DE3205798A1

DE3205798A1 - Faseroptischer phasenmodulator

Info

Publication number: DE3205798A1
Application number: DE19823205798
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr Böhm; Klaus Dr.-Ing. 7900 Ulm Petermann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1982-02-18
Filing date: 1982-02-18
Publication date: 1983-08-25
Also published as: DE3205798C2

Description

Beschreibung
"Faseroptischer Phasenmodulator" Die Erfindung betrifft einen faseroptischen Phasenmodulator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem Artikel von D.E.N. Davis und S.A. Kingsley "Method of phase-modulating signals in optical fibers; application to optical telemetry systems", Electronics Letters, Vol. 10 (1974), Seite 21 ist ein derartiger Phasenmodulator bekannt, bei dem, gemäß FIG. 1, eine Lichtleitfaser 2 auf einen rohrförmigen piezokeramischen Körper 1 gewickelt ist. Der Körper 1 besitzt auf seiner Innen- und Außenfläche Kontakte 3, 4, an die ein elektrisches Signal anlegbar ist.
Die dadurch erzeugten radialen mechanischen Schwingungen übertragen sich auf die aufgewickelte Lichtleitfaser, wodurch die optische Phase der in der Lichtleitfaser geführten optischen Welle moduliert wird.
Durch die radialen mechanischen Schwingungen wird bei dem Körper 1 dessen Außendurchmesser D einer Schwingung unterworfen, wodurch die Lichtleitfaser nach Maßgabe des elektrischen Signals gedehnt wird, was schließlich zur erwünschten Phasenmodulation führt. Bei diesem bekannten Phasenmodulator führt eine änderung des Außendurchmessers D zu einer Längenänderung der aufgewickelten Lichtleitfaser 2 sowie zu einer änderung der optischen Doppelbrechung der Lichtleitfaser 2, so daß bei vorgegebenem Eingangspolarisationszustansl des Lichts nicht nur dessen optische Phase, sondern auch dessen Ausgangspolarisationszustand moduliert wird. Diese zusätzliche sogenannte Polarisationsmodulation ist für viele Anwendungen, z.B. in einem Lichtleitfaserringinterferometer, störend, da dann fehlerhafte Signale entstehen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen faseroptischen Phasenmodulator anzugeben, bei dem die Polarisationsmodulation weitestgehend vermieden wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert.
Die Erfindung beruht auf einer speziellen Wickeltechnik der Lichtleitfaser 2.
Eine erfindungsgemäße Lösung besteht darin, die Lichtleitfaser verdrillt auf den Körper 1 aufzuwickeln. In diesem Fell wird in der Lichtleitfaser 2 eine optische Doppelbrechung mit zirkularen Eigenzuständen des Polarisationszustandes erzeugt. Wird nun dieser eingeprägten zirkularen Doppelbrechung aufgrund der radialen mechanischen Schwingung des Körpers 1 eine veränderliche lineare Doppelbrechung überlagert, so führt diese solange nicht zu einer unerwünschten Polarisationsmodulation, solange die-veränderliche Doppelbrechung kleiner ist als die eingeprägte Doppelbrechung. Eine genügend große eingeprägte Doppelbrechung wird beispielsweise erreicht durch eine um die Langsachse verdrillte (tordierte) Lichtleitfaser 2. Bei einer optischen Glasfaser ist dafür eine Verdrehrate von mindestens zwanzig Drehungen/Meter Faserlänge nötig. Größere Verdrillwerte führen dabei zu geringen Polarisationsmodulationswerten.
Die benötigte Verdrillrate hängt davon ab, wie groß die eingeprägte Doppelbrechung aufgrund der Krümmung der aui den Körper 1 gewickelten Lichtleitfaser 2 ist. Die zirkulare eingeprägte Doppelbrechung aufgrund der Verdrillung ist für eine wirksame Unterdrückung der unerwünschten Polarisationsmodulation größer als die durch die Krümmung hervorgerufene lineare Doppelbrechung. Die Doppelbrechung aufgrund der Krümmung ist proportional zu(d/D)2,wobei d den Außendurchmesser a-es Mantels der Lichtleitfaser 2 bezeichnet und D den Außendurchmesser des Körpers 1.
Um eine genügend große zirkulare eingeprägte Doppelbrechung zu erzeugen, wird bei optischen Quarzglasfasern die Verdrillrate größer gewählt als ungefähr 106(d/D)2Drehungen/ Meter Faserlänge.
Für eine sehr wirksame Unterdrückung der störenden Polarisationsmodulation wird die Verdrillrate groß gewählt oder/ und es wird eine geringe lineare Doppelbrechung aufgrund der Xrummurlg verwendet, wozu entweder der Außendurchmesser D des Körpers 1 groß oder der Außendurchmesser d des Mantels der Lichtleitfaser klein gewählt wird. Bei gegebenem Körper 1 und damit gegebenem Außendurchmesser D wird der Außendurchmesser d des Mantels vorteilhafterweise möglichst klein gewählt, z.B. d < 100,um. Die untere Grenze für den Außendurchmesser d des Mantels wird lediglich durch die Handhabbarkeit, z.B. Festigkeit, der Lichtleitfaser eingeschränkt.
Es ist zweckmäßig, die Lichtleitfaser auch dann zu verdrillen, wenn die Lichtleitfaser eine starke lineare Doppelbrechung aufweist. Beim verdrillten Aufwickeln einer derartigen Lichtleitfaser ändert sich die Orientierung der beiden Eigenpolarisationszustände bezüglich der Symmetrieachse des Körpers 1, so daß die Orientierung der aufgrund der mechanischen Schwingungen des Körpers 1 entstehenden Doppelbrechung mit der eingeprägten Doppelbrechung der Lichtleitfaser 2 weitgehend unkorreliert ist und sich damit die störende Polarisationsmodulation ebenfalls weitgehend vermeiden läßt.
Eine andere Möglichkeit, die störende Polarisationsmodulation zu vermeiden, besteht darin, die Lichtleitfaser 2 in mindestens zwei Wickelabschnitten auf den Körper 1 zu wikkeln. Es liegt dieser Möglichkeit der Gedanke zugrunde, die Polarisationsmodulation, die in einem Wickel abschnitt entsteht, durch die Polarisationsmodulation in einem zweiten Wickelabachnitt wieder rückgängig zu machen.
Gemäß FIG. 2 wird zwischen den Wickelabschnitten A, B äeweils mindestens ein pdlarisationsänderndes Bauelement 5 angeordnet, das den Polarisationszustand des in der Faser geführten Lichts (Richtung der Pfeile in FIG. 2) derart ändert, daß sich die störende Polarisationsmodulation in den Wickelabschnitten A, B im wesentlichen kompensiert. Wenn beispielsweise die Lichtleitfaser 2 linear doppelbrechend ist, mit den optischen Haupt-Zustnnden a, b, ist es zweckmäßig, in dem Bauelement 5 eine derartige Polarisationskopplung vorzusehen, daß beispielsweise das im Wickelabachnitt A sich im Zustand a bzw. b ausbreitende Licht in dem Wickelabschnitt B mit dem Zustand b bzw. a gekoppelt wird. Auf diese Weise läuft das Licht beim Durchgang durch die gesamte Lichtleitfaser zu gleichen Teilen im Zustand a und im Zustand b, so daß sich eine eventuell unterschiedliche Phasenmodulation in den Zuständen a, b zu keiner Polarisationsmodulation am Ausgang der Lichtleitfaser führt.
Die gewünschte Überkopplung des Lichts von den Zuständen a bzw. b in die Zustände b bzw. a wird beispielsweise dadurch erreicht, daß die Lichtleitfaser 2 im Bauelement 5 zunächst aufgetrennt und sodann um ungefähr 900 verdreht wieder zusammengesetzt wird, z .B.
durch einen entsprechenden Spleiß. Dabei bleibt die Richtung der Längsachse der Lichtleitfaser 2 im wesentlichen erhalten. Eine solche tberkopplung läßt sich auch durch eine geeignete Verdrillung der Lichtleitfaser erreichen, wie dieses z.B. in der Schrift Polarization mode dispersion in single-mode fibers, Cpt. Lett. 3 (1978), Seiten 60 bis 62, von S.C. Rashleigh und R. Ulrich beschrieben wird.
In einem beispielhaften erfindungsgemäßen Phasenmodulator wird ein piezokeramischer Zylinder gemäß FIG. 2 verwendet, der einen Außendurchmesser D von 25,4 mm besitzt.
Der Zylinder besitzt eine Länge L von ungefähr 12 mm, so daß sich dann eine Resonanz bei ungefähr 125 kllz aus- bildet. Eine einwellige Lichtleitfaser 2 mit einem Durchmesser d von ungefähr 100 Xm bis 125 Xm, die mit einer dünnen Sunstoffbeschichtung von ungefähr 50,um Dicke umhüllt ist, wird dann verdrillt mit ungefähr 40 Drehungen/m und mit 5 bis 10 Windungen auf den piezokeramischen Körper aufgewickelt.
Ein weiteres nicht dargestelltes Ausführungsbeispiel besteht darin, in der Außenfläche des Körpers 1 eine diesen schraubenförmig umlaufende, im wesentlichen V-förmige Nut anzubringen, deren seitliche Begrenzungsflächen (Flanken) vorzugsweise einen Winkel von 900 (Altgrad) bilden. In eine derartige Nut wird dann mindestens eine Lichtleitfaser unter Anwendung einer mechanischen Zugspannung (in Richtung der Längsachse der Lichtleitfaser) eingelegt und befestigt, z.B. geklebt.
Ein derartiger optischer Phasenmodulator ist als hydrostatischer Drucksensor anwendbar. Dazu ist es lediglich notwendig, bei einem Phasenmodulator gemäß FIG. 2 zwischen der Innen- und der Außenfläche des Körpers eine Druckdifferenz zu erzeugen und zusätzlich einen Druck, z.B. den Außendruck zeitlich im wesentlichen unveränderlich zu halten. In diesem Falle führen dann zeitliche Änderungen des Innendruckes zu einer optischen Phasenmodulation, die ein Maß für die zu messende Druckänderung ist. Leerseite

Claims

Patentansprüche Faseroptischer Phasenmodulator, bestehend aus einem elektrisch anregbarem, radial schwingendem kreiszylinderförmigen Körper (1), auf dessen äußerer Mantelfläche eine Lichtleitfaser aufgewickelt ist, dadurch gekenazeichnet, daß die Lichtleitfaser (2) zumindest ein Bestandteil einer faseroptischen Kompensationswicklung ist, die in der Lichtleitfaser eine störende Polarisationsmodulation des Lichts vermeidet.

2. Phasenmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung aus mindestens einer um ihre Längsachse verdrillten Lichtleitfaser besteht derart, daß die durch die Verdrillung bewirkte Polarisationsänderung des Lichts wesentlich größer ist als die durch Radialschwingungen des Körpers (1) erzeugte Polarisationsänderung.

5. Phasenmodulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die verdrillte Lichtleitfaser eine Verdrehrate besitzt, die größer ist als 106 (d/D)2 Drehungen/Meter, dabei bezeichnet d den Außendurchmesser des Mantels der Lichtleitfaser und D den Außendurchmesser des Körpers (1).

4. Phasenmodulator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser d des Mantels der Lichtleitfaser kleiner ist als 120 pm 5. Phasenmodulator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser als einwe-llige Lichtleitfaser ausgebildet ist.

6. Phasenmodulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser eine optische Doppelbrechung besitzt, die einer optischen Schwebungswellenlänge von weniger als 5 cm entspricht.

7. Phasenmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung aus mindestens einer die Aussenfläche des Körpers (1) schraubenförmig umlaufenden Nut besteht, die einen im wesentlichen V-förmigen Querschnitt besitzt, dessen Begrenzungsflächen einen Winkel von ungefähr 90° bilden, und in die mindestens eine Lichtleitfaser unter Aufrechterhaltung einer Zugspannung eingebracht ist.

8. Phasenmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung aus mindestens zwei Wlckelabachnitten besteht, die optisch durch mindestens ein polarisationsänderndes Bauelement (5) aneinandergekoppelt sind.

9. Phasenmodulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (5) mindestens einen optischen Spleiß enthält, der eine im wesentliche sprunghafte Verdrehung der zu koppelnden Wickelabschnitte bewirkt.

10. Phasenmodulator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehung einen Winkel von im wesentlichen 90° besitzt.

11. Phasenmodulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (5) mindestens eine verdrillte optische Faser enthält, deren Verdrillung aus mindestens zwanzig Drehungen pro Meter besteht.

12. Phasenmodulator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Innen- und Außenfläche des Körpers eine Druckdifferenz vorhanden ist und daß Änderungen der Druckdifferenz als optische Phasenmodulation auswertbar sind.