DE3153611C2 - Einrichtung zur Ermittlung des Spektrums einer elektromagnetischen Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ermittlung des Spektrums einer elektromagnetischen Strahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Einrichtung ist aus Appl. Phys. Lett., 32 (10), 15. Mai 1978, Seiten 647-649, bekannt.

In einer optischen Faser kann Licht in der Phase oder der Frequenz akustisch-optisch moduliert werden, indem ein mechanisches oder akustisches Signal zur Erregung der Faser dem in der Faser laufenden Licht aufgeprägt wird. Diese mechanische oder akustische Erregung veranlaßt eine Änderung im optischen Index des Faserkerns. 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 optischen Index bei vorgegebener Energie der mechanischen oder akustischen Erregung sehr gering. Um eine ausreichende Modulation zu erzielen, ist entweder eine hohe Signalenergie oder eine große Erregungslänge erforderlich, wobei die Erregungslänge der Länge der Faser ist, die für das Eintreten der Modulation akustisch erregt werden muß.

Für die Reflexion von Licht innerhalb einer optischen Einzelmodus-Faser sind in der Länge begrenzte, verteilte Wellenlängen-Reflektoren bekannt. Eine solche Reflexion wird z. B. erwähnt in dem o.g. Artikel "Photosensitivity in Optical Fiber Waveguides: Application to Reflection Filter Fabrication" von K. O. Hill et al.

Dort wird eine gattungsgemäße Vorrichtung beschrieben, bei der am Ausgang eines Abtastlasers eine optische Faser als Reflexionsfilter anstatt des üblichen teildurchlässigen Frontreflektors des Lasers angebracht ist. Damit sind besonders schmalbandige Schwingungen möglich, und somit ist die mögliche Übertragungsdichte von wellenlängengetrennten Multiplexsystemen erhöht. Ein nachgeschaltetes Fabry-Perot-Interferometer dient der Wellenlängenmesung.

Aus dem Aufsatz von P. G. Cielo "Fiber Optic Hydrophone: Improved Strain Configuration and Environmental Noise Protection" in Applied Optics, Band 18, Nr. 17, Seiten 2933-2937, von 01. 09. 1979 ist eine Anordnung, bei der Reflektoren in einer optischen Faser Reflexionen nach Art eines Fabry-Perot- Interferometers hervorrufen, bekannt. Dabei wird ein faseroptisches Hydrophon vorgestellt. Bei der angegebenen Reihenschaltung wird der von dem Laser ausgesandte Lichtstrahl zuerst durch ein Refernz-Hohlraum-Bauteil und dann durch ein Unterwasser-Hohlraum-Bauteil geleitet. Die Übertragungsfunktion eines Hohlraum-Bauteils zeigt eine Vielzahl von Übertragungsspitzen mit einem festen Abstand, der von der optischen Länge des Hohlraums abhängt. Eine Überlagerung beider Übertragungsfunktionen ermöglicht die Detektion von Phasendifferenzen bis ±π/2. Das Referenz-Hohlraum-Bauteil dient der Korrektur von unerwünschten Phasenschwankungen.

Aus der DE-OS 22 12 498 ist ein Raman-Spektrometer bekannt, bei dem eine von einem Laserstrahlbündel bestrahlte Untersuchungsprobe Raman-Licht ausstreut und das Spektrum mit einem Fabry-Perot-Interferometer zerlegt wird.

Aus der DE-OS 27 31 722 ist ein Amplitudenmodulator für optische Nachrichtenübertragungssysteme bekannt, in dem eine amplituden-modulierte akustische Welle in einen bestimmten Bereich eines Glasfaserleiters eingekoppelt wird. Dabei werden Bragg-Reflektoren verwendet.

Der Erfindung liegt ausgehend von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Aufgabe zugrunde, diese Vorrichtung derart weiterzubilden, daß eine sehr geringe durch mechanische oder akustische Erregung hervorgerufene Verschiebung des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung verstärkt werden kann und daß bei deren Verwendung als optischer Demodulator dessen Bandbreite gegenüber bekannten elektronischen Demodulationssystemen wesentlich verringert ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben. Gemäß Patentanspruch 2 wird eine besonders hohe Verstärkung der Spektralverschiebung bei gleichzeitig hoher Auflösung erreicht.

Die Erfindung kann bei Verwendung an faseroptischen Energiefühlern, z. B. Hydrophonen, benutzt werden, um das Ausgangssignal der Energiefühler in ein einfacher zu handhabendes, elektrisches Signal umzusetzen. Der Energiefühler arbeitet so, daß die aufzunehmende oder zu erfassende Signalenergie eine Streckung der ggf. geätzten Einzelmodus-Faser verursacht. Eine geätzte Einzelmodus-Faser ist eine mit Glas umkleidete Einzelmodus-Faser, deren Umkleidungsdicke um eine bestimmte Größe verringert ist, so daß ihre Dicke entsprechend verringert ist. Dabei kann, wenn die Lichteigenschaft der geätzten Einzelmodus-Faser aufrechterhalten werden soll, der Teil der Glasumkleidung, der entfernt worden ist, durch ein Kunststoffmaterial ersetzt werden, dessen optischer Index geringer als der des Faserkerns ist und dessen Elastizitäts-Modul geringer als der der vorher vorhandenen Glasumkleidung ist. Eine solche geätzte Einzelmodus-Faser ist empfindlicher gegenüber in Längsrichtung verlaufende Streckungen oder Kompressionen, da sie dünner ist. Bei einer gegebenen Größe der Signalenergie ergibt sich für eine Einzelmodus-Faser nach der Ätzung eine größere Streckung.

Der optische Demodulator gestattet 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.

Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung als optischer Demodulator kann jeder Energiefühler zwischen den Gliedern eines Paares von in der Länge beschränkten Bragg-Reflektoren angeordnet werden, die in der optischen Faser ausgebildet werden. Jedes Paar derart angeordneter Reflektoren bildet ein Interferometer vom Fabry-Perot-Typ, das nur Resonanzen für die Teile des elektromagnetischen Spektrums enthält, in welchem die Bragg-Reflektoren arbeiten. Da jeder Energiefühler zwischen den Reflektoren eines Paares liegt, werden, wenn bei Aufnahme von Signalenergie die optische Wellenlänge des Fühlers sich entsprechend ändert, die Resonanzen des Fabry-Perot-Interferometers spektral verschoben. Das System demoduliert diese Spektralverschiebung teilweise durch Benutzung eines zweiten Fabry-Perot-Interferometers, das auch Analysator-Interferometer genannt wird und dessen Resonanzen spektral getrennt liegen mit Bezug auf das Interferometer, das den Energiefühler enthält, wodurch eine Verstärkung der Spektralverschiebung verursacht wird. Das Ausgangssignal der Kombination aus Energiefühler-Interferometer und Analysator- Interferometer hat eine größere Spektralverschiebung als die ursprüngliche Spektralverschiebung, und zwar um einen Verstärkungsfaktor, der durch die in der Beschreibung abgeleiteten Gleichungen bestimmt wird. In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist die Verwendung von mehr als einem Analysator- Interferometer vorgesehen, von denen jeder eine andere Verstärkung verursacht. Die sich ergebenden Verstärkungen können so genutzt werden, daß Ausgangssignale entstehen, von denen jedes einer besonderen Ziffer der Zahl entspricht, die die ursprüngliche Spektralverschiebung ausdrückt, wodurch die Bandbreite der elektronischen Detektoren und des Zeitdemodulators verringert wird.

Das optische Demodulationssystem ermöglicht auch die Multiplex- Anordnung mehrerer Energiefühler an derselben Faser dadurch, daß jedes Reflektorpaar, das einem Fühler zugeordnet ist, Reflexionsbanden aufweist, die von denen der anderen Reflektorpaare verschieden sind.

Das System arbeitet mit einem Wellenlängen-Abtastlaser, der jeweils über die Resonanzen eines Reflektorpaares als Funktion der Zeit abtastet.

In der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen ist die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema eines optischen Demodulationssystems,

Fig. 2 die Darstellung einer typischen Übertragung von einem Reflektorpaar entsprechend z. B. dem Paar 25 in Fig. 5,

Fig. 3 ein Diagramm eines Laser-Ausgangssignals zur Verwendung für das optische Demodulationssystem der Fig. 1,

Fig. 4 schematisch einen Interferometer-Demodulator für Vielfach- Analyse zur Verwendung anstelle des mit der gestrichelten Linie W gekennzeichneten Teiles des optischen Demodulationssystems der Fig. 1 und

Fig. 5 ein Beispiel für eine Zeitdemodulator-Schaltung für die Einrichtung gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein optisches Demodulationssystem dargestellt. Es weist eine optische Faser 24 auf, auf der Paare 25 von Bragg-Reflektoren angeordnet sind, die über eine beschränkte Länge verteilt sind. Über beschränkte Länge verteilte Bragg-Reflektoren sind im Sinne der Erfindung Einrichtungen, welche verursachen, daß bestimmte Wellenlängenbanden der elektromagnetischen Strahlung, die in der optischen Faser läuft, teilweise zur Quelle zurücklreflektiert und teilweise durch die optische Faser weitergeführt werden, wobei Licht, das spektral außerhalb dieser bestimmten Wellenlängenbanden liegt, nahezu unbehindert weiter durch die optische Faser laufen kann. Solche Reflektoren können dadurch hergestellt werden, indem räumlich periodische Störungen des optischen Index der den Kern einer optischen Faser umgebenden Umkleidung induziert werden, so daß die räumliche Periode in einer Richtung parallel zur Achse des Kerns auftritt und die erforderliche Länge des räumlichen Periode nicht die Länge überschreitet, über die die optische Kohärenz für die optische Faser aufrechterhalten wird. Räumlich periodische Störungen können dadurch erreicht werden, daß die Umkleidung von einem Längenabschnitt der Faser teilweise entfernt und dann die Faser gegen ein optisches Gitter gesetzt wird, so daß die Zähne des Gitters rechtwinklig zur Achse des Kernes liegen. Die Größe der Reflektivität kann erhöht oder verringert werden, indem mehr oder weniger von der Umkleidung entfernt wird, wodurch das optische Gitter mehr oder weniger nah zum Kern liegt. Derartige Reflektoren können auch hergestellt werden, indem das Verfahren benutzt wird, was von Hill et al. entwickelt und beschrieben worden ist in "Photosensitivity in Optical Fiber Waveguides: Application to Reflection Filter Fabrication", Applied Physics Letters; Nr. 32 (10) vom 15. Mai 1978. Darin ist gezeigt, daß ein Reflexionswellenlängenband eintritt bei

λ_cM ≈ 2nd M (III)

Darin ist
λ_cM die Mitte des Reflexionswellenlängenbandes für einen bestimmten Wert M,
n der wirksame optische Brechungsindex für den Kern der optischen Faser,
d die räumliche Periode der Störungen, die der Bragg-Reflektor erzeugt, und
M eine ganze Zahl, die größer als Null ist und als Ordnung des Reflexionsbandes bezeichnet wird.

Die Breite Δλ_cM ist die volle Spektralbreite eines bestimmten Reflexionsbandes, gemessen über die Hälfte der totalen, reflektierten Intensität, zu der der bestimmte Bragg-Reflektor fähig ist. Dabei gilt

l ist die Länge des in der Länge begrenzten Bragg-Reflektors.

In Fig. 1 sind die Paare 25 der Reflektoren mit A, B, C . . . bezeichnet. Die beiden Reflektoren jedes Paares sind so ausgeführt, daß sie teilweise dieselben Wellenlängenbanden reflektieren und dieselben Übertragungsspektren aufweisen, indem z. B. d und l entsprechend eingestellt werden. Jedes Paar ist jedoch so ausgeführt, daß es bestimmte Wellenlängenbanden reflektiert, die spektral unterschieden von den Reflexionswellenlängenbanden aller anderen Paare sind, wiederum durch Einstellung von d und l gemäß der Gleichungen III und IV, so daß es ein Wellenlängen- Intervall WI gibt, das wenigstens eine von nur diesen bestimmten Wellenlängenbanden für jedes zu verwendende Reflektorpaar enthält.

Jedes Paar 25 bildet ein Fabry-Perot-Interferometer innerhalb der Einzelmodusfaser 24. Diese Art Fabry-Perot-Interferometer ist empfindlich nur gegenüber elektromagnetischer Strahlung, die spektral innerhalb der Reflexionswellenlängenbanden der verteilten Bragg-Reflektoren liegt, die das jeweilige Paar bilden. Fig. 2 zeigt die Übertragung durch ein bestimmtes Reflektorenpaar. Die Ordinate der Fig. 2 stellt die Übertragung elektromagnetischer Strahlung durch das jeweilige Reflektorenpaar dar, und die Abszisse die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, die innerhalb der Faser 24 läuft und auf das Reflektorpaar fällt. Elektromagnetische Strahlung, die spektral außerhalb der Reflexionswellenlängenbanden eines bestimmten Paares liegt, wird praktisch unbeeinflußt durchgelassen. Eine solche Strahlung wird durch die Bereiche a in Fig. 2 veranschaulicht.

Die Maximalmenge an elektromagnetischer Strahlung, die innerhalb der Faser läuft und spektral innerhalb der Reflektorbanden eines bestimmten Reflektorpaares liegt, wird durch das Reflektorpaar weitergeführt bei der Wellenlänge

Hierin ist
OPL die optische Weglänge zwischen den Reflektoren und
N eine optische ganze Zahl.

Eine Minimalmenge der elektromagnetischen Strahlung wird durch das Reflektorpaar weitergeführt bei

Dies führt zu einer spektralperiodischen Übertragung, wie in dem Bereich b, Fig. 2, veranschaulicht.

Die spektrale Breite der Übertragungsspitzen 300, Fig. 2, kann mit Bezug auf die spektrale Trennung der Übertragungsspitzen Δλ dadurch geändert werden, daß die Größe der Reflektivität der in der Länge beschränkten Bragg-Reflektoren geändert wird, die das Reflektorenpaar bilden, das für die Übertragungsspitzen verantwortlich ist. Dies kann in der vorstehend besprochenen Weise erreicht werden.

Die Zahl der Spitzen 300 im Wellenlängenbereich b der Fig. 2 ist gegeben durch

Hierin ist
Z die geometrische Länge zwischen den Reflektoren, gemessen entlang der Achse der Einzelmodus- Fenster, und
l die Länge der verteilten Bragg-Reflektoren, gemessen entlang der Faserachse.

Wenn die optische Weglänge zwischen zwei Reflektoren eines Paares sich ändert, verschieben sich die Übertragungsspitzen, Fig. 2, innerhalb des Wellenlängenbereiches b spektral innerhalb dieses Bereiches, wie durch Gleichung (V) angezeigt wird.

Ein Teil oder der gesamte Längenabschnitt der optischen Faser 24 zwischen zwei Reflektoren eines Paares wird zur Länge des Zusammenwirkens eines faseroptischen Energiefühlers, z. B. eines akustischen Energiefühlers. Diese Fühler arbeiten so, daß durch die aufzunehmende Signalenergie eine Länge der optischen Faser in Längsrichtung gestreckt oder zusammengezogen wird, so daß die optische Weglänge geändert wird. Daher werden bei einem Reflektorpaar B z. B., in welchem eine Länge des Zusammenwirkens eines faseroptischen Energiefühlers liegt, der ein Signal aufnimmt, die Übertragungsspitzen des Bereiches b der Fig. 2 spektral verschoben, verursacht durch die aufzunehmende Signalenergie.

Die Einrichtung gemäß Fig. 1 benutzt einen Wellenlängenabtastleser 26, der elektromagnetische Energie liefert, die mit entsprechenden Bündelungslinsen 27 in die Einzelmodus- Faser 24 eingespeist wird, auf der die Reflektorenpaare 25 angeordnet sind. Die Ausgangsleistung des Lasers 26 wird über einen bestimmten Wellenlängenbereich abgetastet oder puls-komprimiert (shirped). Fig. 3 zeigt ein Diagramm eines für die Erfindung verwendbaren Laser- Ausgangssignals mit einem Abtastbereich von ΔλL und einem Abtast-Zeitintervall von ΔT. Die Abtastgeschwindigkeit ist ΔλL/ΔT. Es ist vorgesehen, daß der Abtastbereich des Lasers 26 das Wellenlängen-Intervall WI ist, so daß ein Reflektor-Wellenlängen-Bandbereich b jedes Paares 25 in Fig. 1 pektral innerhalb des Abtastbereiches liegt.

Die Anordnung nach Fig. 1 enthält auch einen Strahlteiler 127, der einen Teil des Laserausgangsstrahles auf ein Fabry-Perot-Interferometer 28 richtet, das hier als "Bezugs- Fabry-Perot-Interferometer" bezeichnet ist. Wenn die Ausgangswellenlänge λL so gewählt wird, daß gilt

wobei
Q eine positive ganze Zahl und
D die optische Weglänge zwischen den das Fabry- Perot-Interferomter bildenden Reflektoren 28 ist,
überträgt das Bezugs-Fabry-Interferometer 28 einen Teil dieser Strahlung auf den Photodetektor 29 der Fig. 1, der dann ein elektrisches Bezugssignal erzeugt. Der Photodetektor 29 ist ein handelsüblicher Teil, z. B. die Type TIXL 452 der Firma Texas Instruments Inc., dessen Ausgangssignal ein elektrisches Signal mit einer Amplitude ist, die eine bekannte Funktion der Amplitude der einfallenden Strahlung ist. Falls der Laser entsprechend Fig. 3 abtastet, ist das vom Bezugs-Fabry-Perot-Interferometer 28 übertragene Ausgangssignal eine Reihe von zeitlich getrennten Spitzen, von denen jede einer Resonanz des Bezugs- Interferometers 28 entspricht.

Die optische Weglänge D des Bezugs-Interferometers 28 wird angeordnet und die räumlichen Perioden der Reflektoren in jedem Reflektorpaar 25 so gewählt, daß für den Laserabtastbereich ΔλL eine Übertragungsspitze des Bezugs- Interferometers 28 bei einer Wellenlänge auftritt, die sehr nahe dem Reflektor-Wellenlängenband jedes Reflektorpaares 25 ist.

Das Austrittsende der Einzelmodus-Faser 24 nach Fig. 1, d. h. das Ende, das dem für den Eintritt des Laserstrahles entgegengesetzt ist, weist eine Sammlereinrichtung 32 auf, die das Austrittssignal für den Eintritt in ein Fabry- Perot-Interferometer 30 bündelt. Das Ausgangssignal des Interferometers 30 wird auf einen Photodetektor 31 gerichtet.

Aus der vorstehenden Erläuterung der spektralen Übertragung eines Reflektorpaares 25 ergibt sich, daß, falls der Abtastlaser zu irgendeiner bestimmten Zeit in die Faser eine bestimmte Wellenlänge λ_L der elektromagnetischen Strahlung, die in den Wellenlängenbereich b der Fig. 2 eines bestimmten Reflektorpaares A fällt, diese elektromagnetische Strahlung übertragen wird durch das bestimmte Reflektorpaar A, die übrige Faser, alle weiteren Reflektorpaare (da nach der Erfindung alle anderen Reflexionswellenlängenbanden aller anderen Reflektorpaare B, C usw. verschieden sind) das Fabry-Perot-Interferometer 30 hindurch und auf den Photodetektor 31 mit maximaler Intensität geht, sofern die eingeführte Strahlungswellenlänge λ_L spektral auf eine bestimmte Übertragungsspitze der Fig. 2 des bestimmten Reflektorpaares A zentriert ist und wenn diese bestimmte Übertragungsspitze auch spektral mit einer Übertragungsspitze des Interferometers 30 zusammenfällt, der nachfolgend als Analysator-Interferometer bezeichnet wird.

Die optische Weglänge T_R≈(n)(Z) zwischen den Reflektoren, z. B. des Reflektorpaares B, ist so gewählt, daß für einen bestimmten Wellenlängenbereich zwischen λ_1D und λ_2D das Reflektorpaar B S_R-Übertragungsspitzen erzeugt. Dies tritt ein bei

Für denselben Wellenlängenbereich zwischen λ_1D und λ_2D erzeugt das Analysator-Interferometer 30 S_A-Übertragungsspitzen, falls

Hierbei ist T_A die optische Weglänge zwischen den Reflektoren des Analysator-Fabry-Perot- Interferometers 30.

Falls ein Signal durch einen faseroptischen Energiefühler aufgenommen wird, der zwischen den in der Länge beschränkten Bragg-Reflektoren z. B. des Paares B angeordnet ist, unterliegen die Übertragungsspitzen des Bereiches b der Fig. 2 des Paares B einer Spektralverschiebung Δλ_SR innerhalb des Bereiches b. Durch Einstellung der Relativwerte von S_A und S_R unter Benutzung der Gleichungen IX und X wird tatsächlich diese Spektralverschiebung Δλ_SR verstärkt, indem veranlaßt wird, daß die resultierende kombinierte Spektralverschiebung Δλ_SA der Übertragung des Paares B und das Analysator-Interferometers 30 den folgenden Wert erhält:

Δλ_SA ≈ UΔλ_SR (XI)

Hierin ist U die Verstärkung und beträgt z. B.

für
S_A=(f)(S_R)±1 und
S_A und S_R<2 und f eine positive ganze Zahl.

Zum besseren Verständnis wird für ein System gemäß Fig. 1 bei dem innerhalb der Paare 25 Energiefühler angeordnet sind, die Arbeitsweise im Zeitablauf über zwei Laser-Abtast- Intervalle ausführlich erläutert. Die Laserabtastung beginnt bei λ₁, das nicht innerhalb der Reflexions-Wellenlängenbanden eines der Paare 25 liegt. Wenn die Laserausgangswellenlänge über den zeitlichen Ablauf abtastet, wird sie ggf. auch die Abtastung über die Übertragungsspitzen eines bestimmten Paares A beginnen. Zu dieser Zeit überträgt das Bezugs-Interferometer 28 einen Laser-Lichtpuls auf den Photodetektor 29, der dann einen elektrischen Puls an den Zeitdemodulator abgibt. Dieser elektrische Bezugspuls wird im Zeitdemodulator 33 zum Rückstellen und Starten einer elektrischen Uhr benutzt. Der Zeitdemodulator 33 zählt auch die Bezugspulse in einem Abtastintervall und richtet, je nach der Zahl der Pulse, das schließliche Ausgangssignal der elektrischen Uhr auf einen der elektrischen Ausgänge, die dem bestimmten Reflektorpaar entsprechen, dessen Übertragungsspitzen zu dieser Zeit abgetastet werden. Eine solche elektronische Schaltung kann ohne weiteres aus handelsüblichen Komponenten zusammengesetzt werden.

Das Laser-Ausgangssignal beginnt nunmehr die Abtastung über die Übertragungsspitzen des Paares A. Wenn die Laserausgangwellenlänge innerhalb der ersten Spitze des Paares A bei λ₂ ist, läuft das Laserlicht durch das Paar A und alle anderen Paare hindurch und schließlich in das Analysator- Interferometer 30. Für den Zweck der Erläuterung wird angenommen, daß die Einrichtung nach Fig. 1 so ausgelegt ist, daß sie eine Verstärkung U=100 liefert, wobei in der Gleichung XII S_R=10 gesetzt wird. Auch soll der Einfachheit halber angenommen werden, daß das Intervall zwischen λ_1D und λ_2D der Gleichungen X und XI für jedes Reflektorpaar in dem Beispiel spektral zusammenfällt mit dem Bereich b der Fig. 2 für jedes Reflektorpaar. Daher ist bei U=100 und S_R=10, dann S_A=99.

Ferner wird angenommen, daß das Analysator-Interferometer 30 eine Spitze hat, die spektral mit der ersten Spitze des Paares A zusammenfällt. Daher wird das Laserlicht auf den Photodetektor 31 übertragen, der ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das bei Abgabe an den Zeitdemodulator 31 die elektrische Uhr anhält, deren schließliches Ausgangssignal ein elektrisches Signal ist, das der Zeit der Uhr entspricht und das an die mit A bezeichnete Leitung bzw. die mit A bezeichnete Leiter abgegeben wird. Bei fortdauernder Abtastung durch den Laser nähert sich seine Wellenlänge schließlich den Übertragungsspitzen des Paares B. Wiederum überträgt das Bezugs-Interferometer 28 einen Lichtpuls, der den Photodetektor 29 veranlaßt, einen Puls zu erzeugen, der die Uhr zurückstellt und startet und den elektrischen Leiter oder die Leiter B für das schließliche Ausgangssignal der Uhr vorbereitet.

Da das vom Energiefühler des Paares A aufgenommene Signal sich ändert, verschieben sich die Übertragungsspitzen des Paares A spektral. Es wird angenommen, daß das Signal eine Verschiebung von (Δλ) der Spitzen irgendwann vor der zweiten Laserabtastung verursacht hat. Wenn die zweite Laserabtastung beginnt, ist die Ausgangswellenlänge wieder λ₁. Bald nach Beginn der Abtastung nähert sich das Laserausgangssignal wieder der ersten Übertragungsspitze des Paares A, wobei die Ausgangswellenlänge angenähert λ₂ + Δλ ist. Diese Wellenlänge fällt jedoch nicht mit einer Spitze des Analysator-Interferometers 30 zusammen, so daß kein Licht auf den Photodetektor 31 zum Anhalten der Uhr übertragen wird. Wenn jedoch der Laser mit der Abtastung fortfährt, erreicht sein Ausgangssignal zu einer späteren Zeit λ₂ + Δλ+Δλ, das den neuen spektralen Ort der zweiten Übertragungsspitze des Paares A angibt. Aufgrund der vorhergehend angegebenen Gleichungen für die Verstärkung U in diesem Beispiel ist λ₂ + Δλ+Δλ auch der spektrale Ort der Übertragungsspitze des Analysator-Interferometers 30, die spektral folgt auf die bei λ₂ liegende Spitze. Daher tritt eine Übertragung durch das Analysator- Interferometer 30 ein, und der Photodetektor 31 erzeugt ein Signal, das die Uhr anhält. Obwohl die Übertragungsspitzen des Paares A sich nur um Δλ verschieben, tritt ein Ausgangssignal der Kombination von dem Paar A und dem Interferometer 30 erst auf, wenn die Laserausgangswellenlänge λ₂ + Δλ+Δλ erreicht, was zu einer Spektralverstärkung von 100 führt. Der weitere Ablauf im zweiten Abtastintervall entspricht der Beschreibung des ersten Laserabtastintervalls.

Die Anwendung des Demodulationssystems erfordert besondere Aufmerksamkeit für die Bandbreite der optischen Faser 24. Diese Bandbreite muß ausreichend hoch sein, um die Schmalheit der rückkehrenden Übertragungsspitzen der Reflektorpaare aufrechtzuerhalten. Eine Einzelmodus-Faser dürfte in den meisten Fällen genügen. Zu beachten ist, daß das optische Demodulationssystem überall benutzt werden kann, wo die Spektralbewegung der Ränder eines Fabry-Perot-Interferometers mit oder ohne Benutzung der optischen Faser bestimmt werden soll. Es ist auch möglich, das Laserlicht erst durch das Analysator-Interferometer hindurchzuleiten und dann in das Fabry-Perot-Interferometer, dessen Abstand man zu messen versucht. Falls jedoch eine optische Faser benutzt wird, um Laserlicht dem zu messenden Fabry-Perot-Interferometer zuzuführen und falls das Laserlicht erst durch das Analysator-Interferometer hindurchlaufen soll, ist es erforderlich, eine optische Faser mit geringer Dispersion für die Zuführung des Lichtes aus dem Analysator-Interferometer nach dem Fabry-Perot-Interferometer auszuwählen; dieses Licht hat nämlich eine zeitweilige, zusätzliche Amplitudenabhängigkeit, verursacht durch die spektralperiodische Übertragung des Analysator-Interferometers. Weiter müssen die Einzelheiten sowohl des Analysator- als auch des Fühler-Interferometers so gewählt werden, daß, falls keine der Übertragungsspitzen spektral genau koinzidiert noch ausreichend Überlappung eintritt, um ein kenntliches, kombiniertes Ausgangssignal zu erzeugen.

Schließlich erzeugt die als Beispiel erläuterte Einrichtung mehrdeutige Ausgangssignale, falls die Spektralbewegung der Übertragungsspitzen des Reflektorpaares gleich oder größer als 0,1 Δλ oder kleiner als Δλ ist.

Schließlich ist auch dafür gesorgt, daß das elektrische Bezugssignal von demselben Signal abgeleitet werden kann, das den Laser zur Abtastung veranlaßt. Das Kriterium für ein Bezugssignal besteht nur darin, daß es eine bekannte, zeitliche Position mit Bezug auf die Zeitposition irgendeiner bestimmten Wellenlänge der Laserabtastung haben muß. Weiter sind für eine geeignete Laserabtastung als Kriterien zu beachten, daß das Abtastintervall ausreichend oft in einer Zeitperiode auftreten muß, um die höchste Frequenz der Schwingung der zeitweiligen Lage des Ausgangssignals der Kombination eines Reflektorpaares und des Analysator-Interferometers aufzunehmen und daß die Ausgangswellenlänge des Abtastlasers eine bekannte Funktion der Zeit sein muß.

Um die Mehrdeutigkeit für die übermäßige Bewegung der Spitzen auszuschalten, ist ein zusätzlicher zweiter Analysator- Interferometer 30B, Fig. 4, vorgesehen. Fig. 4 zeigt vereinfacht ein Teilsystem, das im Austausch für das von der Linie W in Fig. 1 umschlossene Teilsystem verwendet werden kann. Der zusätzliche Analysator 30B ist entsprechend z. B. der Gleichung XII ausgebildet und liefert eine geringere Vergrößerung, falls er mit dem gleichen Ausgangssignal der Reflektorpaare benutzt wird. Entsprechend den vorausgegangenen Erläuterungen kann eine Kombination mit geringerer Verstärkung eine höhere Schwelle für die Bewegung der Übertragungsspitzen bilden, bei der die Mehrdeutigkeit zuerst auftritt. Falls Gleichung XII für die Darstellung der Verstärkung U benutzt wird, ergibt sich die Schwelle für die Spektralverschiebung mit

Eine Anordnung, die zwei Analysator-Interferometer benutzt, die in ihrer Verstärkung verschieden sind, kann entsprechend den folgenden Angaben ausgestattet sein. Das erste Interferometer 30 kann wie bei dem vorhergehenden Beispiel für das Demodulationssystem S_A=99 Übertragungsspitzen zwischen λ_1D und λ_2D haben. Das Reflektorpaar kann S_R=10 Spitzen zwischen λ_1D und λ_2D haben, und das zusätzliche Interferometer 30B kann S_A=9 Spitzen zwischen λ_1D und λ_2D haben. Falls z. B. dann die Zeitdemodulatoren 33 uind 33B analog Ausgangssignale für eine bestimmte Verschiebung ΔλS_R entsprechend dem Paar A liefern, ist das elektrische Ausgangssignal des Zeitdemodulators 33B, entsprechend dem Paar A, eine Spannung e, so daß

e₁ = KΔλ_SR U1 (XIV)

Hierin ist
K eine Konstante,
U₁ die Vestärkung, die gleich 10 ist für S_R=10 und S_A=9, und
ΔλS_R die Spektralverschiebung der Spitzen des Bereiches b der Fig. 2, entsprechend dem elektrischen Leiter A.

Das Ausgangssignal e₂ des Demodulators 33 beträgt

e₂ = KΔλ_SR U₂ (XV)
= 100 KΔλ_SR

Hierin ist 100 die Verstärkung U₂ für S_R=10 und S_A=99.

Eine solche Anordnung kann natürlich ausgebaut werden, so daß sie viele derartige Analysator-Interferometer mit verschiedenen Verstärkungen enthält, indem einfach zusätzliche Strahlteiler wie 127′ eingebaut werden, um die Ausgangssignale der Reflektorpaare unter ihnen aufzuteilen. Aus den vorstehenden Erläuterungen ergibt sich auch, daß der Analysator- Interferometer 30B mehrdeutige Signale für Spektralverschiebungen zu erzeugen beginnt, die kleiner als 0,1 Δλ sind. Der Analysator 30 erzeugt jedoch, wie beschrieben, erkennbare Ausgangssignale für Spektralverschiebungen unter 0,1 Δλ. Es kann deshalb vorgesehen werden, Analysator-Interferometer zusätzlich einzubauen, die entweder geringere oder höhere Verstärkung als die bereits im System vorhandenen Analysator-Interferometer ermöglichen.

Der Zeitdemodulator ist eine elektrische Einrichtung, die zwei Funktionen ausführt. Er erzeugt zunächst ein elektrisches Signal, das z. B. durch seine Amplitude, Frequenz oder Phase der Schwingung die Zeit kennzeichnet oder übermittelt, die zwischen der Aufnahme eines Bezugspulses und der Aufnahme eines zusätzlichen Pulses eintritt, der ANAL-Puls genannt wird und der Puls aus dem Photodetektor ist, der die elektromagnetische Strahlung vom Analysator- Fabry-Perot-Interferometer aufgenommen hat. Ferner soll er dieses elektrische Signal auf einen bestimmten Ausgangsleiter oder eine bestimmte Gruppe von Ausgangsleitern richten. Diese Funktion kann durch verschiedene, elektrische Schaltungen erfüllt werden; eine davon ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Die Schaltung der Fig. 5 weist Spannungskomparatoren U1 und U2 auf, für die z. B. das Element LM311 der Firma National Semiconductor Corp. verwendet werden kann. U4 und U5 sind Zähler, z. B. Nr. 74161 der Firma Texas Instruments, U3 ein Uhrengenerator, z. B. Nr. 74LS124 der Firma Texas Instruments. U6 ist ein Demux, z. B. Teil 74155 der Firma Texas Instruments und U7, U8 und U9 sind Sperren, z. B. Teile Nr. 74175 der Firma Texas Instruments.

Die Schaltung arbeitet wie folgt: U1 und U2, die Spannungskomparatoren, dienen dazu, den Bezugspuls und den Zusatzpuls in Standard-TTL-Spannungsniveaus zur Benutzung im Demodulator umzuwandeln. Die mit regelmäßigen Abständen auftretenden Bezugspulse dienen dazu, das Zählwerk U4 zurückzustellen,. das kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von angenähert dem 16fachen der Wiederholung des Bezugspulses zählt, der durch den Uhrengenerator U3 getrieben wird. Das sich ergebende Ausgangssignal des Zählwerkes U4 ist eine Zahl, die bei Null startet, wenn der Bezugspuls empfangen wird und aufwärts zählt, bis durch einen weiteren Bezugspuls wieder auf Null zurückgestellt wird und das Zählen neu beginnt. Dabei wird jedes Mal, wenn ein Bezugspuls empfangen wird, das Zählwerk U5 erhöht. Es ist so eingestellt, daß es selbsttätig auf Null zurückkehrt, nachdem die entsprechende Zahl von Kanälen gezählt worden ist, in diesem Fall 3. Wenn ein ANAL-Puls kommt, wird er über Demux U6 nach der entsprechenden Sperre U7, U8 oder U9 geführt. Die Ausgangszahl des Zählwerks wird in die entsprechende Kanalsperre gegeben und bildet die Zeit zwischen dem Bezugs- und dem ANAL-Puls. Der nächste ANAL-Puls veranlaßt die nächste Kanalsperre, die Zahl zu speichern, welche die Zeit zwischen diesem Bezugs- und ANAL-Puls darstellt usw. Jedesmal, wenn eine neue Zeitzählung durch die Sperre geschaltet wird, unterrichtet die nachfolgende Kante des Sperrpulses den Benutzer, daß neue Information verfügbar ist.

Claims (6)

1. Einrichtung zur Ermittlung des Spektrums einer von einem Abtastlaser (26) eingespeisten, durch den Kern einer optischen Faser (24) laufenden, und durch ein nachgeschaltetes erstes Analysator-Fabry-Perot-Interferometer (30) geleiteten, elektromagnetischen Strahlung, wobei dem ersten Analysator-Fabry- Perot-Interferometer (30) ein erster Photodetektor (31) nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verstärkung der durch Modulation hervorgerufenen Verschiebung des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung der Ausgangsstrahl des Abtastlasers (26) außerdem durch ein an der optischen Faser (24) angeordnetes Fabry-Perot-Interferometer (25), dessen Übertragungsspitzen spektral von denen des ersten Analysator-Fabry-Perot- Interferometers (30) getrennt liegen, geleitet wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen ersten Strahlteiler (127), der die übertragene elektromagnetische Strahlung des an der optischen Faser angeordneten Fabry-Perot-Interferometers (25) in wenigstens zwei Teilstrahlen aufteilt, und durch wenigstens ein zweites Analysator-Fabry- Perot-Interferometer (30B), das einen abgesonderten Teilstrahl aufnimmt und mit Bezug auf das erste vorgeschaltete, an der optischen Faser (24) angeordnete Fabry-Perot-Interferometer (25) spektral getrennte Übertragungsspitzen für eine Spektralverstärkung aufweist, die von der des ersten Analysator-Fabry-Perot- Interferometers (30) verschieden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Ausgangssignal des ersten Photodetektors (31) zusammen mit einem Bezugssignal einem Zeitdemodulator (33) zugeführt wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Strahlteiler (127) einen Teil des Abtastlaserausgangsstrahles auf ein Bezugs-Fabry-Perot-Interferometer (28) richtet, dem ein zweiter Photodetektor (29) nachgeschaltet ist, der das vom Bezugs-Fabry-Perot-Interferometer übertragene Ausgangssignal aufnimmt und daraus ein elektrisches Bezugssignal herstellt.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1-4, gekennzeichnet durch mindestens ein Paar in der Länge beschränkter Bragg-Reflektoren, die das an der optischen Faser (24) angeordnete Fabry-Perot-Interferometer (25) bilden mit der optischen Faser (24) als Hohlraum, und die aufgrund ihrer Anordnung einen Bereich von Übertragungsspitzen aufweisen, die spektral innerhalb des Abtastlaser-Abtastbereiches liegen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Paare (25A, 25B) von in der Länge beschränkten Bragg-Reflektoren in Längsrichtung der optischen Faser (24) an verschiedenen Orten angeordnet sind und jeweils einen Bereich von Übertragungsspitzen aufweisen, der spektral außerhalb entsprechender Bereiche aller anderen Bragg-Reflektorpaare und innerhalb des Laserabtastbereichs liegt.