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Dokumentenidentifikation DE3114175C2 19.05.1993
Titel Verfahren und Einrichtung zur Modulation elektromagnetischer Strahlungsenergie in einer optischen Monomode-Faser
Anmelder Chevron Research and Technology Co., San Francisco, Calif., US
Erfinder Schmadel, Donald C., Kensington, Md., US;
Culver, William H., Washington, D.C., US;
Gould, Gordon, Great Falls, Va., US
Vertreter Meyer, L., Dipl.-Ing.; Vonnemann, G., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anwälte, 2000 Hamburg
DE-Anmeldedatum 04.04.1981
DE-Aktenzeichen 3114175
Offenlegungstag 28.10.1982
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 19.05.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.05.1993
IPC-Hauptklasse G02F 1/125
IPC-Nebenklasse G02B 26/06   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12 bzw. 13.

Solche Verfahren und solche Einrichtungen sind für den Fall der Phasenmodulation aus der Druckschrift "Applied Optics", Vol. 18, No. 6, 15.03.1979, Sn. 938-940, bekannt. Diese Druckschrift beschreibt ein akustisch-indiziertes, optisches Phasenmodulationsverfahren, bei dem eine ringförmig angeordnete Monomode- Faser mit akustischer Energie beaufschlagt wird. Die Mono-Faser ist bei den relativ niederfrequenten akustischen Signalen näherungsweise einer gleichförmigen, zusammendrückenden Radialkraft ausgesetzt.

Aus "Applied Optics", Vol. 18, No. 6, 15.03.1979, Sn. 938-940, ist zum Verfahren nach dem Anspruch 2 auch bekannt, daß die räumlich-periodische Störung eine akustische Welle ist, und ist zur Einrichtung nach dem Anspurch 13 auch bekannt, daß als räumlich- periodische -Störung ein Wandler eine akustissche Welle erzeugt.

Die DE 30 13 335 A1, eine ältere Anmeldung, beschreibt akusto-optische Modulatoren, die eine Monomode-Faser und einen elektroakustischen Wandler aufweisen. Durch den elektroakustischen Wandler werden akustische Longitudinalschwingungen in der Monomode-Faser angeregt. Diese Schwingungen modulieren aufgrund der Längenänderungen und Druckschwankungen das in der Monomode-Faser geführte Licht.

Aus der Druckschrift "Electronics Letters", Vo. 11, No. 19, 18. 09. 1975, Sn. 453-454 ist ein Phasenmodulator bekannt, der eine aus Kern und Mantel bestehende optische Faser sowohl in longitudinaler Richtung als auch in radialer Richtung deformiert. Die akustischen Druckwellen werden mit einem piezoelektrischen Wandler in Hohlzylinder- bzw. Halbzylinderform an die optische Monomer-Faser gekoppelt.

Aus der JP-A 53 55 132 in Patents Abstracts of Japan, Vol. 2, No. 92, 28. 7. 78, S. 4220 E78, ist es bekannt, zwei optische Fasern aneinanderzukoppeln, indem an ihrem Berührungsbereich ein dünnes, wellenförmiges Beugungsgitter angeordnet ist. Dabei ist vorzugsweise der Kern beider optischer Fasern in dem Berührungsbereich freigelegt. In dieser Vorrichtung wird der fortschreitende Lichtstrahl in der ersten optischen Faser gebeugt und mit dem wellenförmigen Beugungsgitter an die zweite optische Faser zur Informationsübertragung gekoppelt.

Ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2 und einer Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 12 bzw. 13, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, mit deren Hilfe eine Modulation elektromagnetischer Strahlungsenergie in einer Monomode- Faser mit höherer Empfindlichkeit und in einem weiteren Frequenzbereich durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 oder 2 angegebene Verfahren sowie die im Anspruch 12 oder 13 angegebene Einrichtung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die vorgesehene, bewegbare räumlich-periodische Störung wird benutzt, um ein schmales Wellenlängenband elektromagnetischer Strahlung zu reflektieren, wobei aufgrund der Bewegung der räumlich-periodischen Störung eine Modulation in der Phase und/oder der Frequenz eintritt. Die räumlich-periodische Störung wird bewegt, indem das optische Gitter mit Bezug auf die optische Faser bewegt wird.

Es sind eine Vielzahl von Möglichkeiten vorgesehen, um die Bewegung des optischen Gitters an der Faser mit verschiedenen Arten von Signalen oder Zuständen zu koppeln. Sowohl hoch- als auch niederfrequente Signale einschließlich statischer Signale und Zustände können zur Kopplung verwendet werden. Weiter ist es möglich, elektrische, elektromagnetische, magnetische und akustische Signale, ferner auch thermische Zustände und chemische und Feuchte-Zustände zur Kopplung zu verwenden.

Die Erfindung wird in der Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte und teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Monomode-Faser in Verbindung mit einem optischen Gitter,

Fig. 2 eine Bodenansicht der Einrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm, das die Intensität des reflektierten Lichtes in Abhängigkeit von der Wellenlänge für eine räumlich-periodische Störung zeigt,

Fig. 4 eine stark vergrößerte Gitterfläche,

Fig. 5 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungsform,

Fig. 6 eine Ansicht entsprechend des Pfeiles 6-6 der Fig. 5,

Fig. 7 und 8 den Fig. 1 und 5 entsprechende Ansichten weiterer Ausführungsformen,

Fig. 9 eine vergrößerte Bodenansicht der Ausführungsform aus Fig. 8, wobei einzelne Teile weggebrochen sind,

Fig. 10 und 11 weitere Ausführungsformen in der Darstellung gemäß Fig. 1,

Fig. 12 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung in Verbindung mit einem Mikrophon,

Fig. 13 die Sicherung eines als dünner Film ausgebildeten Gitters gegen Radialverschiebung,

Fig. 14 eine Ansicht der Anordnung nach Fig. 13, gesehen in Richtung der Pfeile 14-14,

Fig. 15 die Verbindung einer Anordnung mit einer hydroakustischen Antenne,

Fig. 16 eine vergrößerte Ansicht eines Teiles der in Fig. 15 dargestellten Anordnung,

Fig. 17 eine Anordnung, bei der räumlich periodische Störungen durch thermische Expansion oder Kontraktion weiterbewegt werden,

Fig. 18 eine Anwendung, in der das Gitter durch eine Spule bewegt wird,

Fig. 19 eine der Fig. 18 entsprechende Darstellung, in der die Spule der unbewegliche Teil eines Solenoids ist,

Fig. 20 eine Anordnung mit winkliger Verstellung des Gitters,

Fig. 21a eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 21b eine vereinfachte Bodenansicht der Einrichtung nach Fig. 21a und

Fig. 22a und 22b den Fig. 21a und 21b entsprechende Darstellungen einer weiteren Ausführungsform der Modulationseinrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel wird jetzt für eine Monomode- Faser beschrieben, die als Lichtleiter benutzt wird. Es ist aber zu berücksichtigen, daß auch andere Formen elektromagnetischer Energie im Zusammenhang mit Monomode- Fasern benutzt werden können, z. B. Infrarot.

Eine Monomode-Faser ist eine Faser, die so konstruiert ist, daß sie nur die Fortpflanzung des Wellentyps niedrigster Ordnung zuläßt. Dieser Wellentyp niedrigster Ordnung ist für einige Monomode-Faser- Konstruktionen zweifach entartet. In diesen Fällen weist die Schwingungsart niedrigster Ordnung zwei Fortpflanzungszustände auf, die dadurch unterschieden sind, daß ihre Polarisationen zueinander rechtwinklich liegen.

Es wird eine bewegliche, räumlich periodische Störung in der Wand einer Monomode-Faser durch Verwendung eines optischen Gitters ausgelöst. Das optische Gitter ist unmittelbar am Kern der Faser angeordnet, um mit den verschwindend kleinen oder nicht strahlenden Feldern des Lichtes zusammenzuwirken, das durch die Faser läuft. In Fällen, in denen die Faser eine Umkleidung hat, die zu dick ist, um das Gitter nahe dem Kern anzuordnen, kann die Umkleidung durch Abschleifen oder ähnliche Maßnahmen teilweise entfernt werden.

Die Monomode-Faser wird im folgenden auch Einzelmodus-Faser genannt.

In dem Beispiel nach Fig. 1 und 2 weist eine optische Einzelmodus-Faser 10 einen lichtdurchlässigen Kern 12 auf, der z. B. aus Kunststoff, Glas oder Quarz bestehen kann und eine Umkleidung 14 aus Glas oder Kunststoff mit niedrigerem Brechnungsindex. Die Umkleidung 14 ist bei 16 teilweise entfernt, z. B. durch Abschleifen. In dem abgeschliffenen Bereich 16 ist ein optisches Gitter 18 angeordnet. Das optische Gitter 18 besteht aus regelmäßig abwechselnden Zähnen und Rillen 14.

Bei dieser Anordnung besteht die Wand 20, die in dem ausgeschliffenen Bereich 16 den Kern 12 der Einzelmodus-Faser umgibt und die Anordnung des optischen Gitters 18 nahe der Faser ermöglicht, aus einer dünnen Schicht Glas oder Kunststoff. Die von dem Gitter 18 gebildete, regelmäßige Folge voneinander abwechselnden Zähnen und Rillen 24 bildet damit eine räumlich periodische Störung des optischen Indexes der den Faserkern umgebenden Wand. Das verschwindende Feld des in der Faser laufenden Lichtes wird nach der Quelle durch diese räumlich periodische Störung zurückreflektiert, wenn die Periode nahe bei einem ganzen Vielfachen von 1/2λ liegt. Eine derartige Erscheinung wird als Bragg-Reflexion bezeichnet und ist graphisch in Fig. 3 dargestellt.

Das Diagramm der Fig. 3 zeigt die Intensität des reflektierten Lichtes in Abhängigkeit von der Wellenlänge für eine bestimmte, räumlich periodische Störung. Für die Mitte λc des reflektierten Wellenlängenbandes gilt:



Hier ist

D die Länge der räumlichen Periode und

N der wirksame optische Index für die Einzelmodus- Faser.

Die Breite dieses Wellenlängenbandes ist gegeben durch

Δλ = 2 Nl

Hierbei ist l diejenige Länge der Faser, die in Kontakt mit dem Gitter ist.

Die Reflektivität der räumlich periodischen Störung kann innerhalb dieses Wellenlängenbandes erhöht oder verringert werden durch einen gemeinsamen Faktor, indem das Gitter näher an den Kern heran- oder von ihm abgerückt wird und indem Gittermaterialien höherer oder niedrigerer optischer Brechnungsindizes benutzt werden. Da die räumlich periodische Störung durch eine periodische Störung im optischen Index der Wandung einer Einzelmodus-Faser verursacht wird, kann das Gitter aus irgendeinem Material sein, das eine Oberfläche mit einer periodischen Änderung in dem optischen Index aufweist, z. B. ein holographisches Filmgitter.

Die Erfindung kann auch mit einer räumlich periodischen Störung der Leitfähigkeit ausgeführt werden. In einem solchen Fall wird nahe am Fasernkern eine Fläche mit periodisch sich ändernder Leitfähigkeit, siehe Fig. 21a und 21b angeordnet. Hierfür wird eine Platte 200 benutzt, die aus nicht leitendem Material wie Glas oder Kunststoff besteht und auf die leitenden Streifen 201 aufgedampft sind, z. B. aus Metall. Die Platte ist derart nahe am Faserkern angeordnet, daß die Metallstreifen allgemein rechtwinklig zur faseroptischen Achse liegen. Ein weiteres Beispiel zur Herstellung der räumlich periodischen Störung der Leitfähigkeit, siehe Fig. 22a und b, sieht vor, eine Platte 202 aus leitendem Material zu verwenden, auf die Streifen 203 aus nicht leitendem Material aufgedampft sind, z. B. aus SiO. Die Platten nach Fig. 21 und 22 werden "optische Gitter" oder "Gitter" genannt.

Eine bestimmte räumliche Periode kann von einem Gitter mit einer kürzeren räumlichen Periode in der anhand von Fig. 4 erläuterten Weise abgeleitet werden. Die erheblich vergrößert dargestellte Gitterfläche 24&min; zeigt Linien P, die Linien mit konstantem Brechungsindex oder konstanter Leitfähigkeit sind. Die räumliche Änderung geht rechtwinklig zu diesen Linien, die jeweils um eine Periode auseinanderliegen. Verschiedene Ausrichtungen der Einzelmodus-Faser gegenüber der Fläche 24&min; sind mittels einer strichpunktierten Linie dargestellt, die die optische Achse der Einzelmodus- Faser darstellt. Für die Richtung A, die durch die strichpunktierte Linie A rechtwinklig zu den Linien P dargestellt ist, beträgt die räumliche Periode, wie aus der Zeichnung zu sehen, 1. Die räumliche Periode für die mit B bezeichnete Ausrichtung ist 1/cos R, also größer als 1, die "normale" räumliche Periode des Gitters. dabei ist R der Winkel zwischen der optischen Achse der Einzelmodus-Faser in der Ausrichtung A, die rechtwinklig zu den Linien gleichen optischen Indexes der Fläche ist, und der Richtung B.

Eine derart konstruierte, räumlich periodische Störung kann gegenüber der Faser dadurch bewegt werden, daß einfach das Gitter gegenüber der Faser bewegt wird. Durch die Erfindung wird die Bewegung oder Lage des Gitters, gemessen gegenüber der optischen Achse der Einzelmodus- Faser, mit einem Eingangssignal oder Parameter gekoppelt. Das Ergebnis ist die Reflexion eines bestimmten Wellenlängenbandes des Lichtes, das durch die Faser läuft, durch eine räumlich periodische Störung, deren Lage oder Bewegung von einem Eingangssignal oder Parameter abhängt.

Die sich bewegende, räumlich periodische Störung moduliert die Frequenz des reflektierten Lichtes in Entsprechung mit der relativistischen Doppler-Verschiebung, siehe auch das physikalische Prinzip der speziellen Relativitäts-Theorie.

In den Fällen, in denen die Lage des Gitters, gemessen mit Bezug auf die optische Achse der Einzelmodus-Faser, an einen Eingangs-Parameter gekoppelt ist, tritt die Reflexion des Wellenlängenbandes an verschiedenen Orten entlang der Einzelmodus-Fasern als eine Funktion dieses Eingangs-Parameters auf. Diese Änderungen im Ort der räumlich periodischen Störung, verursacht durch die Änderungen im Ort des Gitters, löst Änderungen in der optischen Weglänge des Lichtes aus, das in der Einzelmodus-Faser zur räumlich periodischen Störung läuft, dort reflektiert wird und zur Quelle zurückläuft. Die Änderung in der optischen Weglänge moduliert die Phase des reflektierten Lichtes gegenüber der Phase der Lichtquelle. Berechnungen zeigen, daß ein solches System, d. h. die Bewegung des Gitters zur Bewirkung einer Modulation, viel weniger Signalenergie als bekannte Arten von Fasermodulations-Systemen erfordert.

Es sind verschiedene Mittel zur Kopplung der Bewegung oder Lage des Gitters an ein Eingangssignal oder einen Eingangs-Parameter vorgesehen. Fig. 5 und 6 zeigen eine Anordnung, bei der ein Scherwellen-Übertrager 26 akustisch mit dem Gitter 18 gekoppelt ist. Ein elektrisches Eingangssignal erregt über die Elektroden 28 und 30 den Scherungswellen- Erzeuger 26 und verursacht damit eine akustische Scherwelle in der die Zähne 24 des Gitters 18 enthaltenden Ebene. Eine akustische Scherwelle ist gekennzeichnet durch eine körperliche Bewegung, hier veranschaulicht durch Pfeile 32, rechtwinklig zu ihrer Fortpflanzungsrichtung, die die Pfeile 34 zeigen. Der Scherwellenerzeuger 26 wird so angeordnet, daß die körperliche Bewegung parallel zur optischen Achse der Einzelmodus-Faser polarisiert ist, die auch parallel zur Richtung der räumlichen Periodizität der räumlich periodischen Störung ist. Die räumliche periodische Störung bewegt sich demnach parallel zur optischen Achse der Einzel-Modusfaser, verursacht durch die Bewegung der Zähne des Gitters aufgrund des elektrischen Eingangssignales am Scherwellenerzeuger. Eine Absorptionsvorrichtung 36, die aus einem Block eines Materials besteht und der Oberseite des das Gitters 18 tragenden Elementes akustisch angepaßt und daran befestigt ist, verringert eine unerwünschte Reflexion der Scherwellenausbreitung.

Das Gitter kann einteilig mit dem Scherwellenerzeuger ausgeführt sein, d. h., das Gitter selbst kann aus einem piezoelektrischen Material hergestellt sein, siehe z. B. Fig. 7, 8 und 9.

Nach Fig. 7 ist der piezoelektrische Block 40 an seiner Unterseite mit einem Gitter 18-7 ausgebildet, das mit einer Metallisierung 42 versehen ist, die eine der Elektroden bildet, an die ein elektrischer Leiter 44 anschließt. Die andere Elektrode 46 auf der Oberseite des piezoelektrischen Kristalls 40 ist mit dem Leiter 48 verbunden. Ein Pfeil 50 veranschaulicht die Bewegungsrichtung des Gitters 18-7 mit Bezug auf die Achse der Kernfaser 12 der optischen Einzelmodus-Faser 10.

In den Fig. 8 und 9 veranschaulicht das Gitter 18-8 des piezoelektrischen Wandler-Chips 40-8 eine Form der Erfindung, bei der die Zähne und Rillen oder Grate und Kerben des Gitters durch eine akustische Oberflächenwelle gebildet werden, die durch die Linien 59 angedeutet ist. In solchem Fall verursacht eine Änderung in der Frequenz des Eingangssignals, das über die Leiter 54, 56 an dem Kreis der Elektroden 60, 62 anliegt, eine Änderung in den Abständen der Kämme und Tröge des von der akustischen Oberflächenwelle gebildeten Gitters. Die Elektroden 60, 62 können aus metallisierten Abschnitten der Unterfläche des Wandler-Chips 40-8 bestehen. Das Wellenlängenband, das ein solches Gitter reflektiert, verschiebt sich in der Wellenlänge in unmittelbarer Abhängigkeit von der Änderung der Frequenz des Eingangssignals. Die Eingangsfrequenz an den Elektroden 60, 62 kann mit einem Eingangssignal oder Parameter gekoppelt sein, wodurch die Frequenz der mittleren Wellenlänge des Reflexionsbandes, Fig. 3, moduliert wird. In solchen Fällen umfaßt der Ausdruck "optische Einzelmodus- Faser" auch optische Multimode-Fasern, die nur die Fortpflanzung solcher Wellentypen gestatten, deren Fortpflanzungs- Konstanten nahezu gleich sind, so daß optische Kohärenz über die Länge des Gitters aufrechterhalten wird. Die Einrichtung erfaßt die Eingangssignal-Frequenz durch Verfolgung des spektralen Ortes des reflektierten Wellenlängenbandes, wobei ein optisches Spektrometer benutzt wird. In Fällen, in denen die Frequenz des Eingangssignals gesteuert werden kann, kann eine Einrichtung, wie in Fig. 9 dargestellt, als ein abstimmbares Gitter zur Wahl verschiedener Lichtwellenlängen-Banden benutzt werden.

Fig. 10 zeigt ein weiteres Mittel, mit dem ein elektrisches Eingangssignal an die Bewegung oder Stellung des Gitters gekoppelt werden kann. Hierzu wird ein piezoelektrischer Wandler 64 vom longitudinalen Schwingungstyp verwendet, dessen eine Seite in fester Bindung mit dem Gitter 18-10 und dessen andere Seite stationär gebunden ist mit Bezug auf den Einzelmodus-Faserarm 66, der bei 68 auf die Umkleidung 14 der optischen Einzelmodus-Faser 10 zementiert ist. Gegenüberliegende Seiten des Wandlers 64 vom Longitudinal-Schwingungstyp sind bei 70 und 72 metallisiert für die Befestigung elektrischer Leiter 74 und 76. Bei niederfrequenten, elektrischen Signalen, die an den Wandler 64 gekoppelt werden, dehnt sich dieser aus und zieht sich zusammen in Richtung des elektrischen Feldes. Da die dem Gitter 18-10 gegenüberliegende Seite mit Bezug auf die Einzelmodus-Faser festgehalten ist, bewegen sich die Gitterzähne und -rillen mit einer Komponente des Geschwindigkeitsvektors parallel zur optischen Achse der Einzelmodus-Faser entsprechend dem Eingangssignal.

Die in Fig. 10 dargestellte Ausführungsform läßt sich derart abwandeln, daß das Gitter einteilig mit dem Wandler ausgebildet ist, siehe z. B. Fig. 11.

Im Beispiel der Fig. 11 ist ein piezoelektrischer Wandler 64&min; vom longitudinalen Schwingungstyp mit Endelektroden 80 und 82 versehen. Die Unterseite des Wandlers 64&min; ist mit einem Gitter 24-11 ausgebildet, und das der Elektrode 82 benachbarte Ende des Umwandlers ist an die Umkleidung 14-11 der optischen Einzelmodus-Faser 10 bei 84 zementiert. Ein Pfeil 86 veranschaulicht die Bewegung des Gitters entsprechend einem schwingenden, elektrischen Eingangssignal an die Elektroden 80 und 82.

Ein in den Beispielen vorgesehener, piezoelektrischer Wandler kann durch einen magnetostriktiven Wandler und ein Solenoid mit einem beweglichen Kern ersetzt werden, wenn so gearbeitet werden soll, daß das Gitter bewegt oder eingestellt werden soll. Weiter können magnetische Signale unmittelbar gekoppelt werden, indem piezoelektrische Wandler mit einem magnetostriktiven Material substituiert werden, daß eine Bewegung oder die Änderung der Lage des Gitters bewirkt, wenn es unmittelbar dem magnetischen Signal oder Zustand ausgesetzt wird. Die Erfindung sieht auch die unmittelbare Wahrnehmung elektrischer Felder und elektromagnetischer Felder mit piezoelektrischen Wandlern vor. In solchem Fall kann das piezoelektrische Material unmittelbar dem Feld ausgesetzt werden. Die sich ergebende Bewegung oder Änderung der Form des Materials bewegt oder stellt das Gitter. Die Erfindung sieht auch die Zufügung von Antennenelektroden vor, um einen größeren Teil der vorhandenen Energie zu sammeln, wenn schwache Felder wahrgenommen werden. Die Elektroden leiten dann diese Energie elektrisch dem piezoelektrischen Wandler zu. Dies führt zu einem Antennensystem, das mit dem Empfänger oder Verstärker mittels einer optischen Faser verbindet und damit Geräusche in der Verknüpfung von Antenne und Empfänger sowie die Gefahr ausschaltet, daß ein die Antenne treffender Blitz nach dem Empfänger oder Verstärker weitergeleitet wird.

Eine dritte Möglichkeit der Kopplung der Bewegung oder Stellung des Gitters mit einem Signal bezieht sich auf akustische Signale. In solchen Fällen ist vorgesehen, daß das akustische Signal unmittelbar an das Gitter gekoppelt wird. In dem entsprechenden Beispiel der Fig. 12 enthält ein Mikrophon-System 90 eine optische Einzelmodus-Faser 10, die in die vorderen und hinteren Abschnitte 92 und 94 des Systems 90 einzementiert ist. Die Faser geht auch durch eine Öffnung in der Mikrophon-Membran 96 hindurch, die in der Wand 98 des Mikrophons befestigt ist. Die Membran 96 hält ein Gitter 100 in einer solchen Stellung, daß das Gitter schwingt, wenn die Membran 96 sich aufgrund der Aufnahme akustischer Wellen bewegt, so daß das Gitter veranlaßt wird, sich mit einer Geschwindigkeitskomponente parallel zur Achse der Einzelmodus-Faser zu bewegen. Die Membran ist mechanisch mit dem Gitter verbunden, wodurch eine Bewegung des Gitters infolge der akustischen Signale verursacht wird. Zwischen der Wand 98 und der Membran 96 ist ein Absorber 98&min; angeordnet, z. B. ein geschäumter Kunststoff. In Fällen akustischer Signale mit geringer Energie ist die Verwendung von Gittern geringer Masse und eine geringe Masse aufweisenden Aufhängemitteln vorgesehen, wie Spinn- oder Quarzfäden, siehe auch Fig. 13 und 14.

In dem Beispiel der Fig. 13 und 14 ist eine optische Einzelmodus- Faser 10 gezeigt, bei der ein Teil der Umkleidung 14 durch einen Ausschnitt 16 entfernt ist. In der damit gebildeten Einsenkung 16 ist ein aus einem dünnen Film bestehendes Gitter 102 angeordnet, das in enger optischer Beziehung zum Kern 12 der optischen Faser 10 durch einen Quarz- oder Spinnfaden 104 gehalten wird. Die äußeren Enden 106 des Quarz- oder Glasfadens 104 sind an einem festliegenden Teil befestigt.

Für die Aufnahme akustischer Wellen in Wasser ist die in Fig. 15 und teilweise in Fig. 16 dargestellte hydro-akustische Antenne vorgesehen.

Eine zylindrische Membran 110 geringer Impedanz und mit einer Länge von , wobei λ die kürzeste, interessierende, akustische Wellenlänge ist, enthält ein Gas, wie He oder Luft und wirkt als Mittel, das akustische Signale aus dem Wasser, z. B. dem Meer, auf das Gas überträgt bzw. koppelt. Das dann im Gas befindliche Signal geht in den starren Zylinder 112, der einen Durchmesser A aufweist, und dann in das starre Rohr 114 mit dem Durchmesser B. Der Anschluß dieser beiden Röhren ist ein Impedanz-Transformatero und entspricht dem Trichter 116. Die trichterartige Fläche sorgt für eine Impedanz-Anpassung des gasgefüllten, starren Rohres in der Membran an das Meer, falls



dabei ist Ωg die spezifische, akustische Impedanz des Gases und ΩW die spezifische, akustische Impedanz des Wassers. A und B sind die Durchmesser der beiden Röhren gemäß Fig. 15. Nachdem die akustische Welle in das kleine, starre Rohr eingetreten ist, beaufschlagt sie die Membran geringer Masse oder das Segel 118, z. B. einen kolloidalen Film, der auf einem Gitter 120 geringer Masse befestigt ist, siehe Fig. 16. Das Gitter bewegt sich dann entsprechend dem akustischen Signal.

Die Einzelmodus-Faser 10 ist starr in der Röhre 114 an der Endplatte 122 befestigt, wobei die Faser durch eine Öffnung in der Platte 122 hindurchführt. Das andere Ende der Faser 10 ist starr an einem Ansatzblock 124 befestigt, der seinerseits in dem Impedanz-Transformator-Abschnitt 116 befestigt ist.

Akustisches Absorptionsmaterial 126 füllt den Endbereich 128 der Einrichtung aus, um die Reflexion akustischer Wellen am Ende 122 des Hydrophons zu vermindern, die das Segel 118 veranlassen könnten, sich zu bewegen, so daß dadurch das Gitter 120 schwingt.

Ein weiteres, vorgesehenes Mittel zum Koppeln des Gitters mit Eingangssignalen bezieht sich auf thermische Mittel. In einer solchen Anordnung wird die Stellung des Gitters mit einem Material gekoppelt, das sich in Form oder Größe unter dem Einfluß von Wärmeänderungen ändert.

Ein Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 17. Das wärmeempfindliche Material hat die Form eines Rohres, das auf die Einzelmodus-Faser und das Gitter aufgeschrumpft oder in ähnlicher Weise eng anliegend angeordnet ist. Im einzelnen ist bei der optischen Einzelmodus-Faser 10 ein Teil der Umkleidung 14 im Bereich 16 entfernt, in dem ein dünnes Filmgitter oder ein Raster 102-17, ähnlich dem Gitter oder Raster 102 der Fig. 13 angeordnet ist.

Auf einen den Bereich 16 enthaltenden Längsabschnitt der Faser 10 ist ein durch Wärme dehnbares Rohr 130 aufgeschrumpft. Die thermische Ausdehnung und Zusammenziehung der Länge des Rohres veranlaßt, daß ein schmales Lichtband innerhalb der Faser 10 moduliert wird. In diesem Fall bewegt sich das Gitter um eine Größe, die gleich dem Unterschied in den thermischen Ausdehnungen von Einzelmodus-Faser und Rohrmaterial ist.

Es kann auch das Gitter selbst als das Material dienen, das für die Änderung von Form oder Größe unter dem Einfluß von thermischen Änderungen benutzt wird. Bei dieser Ausführungsform führt eine Änderung in der Größe des Gitters zu einer Änderung in der räumlichen Folge der räumlich periodischen Störungen um eine proportionale Größe, so daß das von der räumlich periodischen Störung reflektierte Wellen- Längenband spektral verschoben wird. Die Aufnahme in einer solchen Einrichtung besteht darin, daß eine Spektral-Analyse des Lichtes angestellt wird, das durch die räumlich periodische Störung reflektiert wird, und daß die Änderung in der Wellenlänge Δλc der mittleren Wellenlänge λc gemessen wird. Aus den weiter oben angeführten Ableitungen ergibt sich, daß Δλc proportioinal ΔD ist, wobei ΔD die Änderung in der räumlichen Periode der räumlich periodischen Störung ist. Falls ein Gittermaterial mit einem Wärmedehnungs-Koeffizienten verwendet wird, der wesentlich größer als der der Einzelmodus-Faser ist, ergeben sich die zu überwachenden thermischen Bedingungen als direkte mathematische Funktion von Δλc.

In dem Beispiel der Fig. 18 weist die Einzelmodus-Faser 10 ebenfalls einen Kern 12 und eine Umkleidung 14 auf, die mit einem Ausschleifungsbereich 16 versehen ist. Innerhalb des Bereiches 16 ist ein Gitter 24 angeordnet, das zur Bewegung in Richtung des Pfeiles 150 durch eine elektrische Spule 152 veranlaßt wird, die Zuleitungen 154 und 156 aufweist. Die Spule erzeugt ein Magnetfeld um den Kern 158 aus magnetostriktivem Material. Der Kern ist bei 160 an das Gitter zementiert und an dem gegenüberliegenden Ende bei 162 an die Umkleidung 14. Die Spule 152 ist nicht erforderlich, wenn die Einheit zur Messung eines Magnetfeldes benutzt wird.

Nach Fig. 19 ist die Einzelmodus-Faser 10 mit einem Ausnehmungsbereich 16 in ihrer Umkleidung 14 versehen, und in diesem Bereich ist das optische Gitter 24 angeordnet. Für die Anordnung ist ein Quarzfaden oder eine Spinne 104-19 vorgesehen, siehe auch Fig. 13 und 14. Das eine Ende des Gitters 24 ist bei 170 an einen Kern 172 zementiert, der innerhalb der Solenoid-Spule 174 bewegbar ist, die bei 176 an der Faserumkleidung 14 befestigt ist.

In dem Beispiel der Fig. 20 ist die Umkleidung 14 der optischen Faser 10 mit einem Ausschleifungsbereich 16 versehen, in dem das optische Gitter 24 angeordnet ist. Die Anordnung 180 weist einen dünnen Faden 182 auf, der bei 184 und 186 an der Außenfläche der Umkleidung 14festzementiert ist. Zwischen den Enden des Fadens 182 ist das Gitter 24 angeordnet und wird durch die Zementierung 188 in der gewünschten Stellung gehalten. Weiter ist an der Oberseite des Gitters 24 ein Arm 190 festgeklebt oder zementiert, dessen freies Ende 192 z. B. mit dem beweglichen Element des Solenoids der Fig. 19 oder dem beweglichen Segel 118 verbunden ist, das Fig. 15 und 16 zeigt. Eine Bewegung des Armes 190 im Bereich des Endes 192 wird durch die Richtungspfeile 194 dargestellt. Die von den Pfeilen 194 angedeutete Bewegung ist eine Drehung um die Normale zu der das Gitter enthaltenden geometrischen Ebene. Eine solche Drehung moduliert die Mittelfrequenz des Gitter-Reflektors. Auch in diesem Fall kann die optische Faser eine Multimode-Faser sein, vorausgesetzt, daß über die Länge des Gitters optische Kohärenz aufrechterhalten wird.

Für irgendeine niedere Frequenz oder für statische Bedingungen kann die Gitterstellung mit irgendeinem Körper gekoppelt werden, dessen Länge oder Größe sich auf die bestimmte, zu messende Bedingung bezieht, z. B. eine tierische Membran, die durch Änderungen in der Feuchtigkeit beeinflußt wird.

Für alle Meßaufgaben gestattet ein System, das eine periodische Störung in einer Glasfaser bewegt, die Messung von Signalen mit geringem Pegel in Gegenwart hoher elektrischer und magnetischer Felder und Geräusche, wie im Fall von EEG- und EKG-Signalen.

In Fällen, in denen die Entfernung zwischen dem optischen Gitter und der die Daten sammelnden Einrichtung groß ist, wie bei geschleppten, akustischen Anordnungen, kann einen optische Demodulationsstufe in der Monomode-Faser aufgebaut werden, indem an der Monomode-Faser zwei optische Gitter mit derselben räumlichen Periode in Längsrichtung der Monomode-Faser auseinanderliegend angebracht werden. Die relative Stellung der zwei optischen Gitter wird mit dem bestimmten, zu überwachenden Zustand gekoppelt. Eine Spektral-Analyse des durch eine solche Anordnung reflektierten Lichtes offenbart eine Reihe von Resonanz-Spitzen, die denen eines Fabry-Perot-Interferometers sehr ähnlich sind. Der Ort oder die Bewegung dieser Spitzen innerhalb des Spektrums ist eine unmittelbare Anzeige für den zu überwachenden Zustand oder das zu überwachende Ereignis.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Modulation der Phase und/oder Frequenz elektromagnetischer Strahlungsenergie in einer aus Kern und Mantel bestehenden Monomode-Faser, bei dem eine räumlich-periodische Störung auf den Kern der Monomode-Faser einwirkt und die räumlich- periodische Störung parallel zur Richtung ihrer periodischen Änderung bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Änderung der als unmittelbar am Kern der Monomode- Faser angeordnetes optisches Gitter (24, 24&min;, 18-7, 18-10, 24-11, 100, 102, 120, 102-17) ausgebildeten räumlich- periodischen Störung im wesentlichen parallel zur optischen Achse der Monomode-Faser (10) verläuft.
  2. 2. Verfahren zur Modulation der Phase und/oder Frequenz elektromagnetischer Strahlungsenergie in einer aus Kern und Mantel bestehenden Monomode-Faser, bei dem eine räumlich-periodische Störung auf den Kern der Monomode-Faser einwirkt und die räumlich- periodische Störung parallel zur Richtung ihrer periodischen Änderung bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die räumlich-periodische Störung eine akustische Oberflächenwelle (59) ist, deren Wellenkämme als Gitterlinien benutzt werden und die in unmittelbarer Nähe des Kernes der optischen Monomode- Faser (10) erzeugt wird, und daß die periodische Änderung der Oberflächenwelle (59) im wesentlichen parallel zur optischen Achse der Monomode-Faser (10) verläuft.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Signal in Scherwellen umgesetzt wird, die das optische Gitter (18-7) entlang der optischen Achse der Monomode-Faser verschieben.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Signal piezoelektrisch eine Längsverschiebung des optischen Gitters im wesentlichen parallel zur optischen Achse der Monomode-Faser (10) bewirkt.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Signal piezoelektrisch in eine Longitudinalwelle umgesetzt wird, die eine Verschiebung des optischen Gitters (18-10, 24-11) bewirkt.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Längsverschiebung des optischen Gitters (120) entlang der optischen Achse der Monomode-Faser (10) akustische Impulse an das optische Gitter gekoppelt werden.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß akustische Impulse vom Longitudinal-Wellentyp über ein bewegliches Element (110) einer hydro-akustischen Antenne übertragen werden.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Längsverschiebung des optischen Gitters (102-17) entlang der optischen Achse der Monomode- Faser (10) mittels einer eine Längsänderung bewirkenden Wärmeänderung.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Drehung des optischen Gitters (24, 24&min;) in Abhängigkeit von einem Eingangssignal oder -parameter eine periodische Änderung der räumlich-periodischen Störung parallel zur optischen Achse der Monomode- Faser (10) bewirkt wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine magnetostriktive Erregung der Bewegung des optischen Gitters (24).
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der aktustischen Oberflächenwelle mit einem Eingangssignal oder -parameter gekoppelt wird.
  12. 12. Einrichtung zur Modulation der Phase und/oder Frequenz elektromagnetischer Strahlungsenergie in einer aus Kern und Mantel bestehenden Monomode-Faser, mit einem Mittel, das eine räumlich-periodische Störung erzeugt, die auf den Kern der Monomode-Faser einwirkt und die parallel zur Richtung ihrer periodischen Änderung bewegt wird, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Monomode-Faser (10) ein Modulations-Steuer-Bereich (16) ausgebildet ist, in dem die Dicke des Mantels (14) im Verhältnis zum übrigen Mantel verringert ist, daß als räumlich-periodische Störung ein optisches Gitter (24, 24&min;, 18-7, 18-10, 24-11, 100, 102, 120, 102-17) daran durch Anordnungsmittel (18) so angeordnet ist, daß seine Gitterlinien im wesentlichen normal zur optischen Achse der Monomode-Faser (10) ausgerichtet sind, und daß eine Verschiebungsvorrichtung (40, 64&min;, 64) das optische Gitter (24, 24&min;, 18-7, 18-11, 24-11, 100, 102, 120, 102-17) im wesentlichen parallel zur optischen Achse der Monomode-Faser (10) bewegt.
  13. 13. Einrichtung zur Modulation der Phase und/oder Frequenz elektromagnetischer Strahlungsenergie in einer aus Kern und Mantel bestehenden Monomode-Faser, mit einem Mittel, das eine räumlich-periodische Störung erzeugt, die auf den Kern der Monomode-Faser einwirkt und die parallel zur Richtung ihrer periodischen Änderung bewegt wird, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Monomode-Faser (10) ein Modulations-Steuer-Bereich (16) ausgebildet ist, in dem die Dicke des Mantels (14) im Verhältnis zum übrigen Mantel verringert ist, daß als räumlich- periodische Störung ein piezoelektrischer Wandler (40-8) eine akustische Oberfläche (59) erzeugt, daß der piezoelektrische Wandler (40-8) am Modulations-Steuer-Bereich (16) so angeordnet ist, daß die Wellenkämme der Oberflächenwelle (59) im wesentlichen normal zur optischen Achse der Monomode- Faser (10) ausgerichtet sind und daß durch eine Frequenzänderung des Eingangssignals des piezoelektrischen Wandlers (40-8) die Wellenkämme der Oberflächenwelle im wesentlichen parallel zur optischen Achse der Monomode-Faser (10) bewegbar sind.
  14. 14. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen piezoelektrischen Wandler (40) vom Scherwellentyp als Verschiebungsvorrichtung des optischen Gitters (18-7) in Längsrichtung der optischen Achse der Monomode-Faser (10).
  15. 15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Gitter (18-7) an einer Seitenfläche des piezoelektrischen Wandlers (40) ausgebildet ist.
  16. 16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Gitter (18-7) metallisiert (42) ist und eine Elektrode des Wandlers (40) bildet.
  17. 17. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Gitter (24, 24&min;) durch ein Eingangssignal um die Normale der das optische Gitter enthaltenden geometrischen Ebene drehbar ist.
  18. 18. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Gitter (18-10, 24-11) durch einen piezoelektrischen Wandler (64, 64&min;) vom Longitudinal-Wellentyp verschiebbar ist.
  19. 19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende (66, 84) des Wandlers (64, 64&min;) vom Longitudinal- Wellentyp fest mit der Monomode-Faser verbunden ist.
  20. 20. Einrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Gitter (24-11) einteilig mit dem Wandler (64&min;) vom Longitudinal-Wellentyp ausgebildet ist.
  21. 21. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Gitter (100) durch eine an dem optischen Gitter (100) befestigte Mikrophon- Membran (96) bewegbar ist.
  22. 22. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Gitter (120) durch eine hydro-akustische Antenne, die an dem optischen Gitter und der optischen Monomode-Faser (10) befestigt ist, bewegbar ist.
  23. 23. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein temperaturempfindliches Material (130) als MIttel zur Bewegung des optischen Gitters (102-17).
  24. 24. Einrichtung nach Anspruch 23, gekennzeichnet durch ein bei Wärmeänderung in Längsrichtung sich dehnendes bzw. zusammenziehendes Rohr (130).
  25. 25. Einrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen dünnen Faden (104, 104-19) zum Halten des optischen Gitters (102) in engem Kontakt mit der Monomode-Faser (10).
  26. 26. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Gitter (24) durch ein magnetostriktives Material (158) bewegbar ist.
  27. 27. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Gitter durch ein elektrisches Solenoid (174) mit einem beweglichen Kern (172) bewegbar ist.






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