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
λcM ≈ 2nd M (III)
Darin ist
λcM 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 ΔλcM 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 λL 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
λL 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 TR≈(n)(Z) zwischen den Reflektoren,
z. B. des Reflektorpaares B, ist so gewählt, daß für einen
bestimmten Wellenlängenbereich zwischen λ1D und λ2D das
Reflektorpaar B SR-Übertragungsspitzen erzeugt. Dies tritt
ein bei
Für denselben Wellenlängenbereich zwischen λ1D und λ2D
erzeugt das Analysator-Interferometer 30 SA-Übertragungsspitzen,
falls
Hierbei ist TA 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 ΔλSR
innerhalb des Bereiches b. Durch Einstellung der Relativwerte
von SA und SR unter Benutzung der Gleichungen IX
und X wird tatsächlich diese Spektralverschiebung ΔλSR
verstärkt, indem veranlaßt wird, daß die resultierende
kombinierte Spektralverschiebung ΔλSA der Übertragung des
Paares B und das Analysator-Interferometers 30 den folgenden
Wert erhält:
ΔλSA ≈ UΔλSR (XI)
Hierin ist U die Verstärkung und beträgt z. B.
für
SA=(f)(SR)±1 und
SA und SR<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 SR=10 gesetzt wird. Auch soll der Einfachheit
halber angenommen werden, daß das Intervall zwischen
λ1D und λ2D 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 SR=10, dann SA=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 SA=99 Übertragungsspitzen zwischen
λ1D und λ2D haben. Das Reflektorpaar kann SR=10 Spitzen
zwischen λ1D und λ2D haben, und das zusätzliche Interferometer
30B kann SA=9 Spitzen zwischen λ1D und λ2D haben.
Falls z. B. dann die Zeitdemodulatoren 33 uind 33B analog
Ausgangssignale für eine bestimmte Verschiebung ΔλSR entsprechend
dem Paar A liefern, ist das elektrische Ausgangssignal
des Zeitdemodulators 33B, entsprechend dem Paar A,
eine Spannung e, so daß
e₁ = KΔλSR U1 (XIV)
Hierin ist
K eine Konstante,
U₁ die Vestärkung, die gleich 10 ist
für SR=10 und SA=9, und
ΔλSR die Spektralverschiebung der Spitzen des
Bereiches b der Fig. 2, entsprechend dem
elektrischen Leiter A.
Das Ausgangssignal e₂ des Demodulators 33 beträgt
e₂ = KΔλSR U₂ (XV)
= 100 KΔλSR
Hierin ist 100 die Verstärkung U₂ für SR=10 und SA=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.