DE69034102T2 - Anordnung einer optischen Faser mit variablem Braggfilter - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft in eine optische Faser eingebettete Bragggitter, insbesondere betrifft sie Anordnungen zum gesteuerten Modifizieren der Wirkungsweise derartiger Gitter auf Licht, welches sich durch den Kern der optischen Faser ausbreitet.
  • Technischer Hintergrund
  • Es sind bereits verschiedene Ausgestaltungen optischer Filter bekannt, darunter sogenannte Braggfilter. Ein Typ eines Braggfilters, der zum Erfassen von Spannungs- und/oder Temperaturänderungen in Strukturen entwickelt wurde, ist mit Hilfe eines Verfahrens, wie es z. B. in der US-A 4 807 950 der Anmelderin offenbart ist, in den Kern einer optischen Faser eingebettet. Wie in diesem Patent diskutiert ist, können permanente periodische Gitter dieser Art in den Kern einer optischen Faser dadurch eingebracht oder eingeprägt werden, daß man den Kern durch den Mantel hindurch einem Interferenzmuster aus zwei kohärenten Ultraviolettlicht-Strahlbündeln exponiert, die symmetrisch zu einer rechtwinklig zur Faserachse verlaufenden Ebene gegen die optische Faser gerichtet werden. Dies führt zu einer Situation, in der das Material des Faserkerns permanent periodische Änderungen in seinem Brechungsindex eingeprägt erhält durch die Wirkung der auf dem Kern interferierenden Ultraviolettlicht-Strahlen, wobei die individuellen Gitterelemente (das sind die sich periodisch wiederholenden Zonen des Kern, die das gleiche Brechungsindexverhalten aufweisen) rechtwinklig zu der Faserachse orientiert sind, um das Bragggitter zu bilden. Das eingebettete Bragggitter dieser Art reflektiert von dem in den Faserkern zur darin erfolgenden geführten Ausbreitung in einer Ausbreitungsrichtung eingeleitetem Licht nur dasjenige Licht, welches eine Wellenlänge innerhalb eines sehr schmalen Bereichs um eine Mittenwellenlänge herum auf weist, die von der Periodizität des Gitterelements abhängt, wobei die Reflektion zurück entlang der Faserachse entgegen der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung erfolgt, während das Gitter für Licht mit Wellenlängen außerhalb des genannten schmalen Bandes transparent ist, so daß hierdurch die weitere Ausbreitung dieses anderen Lichts nicht abträglich beeinflusst wird. Tatsächlich erzeugt diese Art von Gitter eine schmale Kerbe im Durchlaßspektrum, und durch die gleiche Maßnahme eine ähnlich schmale Spitze im Reflexionsspektrum. Bei den Anwendungen, für die diese Art von Braggfilter entwickelt wurde, werden jegliche Spannungs- oder Temperaturänderungen, die an der Stelle der Struktur angetroffen werden, an der das Braggfilter eingebettet ist, das Gitter abträglich beeinflussen und dessen Periodizität ändern, oder werden dem Brechungsindex des Materials des Kerns oder beide Eigenschaften ändern, demzufolge die Lage der Mittenwellenlänge in dem Spektrum verschoben wird, was einen Hinweis auf Spannungs- oder Temperaturänderungen liefert, die in der überwachten Struktur an der Stelle des Gitter vorhanden sind oder stattfinden.
  • Aus "Optical Fibres Topical Meeting, 1988, Technical Digest Series, New Orleans, Louisiana, 27.–29. Januar 1988, Band 2, Teil 1, Optical Society of America (Washington, DC, US) G. Meltz et al.: "In-Fiber Bragg-Grating sensors", Seiten 163–166, ist es bekannt, permanente faserinterne Bragggitter als wellenlängenselektive Temperatur- oder Zugspannungssensoren zu verwenden, da ein Bragggitter wie ein äußerst schmalbandiges Reflexionsfilter wirkt, dessen Linienmitte sich mit aufgebrachter Temperatur oder Spannung verschiebt. Nicht offenbart ist, wie die zu erfassende Temperatur oder Spannung auf das Bragggitter aufgebracht wird.
  • So vorteilhaft diese Bragggitter für die oben angesprochenen Anwendungen auch sind, es gibt andere Bereiche, die Nutzen aus dem Einsatz derartiger Gitter ziehen könnten, insbesondere aus der Wellenlängenselektivität oder dem schmalbandigen Ansprechverhalten des Gitters, wofür allerdings diese Gitter in der in dem vorgenannten Patent vorgeschlagenen Form nicht geeignet sind.
  • Solche anderen Bereiche umfassen z. B. Anwendungen, bei denen es erforderlich ist, ein Bragggitter-Sperrband auf eine gewünschte Frequenz abzustimmen (durch entsprechende Verschiebung der Mittenwellenlänge), oder das Ansprechverhalten des Gitter auf der gewünschten Frequenz zu halten oder ein Frequenzband zu wobbeln, wie es z. B. auf dem Gebiet der Lichtleitfaser-Kommunikation, auf dem Gebiet der optischen Laserfrequenzsteuerung und dergleichen der Fall ist.
  • Aus der US-A 3 916 182 und aus der EP-A 0 221 560 ist es bekannt, Zwischen-Bragggitter als Filter einzusetzen, deren Filterkennwerte sich abstimmen oder modulieren lassen, indem man das vorübergehend in einem Fasermaterial erzeugte Gittermuster variiert. Das Fasermaterial ist in der Lage, nur vorübergehend ein Gittermuster zu halten, solange es einer Strahlung ausgesetzt ist, die zu einer Änderung des Brechungsindex des Fasermaterials führt.
  • Das Abstimmen oder Modulieren von Filterkennwerten erfolgt dadurch, daß der Zustand der Exponierung des Fasermaterial mit der das Gitter hervorrufenden Strahlung variiert. (Zeitliche) Zwischen-Gitter stellen enge Beschränkungen bezüglich geeigneter Faserwerkstoffe dar und erfordern eine relativ komplexe und kostspielige Expositionsvorrichtung für jedes Gitterfilter.
  • Folglich ist es ein allgemeines Ziel der Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
  • Insbesondere ist es ein Ziel der Erfindung, eine Braggfilteranordnung zu schaffen, die nicht die Nachteile der bekannten Anordnung dieser Art aufweist.
  • Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Filteranordnung der hier betrachteten Art so zu entwickeln, daß sie in der Lage ist, die optische Wellenlänge oder das Wellenlängenband zu steuern, auf das das Braggfilter anspricht, ohne daß die Einschränkungen und Aufwendung notwendig sind, die Zwischengittern anhaften.
  • Ein noch weiteres Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung des obigen Typs zu entwickeln, die in der Lage ist, bei relativ hohen Ansprechgeschwindigkeiten auf externe Signale zu arbeiten.
  • Ein damit einhergehendes Ziel der Erfindung ist die Ausgestaltung der Anordnung der obigen Art in der Weise, daß sie einen relativ einfachen Aufbau hat, in der Fertigung billig ist, einfach zu verwenden ist und dennoch zuverlässig im Betrieb ist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Im Hinblick auf diese Ziele sowie weitere Ziele, die sich im Folgenden ergeben, schafft die vorliegende Erfindung eine veränderliche Lichtfilteranordnung gemäß Anspruch 1. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Bei einer veränderlichen Lichtfilteranordnung gemäß der Erfindung wird die Periodizität und/oder Brechungsindexschwankungen einer permanenten Gitterzone gesteuert modifiziert, um vorübergehend die Mittenwellenlänge innerhalb eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs zu ändern.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden detaillierter unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht eines Lichtleiterfaserabschnitts mit einem Bragggitter in dessen Kern und ausgestattet mit einer Wellenlängen-Modifi ziereinrichtung, die eine äußere Schicht enthält, welche auf akustische Feldänderungen anspricht, die auf dem Faserabschnitt stattfinden; und
  • 2 eine Seitenansicht einer Anordnung mit dem Gitter aus 1, jedoch unter Einsatz eines Akustikwellen-Applikators als modifizierende Einrichtung.
  • Bester Weg zum Ausführen der Erfindung
  • Nunmehr auf die Zeichnungen im Einzelnen eingehend, erkennt man, daß gleiche Bezugsziffern, ggf. mit beigefügten Buchstaben für die Kennzeichnung entsprechender Teile verwendet sind. Zunächst auf 1 bezugnehmend, die eine Grundlage für die folgende allgemeine Erläuterung ist, erkennt man, daß das Bezugszeichen 10 hier dazu verwendet wurde, eine variable optische Filteranordnung gemäß der Erfindung in ihrer Gesamtheit zu bezeichnen. Die Anordnung 10 enthält einen optischen Faserabschnitt 11, in den ein Bragg- (oder periodisches) Gitter 12 eingebettet ist, das vorteilhafter Weise von dem Typ sein kann, welches nach dem Verfahren gemäß der US-A 4 807 950 hergestellt wird, deren Offenbarung hier durch Bezugnahme in dem Umfang inkorporiert ist, wie es notwendig ist, um eine zusätzliche Erläuterung der Art von Bragggitter 12 zu erhalten, die sich besonders gut für die Verwendung in einer veränderlichen optischen oder Lichtfilteranordnung 10 eignet. Wie in dem vorgenannten Patent ausführlicher dargelegt ist, wirken Gitter 12 dieses Typs als wellenlängenselektive Filter. Ein eingebettetes Gitter 12 mit spezifischer Periodizität wird teilweise oder vollständig eine spezielle Wellenlänge eines von dem Faserabschnitt 11 geführten optischen Signals reflektieren oder deren Durchlaß sperren.
  • Allgemein wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die reflektierte oder gesperrte Wellenlänge zu ändern oder zu verschieben, indem der wirksame Abstand der Gitterelemente oder der Brechungsindex dadurch geändert wird, daß von außen Kräfte oder Einwirkungen in einem Ausmaß auf den Faserabschnitt 12 aufgebracht werden, der in Beziehung steht zu der Intensität der äußeren Kraft oder Einwirkung. Als Folge kann eine externe Kraft oder Einwirkung dazu dienen, die Wellenlänge des Bragggitter-Filters abzustimmen oder einzustellen. Indem man die Intensität der äußeren Einwirkung steigert, läßt sich die Wellenlänge des Filters 12 wobbeln. Außerdem läßt sich durch Aufbringen einer periodischen Einwirkung die Wellenlänge des Filters 12 modulieren. Äußere Einwirkungen, die in der Lage sind, den effektiven Abstand oder die Resonanzstellen des Braggfilters 12 ändern, sind mechanische Spannung durch akustische oder Ultraschall-Wechselwirkung. Der Faserabschnitt 11 kann auch mit verschiedenen Werkstoffen überzogen werden, welche die Wechselwirkung zwischen der aufgebrachten Einwirkung oder Kraft einerseits und dem Braggfilter 12 andererseits verstärken und damit Einfluß haben auf die Wellenlängenabstimmung, -wobbelung oder -modulation. Außerdem kann durch Anlegen einer Wanderwelle an den Faserabschnitt 11, der das Filter 12 enthält, eine Frequenzverschiebung bei dem optischen Signal erreicht werden, welches von dem Faserabschnitt 11 geführt wird.
  • Eine Möglichkeit, auf mechanischem Weg den Faserabschnitt 11 zur Wellenlängen-Abstimmung des Gitters 12 zu beeinflussen, ist die Verwendung spezieller Beschichtungen auf dem Faserabschnitt 11 in der Zone des Braggfilters 12, wie in 1 der Zeichnung dargestellt ist. Die Beschichtung 15d ist empfindlich für modulierende akustische Felder. Für den Fall, daß die Beschichtung 15d als für elektrische Felder empfindliche Beschichtung für die Modulation des Braggfilters empfindlich ist, könnte dies wirksam sein bei Frequenzen von einigen Mhz unter Verwendung von akustischen Standardwellen, die in der Phase durch die Wirkung des elektrischen Feldes an der Beschichtung 15d erzeugt werden. 2 zeigt, wie eine Wanderwellenmodulation des von der Faser 16 geführten optischen Signals dadurch erreicht werden kann, daß akustische Biegewellen entlang dem das Braggfilter enthaltenden Faserabschnitt geleitet werden. Solche akustischen Biegewellen resultieren aus dem Aufbringen akustischer Wellen auf den Faserabschnitt 12, wobei die Wellen von einem von ei ner elektrischen Quelle 12 angesteuerten piezoelektrischen Treiber 15c erzeugt und von einem akustischen Horn 18 auf den Faserabschnitt 11 konzentriert werden, der in diesem Fall zwischen zwei Schwingungsdämpfern 19 und 20 angeordnet ist. Diese akustische Einwirkung verschiebt die Frequenz des optischen Signals unter Erzeugung von Seitenbändern. 1 veranschaulicht den Frequenzschieber. Die so erzeugte Biegewelle wandert entlang dem Faserabschnitt 11 in Richtung des optischen Signals und durch das Braggfilter 12. Ein Modulieren des Filters 12 durch die Biegewelle moduliert auch das optische Signal. Für eine mit dem optischen Signal wandernde Biegewelle wird die Frequenz des optischen Signals erhöht um die Frequenz der Biegewelle.
  • Ein weiteres Merkmal der Wellenlängenabstimmung besteht darin, daß eine sich räumlich ändernde oder Gradientenkraft oder -einwirkung entlang dem Faserabschnitt 11 auf der Stelle des eingebetteten Gitters 12 aufgebracht wird.
  • Diese Einwirkung ruft eine veränderliche Gitterbeabstandung oder ein "gezirptes" Gitter 12 hervor. Der variable Abstand verbreitet die Bandbreite der Bragg-Reflexion. Damit läßt sich die Mittenwellenlänge der Bragg-Reflexion in der oben beschriebenen Weise justieren durch eine konstante Einwirkung entlang des Faserabschnitts 11, und/oder die Bandbreite der Bragg-Reflexion läßt sich variieren durch Einsatz einer variierenden Einwirkung oder Komponente entlang des Faserabschnitts 11.
  • Erfindungsgemäß kommt weiter die Verwendung von mindestens einigen der oben diskutierten Verfahren in Verbindung mit Gittern des Typs in Betracht, die Licht einer gegebenen axialen Wellenlänge zwischen einem ersten Weg, der sich in Längsrichtung des Faserkerns erstreckt, und einem zweiten Weg, der sich durch den Fasermantel zur Außenumgebung des Fasers hin erstreckt, umlenkt. In diesem Fall wären Änderungen der Periodizität und/oder des Brechungsindex', verursacht durch das Aufbringen von Längsspannungen auf das Gitter gemäß der Erfindung, daß sich die Mittenwellenlänge des Lichts ändert, welches von dem Gitter aus dem ersten Weg in dem zweiten Weg, oder umgekehrt, umgelenkt wird.
  • Es versteht sich, daß sämtliche hier auf eine Filteranordnung mit einem Braggfilter vorgenommenen Bezugnahmen sich nicht nur auf ein einzelnes eingebettetes Gitterfilter 12 beziehen, sondern durch Erweiterung auf ein komplexeres Mehrfachgitter-Filter.
  • Während die vorliegende Erfindung hier anhand von Ausführungsformen speziellen Aufbaus für optische Filteranordnungen dargestellt und beschrieben wurde, versteht sich, daß die Erfindung nicht auf diese speziellen Beispiele beschränkt ist, vielmehr wird der Schutzumfang der Erfindung ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt.

Claims (6)

  1. Variable Lichtfilteranordnung, umfassend: a) mindestens einen optischen Faserabschnitt (11) mit einem Wellenleiterkern (13); b) mindestens eine permanente Bragggitter-Zone (12) innerhalb des optischen Faserabschnitts (11), gebildet durch periodische Brechungsindexschwankungen mit einer vorbestimmten Anfangsperiodizität und ausgebildet zum kumulativen Umlenken des in den Kern (13) zwecks geführter Ausbreitung in dem Kern eingeleiteten Lichts, welches eine axiale Wellenlänge innerhalb eines schmalen Bandes um eine Mittenwelle herum aufweist, die sich bestimmt durch die Periodizität und die Brechungsindexschwankungen der Gitterzone (12); und c) Wellenlängenabstimm, -abtast- oder -modulationsmittel (einschließlich 15d; 15e) zum gesteuerten Modifizieren der Periodizität und/oder des Brechungsindex' der Gitterzone (12); d) wobei die Modifikationsmittel (einschließlich 15d; 15e) Mittel zum mechanischen Beeinflussen des optischen Faserabschnitts (11) mit akustischen Feldern und damit einhergehenden Änderungen in der Mittenwellenlänge enthalten.
  2. Filteranordnung nach Anspruch 1, bei der der optische Faserabschnitt (11) einen den Kern (13) umgebenden Mantel (14) aufweist, der zumindest im wesentlichen koextensiv bezüglich der Gitterzone (12) ist; und wobei die Modifikationsmittel (15d) eine Materialschicht enthalten, welche den Mantel (14) umgibt und dessen Abmessungen ansprechend auf Änderungen eines daran angelegten akustischen Feldes ändert, und eine Einrichtung aufweist, um das an die Schicht angelegte akustische Feld zu variieren.
  3. Filteranordnung nach Anspruch 1, bei der die modifizierenden Mittel (15e) eine Einrichtung enthalten, um akustische Biegewellen entlang dem optischen Faserabschnitt (11) durchzulassen, womit eine Verschiebung der Frequenz der Mittenwellenlänge einhergeht.
  4. Filteranordnung nach Anspruch 3, bei der die Einrichtung zum Durchlassen akustischer Biegewellen einen piezoelektrischen Treiber (15e) enthalten, der durch eine elektrische Quelle (17) angetrieben wird.
  5. Filteranordnung nach Anspruch 4, bei der die Einrichtung zum Durchlassen akustischer Biegewellen ein akustisches Horn (18) aufweisen, welches die von dem piezoelektrischen Treiber erzeugten akustischen Wellen auf den optischen Faserabschnitt (11) konzentriert.
  6. Filteranordnung nach Anspruch 5, bei der das akustische Horn (18) zwischen zwei Schwingungsdämpfern (19, 20) gelagert ist.
DE69034102T 1989-12-26 1990-12-21 Anordnung einer optischen Faser mit variablem Braggfilter Expired - Lifetime DE69034102T2 (de)

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