DE3143824C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Phasenmodulation elektromagnetischer Strahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for phase modulation electromagnetic radiation according to the generic term of claim 1.

Eine solche Einrichtung ist aus der GB 14 88 253 bekannt.Such a facility is from the GB 14 88 253 known.

Es ist bekannt, Licht in einer optischen Faser in der Phase oder der Frequenz durch Anwendung eines akustisch-optischen Effekts zu modulieren, indem das Signal, das dem in der Faser laufenden Licht aufgeprägt wird, benutzt wird, um mechanisch oder akustisch die Faser zu erregen. Diese mechanische oder akustische Erregung veranlaßt eine Änderung im Brechungsindex des Faserkernes. Daraus ergibt sich eine Änderung in der optischen Weglänge für das in der Faser laufende Licht. Dieses Licht wird demnach durch das Signal in Phase und Frequenz moduliert. Für Glasfasern ist die Änderung im Brechungsindex bei vorgegebener Energie der mechanischen oder akustischen Erregung sehr gering. Um eine ausreichende Modulation zu erzielen, ist entweder eine hohe Signalenergie oder eine große Wechselwirkungslänge erforderlich, wobei die Wechselwirkungslänge die Länge der Faser ist, die für das Eintreten der Modulation akustisch erregt werden muß.It is known to phase light in an optical fiber or the frequency by using an acoustic-optical Effect modulate by the signal that the in the fiber running light is imprinted, used to mechanically or to excite the fiber acoustically. This mechanical or acoustic excitation causes a change in the refractive index of the fiber core. This results in a change in the optical path length for the light running in the fiber. This Accordingly, light is generated by the signal in phase and frequency modulated. For glass fibers, the change is in the refractive index with given energy of mechanical or acoustic excitation very low. To achieve sufficient modulation, is either a high signal energy or a large interaction length required, the interaction length the length of the fiber is that for entering the modulation must be excited acoustically.

In dem Artikel von S. K. Sheem und J. H. Cole, "Acoustic Sensitivity of Single-Mode Optical Power Dividers", Optics Letters, Band 4, Nr. 10, Oktober 1979, S. 322-324, wird angegeben, daß durch Ätzung die Lichtleitungsfähigkeit einer Einzelmodusfaser verringert wird, eine an sich unerwünschte Folge, wenn eine optische Faser zur Leitung von Licht benutzt wird, dem ein Signal aufgeprägt werden soll. In the article by S.K. Sheem and J.H. Cole, "Acoustic Sensitivity of Single-Mode Optical Power Dividers ", Optics Letters, Volume 4, No. 10, October 1979, pp. 322-324, it is stated that by etching reduces the light transmission ability of a single mode fiber becomes an undesirable per se when an optical Fiber is used to conduct light, which is a signal to be imprinted.  

Aus der bereits genannten GB 14 88 253 ist eine Einrichtung zur Phasenmodulation elektromagnetischer Strahlung bekannt, die durch den Kern einer aus Kern und Mantel bestehenden Einzelmodus-Lichtleitfaser läuft. Die Lichtleitfaser ist einer mechanischen Erregung ausgesetzt, durch die die Länge der Lichtleitfaser geändert wird. Insbesondere ist die Lichtleitfaser um einen Zylinder gewickelt, dessen Ausdehnung durch die ein angelegtes Signal änderbar ist. Hierdurch ist ein Datenübertragungssystem realisierbar. Die Empfindlichkeit der Modulation ist relativ gering.From the already mentioned GB 14 88 253 is a device known for phase modulation of electromagnetic radiation, those by the core of a core and shell Single mode optical fiber is running. The optical fiber is exposed to mechanical excitation, through which the Length of the optical fiber is changed. In particular is the optical fiber is wrapped around a cylinder, the extent of which through which an applied signal can be changed. Hereby a data transmission system can be implemented. The sensitivity the modulation is relatively low.

Aus Optics Letters, Januar 1979, Vol. 4, No. 1, S. 29-31, ist es bekannt, die Kopplung zweier Einzelmodus-Fasern zur Signalübertragung von einer Faser zur anderen dadurch zu bewirken, daß die mit einem Mantel versehenen Faserenden verdrillt, gemeinsam mit HF/NH₄F geätzt und anschließend mit einem Öl geeigneten Brechungsindexes umgeben werden. Es ist nichts darüber entnehmbar, wie eine mechanische Erregung die Signalübertragung beeinflussen könnte.From Optics Letters, January 1979, Vol. 4, No. 1, pp. 29-31, it is known to couple two single mode fibers Signal transmission from one fiber to another thereby cause the sheathed fiber ends twisted, etched together with HF / NH₄F and then be surrounded with an oil of suitable refractive index. Nothing can be inferred from it like mechanical excitation could affect the signal transmission.

Aus Applied Optics, 15. Januar 1980, Vol. 19, No. 2, S. 185-186, ist es bekannt, zur Erfassung akustischer Signale die optische Weglänge eines Laserstrahls zu modulieren, indem eine optische Faser aus Silikongummi einer mechanischen Druckerregung unterworfen wird.From Applied Optics, January 15, 1980, Vol. 19, No. 2, pp. 185-186, it is known to detect acoustic signals modulate the optical path length of a laser beam by an optical fiber made of silicone rubber a mechanical Is subjected to pressure excitation.

Aus Applied Optics, Vol. 18, No., 01. November 1979, S. 3679-3683 ist ein faseroptischer Sensor bekanntgeworden, in dem eine optische Faser mit elastischem Material ummantelt ist, dessen Elastizitätsmodul kleiner als der der Faser ist. Die Empfindlichkeit des Sensors wird gegenüber nicht ummantelten Fasern um den Faktor 10 bis 100 verbessert. From Applied Optics, Vol. 18, No., November 1, 1979, Pp. 3679-3683 a fiber optic sensor has become known, in which an optical fiber with elastic material is covered, whose modulus of elasticity is smaller than that of Fiber is. The sensitivity of the sensor is compared Uncoated fibers improved by a factor of 10 to 100.  

Aus der DE-OS 29 12 563 ist ein Verfahren zur selektiven Ätzung von aus Kern- und Mantelglas bestehenden Lichtleitfasern bekannt.DE-OS 29 12 563 describes a method for selective etching of optical fibers consisting of core and cladding glass known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Phasenmodulation elektromagnetischer Strahlung anzugeben, die eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Längenänderungen aufweist, die aber gleichwohl auf einfache Weise herzustellen ist.The invention has for its object a device specify phase modulation of electromagnetic radiation, which has an increased sensitivity to changes in length has, but nevertheless easy to manufacture is.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the invention specified in claim 1 solved. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Die bei der Erfindung verwendete optische Faser kann in Verbindung mit einem optischen Demodulationssystem benutzt werden, um das Ausgangssignal eines akustischen Sensors in ein einfacher zu handhabendes, elektronisches Signal umzusetzen. Hierbei verursacht die aufzunehmende oder zu erfassende Signalenergie eine Längenänderung der geätzten Lichtleitfaser.The optical fiber used in the invention can be connected be used with an optical demodulation system, around the output signal of an acoustic sensor easier to handle electronic signal. This causes the signal energy to be recorded or recorded a change in length of the etched optical fiber.

Die verwendete Faser ist eine Faser mit einem Mantel aus Glas, deren Manteldicke durch Ätzung um eine bestimmte Größe verringert ist. Dabei wird der Teil des Glasmantels, der entfernt worden ist, durch ein Material, vorzugsweise Kunststoff, ersetzt, dessen Brechungsindex kleiner als der des Faserkerns ist und dessen Elastizitätmodul kleiner als der des durch Ätzung entfernten Mantelmaterials ist. Eine solche geätzte Lichtleitfaser ist empfindlicher gegenüber in Längsrichtung verlaufenden Streckungen oder Kompressionen, da sie schwächer ist. Bei einer gegebenen Größe der Signalenergie ergibt sich für eine derartige Faser nach der Ätzung eine größere Streckung.The fiber used is a fiber with a cladding Glass, the cladding thickness of which is determined by etching Size is reduced. The part of the glass jacket, which has been removed by a material, preferably Plastic, replaced, whose refractive index is less than that of the fiber core and its elastic modulus is less than that of the sheath material removed by etching  is. Such an etched optical fiber is more sensitive to lengthways Stretching or compression as it is weaker. For a given size of the signal energy we get for such a fiber has a greater elongation after the etching.

Es ist an sich bekannt, daß durch Streckung der Länge einer Einzelmodus-Lichtleitfaser die optische Weglänge für die in dem Kern der Faser laufende elektromagnetische Strahlung sich ändert. Es ist weiter bekannt, daß diese Änderung in der optischen Weglänge sich in dem Maße erhöht, wie die Streckung der Faser zunimmt. Diese Änderung in der optischen Weglänge wird in bekannten Einrichtungen benutzt, um die im Kern der Faser laufende, elektromagnetische Strahlung zu modulieren, wobei die Größe der Modulation sich mit der Größe der Änderung der optischen Weglänge erhöht.It is known per se that by stretching the length of a single mode optical fiber the optical path length for that in the core of the Fiber running electromagnetic radiation changes. It it is also known that this change in optical path length increases as the stretch of the fiber increases. This change in optical path length is known in Facilities used to run the core of the fiber modulate electromagnetic radiation, the The size of the modulation changes with the size of the change in the optical Path length increased.

Die geätzten Lichtleitfasern sind vorzugsweise optische Einzelmodus-Fasern, deren Manteldicke durch Ätzung beispielsweise in einem Bad aus Fluorwasserstoffsäure oder einem Bad aus Fluorwasserstoffsäure, die mit Ammoniumfluorid gepuffert ist, oder durch Ionenabtragung (ion milling), verringert worden ist. Dabei kann der Ätzvorgang auch benutzt werden, um optische Fasern mit geringer modaler Dispersion aus optischen Fasern mit größerem Durchmesser herzustellen.The etched optical fibers are preferred single-mode optical fibers, whose cladding thickness by Etching, for example, in a hydrofluoric acid bath or a bath of hydrofluoric acid mixed with ammonium fluoride is buffered, or by ion milling, has been reduced. The etching process can also be used to optical fibers with low modal dispersion to manufacture from larger diameter optical fibers.

Durch die Erfindung kann eine Einrichtung mit einem optischen Demodulationssystem verbessert werden, so daß das Ausgangssignal eines Energiefühlers tatsächlich optisch demoduliert ist. Damit werden die enormen Bandbreiten, die ein derartiges elektronisches Demodulationssystem bisher erforderte, wesentlich verringert. Ein derartiges optisches Demodulationssystem gestattet auch eine Multiplexanordnung für mehrere Energiefühler an derselben optischen Faser, wodurch die Kosten für ein System mit einer Vielzahl von Fühlern, wie z. B. eine Hydrophonanordnung, wesentlich verringert werden.The invention allows a device with an optical Demodulation system can be improved so that the output signal of an energy sensor is actually optically demodulated. This is the enormous bandwidth that such an electronic Demodulation system previously required, essential decreased. Such an optical demodulation system allows also a multiplex arrangement for several energy sensors  on the same optical fiber, reducing the cost of one System with a variety of sensors, such as B. a hydrophone arrangement, be significantly reduced.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtThe invention is described below using an exemplary embodiment explained in more detail. It shows

Fig. 1 einen stark vergrößerten Querschnitt durch eine optische Einzelmodus-Faser und Fig. 1 shows a greatly enlarged cross section through an optical single-mode fiber and

Fig. 2 einen entsprechenden Querschnitt durch die Einzelmodus-Faser der Fig. 1 nach Ätzung. Fig. 2 shows a corresponding cross section through the single-mode fiber of Fig. 1 after etching.

Fig. 1 und 2 zeigen vergrößerte Querschnitte einer optischen Einzelmodus-Faser vor bzw. nach dem Ätzen. Der Mantel 2-1 des Faserkerns 1-1 hat eine radiale Dicke von K und wird durch Ätzung auf die verringerte Dicke von R gebracht. Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 hat der Kern 1-1 bzw. 1-2 einen Durchmesser V, der durch die Ätzung unverändert bleibt, da sie nur auf die Außenfläche der Faser wirkt. Fig. 1 and 2 show enlarged cross sections of a single-mode optical fiber before and after etching. The cladding 2-1 of the fiber core 1-1 has a radial thickness of K and is brought to the reduced thickness of R by etching. In both Fig. 1 and Fig. 2, the core 1-1 or 1-2 has a diameter V , which remains unchanged by the etching, since it acts only on the outer surface of the fiber.

Die Vorzüge einer solchen Faser werden nun mit Bezug auf ihre Empfindlichkeit erläutert. Bei einer gegebenen, aufzunehmenden oder festzustellenden Signalenergie E zeigt die Faser mit der Länge L und der Gesamtquerschnittfläche S₁ der Fig. 1 eine Streckung umThe advantages of such a fiber will now be explained in terms of its sensitivity. For a given signal energy E to be recorded or ascertained, the fiber with the length L and the total cross-sectional area S 1 of FIG. 1 shows an extension

Hierin ist Y₀ der Elastizitätsmodul des Fasermaterials, der hier als konstant und gleich dem von geschmolzenen Quarz angenommen werden kann. Unter Benutzung derselben Ableitung wie vorstehend, jedoch nach Einführung der verringerten Mantelstärke in die Gleichung (I) ergibt sich die Größe der Streckung mit Δ L₂, wenn die geätzte Faser der gleichen vorgegebenen Signalenergie E ausgesetzt wirdHere Y ₀ is the modulus of elasticity of the fiber material, which can be assumed to be constant and equal to that of molten quartz. Using the same derivative as above, but after introducing the reduced cladding thickness into equation (I), the magnitude of the stretching results with Δ L ₂ when the etched fiber is exposed to the same predetermined signal energy E.

Hierin ist S₂ die Querschnittsfläche der geätzten Faser. Da S₁ größer als S₂ ist, ergibt sich aus den Gleichungen (I) und (II), daßHerein S ₂ is the cross-sectional area of the etched fiber. Since S ₁ is greater than S ₂, it follows from equations (I) and (II) that

Δ L₂ < Δ L₁ Δ L ₂ < Δ L ₁

ist.is.

Demnach ist für eine gegebene Signalenergie die in der geätzten Einzelmodus-Faser auftretende Änderung in der optischen Weglänge größer als in einer normalen Einzelmodus-Faser. Das führt zu einer stärkeren Phasenmodulation des in dem Kern laufenden Lichtes. Accordingly, for a given signal energy, the in the etched single mode fiber change occurring in the optical path length larger than in a normal single-mode fiber. This leads to a stronger phase modulation of the light running in the core.  

Weiter ist zu berücksichtigen, daß Fasern mit sehr kleinem Gesamtdurchmesser schwierig nach den bisher bekannten Verfahren herzustellen und nach der Herstellung schwierig zu handhaben sind. Dagegen können mit der hier beschriebenen Erfindung Fasern hergestellt werden, die eine verringerte Manteldicke haben, wobei von leicht herzustellenden Fasern größeren Durchmessers ausgegangen wird. Die Einrichtungen werden dabei so weit zusammengebaut, daß die Faser mit dem größeren Durchmesser sich an der vorgesehenen Stelle befindet. Danach kann die Faser geätzt werden, so daß eine weitere Handhabung einer dünnen Faser oder einer Faser mit verringertem Mantel sich erübrigt.It should also be borne in mind that fibers with very small Overall diameter difficult according to the previously known methods to manufacture and difficult to manufacture are handling. In contrast, with the one described here Invention fibers are made that are reduced Have coat thickness, being easy to manufacture Larger diameter fibers is assumed. The facilities are assembled so far that the fiber with the larger diameter at the intended location located. The fiber can then be etched so that a further handling of a thin fiber or a fiber with reduced coat is unnecessary.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Phasenmodulation elektromagnetischer Strahlung, die durch den Kern einer aus Kern und Mantel bestehenden Lichtleitfaser läuft, mit einer Einrichtung zur Änderung der Länge der Lichtleitfaser, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Mantels (2-2) der Lichtleitfaser durch Ätzung verringert ist und daß die geätzte Lichtleitfaser mit einem Material (2-2′) umhüllt ist, dessen Brechungsindex kleiner als der des Kerns (1-2) der Lichtleitfaser ist und dessen Elastizitätsmodul kleiner als der des durch Ätzung entfernten Mantelmaterials ist.1. Device for phase modulation of electromagnetic radiation, which runs through the core of an optical fiber consisting of core and jacket, with a device for changing the length of the optical fiber, characterized in that the diameter of the jacket ( 2-2 ) of the optical fiber is reduced by etching and that the etched optical fiber is coated with a material ( 2-2 ' ) whose refractive index is smaller than that of the core ( 1-2 ) of the optical fiber and whose modulus of elasticity is smaller than that of the cladding material removed by etching. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geätzte, optische Faser eine Einzelmodus-Faser ist.2. Device according to claim 1, characterized in that the etched optical fiber is a single mode fiber. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine geätzte, optische Faser mit geringer modaler Dispersion.3. Device according to claim 1 or 2, characterized by an etched optical fiber with low modal dispersion.