very narrow wavelength range to a sharp decline in the reflectance FT or a sharp increase in the transmittance T ', as shown in Figs. 9 and 1 0 illustrates.
  • a minimum reflectance FT results at the wavelength of the light A m j n , while correspondingly in FIG. Weil length A M AX gives a maximum transmittance T '.
  • the operating point A ' is provided in each case at the very steep edge at the wavelength AR') or h - ⁇ 'adjacent to the wavelength A m j n or A M AX .
  • the invention has recognized that a photonic crystal changes its reflection and / or transmission behavior in a particularly specific manner as a function of changes in ambient pressure.
  • a photonic crystal is therefore sensitive to pressure changes, as they result, for example, underwater noise.
  • This sensitivity can be increased in particular by adapting a structural constant of the periodic lattice structure of the photonic crystal to the wavelength of the light irradiating the photonic crystal.
  • the lattice structure is adapted to the frequency of the light used or the frequency of the light used is adapted to the lattice structure.
  • the optoacoustic transducer according to the invention it is possible to realize very slim, elongated hydrophone arrangements with a multiplicity of optoacoustic transducers, as used, for example, in drag antennas of sonar systems.
  • the invention thus enables a particularly thin design of towed antennas.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen optoakustischen Wandler (12) zur Wandlung von Wasserschallwellen (14) in ein moduliertes optisches Signal (E) mit einem optisch wirksamen Bauelement (16), welches mit Licht (S) und Wasserschallwellen (14) beaufschlagbar ist zur Erzeugung des modulierten optischen Signals (E), wobei der Signalverlauf dieses optischen Signals (E) abhängig vom Signalverlauf eines von den Wasserschallwellen erzeugten hydroakustischen Signals ist. Erfindungsgemäss wird ein photonischer Kristall als optisch wirksames Bauelement (16) vorgeschlagen. Hierdurch ist eine sehr kleine Bauform optoakustischer Wandler möglich, die zudem mechanisch stabil und störunanfällig sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Hydrophonanordnung (10) mit derartigen optoakustischen Wandlern (12).

Description

Optoakustischer Wandler sowie Hydrophonanordnung mit derartigem oder derartigen Wandlern
Die Erfindung betrifft einen optoakustischen Wandler gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Hydrophonanordnung mit einem oder mehreren derartigen optoakustischen Wandlern.
In der Hydroakustik werden herkömmlicherweise neben elektroakustischen Wandlern in jüngerer Zeit versuchsweise auch optoakustische Wandler eingesetzt, welche auf den Wandler auftreffende Wasserschallwellen in ein moduliertes optisches Signal umwandeln. Die Druckschwankungen der Wasserschallwelle modulieren ein eingespeistes Lichtsignal derart, dass diese Änderungen mit Hilfe der Signalverarbeitung entsprechend akustischer Frequenzen zugeordnet werden können. Die Modulation kann die Amplitude und/oder die Phase betreffen. Herkömmlicherweise wird hierzu ein optisch wirksames Bauelement in Form einer Lichtwellenleiterspule verwendet. Diese Lichtwellenleiterspule wird dabei dem Wasserschallfeld ausgesetzt, während gleichzeitig die Lichtwellenleiterspule von einem Laserlicht durchdrungen wird. Die Schallwelle ändert dabei die Länge des Lichtwellenleiters, wenngleich auch in geringem Ausmaß, sowie den Brechungsindex innerhalb des Lichtwellenleiters. Diese Änderungen sind an einem Lichtsensor detektierbar. Sie können schließlich wieder in elektrische Signale umgewandelt und diese elektrischen Signale sodann digitalisiert und einer elektronischen Signalverarbeitung zugeführt werden, um das Unterwasserschallsignal elektronisch verarbeiten zu können. Insbesondere finden derartige optoakustische Wandler Verwendung in Sonaranlagen zum Empfangen von Schallwellen im Wasser. Ein Nachteil derartiger Lichtwellenleiterspulen besteht jedoch darin, dass sie groß und mechanisch instabil sind. Sie sind daher für bestimmte Wasserschallantennen, insbesondere für dünne Schleppantennen nicht geeignet.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, optoakustische Wandler bzw. daraus aufgebaute Hydrophonanordnungen bereitzustellen, die kleinere Strukturen aufweisen.
Die Erfindung löst dieses Problem mittels eines optoakustischen Wandlers gemäß Anspruch 1 bzw. mit einer Hydrophonanordnung gemäß Anspruch 6.
Im Einzelnen weist daher ein optoakustischer Wandler zur Wandlung von Wasserschallwellen in ein moduliertes optisches Signal einen photonischen Kristall als optisch wirksames Bauelement auf, welches mit Licht und Wasserschallwellen beaufschlagt ein moduliertes optisches Signal erzeugt, dessen Signalverlauf abhängig vom Signalverlauf eines von den Wasserschallwellen erzeugten hydroakustischen Signals ist. Das den photonischen Kristall beaufschlagende Licht bildet dabei einen Träger, der von dem hydroakustischen Signal und damit von den Wasserschallwellen moduliert wird.
Ferner löst die Erfindung das vorstehende Problem mit einer Hydrophonanordnung mit einem oder mehreren derartigen optoakustischen Wandlern sowie einer oder mehrerer Lichtquellen zur Erzeugung des den bzw. die photonischen Kristalle) beaufschlagenden Lichts und einem oder mehreren Lichtsensoren, insbesondere Photodioden, zum Empfangen von vom photonischen Kristall bzw. den photonischen Kristallen reflektiertem Licht oder von durch den photonischen Kristall bzw. die photonischen Kristalle transmittiertem Licht und zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit des empfangenen Lichts.
Dank der Erfindung ist eine kleinere Bauform von optoakustischen Wandlern realisierbar, die insbesondere für akustische Antennen mit geringer Ausdehnung zumindest in einer Dimension oder zwei Dimensionen geeignet ist, insbesondere für Linearantennen bzw. Schleppantennen. Aufgrund der geringen Größe bzw. kleinen Bauform der optoakustischen Wandler sind diese Wandler zudem me- chanisch stabil und weisen aufgrund der mechanischen Stabilität eine geringe Störanfälligkeit auf. Die mechanische Stabilität ist insbesondere im Hinblick auf Unterwasseranwendungen von nicht unerheblicher Bedeutung, da derartige Antennen aufgrund ihrer Anwendung auf Wasserfahrzeugen, insbesondere Oberflächenschiffen und Unterseebooten, besonderen Belastungen ausgesetzt sind.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass photonische Kristalle bei Druckänderung ihr Reflektionsvermögen bzw. Transmissionsvermögen verändern und diese Veränderungen detektierbar sind. Somit kann der auf einen photonischen Kristall einfallende Schalldruck in ein optisches Signal umgewandelt werden, welches über eine entsprechende Lichtstrecke, insbesondere Lichtwellenleiter, einer Auswerteelektronik zugeführt werden kann, um das somit erfasste akustische Signal weiter zu verarbeiten.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist der photonische Kristall eine periodische Gitterstruktur mit wenigstens einer Gitter-Strukturkonstanten auf, die im Bereich der Wellenlänge, der halben Wellenlänge oder eines Viertels der Wellenlänge des den photonischen Kristalls beaufschlagenden Lichts liegt bzw. der Wellenlänge, der halben Wellenlänge oder eines Viertels der Wellenlänge des den photonischen Kristalls beaufschlagenden Lichts entspricht. Die Gitterstruktur des photonischen Kristalls wird daher derart bemessen, dass sie an die Wellenlänge des den photonischen Kristall beaufschlagenden Lichts angepasst ist. Die Anpassung der Lichtquelle an die Strukturgröße ist ebenfalls möglich. Somit ergibt sich ein vorteilhaft ausnutzbarer spezifischer Verlauf des Reflektionsgrades bzw. des Transmissionsgrades des photonischen Kristalls in Abhängigkeit der Lichtwellenlänge innerhalb dieses Bereichs.
Die Gitterstruktur und damit auch die Gitter-Strukturkonstante bzw. Gitter- Strukturkonstanten können im Herstellungsprozess der photonischen Kristalle bestimmt werden. Insbesondere eignen sich daher zur Herstellung derartiger photonischer Kristalle lithografische Verfahren oder Sedimentationsverfahren oder spezielle Laserbestrahlung entsprechender Ausgangsmaterialien, um photonische Kristalle einer bestimmten Struktur herzustellen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der photonische Kristalle einen von der Wellenlänge des beaufschlagenden Lichts abhängigen Verlauf des optischen Reflektionsgrades auf, der bei steigender Wellenlänge von einem ersten Bereich minimalen Reflektionsgrades bis zu einem Bereich maximalen Reflektionsgrades ansteigt und bei weiter steigender Wellenlänge bis zu einem zweiten Bereich minimalen Reflektionsgrades abfällt. Bei diesen genannten minimalen bzw. maximalen Reflektionsgraden kann es sich entweder um globale oder lokale Maxima bzw. Minima im Verlauf des Reflektionsgrades handeln.
Das den photonischen Kristall beaufschlagende Licht ist vorzugsweise monochromatisches Licht einer vorbestimmten Wellenlänge oder polychromatisches Licht mit mehreren vorbestimmten Wellenlängen. Alternativ kann auch Licht mit einem schmalbandigen Wellenlängenbereich verwendet werden. Die o.g. Strukturkonstante ist dabei derart an diese Wellenlänge bzw. die mehreren Wellenlängen bzw. diesen schmalbandigen Wellenlängenbereich angepasst, dass der optische Reflektionsgrad für diese Wellenlänge bzw. diese mehreren Wellenlängen bzw. diesen schmalbandigen Wellenlängenbereich zwischen dem Bereich maximalen Reflektionsgrades und dem ersten und/oder zweiten Bereich minimalen Reflektionsgrad liegt, insbesondere in einem Bereich, in dem die erste Ableitung des Reflektionsgrades nach der Wellenlänge einen lokalen oder globalen Extremwert annimmt und/oder die zweite Ableitung des Reflektionsgrades nach der Wellenlänge Null ist. Auf diese Weise kann der Arbeitspunkt derart gewählt werden, dass das den photonischen Kristall beaufschlagende Licht eine Wellenlänge aufweist, die an einer besonders steilen Flanke des Verlaufs des optischen Reflektionsgrades über die Wellenlänge liegt. Eine derartig steile Flanke bewirkt, dass bereits kleinste Verschiebungen des Kurvenverlaufs des Reflektionsgrades infolge von Druckänderungen am photonischen Kristall zu einer hohen Sensitivi- tät des Wandlers führen, so dass der Wandler auch bei kleinen Schalldruckänderungen bereits ein brauchbares Nutzsignal liefert.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform wird alternativ oder zusätzlich zum Reflektionsvermögen das Transmissionsvermögen des photonischen Kristalls ausgenutzt. Bevorzugt weist der photonische Kristall einen von der Wellen- länge des beaufschlagenden Lichts abhängigen Verlauf des optischen Transmissionsgrades auf, der bei steigender Wellenlänge von einem ersten Bereich maximalen Transmissionsgrades bis zu einem Bereich minimalen Transmissionsgrades abfällt und bei weiter steigender Wellenlänge bis zu einem zweiten Bereich maximalen Transmissionsgrades ansteigt. Wiederum kann es sich bei diesen Minima bzw. Maxima entweder um lokale oder globale Minima bzw. Maxima handeln.
Wiederum ist das beaufschlagende Licht monochromatisches Licht einer vorbestimmten Wellenlänge oder polychromatisches Licht mit mehreren vorbestimmten Wellenlängen oder Licht mit einem schmalbandigen Wellenlängenbereich. Dabei ist wiederum die wenigstens eine Strukturkonstante derart an diese Wellenlänge bzw. die mehreren Wellenlängen bzw. diesen schmalbandigen Wellenlängenbereich angepasst, dass der optische Transmissionsgrad für diese Wellenlänge bzw. diese mehreren Wellenlängen bzw. diesen schmalbandigen Wellenlängenbereich zwischen dem Bereich minimalen Transmissionsgrades und dem ersten und/oder zweiten Bereich maximalen Transmissionsgrades liegt, insbesondere in einem Bereich, in dem die erste Ableitung des Transmissionsgrades nach der Wellenlänge einen lokalen oder globalen Extremwert und/oder die zweite Ableitung des Transmissionsgrades nach der Wellenlänge Null ist. Auch bei dieser Ausführungsform kann somit eine steile Flanke im Verlauf des Transmissionsgrades als Arbeitspunkt bzw. Bereich des Arbeitspunktes ausgewählt werden, so dass bereits eine geringfügige Verschiebung des Verlaufs des Transmissionsgrades infolge einer Schalldruckänderung zu einem signifikanten Ändern des optischen Signals führt. Auch die Ausnutzung des Transmissionsverhaltens führt somit zu einem Wandler mit einer hohen Sensitivität.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform weist der photonische Kristall an vorbestimmten Bereichen vorbestimmte Defekte bzw. vorbestimmten Unregelmäßigkeiten auf. Der gezielte Einbau derartiger Defekte bzw. Unregelmäßigkeiten in die Struktur des photonischen Kristalls ergibt einen sehr schmalen Frequenzbereich innerhalb des Bereichs der vorstehend beschriebenen steilen Flanken, der Licht transmittiert und somit nur gering reflektiert. Auf diese Weise ergibt sich im Verlauf des Reflektionsgrades bzw. Transmissionsgrades ein wei- teres Minimum bzw. Maximum mit steilen Flanken im Übergangsbereich zu diesem Minimum bzw. Maximum. Diese zusätzlichen steilen Flanken eignen sich besonders für die Wahl eines Arbeitspunktes, bei dem der photonische Kristall betrieben werden kann, d.h. der Wahl der Wellenlänge bzw. mehrerer Wellenlängen bzw. eines schmalbandigen Wellenlängenbereichs, mit der bzw. dem der photonische Kristall mit Licht beaufschlagt wird.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hydrophonanordnung wird das vom Lichtsensor erzeugte elektrische Signal einem Hochpassfilter zugeführt. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise ein gleichanteilsfreies Signal erzeugt wird. Ein Gleichanteil im Verlauf des elektrischen Signals ergibt sich insbesondere durch den hydrostatischen Druck im Wasser, d.h. insbesondere infolge der Tauchtiefe der Hydrophonanordnung. Die Tauchtiefe ändert sich jedoch im Vergleich zur Frequenz einfallender Schallwellen sehr langsam. Daher kann durch eine Hochpassfilterung der Einfluss einer etwaigen Tauchtiefenänderung eliminiert werden. Somit eignen sich derartige Hydrophonanordnungen, insbesondere für den Einsatz von Schleppantennen an Unterseebooten, welche unterschiedlichen Tauchtiefen ausgesetzt sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zusätzlich oder alternativ das dem Lichtsensor zugeführte optische Signal zunächst einer optischen Hochpassfilterung unterworfen wird. Hierdurch wird eine Wirkung analog dem Hochpass für das elektrische Signal erzielt.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform der Hydrophonanordnung ist die Lichtwelle bzw. sind die Lichtquellen bzgl. der von ihr/ihnen erzeugten Wellenlänge^) einstellbar. Dabei wird die Wellenlänge bzw. werden die Wellenlängen in Abhängigkeit der Tauchtiefe der Hydrophonanordnung gesteuert. Vorzugsweise wird die Wellenlänge bzw. werden die Wellenlängen bei größer werdender Tauchtiefe, d.h. bei steigendem Druck und damit kleiner werdenden Gitter-Strukturkonstanten, reduziert und bei kleiner werdender Tauchtiefe erhöht. Auf diese Weise kann trotz einer mit der Tauchtiefe variierenden Lage des Verlaufs des Reflektionsgrades bzw. des Transmissionsgrades hin zu niedrigeren Wellenlängen bzw. höheren Wellenlängen kompensiert werden, so dass der ge- wählte bzw. die gewählten Arbeitspunkte bei einem im Wesentlichen gleichen Reflektionsgrad bzw. Transmissionsgrad gehalten werden können, auch wenn sich der Umgebungsdruck ändert. Somit kann ein Nutzsignal des Wandlers, insbesondere das optische Signal des Wandlers im Wesentlichen mit gleicher Qualität erzeugt werden.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform ist eine Vielzahl von photonischen Kristallen innerhalb einer Schleppantenne einer Sonaranlage angeordnet, wobei diese photonischen Kristalle über Lichtwellenleiter mit der bzw. den Lichtquelle(n) und dem bzw. den Lichtsensor(en) verbunden sind. Eine derartige Ausführungsform ist vorteilhaft, da dank der Lichtwellenleiter die Lichtquelle(n) und der/die Lichtsensor(en) außerhalb der Schleppantenne, zumindest aber außerhalb des akustischen Teils einer Schleppantenne anordbar sind. Somit sind in diesem Teil der Schleppantenne keine elektrischen Leitungen notwendig. Dies ermöglicht eine schlanke Bauform von Schleppantennen, welche wiederum vorteilhaft ist, da für schlanke Schleppantennen kleinere Radien einer Trommel zum Aufwickeln der Schleppantenne möglich sind. Somit kann die Trommel zum Aufwickeln der Schleppantenne mit geringerem Durchmesser ausgebildet werden. Des Weiteren reduziert eine schlanke Bauform einer Schleppantenne die Gefahr von Beschädigungen der Schleppantenne beim Aufrollen, welche insbesondere durch ein Einknicken eines umhüllenden Schlauches gegeben ist.
Bei einer weiteren besonderen Ausführungsform weist die Hydrophonanordnung eine Gruppe von photonischen Kristallen auf, welche über einen Lichtwellenleiter miteinander zur Beaufschlagung mit Licht verbunden sind. Dabei sind die Strukturkonstanten dieser photonischen Kristalle innerhalb der Gruppe unterschiedlich. Ferner ist das diese photonischen Kristalle beaufschlagende Licht polychromatisch. Die Wellenlängen dieses polychromatischen Lichts sind dabei an die Strukturkonstanten der verschiedenen photonischen Kristalle angepasst. Eine derartige Ausgestaltung ist vorteilhaft, da somit eine Gruppe von Wandlern mit nur einem Lichtwellenleiter mit Licht beaufschlagt werden können. Dies reduziert die Anzahl notwendiger Lichtwellenleiter. Ferner ermöglicht dies eine individuelle Auswertung der Empfangssignale anhand der unterschiedlichen Lichtfarben bzw. Wellenlängen. D.h. auch die reflektierten bzw. transmittierten optischen Signale können ebenfalls über denselben oder einen separaten Lichtwellenleiter zum Lichtsensor zurückgeführt werden. Insgesamt ermöglicht ein derartiger Aufbau daher aufgrund der geringen Anzahl benötigter Lichtwellenleiter ebenfalls einen schlanken Aufbau einer Hydrophonanordnung.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Hydrophonanordnung mit einem optoakustischen Wandler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 einen Verlauf des optischen Reflektionsgrades für die Anordnung gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des Reflektionsgrades gemäß Fig. 2 im Falle einer Unterwasserschallbeaufschlagung eines optoakustischen Wandlers gemäß Fig. 1 bei verschiedenen Wasserdrücken;
Fig. 4 ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung einer Gruppe erfindungsgemäßer optoakustischer Wandler bei Ausnutzung der reflektierenden Eigenschaften eines erfindungsgemäßen optoakustischen Wandlers;
Fig. 5 ein schematisches Diagramm einer Hydrophonanordnung mit einem optoakustischen Wandler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 einen Verlauf des optischen Transmissionsgrades für die Anordnung gemäß Fig. 5;
Fig. 7 ein schematisches Diagramm zur Veranschaulichung einer Gruppe erfindungsgemäßer optoakustischer Wandler bei Ausnutzung der transmittierenden Eigenschaften eines erfindungsgemäßen optoa- kustischen Wandlers;
Fig. 8 einen photonischen Kristall mit einem planaren Defekt;
Fig. 9 den Verlauf des optischen Reflektionsgrades für einen photonischen
Kristall gemäß Fig. 8 und
Fig. 10 den Verlauf des optischen Transmissionsgrades für einen photonischen Kristall gemäß Fig. 8.
Fig. 1 zeigt eine Hydrophonanordnung 10 mit einem optoakustischen Wandler 12, der Wasserschallwellen 14 ausgesetzt ist. Der optoakustische Wandler weist ein optisch wirksames Bauelement 16 in Form eines photonischen Kristalls auf. Hierbei handelt es sich um einen transparenten bzw. teiltransparenten Festkörper mit einer periodischen Struktur des Brechungsindex. Insbesondere sind derartige photonische Kristalle optische Metamaterialien, die aus verschiedenen optischen Materialien in unterschiedlichen Geometrien in der Größenordnung der Lichtwellenlänge aufgebaut sind. Mittels derartiger photonischer Kristalle lässt sich Licht filtern und leiten. Ein photonischer Kristall hat eine dreidimensionale Struktur. Trotz des Begriffs "photonischer Kristall" sind photonische Kristalle nicht zwingenderweise Kristallin. Vielmehr beruht der Begriff "photonischer Kristall" auf der Analogie zu Beugungs- und Reflektionseffekten von kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, nämlich Röntgenstrahlung, in Kristallen, welche auf deren Gitterkonstanten zurückgehen.
Derartige photonische Kristalle haben die Eigenschaft, dass Licht eines bestimmten Wellenlängenbereichs nicht durch die Struktur hindurch geleitet werden kann, wobei dieser Wellenlängenbereich von wenigstens einer Strukturkonstanten bestimmt ist, welche die periodische Gitterstruktur des photonischen Kristalls beschreibt. Bei dem photonischen Kristall handelt es sich um einen dreidimensional strukturierten Körper. Ein derartiger homogener photonischer Kristall 16 ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Der photonische Kristall 16 wird jedoch nicht nur Wasserschallwellen 14 ausgesetzt, sondern auch mit Licht einer oder mehrerer bestimmter Wellenlängen oder Licht eines schmalbandigen Wellenlängenbereichs beaufschlagt. Hierzu wird dem photonischen Kristall ein Sendelichtstrahl S zugeführt, welches von einer Lichtquelle 18, insbesondere einem monochromatischen oder polychromatischen Laser bzw. einer derartigen Laserdiode, erzeugt wird. Diese Lichtquelle 18 ist mittels einer Lichtquellensteuerung 20 steuerbar. Die Steuerbarkeit bezieht sich insbesondere auf die Intensität und/oder Dauer des Sendelichtstrahls S, die entweder begrenzt oder unbegrenzt sein kann, insbesondere einen gepulsten Lichtstrahl erzeugen kann. Die Steuerung 20 sowie die Lichtquelle 18 können jedoch gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel derart ausgebildet sein, dass sie die Wellenlänge bzw. Wellenlängen bzw. die Lage des schmalbandigen Wellenlängenbereichs verändern kann. Alternativ ist diese Wellenlänge bzw. sind diese Wellenlängen bzw. der Wellenlängenbereich fest vorgegeben und nicht veränderbar, wodurch sich der Aufbau der Lichtquelle 18 und der Steuerung 20 vereinfachen lässt.
Der Lichtstrahl S gelangt über einen Lichtwellenleiter 22 zum optoakustischen Wandler 12. Innerhalb des optoakustischen Wandlers 12 wird der Lichtstrahl S über einen weiteren Lichtwellenleiter 24, vorzugsweise über eine Optik 26 dem photonischen Kristall 16 zugeführt. Der photonische Kristall 16 reflektiert den somit einfallenden Lichtstrahl S. Der reflektierte Lichtstrahl E wird, vorzugsweise wieder über die Optik 26, und einen Lichtwellenleiter 28 aus dem optoakustischen Wandler 12 herausgeführt und gelangt über einen Lichtwellenleiter 30 zu einem Lichtsensor 32. Der optoakustische Wandler 12 umfasst somit neben dem optisch wirksamen Bauelement in Form des photonischen Kristalls 16 auch einen oder mehrere Lichtwellenleiter 24, 28 sowie vorzugsweise eine Optik 26, die vorzugsweise allesamt in einem Gehäuse untergebracht bzw. gemeinsam in einer Vergussmasse vergossen sind. Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Strukturkonstante der periodischen Gitterstruktur des photonischen Kristalls 16 an die Wellenlänge bzw. die Wellenlängen des eintreffenden Lichtstrahls S angepasst.
Der Lichtsensor 32 wandelt das optische Signal in Form des Lichtstahls E in ein elektrisches Signal 34 um, welches vorteilhafterweise einem Hochpassfilter 36 zugeführt wird, um einen Gleichanteil sowie tiefe Frequenzanteile des elektrischen Signals 34 herauszufiltern, so dass nur höherfrequente Anteile im elektrischen Signal verbleiben. Die Grenzfrequenz dieses Hochpassfilters 36 ist dabei derart gewählt, dass die niedrigsten erwarteten Frequenzen des Unterwasserschalls dieses Hochpassfilter 36 passieren können. Somit ist gewährleistet, dass das in Form der Wasserschallwellen 14 empfangene akustische Signal zunächst über eine optische Strecke als elektrisches Signal einer Signalverarbeitungseinrichtung 38 zugeführt wird.
Gemäß Fig. 1 wurden zwei getrennte Lichtwellenleiterstränge, nämlich Lichtwellenleiter 22, 24 für den Sendelichtstrahl S einerseits sowie Lichtwellenleiter 28, 30 für den Empfangslichtstrahl E andererseits, herangezogen. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel genügt jedoch ein Lichtwellenleiter sowohl für den Transport des Sendelichtstrahls S als auch den Transport des Empfangslichtstrahls E. In diesem Fall kann auch die Optik 26 entfallen. Der optoakustische Wandler 12 enthält in diesem Fall lediglich das optisch wirksame Bauelement in Form des photonischen Kristalls 16 sowie einen einzigen Lichtwellenleiter, der aus einem Gehäuse bzw. Verguss des optoakustischen Wandlers 12 herausgeführt und mit einem weiteren Lichtwellenleiter verbunden ist, der zu einer Rich- tungstrennungseinheit (nicht dargestellt) führt, welche eine erste Verbindung zur Lichtquelle 18 sowie eine zweite Verbindung zum Lichtsensor 32 aufweist. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel reduziert sich die Anzahl der benötigten Lichtwellenleiter.
Fig. 2 veranschaulicht den Verlauf des Reflektionsgrades des photonischen Kristalls 16 in Abhängigkeit der Lichtwellenlänge λ.
Fig. 2 veranschaulicht, dass der Reflektionsgrad R von einem ersten Bereich 40 eines minimalen Reflektionsgrades stark anwächst bis zu einem Bereich maximalen Reflektionsgrades 42, um sodann wieder mit weiter steigender Lichtwellenlänge λ zu einem zweiten Bereich 44 minimalen Reflektionsgrades abzufallen. Der Anstieg des Reflektionsgrades R zwischen dem ersten Bereich 40 minimalen Reflektionsgrades sowie dem Bereich 42 maximalen Reflektionsgrades erfolgt sehr steil ebenso wie der Abfall vom Bereich 42 maximalen Reflektionsgrades zum zweiten Bereich 44 minimalen Reflektionsgrades. Dem Bereich 42 maximalen Reflektionsgrades ist eine maximale Wellenlänge AMAX zugeordnet.
Die Lage von AMAX ebenso wie die Lage des Verlaufs der Kurve des Reflektionsgrades R verschiebt sich in Richtung kleinerer Wellenlängen λ, wenn der auf den photonischen Kristall 16 einwirkende Druck ansteigt. Umgekehrt verschiebt sich AMAX bzw. der Kurvenverlauf des Reflektionsgrades R in Richtung größerer
Wellenlängen λ, wenn der Druck, der auf den photonischen Kristall 16 einwirkt, nachlässt.
Trifft nun eine Wasserschallwelle 14 auf den photonischen Kristall 16 kommt es zu einem Zittern, d.h. zu einem periodischen Verschieben des Verlaufs des Reflektionsgrades R in Richtung der horizontalen Achse. Dieses Zittern erfolgt mit der Frequenz der Wasserschallwellen 14.
Die wenigstens eine Strukturkonstante der Gitterstruktur des photonischen Kristalls ist derart an die Wellenlänge der Lichtquelle 18 angepasst, dass der Arbeitspunkt A, bei dem die Hydrophonanordnung 12 betrieben wird, bei Fehlen von Wasserschallwellen 14 zwischen dem ersten Bereich 40 minimalen Reflektionsgrades bzw. dem zweiten Bereich 44 minimalen Reflektionsgrades und dem Bereich 42 maximalen Reflektionsgrades liegt. Auf der linken ansteigenden steilen Flanke des Verlaufs des Reflektionsgrades R ist dieser Arbeitspunkt A eingezeichnet. Ihm ist eine Lichtwellenlänge AR-| zugeordnet, welche die Wellenlänge des Lichts der Lichtquelle 18 ist. Alternativ könnte der Arbeitspunkt auch auf der rechten, steil abfallenden Flanke des Verlaufs des Reflektionsgrades R, d.h. zwischen dem Bereich 42 und dem Bereich 44 liegen. Beide Lösungsalternativen sind im Wesentlichen gleichwertig.
Aus Kostengründen sind Standardlichtquellen, insbesondere Standardlaserdioden zu verwenden, die jedoch nur Licht einer bestimmten Frequenz aussenden, die nicht ohne weiteres veränderbar ist. Um gleichwohl einen Arbeitspunkt A in der vorstehend genannten Weise auf eine der steilen Flanken legen zu können, muss die Gitterstruktur des photonischen Kristalls entsprechend bestimmt wer- den. Dies ist jedoch ohne weiteres möglich, da die Gitterstruktur des photonischen Kristalls erfindungsgemäß künstlich erzeugt wird, bzw. durch Sedimentation eines Ausgangsmaterials oder lithografischer Verfahren oder Laserbehandlung von optischen Materialien.
Alternativ kann jedoch auch die Wellenlänge AR-| derart an eine bereits vorhandene periodische Gitterstruktur eines photonischen Kristalls angepasst werden, dass der Arbeitspunkt A auf den genannten steilen Flanken liegt. Wie bereits oben ausgeführt, setzt dies jedoch eine aufwändigere Lichtquelle 18 nebst Steuerung 20 voraus.
Die Wahl des Arbeitspunktes A auf einer der beiden steilen Flanken hat den Vorteil, dass bereits geringste Verschiebungen des Verlaufs des Reflektionsgrades R in Richtung der horizontalen Achse infolge von Schalldruckänderungen zu einer signifikanten Änderung des Reflektionsgrades R führen. Diese Änderungen des Reflektionsgrades führen zu einer periodischen Dämpfung des in Richtung des optoakustischen Wandlers 12 gesendeten Lichtstrahls S, so dass der Empfangslichtstrahl E periodisch und zwar in Abhängigkeit der Frequenz der Wasserschallwellen 14 schwankt und somit von den Wasserschallwellen 14 moduliert wird.
Die Wahl des Arbeitspunktes A auf einer der steilen Flanken führt somit zu einer Signalverstärkung bzw. einer hohen Sensitivität des photonischen Kristalls 16, wenn dieser dem hydroakustischen Schallfeld ausgesetzt wird.
Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf des Reflektionsgrades R bei Auftreffen einer Schallwelle mit der Frequenz fs- Im Bereich des Zeitpunktes t-| schwankt der
Reflektionsgrad periodisch in einem ersten Bereich 46, während im Bereich eines späteren Zeitpunktes t2 der Reflektionsgrad in einem zweiten Bereich 48 periodisch schwankt. Beide Bereiche unterscheiden sich in der mittleren Höhe des Reflektionsgrades, welche abhängig von der Tauchtiefe bzw. dem statischen Wasserdruck ist. Sofern der Arbeitspunkt auf der linken Flanke gemäß Fig. 2 gewählt ist, reduziert sich der mittlere Reflektionsgrad R bei kleineren Tauchtiefen, d.h. niedrigeren statischen Drücken, bzw. erhöht sich bei größeren Tauchtie- fen. Sofern der Arbeitspunkt jedoch auf der abfallenden Flanke gemäß Fig. 2 gewählt wird, sind die Verhältnisse umgekehrt.
Fig. 4 veranschaulicht die Anordnung mehrerer optoakustischer Wandler in einer Reihe unter Ausnutzung der Reflektionseigenschaften der photonischen Kristalle. Fig. 4 zeigt daher eine Gruppe 50 optoakustischer Wandler 12, welche jeweils über optische Bauelemente 52 zur Richtungslenkung mit einem Lichtwellenleiter 54 verbunden sind, so dass von den optoakustischen Wandlern 12 reflektiertes Licht entgegen der Richtung des Sendelichtstrahls auf dem Lichtwellenleiter 54 zurückgeführt wird. Die photonischen Kristalle 16 dieser Wandler weisen untereinander jeweils unterschiedliche Strukturkonstanten auf, die an unterschiedliche Lichtwellenlängen AR -| , AR2, AR3, AR4, ARS angepasst sind.
Eine derartige Anordnung ist erfindungsgemäß in einer Schleppantenne 56 untergebracht, von der ein Abschnitt in Fig. 4 gezeigt ist. Dank der Erfindung kann eine derartige Schleppantenne für eine Sonaranlage ohne elektrische Leitungen für den Anschluss der Wandler aufgebaut werden, da die Wandler 12 allein optisch verbunden sind und der entsprechende Lichtwellenleiter 54 aus der Schleppantenne 56 herausgeführt werden kann. Durch den Verzicht auf elektrische Leitungen kann die Schleppantenne 56 mit sehr geringem Durchmesser ausgebildet werden. Dies vereinfacht die Handhabbarkeit von Schleppantennen signifikant und ermöglicht insbesondere auch eine signifikante Reduzierung des Durchmessers einer Trommel, auf welche die Schleppantenne 56 aufgewickelt wird.
Fig. 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zu Fig. 1 , welches im Gegensatz zu Fig. 1 , die auf das reflektive Verhalten des photonischen Kristalls 16 aufbaut, das transmissive Verhalten des photonischen Kristalls ausnutzt. Soweit Fig. 5 gleiche Bezugszeichen wie Fig. 1 verwendet, beziehen sich diese Bezugszeichen auf gleiche Sachverhalte, so dass auf die entsprechenden Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen wird.
Der einfallende Lichtstrahl S gelangt wiederum über einen Lichtwellenleiter 22 zu dem optoakustischen Wandler 12, der einen photonischen Kristall 16 aufweist, der dem in Fig. 1 gezeigten entspricht. Der Lichtwellenleiterabschnitt 24, der mit dem Lichtwellenleiter 22 verbunden ist und zu dem optoakustischen Wandler 12 gehört, ist direkt auf den photonischen Kristall 16 geführt. Auf der gegenüberliegenden Seite des photonischen Kristalls 16 führt der zum optoakustischen Wandler 12 gehörende Lichtwellenleiter 28 den transmittierten Lichtstrahl zum Lichtwellenleiter 30, der den Empfangslichtstrahl E zum Lichtsensor 32 führt.
Gemäß dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird somit die Transmission durch den photonischen Kristall 16 ausgenutzt.
Fig. 6 zeigt den Verlauf des Transmissionsgrades T. Der Transmissionsgrad T fällt von einem ersten Bereich 58 maximalen Transmissionsgrades T zu einem Bereich 60 minimalen Transmissionsgrades T ab, um dann wieder zu einem zweiten Bereich 62 maximalen Transmissionsgrades T anzusteigen.
Wiederum wird der Arbeitspunkt A vorzugsweise an einer der steilen Flanken des Verlaufs des Transmissionsgrades T gewählt, um die Sensitivität dieses Wandlers 12 zu erhöhen. Der Arbeitspunkt A liegt somit auf der Transmissionsgrad-Kurve zwischen dem ersten Bereich 58 bzw. dem zweiten Bereich 62 maximalen Transmissionsgrades sowie dem Bereich 60 minimalen Transmissionsgrades. Der Arbeitpunkt A wird so gewählt, dass er der Wellenlänge der Lichtquelle 18 λ-ρ-| zugeordnet ist. D.h. die wenigstens eine Strukturkonstante des photonischen Kristalls 16 ist an die Wellenlänge λγ-| der Lichtquelle 18 ange- passt.
Alternativ zu dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel kann - wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert - statt zweier separater Lichtwellenleiter 22, 30 zur Zuführung des Sendelichtstrahls S und zur Abführung des Empfangslichtstrahls E auch nur ein einzelner Lichtwellenleiter verwendet werden, wobei jedoch durch ein entsprechendes optisches Bauelemente der Lichtwellenleiter 28 des optoakustischen Wandlers 12 mit diesem einzelnen Lichtwellenleiter verbunden werden muss. Dieses optische Bauelement muss den transmittierten Lichtstrahl entgegen der Richtung des Sendelichtstrahls S in diesen einzelnen Lichtwellenleiter einkoppeln. Fig. 7 zeigt wiederum eine Anordnung einer weiteren Gruppe 64 von optoakusti- schen Wandlern 1 2, welche jedoch derart verschaltet sind, um die transmissiven Eigenschaften der photonischen Kristalle 16 auszunutzen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind analog zu dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel zwei separate Lichtwellenleiterstränge 66, 68 zur Zuführung des Sendelichtstrahls S bzw. zur entgegengerichteten Abführung des Empfangslichtstrahls E vorgesehen.
Sowohl in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 als auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 weisen die photonischen Kristalle der einzelnen optoa- kustischen Wandler 12 unterschiedliche Strukturkonstanten auf, so dass für jeden Wandler 12 ein anderer Arbeitspunkt mit unterschiedlicher Wellenlänge Aj-| , λΤ2' λΤ3' λΤ4' λΤ5 vorgesehen ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 sind die
Arbeitspunkte bzw. die Wellenlängen Aj-| , h 2, Aj3, Aj4, Aj5 der Lichtquelle 18 derart unterschiedlich gewählt, dass die Transmissionseigenschaften der jeweiligen Wandler 12 innerhalb der Gruppe 64 nicht diejenigen Wellenlängen sub- stanziell dämpfen, welche von den weiteren nachgeschalteten Wandlern 12 benötigt werden. Vorteilhafterweise sind die entsprechenden Strukturkonstanten der photonischen Kristalle einer Gruppe daher derart weit auseinanderliegend gewählt, dass sich die in Fig. 6 veranschaulichten Einbrüche des Transmissionsgrades T in dem jeweiligen Bereich zwischen dem ersten Bereich 58 und zweiten Bereich 62 maximalen Transmissionsgrades nicht überlappen.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines photonischen Kristalls 1 6' mit einem planaren Defekt. Dieser Defekt ist durch ausgemalte Kreise veranschaulicht. Bei einem derartigen Defekt kann es sich beispielsweise um geometrische Unregelmäßigkeiten oder unterschiedliche Materialien handeln, welche zum Aufbau des photonischen Kristalls 16' verwendet worden sind. Derartige Defekte werden gezielt eingebaut. Ein derartiger Defekt führt bei einem sehr schmalen Wellenlängenbereich zu einem starken Einbruch des Reflektionsgrades FT bzw. einem starken Anstieg des Transmissionsgrades T', wie in den Fig. 9 bzw. 1 0 veranschaulicht. Gemäß Fig. 9 ergibt sich bei der Lichtwellenlänge Amjn ein minimaler Reflektionsgrad FT, während entsprechend in Fig. 1 0 sich bei der Licht- weilenlänge AM AX ein maximaler Transmissionsgrad T' ergibt. Der Arbeitspunkt A' ist jeweils an der zu der Wellenlänge Amjn bzw. AM AX benachbarten, sehr steilen Flanke bei der Wellenlänge AR-) ' bzw. h -\ ' vorgesehen. Durch derartig vorbestimmte Defekte kann auf vorteilhafte Weise die Sensitivität erfindungsgemäß aufgebauter optoakustischer Wandler erhöht werden.
Die Erfindung hat erkannt, dass ein photonischer Kristall in besonders spezifischer Weise sein Reflektions- und/oder Transmissionsverhalten in Abhängigkeit von Umgebungsdruckänderungen ändert. Ein photonischer Kristall ist daher sensitiv auf Druckänderungen, wie sie sich bspw. bei Unterwasserschall ergeben. Diese Sensitivität kann insbesondere dadurch gesteigert werden, dass eine Strukturkonstante der periodischen Gitterstruktur des photonischen Kristalls an die Wellenlänge des den photonischen Kristall bestrahlenden Lichts angepasst ist. Hierzu wird entweder die Gitterstruktur an die Frequenz des verwendeten Lichts angepasst oder es wird die Frequenz des verwendeten Lichts an die Gitterstruktur angepasst.
Dank des erfindungsgemäßen optoakustischen Wandlers lassen sich sehr schlanke langgestreckte Hydrophonanordnungen mit einer Vielzahl optoakustischer Wandler realisieren, wie sie bspw. in Schleppantennen von Sonaranlagen Anwendung finden. Die Erfindung ermöglicht somit eine besonders dünne Ausgestaltung von Schleppantennen.
Alle in der vorgenannten Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Offenbarung der Erfindung ist daher nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.

Claims

Ansprüche
Optoakustischer Wandler zur Wandlung von Wasserschallwellen (14) in ein moduliertes optisches Signal (E) mit einem optisch wirksamen Bauelement (16), welches mit Licht (S) und Wasserschallwellen (14) beaufschlagbar ist zur Erzeugung des modulierten optischen Signals (E), dessen Signalverlauf abhängig ist vom Signalverlauf eines von den Wasserschallwellen (14) erzeugten hydroakustischen Signals,
dadurch gekennzeichnet, dass
das optisch wirksame Bauelement ein photonischer Kristall (16) ist.
Optoakustischer Wandler nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der photonische Kristall (16) eine periodische Gitterstruktur mit wenigstens einer Strukturkonstanten aufweist, die im Bereich der Wellenlänge (AR -| ;
AJI ), der halben Wellenlänge oder eines Viertels der Wellenlänge des den photonischen Kristalls (16) beaufschlagenden Lichts (S) liegt.
Optoakustischer Wandler nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der photonische Kristall (16) einen von der Wellenlänge (AR-| ) des beaufschlagenden Lichts (S) abhängigen Verlauf des optischen Reflektionsgra- des (R) aufweist, der bei ansteigender Wellenlänge (λ) von einem ersten Bereich (40) minimalen Reflektionsgrades (R) bis zu einem Bereich (42) maximalen Reflektionsgrades (R) ansteigt und bei weiter ansteigender Wellenlänge (λ) bis zu einem zweiten Bereich (44) minimalen Reflektionsgrades (R) abfällt, wobei das beaufschlagende Licht (S) monochromatisches Licht mit einer vorbestimmten Wellenlänge (AR-| ) oder polychromatisches Licht mit mehreren vorbestimmen Wellenlängen (AR -| , AR2, AR3, AR4, ARS) oder Licht mit einem schmalbandigen Wellenlängenbereich und die wenigstens eine Strukturkonstante derart an diese Wellenlänge bzw. diese mehreren Wellenlängen bzw. diesen schmalbandigen Wellenlängenbereich angepasst ist, dass der optische Reflektionsgrad (R) für diese Wel- lenlänge bzw. diese mehrere Wellenlänge bzw. diesen schmalbandigen Wellenlängenbereich zwischen dem Bereich (42) maximalen Reflekti- onsgrades (R) und dem ersten Bereich (40) und/oder zweiten Bereich (44) minimalen Reflektionsgrades (R) liegt.
Optoakustischer Wandler nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der photonische Kristall (16) einen von der Wellenlänge (Aj-| ) des beaufschlagenden Lichts abhängigen Verlauf des optischen Transmissionsgrades (T) aufweist, der bei ansteigender Wellenlänge (λ) von einem ersten Bereich (58) maximalen Transmissionsgrades (T) bis zu einem Bereich (60) minimalen Transmissionsgrades (T) abfällt und bei weiter ansteigender Wellenlänge (λ) bis zu einem zweiten Bereich (62) maximalen Transmissionsgrades (T) ansteigt, wobei das beaufschlagende Licht (S) monochromatisches Licht einer vorbestimmten Wellenlänge (Aj-| ) oder polychromatisches Licht mit mehreren vorbestimmten Wellenlängen (Aj-| , h 2, Aj3, Aj4, Aj5) oder Licht mit einem schmalbandigen Wellenlängenbereich und die wenigstens eine Strukturkonstante derart an diese Wellenlänge bzw. diese mehreren Wellenlängen bzw. diesen schmalbandigen Wellenlängenbereich angepasst ist, dass der optische Transmissionsgrad (T) für diese Wellenlänge bzw. diese mehreren Wellenlängen bzw. diesen schmalbandigen Wellenlängenbereich zwischen dem Bereich (60) minimalen Transmissionsgrades (T) und dem ersten Bereich (58) und/oder zweiten Bereich (62) maximalen Transmissionsgrades (T) liegt.
Optoakustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der photonische Kristall (1 6) an vorbestimmten Bereichen vorbestimmte Defekte bzw. vorbestimmte Unregelmäßigkeiten aufweist.
Hydrophonanordnung mit einem oder mehreren optoakustischen Wandlern (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 sowie einer oder mehreren Lichtquellen (1 8) zur Erzeugung des den bzw. die photonischen Kristall(e) (1 6) beaufschlagenden Lichts (S) und einem oder mehreren Lichtsensor(en) (32) zum Empfangen von vom photonischen Kristall (16) bzw. von den photonischen Kristallen (16) reflektiertem Licht (E) oder von durch den photonischen Kristall (16) bzw. die photonischen Kristalle (16) transmittiertem Licht und zum Erzeugen eines elektrischen Signals (34) in Abhängigkeit des empfangenen Lichts (E).
Hydrophonanordnung nach Anspruch 6, wobei das elektrische Signal (34) des Lichtsensors (32) einem Hochpassfilter (36) zugeführt wird.
Hydrophonanordnung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Lichtquelle (32) bzw. Lichtquellen (32) bzgl. der von ihr bzw. ihnen erzeugten Wellenlänge^) (AR1 , AR2, AR3, AR4, AR5; AT1 , AT2, AT3, AT4, AT5) einstellbar ist bzw. sind, wobei die Wellenlänge(n) in Abhängigkeit der Tauchtiefe der Hydrophonanordnung (10) gesteuert ist/sind, insbesondere die Wellenlänge^) bei größer werdender Tauchtiefe reduziert und bei kleiner werdender Tauchtiefe erhöht oder reduziert wird.
Hydrophonanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei eine Vielzahl von photonischen Kristallen (16) innerhalb einer Schleppantenne (56) einer Sonaranlage angeordnet sind, wobei diese photonischen Kristalle (16) über Lichtwellenleiter (54; 66, 68) mit der bzw. den Lichtquelle(n) (18) und dem bzw. den Lichtsensoren (32) verbunden sind.
Hydrophonanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei eine Gruppe (50; 64) von photonischen Kristallen (16) über einen Lichtwellenleiter miteinander zur Beaufschlagung mit Licht (S) verbunden sind, wobei die Strukturkonstanten dieser photonischen Kristalle (16) unterschiedlich sind und wobei das die photonischen Kristalle (16) beaufschlagende Licht polychromatisch ist, wobei die Wellenlängen (AR-| , AR2, AR3, AR4, AR5; Aj-| ,
ΛΤ2' ΛΤ3' ΛΤ4' ΛΤ5) dieses Lichts (S) an die Strukturkonstanten dieser pho¬ tonischen Kristalle (16) angepasst ist.
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