DE3143824C2

DE3143824C2 -

Info

Publication number: DE3143824C2
Application number: DE19813143824
Authority: DE
Inventors: Donald C. Kensington Md. Us Schmadel; William H. Washington Wash. Us Culver; Gordon Great Falls Va. Us Gould
Original assignee: Chevron Research Co
Current assignee: Chevron USA Inc
Priority date: 1981-04-14
Filing date: 1981-11-02
Publication date: 1990-11-29
Also published as: DE3143824A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Phasenmodulation elektromagnetischer Strahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Einrichtung ist aus der GB 14 88 253 bekannt.

Es ist bekannt, Licht in einer optischen Faser in der Phase oder der Frequenz durch Anwendung eines akustisch-optischen Effekts zu modulieren, indem das Signal, das dem in der Faser laufenden Licht aufgeprägt wird, benutzt wird, um mechanisch oder akustisch die Faser zu erregen. Diese mechanische oder akustische Erregung veranlaßt eine Änderung im Brechungsindex des Faserkernes. Daraus ergibt sich eine Änderung in der optischen Weglänge für das in der Faser laufende Licht. Dieses Licht wird demnach durch das Signal in Phase und Frequenz moduliert. Für Glasfasern ist die Änderung im Brechungsindex bei vorgegebener Energie der mechanischen oder akustischen Erregung sehr gering. Um eine ausreichende Modulation zu erzielen, ist entweder eine hohe Signalenergie oder eine große Wechselwirkungslänge erforderlich, wobei die Wechselwirkungslänge die Länge der Faser ist, die für das Eintreten der Modulation akustisch erregt werden muß.

In dem Artikel von S. K. Sheem und J. H. Cole, "Acoustic Sensitivity of Single-Mode Optical Power Dividers", Optics Letters, Band 4, Nr. 10, Oktober 1979, S. 322-324, wird angegeben, daß durch Ätzung die Lichtleitungsfähigkeit einer Einzelmodusfaser verringert wird, eine an sich unerwünschte Folge, wenn eine optische Faser zur Leitung von Licht benutzt wird, dem ein Signal aufgeprägt werden soll.

Aus der bereits genannten GB 14 88 253 ist eine Einrichtung zur Phasenmodulation elektromagnetischer Strahlung bekannt, die durch den Kern einer aus Kern und Mantel bestehenden Einzelmodus-Lichtleitfaser läuft. Die Lichtleitfaser ist einer mechanischen Erregung ausgesetzt, durch die die Länge der Lichtleitfaser geändert wird. Insbesondere ist die Lichtleitfaser um einen Zylinder gewickelt, dessen Ausdehnung durch die ein angelegtes Signal änderbar ist. Hierdurch ist ein Datenübertragungssystem realisierbar. Die Empfindlichkeit der Modulation ist relativ gering.

Aus Optics Letters, Januar 1979, Vol. 4, No. 1, S. 29-31, ist es bekannt, die Kopplung zweier Einzelmodus-Fasern zur Signalübertragung von einer Faser zur anderen dadurch zu bewirken, daß die mit einem Mantel versehenen Faserenden verdrillt, gemeinsam mit HF/NH₄F geätzt und anschließend mit einem Öl geeigneten Brechungsindexes umgeben werden. Es ist nichts darüber entnehmbar, wie eine mechanische Erregung die Signalübertragung beeinflussen könnte.

Aus Applied Optics, 15. Januar 1980, Vol. 19, No. 2, S. 185-186, ist es bekannt, zur Erfassung akustischer Signale die optische Weglänge eines Laserstrahls zu modulieren, indem eine optische Faser aus Silikongummi einer mechanischen Druckerregung unterworfen wird.

Aus Applied Optics, Vol. 18, No., 01. November 1979, S. 3679-3683 ist ein faseroptischer Sensor bekanntgeworden, in dem eine optische Faser mit elastischem Material ummantelt ist, dessen Elastizitätsmodul kleiner als der der Faser ist. Die Empfindlichkeit des Sensors wird gegenüber nicht ummantelten Fasern um den Faktor 10 bis 100 verbessert.

Aus der DE-OS 29 12 563 ist ein Verfahren zur selektiven Ätzung von aus Kern- und Mantelglas bestehenden Lichtleitfasern bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Phasenmodulation elektromagnetischer Strahlung anzugeben, die eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Längenänderungen aufweist, die aber gleichwohl auf einfache Weise herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die bei der Erfindung verwendete optische Faser kann in Verbindung mit einem optischen Demodulationssystem benutzt werden, um das Ausgangssignal eines akustischen Sensors in ein einfacher zu handhabendes, elektronisches Signal umzusetzen. Hierbei verursacht die aufzunehmende oder zu erfassende Signalenergie eine Längenänderung der geätzten Lichtleitfaser.

Die verwendete Faser ist eine Faser mit einem Mantel aus Glas, deren Manteldicke durch Ätzung um eine bestimmte Größe verringert ist. Dabei wird der Teil des Glasmantels, der entfernt worden ist, durch ein Material, vorzugsweise Kunststoff, ersetzt, dessen Brechungsindex kleiner als der des Faserkerns ist und dessen Elastizitätmodul kleiner als der des durch Ätzung entfernten Mantelmaterials ist. Eine solche geätzte Lichtleitfaser ist empfindlicher gegenüber in Längsrichtung verlaufenden Streckungen oder Kompressionen, da sie schwächer ist. Bei einer gegebenen Größe der Signalenergie ergibt sich für eine derartige Faser nach der Ätzung eine größere Streckung.

Es ist an sich bekannt, daß durch Streckung der Länge einer Einzelmodus-Lichtleitfaser die optische Weglänge für die in dem Kern der Faser laufende elektromagnetische Strahlung sich ändert. Es ist weiter bekannt, daß diese Änderung in der optischen Weglänge sich in dem Maße erhöht, wie die Streckung der Faser zunimmt. Diese Änderung in der optischen Weglänge wird in bekannten Einrichtungen benutzt, um die im Kern der Faser laufende, elektromagnetische Strahlung zu modulieren, wobei die Größe der Modulation sich mit der Größe der Änderung der optischen Weglänge erhöht.

Die geätzten Lichtleitfasern sind vorzugsweise optische Einzelmodus-Fasern, deren Manteldicke durch Ätzung beispielsweise in einem Bad aus Fluorwasserstoffsäure oder einem Bad aus Fluorwasserstoffsäure, die mit Ammoniumfluorid gepuffert ist, oder durch Ionenabtragung (ion milling), verringert worden ist. Dabei kann der Ätzvorgang auch benutzt werden, um optische Fasern mit geringer modaler Dispersion aus optischen Fasern mit größerem Durchmesser herzustellen.

Durch die Erfindung kann eine Einrichtung mit einem optischen Demodulationssystem verbessert werden, so daß das Ausgangssignal eines Energiefühlers tatsächlich optisch demoduliert ist. Damit werden die enormen Bandbreiten, die ein derartiges elektronisches Demodulationssystem bisher erforderte, wesentlich verringert. Ein derartiges optisches Demodulationssystem gestattet auch eine Multiplexanordnung für mehrere Energiefühler an derselben optischen Faser, wodurch die Kosten für ein System mit einer Vielzahl von Fühlern, wie z. B. eine Hydrophonanordnung, wesentlich verringert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen stark vergrößerten Querschnitt durch eine optische Einzelmodus-Faser und

Fig. 2 einen entsprechenden Querschnitt durch die Einzelmodus-Faser der Fig. 1 nach Ätzung.

Fig. 1 und 2 zeigen vergrößerte Querschnitte einer optischen Einzelmodus-Faser vor bzw. nach dem Ätzen. Der Mantel 2-1 des Faserkerns 1-1 hat eine radiale Dicke von K und wird durch Ätzung auf die verringerte Dicke von R gebracht. Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 hat der Kern 1-1 bzw. 1-2 einen Durchmesser V, der durch die Ätzung unverändert bleibt, da sie nur auf die Außenfläche der Faser wirkt.

Die Vorzüge einer solchen Faser werden nun mit Bezug auf ihre Empfindlichkeit erläutert. Bei einer gegebenen, aufzunehmenden oder festzustellenden Signalenergie E zeigt die Faser mit der Länge L und der Gesamtquerschnittfläche S₁ der Fig. 1 eine Streckung um

Hierin ist Y₀ der Elastizitätsmodul des Fasermaterials, der hier als konstant und gleich dem von geschmolzenen Quarz angenommen werden kann. Unter Benutzung derselben Ableitung wie vorstehend, jedoch nach Einführung der verringerten Mantelstärke in die Gleichung (I) ergibt sich die Größe der Streckung mit Δ L₂, wenn die geätzte Faser der gleichen vorgegebenen Signalenergie E ausgesetzt wird

Hierin ist S₂ die Querschnittsfläche der geätzten Faser. Da S₁ größer als S₂ ist, ergibt sich aus den Gleichungen (I) und (II), daß

Δ L₂ < Δ L₁

ist.

Demnach ist für eine gegebene Signalenergie die in der geätzten Einzelmodus-Faser auftretende Änderung in der optischen Weglänge größer als in einer normalen Einzelmodus-Faser. Das führt zu einer stärkeren Phasenmodulation des in dem Kern laufenden Lichtes.

Weiter ist zu berücksichtigen, daß Fasern mit sehr kleinem Gesamtdurchmesser schwierig nach den bisher bekannten Verfahren herzustellen und nach der Herstellung schwierig zu handhaben sind. Dagegen können mit der hier beschriebenen Erfindung Fasern hergestellt werden, die eine verringerte Manteldicke haben, wobei von leicht herzustellenden Fasern größeren Durchmessers ausgegangen wird. Die Einrichtungen werden dabei so weit zusammengebaut, daß die Faser mit dem größeren Durchmesser sich an der vorgesehenen Stelle befindet. Danach kann die Faser geätzt werden, so daß eine weitere Handhabung einer dünnen Faser oder einer Faser mit verringertem Mantel sich erübrigt.

Claims

1. Einrichtung zur Phasenmodulation elektromagnetischer Strahlung, die durch den Kern einer aus Kern und Mantel bestehenden Lichtleitfaser läuft, mit einer Einrichtung zur Änderung der Länge der Lichtleitfaser, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Mantels (2-2) der Lichtleitfaser durch Ätzung verringert ist und daß die geätzte Lichtleitfaser mit einem Material (2-2′) umhüllt ist, dessen Brechungsindex kleiner als der des Kerns (1-2) der Lichtleitfaser ist und dessen Elastizitätsmodul kleiner als der des durch Ätzung entfernten Mantelmaterials ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geätzte, optische Faser eine Einzelmodus-Faser ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine geätzte, optische Faser mit geringer modaler Dispersion.