SPEKTRALEN INFORMATION

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der optischen Messsysteme und betrifft ein Wellenleiterinterferometer zur Messung einer spektralen Information.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG Wellenleiterinterferometer, wie beispielsweise Faserinterferometer, werden im Stand der Technik zur Messung von spektralen Informationen, beispielsweise der Bragg- Wellenlänge eines Faser-Bragg-Gitter(„fiber-Bragg-grating", FBG)-Sensors eingesetzt. Ein Beispiel für ein Faserinterferometer zur Messung der Bragg- Wellenlänge eines FBG-Sensors ist in dem Artikel„Passive, light intensity-independent interferometric method for flbre Bragg grating inter- rogation", M. D. Todd et al, ELECTRONICS LETTERS, 1999, Vol. 35, No. 22, P. 1970, angegeben. Das darin beschriebene Faserinterferometer umfasst einen 2x2-Faserkoppler und einen 3x3-Faserkoppler, die über zwei aus optischen Fasern bestehende Interferometerarme miteinander verbunden sind.

Figur 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines FBG-Sensors 10, der ein Bragg-Gitter 12 mit einer bestimmten Gitterkonstanten Λ enthält. Bei einer Durchleuchtung des Bragg-Gitters 12 mit einem breitbandigen optischen Beleuchtungssignal 14 wird ein zu messendes schmalban- diges optisches Signal 16 reflektiert, das ein spektrales Maximum bei der Bragg- Wellenlänge λβ aufweist. Alternativ kann es sich bei dem optischen Signal 16 auch um ein breitbandiges durch den FBG-Sensor 10 transmittiertes Signal handeln, das ein schmalbandiges spektrales Minimum bei der Bragg- Wellenlänge λβ aufweist. Die Bragg- Wellenlänge λβ ist näherungsweise proportional zur Gitterkonstanten Λ und zum effektiven Brechungsindex ne _ff , die sich entsprechend des Spannungszustandes oder einer Dehnung oder einer Temperaturänderung des FBG-Sensors 10 verändern. Indem die Wellenlänge des Intensitätsmaximums des optischen Signals 16 bestimmt wird, kann bei bekannter Zusammenwirkung (im Folgenden als „Dehnungsempfmdlichlceit" bzw. „Temperaturempfindlichkeit" bezeichnet) zwischen der Änderung einer äußeren Einflussgröße, z. B. der Temperatur oder der mechanischen Krafteinwirkung, und der Änderung der Bragg- Wellenlänge λβ die äußere Einflussgröße in der Umgebung des FBG-Sensors 10 bestimmt werden.

Zur Bestimmung der Bragg- Wellenlänge λβ kann das optische Signal 16 dem oben genannten Faserinterferometer zugeführt werden, wobei das optische Signal 16 mithilfe des genannten 2x2-Faserkopplers in zwei Teilsignale aufgeteilt wird, die jeweils einem der beiden genannten Interferometerarme zugeführt werden. Die beiden Teilsignale durchlaufen eine unterschiedliche optische Weglänge und interferieren am genannten 3x3-Faserkoppler miteinander. Aus dem 3x3 -Faserkopp ler laufen drei Interferenzsignale auf unterschiedlichen Fasern aus und werden mit zugehörigen optischen Detektoren detektiert. Mithilfe der Intensitätsmessungen durch die optischen Detektoren kann die Bragg- Wellenlänge λβ und damit der Dehnungszustand des FGB-Sensors 10 bzw. seine Temperatur bestimmt werden. Bei bekannter Dehnungsempfindlichkeit bzw. Temperaturempfindlichkeit kann über eine Messung der Veränderung der Bragg- Wellenlänge λβ eine zugehörige Temperaturveränderung bestimmt werden. Bei einer entsprechenden Kalibrierung kann über die Messung der Bragg- Wellenlänge λβ auch die absolute Temperatur in der Umgebung des FBG-Sensors 10 bestimmt werden.

Das beschriebene Messverfahren hat den Nachteil, dass die Messung bei einer Änderung der Umgebungsbedingungen des Interferometers verfälscht werden kann. Beispielsweise kann eine Temperaturänderung in der Umgebung des Interferometers eine Änderung des Weglängenunterschieds der Interferometerarme zur Folge haben. Aufgrund der sich ergebenden Än- derungen in den Interferenzsignalen würde fälschlicherweise eine Temperaturänderung in der Umgebung des Sensors detektiert.

Ein stabilisiertes Faserinterferometer, mit dem der genannte Nachteil vermieden werden kann, wird in dem Artikel„Stabiiised 3x3-coupler-based interferometer for the demodulation of fiber Bragg grating sensors ", Yi Jiang, Optica! Engineering, 2008, Vol. 47(1), beschrieben. Dieses Interferometer enthält einen 2x2-Faserkoppler und einen 3x3-Faserkoppler, die durch zwei Interferometerarme miteinander verbunden sind. In einem Interferometerarm ist ein piezoelektrisch angetriebener Phasenschieber vorgesehen, der das Interferometer mithilfe einer Rückkopplung und einer Steuerschaltung stabilisieren kann.

Ein anderes Beispiel für eine Faserinterferometervorrichtung, mit der die Signale mehrerer FBG-Sensoren und mehrerer Referenz-FBG-Sensoren gemessen werden können, ist in der US 6,674,928 B2 angegeben. Die Vorrichtung umfasst einen verstimmbaren Filter, der zwei Interferometerarmen vorgeschaltet ist und der in Antwort auf ein Steuersignal ein serielles Detektieren der Signale und der Referenzsignale mithilfe von drei gemeinsamen optischen Detelctoren ermöglicht. Vor den Interferometerarmen ist ein weiterer optischer Detelctor zur Erzeugung eines Abtastsignals für eine Analog-Digital-Umwandlung vorgesehen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wellenleiterinterferometer und ein Verfahren zur Messung einer spelctralen Information zur Verfügung zu stellen, mit denen Störeinflüsse auf das Interferometer weniger aufwändig und kostengünstiger kompensiert werden können als es im Stand der Technik möglich ist und die zudem eine vergleichsweise hohe Messbandbreite aufweisen. Diese Aufgabe wird durch ein Wellenleiterinterferometer nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 29 gelöst.

Das erfindungsgemäße Wellenleiterinterferometer dient zur Messung einer spektralen Information eines optischen Signals und umfasst: einen optischen Signaleingang für das optische Signal, a mindestens zwei optische Interferometerarme, die eine unterschiedliche optische Weglänge aufweisen und jeweils von einem Anteil des optischen Signals durchlaufen werden können, einen ersten NxM-Wellenleiterkoppler, wobei N > 2 und M > 3, der mit den Interferometerarmen wellenleiteroptisch verbunden ist und dazu eingerichtet ist,

- zumindest zwei Anteile des optischen Signals, die jeweils auf einem zugehörigen der genannten Interferometerarme in den Koppler einlaufen, interferieren zu lassen, wobei zumindest ein Teil der in den ersten Koppler einlaufenden Intensität auf zumindest zwei auslaufende Teilsignale aufgeteilt wird

- einen ersten und einen zweiten optischen Detektor zum Detektieren jeweils eines der beiden auslaufenden Teilsignale oder eines aus dem jeweiligen Teilsignal abgeleiteten Signals, einen optischen Referenzeingang für ein optisches Referenzsignal, der derart mit dem ersten Koppler oder mit einem zusätzlich vorgesehenen zweiten KxL- Wellenleiterkoppler, wobei K > 2 und L > 3, wellenleiteroptisch verbunden ist, dass

- die optischen Interferometerarme jeweils von einem Anteil des Referenzsignals durchlaufen werden können, und

- zumindest zwei Anteile des optischen Referenzsignals jeweils von einem zugehörigen der zwei Interferometerarme in den ersten Koppler oder in den zweiten Koppler einlaufen und in dem ersten bzw. zweiten Koppler miteinander interferieren, wobei zumindest ein Teil der Intensität der genannten in den ersten bzw. zweiten Koppler einlaufenden Referenzsignalanteile auf zumindest zwei auslaufende Referenz-Teilsignale aufgeteilt wird, und einen ersten und einen zweiten optischen Referenzdetektor zum Detektieren jeweils eines der beiden auslaufenden Referenz-Teilsignale oder eines aus dem jeweiligen Referenz-Teilsignal abgeleiteten Signals.

Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eingangs beschriebene optische Fasern als Wellenleiter beschränkt ist, sondern alternativ oder zusätzlich auch mit anderen Wellenleitern ausgeführt werden kann. Ein Beispiel sind Wellenleiter, die in Substrate oder in darauf aufgebrachte optische Schichten eingebracht sind, beispielsweise mithilfe eines lithographischen Prozesses.

Dass ein Wellenleiterkoppler Signalanteile„interferieren lässt", kann in der vorliegenden Be- Schreibung insbesondere auch bedeuten, dass der Wellenleiterkoppler die Signalanteile in eine interferometrische Wechselwirkung bringt oder kohärent wechselwirken lässt.

Eine„wellenleiteroptische Verbindung" im Sinne der vorliegenden Beschreibung bezeichnet die Verbindung zwischen unterschiedlichen Abschnitten desselben optischen Wellenleiters oder eine Verbindung zwischen Wellenleiterabschnitten unterschiedlicher optischer Wellen- leiter, wobei die Verbindung einen teil weisen oder vollständigen Übergang von optischer Intensität aus einem der verbundenen Wellenleiterabschnitte in den anderen Wellenleiterabschnitt gestattet. Ein Beispiel für eine wellenleiteroptische Verbindung ist eine faseroptische Verbindung. Dadurch, dass die zwei Interferometerarme, die jeweils von einem Anteil des optischen Signals durchlaufen werden, auch von Anteilen des optischen Referenzsignals durchlaufen werden, wirkt sich ein äußerer Störeinfluss auf das Interferometer, beispielsweise eine Temperaturänderung oder eine Erschütterung, sowohl auf die Messung des optischen Signals als auch in gleicher oder zumindest ähnlicher Weise auf die Messung des optischen Referenzsignals aus. Mit der Messung des Referenzsignals kann daher die Auswirkung, die die Störung auf das Interferometer hat, bestimmt werden und die Messung des optischen Signals entsprechend korrigiert oder kompensiert werden.

Sowohl für das optische Signal als auch für das Referenzsignal sind ein Signaleingang bzw. Referenzeingang und zugehörige optische Detektoren bzw. Referenzdetektoren vorgesehen. Dadurch können diese unterschiedlichen Signale dem Wellenleiterinterferometer gleichzeitig und kontinuierlich zugeführt werden und sie auch gleichzeitig und kontinuierlich detelctiert werden. Die Interferometerarme werden dabei gleichzeitig und kontinuierlich von dem optischen Signal und von dem Referenzsignal durchlaufen. Für die Korrektur oder Kompensation ist keine Unterbrechung der Messung und kein aktives Umschalten notwendig, sondern sie kann gleichzeitig zur Detektion und kontinuierlich vorgenommen werden. Im Unterschied zu Messverfahren, die das Eingangssignal sequentiell bzw. diskret auswerten, gestattet das erfindungsgemäße Wellenleiterinterferometer daher eine vergleichsweise hohe Messbandbreite, die die Frequenz angibt, bis zu der zeitliche Signaländerungen noch messbar sind.

Weil der erste Wellenleiterkoppler mindestens drei Ausgänge auf der den Interferometerar- men abgewandten Seite hat, ist es aus Gründen der Energieerhaltung möglich, dass die spektralen Transmissionsprofile, die sich aufgrund der Interferenz für die mindestens zwei auslaufenden Teilsignale an den Kopplerausgängen ergeben, auch bei einer gleichgroßen maximalen Transmission einen spektralen Versatz von weniger als einer halben Periode oder Interferenzperiode aufweisen. Dadurch kann die spektrale Position eines schmalbandigen optischen Sig- nals auch dann noch mithilfe von zwei optischen Detektoren eindeutig bestimmt werden, wenn sich die spektrale Position über eine oder mehrere Interferenzperioden der spektralen Transmissionsprofile an den Kopplerausgängen hinweg verschiebt.

Bei nur einem auslaufenden Interferenzsignal oder bei zwei auslaufenden Interferenzsignalen, für die die zugehörigen spektralen Transmissionsprofile um eine halbe Periode gegeneinander versetzt sind, ginge die Information der spektralen Position des Signals beim Durchlaufen der Minima und Maxima der aus der Interferenz resultierenden spektralen Transmissionsprofile verloren, weil - ausgehend von einem lokalen Minimum oder Maximum - anhand einer de- tektierten Intensitätsänderung nicht feststellbar ist, ob sie auf einer Verschiebung zu einer größeren oder zu einer kleineren Wellenlänge beruht. Bei einem spektralen Versatz, der kleiner als eine halbe Periode ist, sind die Ableitungen der spektralen Transmissionsprofile nach der Wellenlänge für die mindestens zwei auslaufenden Teilsignale an keiner spektralen Position gleichzeitig Null. Indem die Anzahl der durchlaufenen Interferenzperioden bzw. Perioden eines spektralen Transmissionsprofils beim spektralen Wandern des optischen Signals und/oder des Referenzsignals mitgezählt wird, kann die Spektralposition des Signals bzw. Referenzsignals weiterhin eindeutig bestimmt werden. Dadurch ist der mögliche Messbereich oder der Dynamikumfang des Interferometers aufgrund des ersten NxM-Wellenleiterkopplers, mit N > 2 und M > 3, nicht auf eine Interferenzperiode beschränkt, sondern er ist unabhängig von dieser und kann um ein Vielfaches, beispielsweise das 10- oder 100-Fache bis hin zum 1000-Fachen, größer sein. Der Dynamikbereich gibt das Verhältnis zwischen dem größten und dem kleinsten messbaren Wert an und der Messbereich denjenigen Mess Wertebereich, innerhalb dessen die Messabweichungen innerhalb festgelegter vorbestimmter Grenzen liegen. Die spektrale Länge einer Interferenzperiode hängt von dem Weglängenunterschied ab und kann über diesen eingestellt werden. Eine kurze Periodenlänge führt zu einer vergleichsweise sensitiven Detektion einer Wellenlängenveränderung, eine große Periodenlänge dagegen zu einem vergleichsweise großen Messbereich, in dem Wellenlängenänderungen detektiert werden können. Man beachte, den hier genannten Messbereich nicht mit demjenigen Wellenlän- genbereich zu verwechseln, der durch das Produkt aus der Periodenlänge und der maximalen Anzahl an Counts bzw. gezählten Durchläufen gegeben ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Wellenleiterinterferometer weiterhin einen dritten optischen Detektor und/oder einen dritten optischen Referenzdetektor zum Detektieren jeweils eines weiteren Signals, welches auf dem optischen Signal bzw. auf dem optischen Referenzsignal basiert. Dies ist vorteilhaft, um - neben einer unbekannten spektralen Information und einer unbekannten optischen Weglangenänderung - auch eine unbekannte Dämpfung in den Interferometerarmen bestimmen zu können. Dies ist zwar im Idealfall mit jeweils zwei Detektoren und Referenzdetektoren möglich, jedoch nicht bei einer unvollständigen Interferenz, beispielsweise aufgrund ungleicher Dämpfung in den beiden Interferometerarmen. Ferner kann der weitere Detektor und/oder Referenzdetektor so verbunden werden, dass er eine auslaufende Teilintensität detektiert, die nicht interferiert hat und sich daher unabhängig von ihrer spektralen Position und unabhängig vom Weglängenunterschied im Interferometer zumindest näherungsweise proportional zur Intensität der Lichtquelle verhält. Somit kann alleine mithilfe dieses weiteren Detektors oder Referenzdetektors die Intensität der Lichtquelle bestimmt werden. Wenn die Lichtquellenintensität anhand der auslaufenden Teilintensitäten nach dem Interferieren detektiert wird, dann ist an jedem Kopplerausgang, auf dem eine Teilintensität ausläuft, ein Detektor notwendig, d.h. mindestens drei.

Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Wellenleiterinterferometer zur Messung der Bragg- Wellenlänge eines FBG-Sensors eingerichtet, wobei das Wellenleiterinterferometer vorzugsweise wellenleiteroptisch mit dem FBG-Sensor verbunden ist.

Weiterhin kann das erfindungsgemäße Wellenleiterinterferometer auch für einen Betrieb ein- gerichtet sein, bei dem das Referenzsignal das Signal eines athermalen Referenz-FBG- Sensors ist oder das Signal einer wellenlängenstabilen Referenzquelle ist.

Das erfindungsgemäße Wellenleiterinterferometer kann jedoch auch für einen Betrieb eingerichtet sein, bei dem sowohl das optische Signal als auch das optische Referenzsignal jeweils die Signale eines FBG-Sensors sind, wobei ein Verhältnis zwischen zwei Bragg- Wellenlängen der jeweiligen FBG-Sensoren gemessen wird. Bei einer Messverfälschung aufgrund einer Veränderung im Wellenleiterinterferometer ergibt sich diese Messverfälschung für beide Messungen in gleichem oder annähernd gleichem Maße. Wenn lediglich ein Verhältnis, beispielsweise ein Temperaturverhältnis, gemessen wird, dann kompensieren sich die beiden Messverfälschungen gegenseitig, sodass das gemessene Verhältnis dem tatsächlichen Verhältnis zwischen den jeweiligen spektralen Informationen bzw. Temperaturen entspricht.

Bei dem erfmdungsgemäßen Wellenleiterinterferometer können der Signaleingang und der Referenzeingang durch denselben optischen Wellenleiter gebildet werden oder durch unterschiedliche optische Wellenleiter gebildet werden. Demnach können das zu messende optische Signal und das optische Referenzsignal dem Wellenleiterinterferometer durch denselben Wellenleiter oder durch unterschiedliche Wellenleiter an unterschiedlichen Positionen zugeführt werden.

In dem erfindungsgemäßen Wellenleiterinterferometer können die optischen Wege zwischen dem Signaleingang und den Detektoren und/oder zwischen dem Referenzeingang und den Referenzdetektoren zumindest 70 %, vorzugsweise zumindest 90 %, besonders vorzugsweise vollständig Wellenleiterintegriert verlaufen. Ein solcher Aufbau ist wenig störanfällig und stabil.

In einer Ausführungsform ist der erste NxM-Wellenleiterkoppler mindestens ein 3x3- Wellenleiterkoppler (N > 3 und M > 3). In dieser Ausführungsform ist weiterhin ein dritter optischer Interferometerarm vorgesehen, wobei alle drei Interferometerarme eine unterschied- liehe optische Weglänge aufweisen. Dadurch ergeben sich an den Ausgängen des Kopplers interferometrisch bedingte spektrale Transmissionsprofile mit jeweils einer ersten spektralen Periode und einer zweiten spektralen Periode, wobei die erste spektrale Periode größer als die zweite spektrale Periode ist. Aufgrund des Verlaufs gemäß der ersten Periode kann eine spektrale Position zunächst grob und global bestimmt werden. Anschließend kann die Positi- on aufgrund des Verlaufs gemäß der zweiten Periode genau bestimmt werden.

In der zuvor genannten Ausführungsform kann auch in einem der drei Interferometerarme ein optischer Schalter zum Unterbrechen der optischen Verbindung vorgesehen sein. Bei drei Interferometerarmen kann es vorkommen, dass Minima und Maxima von Transmissionsprofi- len unterschiedlicher Ausgänge an manchen Stellen zusammenfallen. Aufgrund des Schalters kann nach der ersten Grobbestimmung der spektralen Position ein Interferometerarm unterbrochen werden, so dass sich an den Ausgängen des Kopplers neue Transmissionsprofile ohne zusammenfallende Minima und Maxima ergeben. Eine Verfolgung der spelctralen Position mithilfe eines Mitzählens der durchlaufenen Perioden ist damit wieder ohne weiteres möglich.

Das erfindungsgemäße Wellenleiterinterferometer kann weiterhin in zumindest einem Interfe- rometerarm ein Kompensationsmittel, insbesondere einen optisch integrierten Phasenmodulator, einen Fiber-Stretcher oder eine Delay-Line, umfassen, um die optische Weglänge zumindest eines Interferometerarms zu verändern. Beispielsweise kann bei einer Veränderung der Umgebungsbedingungen des Interferometers die Messung des optischen Referenzsignals dazu verwendet werden, die Auswirkungen auf die Messung mit einer Änderung der optischen Weglänge zu kompensieren.

Bei den optischen Detektoren und/oder bei den optischen Referenzdetektoren kann es sich beispielsweise um Fotodioden handeln. Dies erlaubt einen einfachen und kostengünstigen Aufbau des Wellenleiterinterferometers.

In einer Ausführungsform, in der der genannte zweite KxL-Wellenleiterkoppler mit K > 2 und L > 3 vorgesehen ist, sind der erste und der zweite Wellenleiterkoppler jeweils auf gegenüber- liegenden Enden der Interferometerarme wellenleiteroptisch mit diesen verbunden. Dieser Aufbau entspricht dem Aufbau eines Mach-Zehnder-Interferometers, bei dem die Signalaufspaltung und die interferometrische Zusammenfülirung in jeweils unterschiedlichen Wellenleiterkopplern erfolgen.

In der zuvor genannten Ausführungsform können sowohl der Signaleingang als auch der Re- ferenzeingang an den zweiten Koppler angeschlossen sein, sodass sowohl die genannten Anteile des Signals als auch die genannten Anteile des Referenzsignals aus dem zweiten Koppler in die jeweils zugehörigen Interferometerarme einlaufen und jeweils im ersten Koppler miteinander interferieren.

Alternativ kann auch der Signaleingang an den zweiten Koppler und der Referenzeingang an den ersten Koppler angeschlossen sein, sodass das optische Signal in den zweiten Koppler einläuft und die genannten Anteile des Signals aus dem zweiten Koppler in die jeweils zugehörigen Interferometerarme einlaufen und im ersten Koppler miteinander interferieren, und sodass das optische Referenzsignal in den ersten Koppler einläuft und die genannten Anteile des Referenzsignals aus dem ersten Koppler in die jeweils zugehörigen Interferometerarme einlaufen und im zweiten Koppler miteinander interferieren. In dieser Ausfuhrungsform durchlaufen das optische Signal und das optische Referenzsignal das Interferometer gegenläu- fig.

In einer anderen Ausführungsform sind an den Enden der Interferometerarme Reflelctoren vorgesehen und sowohl die Anteile des Signals als auch die Anteile des Referenzsignals lau- fen aus dem ersten Koppler in die jeweils zugehörigen Interferometerarme ein, werden jeweils von einem zugehörigen Reflektor reflektiert, laufen anschließend aus ihrem zugehörigen In- terferometerarmen in den ersten Koppler ein und interferieren in dem ersten Koppler. Im Unterschied zu dem zuvor genannten Mach-Zehnder- Aufbau entspricht der Aufbau dieser Aus- führungsform dem Aufbau eines Michelson-Interferometers. Bei einer oder mehreren der zuvor genannten Ausfuhrungsformen können die drei Detektoren mit zugehörigen Ausgängen des ersten Kopplers, die den Interferometerarmen jeweils gegenüberliegen, verbunden sein. Dadurch wird zumindest ein Teil der in den ersten Koppler einlaufenden Intensität der Anteile des optischen Signals auf drei Teilsignale aufgeteilt, die auf einem zugehörigen Ausgang aus dem ersten Koppler auslaufen und einem zugehörigen De- tektor zulaufen. In einer oder mehreren der zuvor genannten Austuhrungsformen kann der Signaleingang an den zweiten oder an den ersten Koppler angeschlossen sein, wobei einer der drei Detektoren mit einem Ausgang des zweiten bzw. des ersten Kopplers verbunden sein kann, der dem Signaleingang gegenüberliegt und der sich auf derselben Kopplerseite wie die Interferometerar- me befindet. Mithilfe der Messung des Detektors, der sich an demselben Koppler wie der Signaleingang befindet, kann die Messung eines nicht vorhandenen dritten Detektors rekonstruiert werden, der sich an einem gegenüberliegenden Ende eines Kopplers befände, an dem die Signalanteile miteinander interferieren.

Die drei Referenzdetektoren können beispielsweise mit zugehörigen Ausgängen des ersten oder zweiten Kopplers verbunden sein, wobei die Ausgänge den Interferometerarmen jeweils gegenüber liegen. Somit wird zumindest ein Teil der in den ersten bzw. zweiten Koppler einlaufenden Intensität der Anteile des optischen Referenzsignals auf drei Referenz-Teilsignale aufgeteilt, die auf einem zugehörigen Ausgang aus dem ersten bzw. dem zweiten Koppler auslaufen und einem zugehörigen Referenzdetektor zulaufen.

Der Referenzeingang kann an den zweiten oder an den ersten Koppler angeschlossen sein, wobei einer der drei Referenzdetektoren mit einem Ausgang des zweiten bzw. des ersten Kopplers verbunden ist, wobei der Ausgang dem Referenzeingang gegenüberliegt und sich der Ausgang auf derselben Kopplerseite wie die Interferometerarme befindet. Mithilfe des Referenzdetelctors, der sich am selben Koppler wie der Referenzeingang befindet, kann die Messung eines nicht vorhandenen Referenzdetelctors rekonstruiert werden, der sich zusätzlich zu den zwei weiteren Referenzdetektoren auf einer gegenüberliegenden Seite der Interferometerarme an einem Koppler befände, an dem die Anteile des Referenzsignals interferieren.

In einer oder mehreren der zuvor genannten Ausführungsformen kann der Signaleingang zusammen mit einem Detektor oder einem Referenzdetektor an einen Ausgang des ersten oder zweiten Kopplers angeschlossen sein, sodass eines der zu detektierenden Teilsignale bzw. Referenzteilsignale den ersten bzw. zweiten Koppler durch denselben Ausgang verlässt, durch den das optische Signal in den ersten bzw. zweiten Koppler einläuft.

Weiterhin kann der Referenzeingang zusammen mit einem Detektor oder einem Referenzdetektor an einen Ausgang des ersten oder des zweiten Kopplers angeschlossen sein, sodass eines der zu detektierenden Teilsignale bzw. Referenzteilsignale den ersten bzw. zweiten Koppler durch denselben Ausgang verlässt, durch den das optische Referenzsignal in den ersten bzw. zweiten Koppler einläuft. In einer oder mehreren der zuvor genannten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wellenleiterinterferometers kann jeweils ein Detektor und ein Referenzdetektor gemeinsam über einen WDM(„Wavelength-Division-Multiplexing")-Koppler, vorzugsweise einen WDM-Wellenleiterkoppler, an einen zugehörigen Ausgang des ersten Kopplers angeschlossen sein. Wenn das optische Signal und das optische Referenzsignal eine unterschiedliche Wellenlänge haben, können die zugehörigen auslaufenden Teilsignale bzw. Referenzteilsignale mithilfe des WDM-Kopplers getrennt werden und den zugehörigen Detektoren bzw. Referenzdetektoren zugeführt werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann das erfindungsgemäße Wellenleiterinterferometer weiterhin zur Fourier-Transformations(FT)-Spel trometrie verwendet werden, wobei die opti- sehe Weglänge auf einem Interferometerarm mithilfe eines Stellmittels, insbesondere eines optisch-integrierten Phasenmodulators oder vorzugsweise eines„Fiber-Stretchers" oder einer „Delay-Line", über einen vorbestimmten Weglängenunterschied veränderbar ist. Indem bei einer Messung der Weglängenunterschied über eine vorbestimmte Länge verändert wird und die jeweilige Weglängenänderung mithilfe des optischen Referenzsignals bestimmt wird, kann ein spektrales Leistungsdichteprofil - und nicht nur die spektrale Position eines schmal- bandigen Leistungsdichteprofils - eines optischen Signals bestimmt werden.

In einer oder mehreren der zuvor genannten Ausführungsformen kann es sich bei den genannten Reflektoren um Faraday-Reflektoren handeln. Wenn in einem Wellenleiterinterferometer die zusammengeführten Signalanteile, die miteinander interferieren sollen, eine unterschiedli- che Polarisation aufweisen, kann das resultierende spektrale Transmissionsprofil an den Ausgängen des Wellenleiterkopplers von dem erwünschten„gestreiften" Interferenzprofil abweichen, wobei insbesondere die erwünschte„Streifensichtbarkeit" in dem spektralen Transmissionsprofil beeinträchtigt sein kann. Aufgrund der Faraday-Reflektoren kann die vom Fara- day-Reflektor reflektierte, zurücklaufende Polarisation um 90 Grad zur Polarisation vor der Reflexion gedreht sein, wodurch eine beeinträchtigende Polarisationsveränderung, die auf dem Weg zum Faraday-Reflektor stattfinden kann, auf dem Rückweg kompensiert wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die interferierenden Signalanteile eine Polarisation aufweisen, bei der die Streifensichtbarkeit maximal ist.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wellenleiterinterferometers sind polarisationserhaltende Wellenleiterverbindungen und Koppler vorgesehen. Damit kann sichergestellt werden, dass sich die Polarisation des optischen Signals sowie des optischen Re- ferenzsignals nicht unkontrolliert in dem Wellenleiterinterferometer dreht und eine hohe Streifensichtbarkeit im spektralen Transmissionsprofil vorhanden ist.

Bei den zuvor genannten Ausfuhrungsformen ergeben sich für den ersten bzw. den zweiten Koppler an jeweils mindestens zwei Ausgängen zugehörige zueinander versetzte spektrale Transmissionsprofile mit einer Periode P, wobei der spektrale Versatz zwischen den Trans- missionsprofilen des ersten und/oder des zweiten Kopplers vorzugsweise < P/2, besonders vorzugsweise < 7P/16 insbesondere < 6P/16 ist. Wie oben beschrieben wurde, ist die Ableitung (nach der Wellenlänge) derart zueinander versetzter Transmissionsprofile an keiner spektralen Position gleichzeitig Null, so dass die spektrale Position auch bei einer Veränderung über ein Interferenzminimum und/oder -maximum hinweg bestimmbar bleibt. Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Messung einer spektralen Information eines optischen Signals mithilfe eines Wellenleitermterferometers nach einer der zuvor genannten Ausführungsformen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

- Zuführen eines optischen Signals in das Wellenleiterinterferometer,

- Detektieren von mindestens zwei, vorzugsweise von mindestens drei auslaufenden Teilsignalen, die auf dem optischen Signal basieren, mit zugehörigen optischen Detektoren,

- Zuführen eines optischen Referenzsignals in das Wellenleiterinterferometer und

- Detektieren von mindestens zwei, vorzugsweise von mindestens drei auslaufenden Referenz-Teilsignalen, die auf dem optischen Referenzsignal basieren, mit zugehöri- gen optischen Referenzdetektoren.

Bei dem Signal und/oder bei dem Referenzsignal kann es sich beispielsweise um unpolarisier- te optische Signale handeln. Damit kann eine Beeinträchtigung der Streifensichtbarkeit verhindert werden, die bei der Verwendung von unterschiedlich polarisierten Signalen auftreten kann. Vorzugsweise werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das optische Signal und das Referenzsignal dem Wellenleiterinterferometer gleichzeitig zugeführt und die auslaufenden Teilsignale gleichzeitig mit den auslaufenden Referenzteilsignalen detektiert. In einer Ausführungsform können das optische Signal und das Referenzsignal eine unterschiedliche Wellenlänge aufweisen. In dieser Ausfülirungsform können das optische Signal und das Referenzsignal das Wellenleiterinterferometer durch dieselben Eingänge und Ausgänge verlassen, wobei aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen nach dem Auslaufen eine Trennung vorgenommen werden kann, beispielsweise mithilfe eines WDM- opplers. In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung kann das Verfahren weiterhin ein gepulstes und gleichzeitiges Beleuchten mehrerer FBG-Sensoren umfassen, wobei das optische Signal ein gepulstes Signal ist, und zumindest einige der Pulse unterschiedlichen FBG-Sensoren entstammen. Diese Ausführungsform umfasst weiterhin ein Zuordnen der mit den Detektoren detektierten Teilsignalpulse zu ihren zugehörigen FBG-Sensoren, wobei das Zuordnen auf- grund unterschiedlicher Detektionszeitpunkte erfolgt. Diese Ausführungsform ermöglicht demnach mithilfe eines zeitlichen Multiplexens, die Signale mehrerer FBG-Sensoren zu messen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden mehrere spektrale Informationen mehrerer optischer Signale mithilfe mehrerer Wellenleiterinterferometer nach einer der zuvor genann- ten Ausführungsformen gemessen, wobei den mehreren Wellenleiterinterferometern zugehörige optische Referenzsignale zugeführt werden, die derselben Referenzsignalquelle entstammen. Diese Ausführungsform kann beispielsweise im Zusammenhang mit einem räumlichen Multiplexen des optischen Signals und/oder des optischen Referenzsignals verwendet werden, wobei mehrere Wellenleiterinterferometer verwendet werden. Weil die Wellenleiterinterfe- rometer aufgrund ihres einfachen Aufbaus vergleichsweise kostengünstig sein können, entsteht bei einer gemeinsamen Nutzung einer vergleichsweise kostenintensiven optischen Quelle nur ein geringer Mehraufwand. Mithilfe eines räumlichen Multiplexens können damit mehrere optische Sensoren effizient und kostengünstig ausgelesen werden.

In einer oder mehreren der zuvor genannten Ausfuhrungsformen kann bei einer Veränderung der Wellenlänge des Referenzsignals und/oder des optischen Signals weiterhin ein Mitzählen der Interferenzperioden vorgesehen sein, wobei sich die Interferenzperioden bei der genannten Wellenlängenänderung in der von den Detektoren und/oder den Referenzdetektoren detektierten Intensität ergeben. Dadurch kann über einen weiten spektralen Bereich, der wesentlich größer als nur eine Interferenzperiode ist, eine eindeutige Wellenlängenbestimmung vorge- nommen werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Bestimmen einer Wellenlänge auch aufgrund der Zuordnung der detektierten Intensität zu einer bestimmten Interferenzperiode erfolgen. In dieser Ausführungsform kann die Wellenlängenbestimmung auch allein aufgrund des Mitzählens bestimmt werden, wobei die Genauigkeit der Wellenlängenbestimmung einem Drittel der Länge einer Interferenzperiode entspricht. Mithilfe einer Einstellung des optischen Weglängenunterschieds kann die Länge einer Interferenzperiode verringert und die Messauflösung erhöht werden. Aufgrund der Wellenlängenbestimmung über das Mitzählen kann die Messung der spektralen Position rein digital - ohne eine quantitative Intensitätsbestimmung - vorgenommen werden.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin ein erstes Messen einer spektralen Information, wobei das erste Messen auf der Interferenz von drei Signalanteilen basiert, die jeweils unterschiedliche Interferometerarme mit unterschiedlichen optischen Weglängen durchlaufen haben, und ein zweites Messen einer spektralen Information, wobei das zweite Messen auf der Interferenz von zwei Signalanteilen basiert, die jeweils unterschiedliche Interferometerarme mit unterschiedlichen optischen Weglängen durchlaufen haben.

Gemäß einer weiteren erfmdungsgemäßen Ausführungsform umfasst das Verfahren die folgenden Schritte: Ein Detektieren von zwei optischen Referenzsignalen mit unterschiedlicher und jeweils bekannter Wellenlänge λ _! und λ ₂ , wobei der Wellenlängenunterschied Δλ= λι-λ ₂ so gering ist, dass der Wert von größer ist als ein Weglängenunterschied Δ1 zwischen den Interferometerarmen des Wellenleitermterferometers, und ein Detektieren desselben optischen Signals, das eine bestimmte Wellenlänge aufweist, für jeweils zwei unterschiedliche Weglängenunterschiede Δΐχ und Δ1 ₂ des Wellenleitermterferometers, wobei der Unterschied zwischen den Weglängenunterschieden Δ(Δ1)=Δ1 ₂ -Δ1ι kleiner ist als die Hälfte der Wellenlänge des optischen Signals. Weil der Wellenlängenunterschied und der Unter- schied zwischen den Weglängenunterschieden beim Detektieren derart gering sind, können der Weglängenunterschied des Wellenleiterinterferometers und die Wellenlänge des optischen Signals jeweils eindeutig bestimmt werden und Mehrdeutigkeiten aufgrund eines periodischen Interferenzverhaltens vermeiden werden. Dadurch ist es möglich, eine spektrale Position einer zu messenden Wellenlänge, die sich verändern kann, eindeutig und absolut zu be- stimmen. KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Weitere Vorteile und Merlanale der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind. In den Zeichnungen zeigen

Figur 1 eine schematische Ansicht eines FBG-Sensors, zur Bereitstellung eines optischen Signals, das mit einem erfindungsgemäßen Wellenleiterinter- ferometer gemessen werden kann,

Figur 2 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wellenleiterin- terferometers gemäß einer ersten Ausführungsform,

Figur 3 die spektrale Transmission an drei unterschiedlichen Ausgängen eines

Wellenleiterkopplers der Ausführungsform der Figur 2 sowie ein exemplarisches Reflexionsspektrum eines FBG-Sensors,

Figuren 4 bis 7 jeweils den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wellenlei- terinterferometers gemäß einer zweiten, dritten, vierten und fünften Ausfuhrungsform, Figur 8 die spektrale Transmission für drei Ausgänge eines Wellenleiterkopplers des Wellenleiterinterferometers gemäß der fünften Ausfuhrungsform aus Figur 7,

Figuren 9 bis 12 erfindungsgemäße Wellenleiterinterferometer gemäß einer sechsten, siebten, achten und neunten Ausführungsform, die jeweils für eine Fou- rier-Transformations(FT)-Spektrometriemessung geeignet sind, und

Figur 13 verschiedene funktionale Zusammenhänge, die sich bei der Bestimmung des Spektrums eines optischen Signals mithilfe einer FT- Spektrometrie ergeben.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung beispielhaft anhand faseroptischer Wellenleiter beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Wellenleiter beschränkt, sondern kann alternativ oder zusätzlich auch mit anderen Wellenleitern ausgeführt werden. Figur 2 zeigt ein Faserinterferometer 18 gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. Das Faserinterferometer 18 umfasst einen ersten Faserkoppler 20 und einen zweiten Faserkoppler 22, bei denen es sich jeweils um 2x3 -Faserkoppler handelt und die über einen ersten und einen zweiten Interferometerarm 24 bzw. 26 faseroptisch miteinander verbunden sind. Der optische Weglängenunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Interferome- terarm 24 bzw. 26 beträgt Δ1.

Auf einer Seite, die den Interferometerarmen 24, 26 gegenüberliegt, hat der erste Koppler 20 drei Faserausgänge, die jeweils mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten optischen Detektor 28, 30 bzw. 32 faseroptisch verbunden sind. Ebenso besitzt der zweite Koppler 22 auf einer Seite, die den Interferometerarmen 24, 26 gegenüberliegt, drei Ausgänge, die jeweils mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten optischen Referenzdetektor 34, 36 bzw. 38 faseroptisch verbunden sind.

Das Faserinterferometer 18 umfasst weiterhin einen Signaleingang 40 und einen Referenzsignaleingang 42, wobei der Signaleingang 40 über einen ersten optischen Zirkulator 44 faseroptisch mit einem Ausgang des zweiten Kopplers 22 verbunden ist und der Referenzsignalein- gang 42 über einen zweiten optischen Zirkulator 46 mit einem Ausgang des ersten Faserkopp- lers 20 faseroptisch verbunden ist.

Es ist zu beachten, dass für die in Figur 2 gezeigten Faserkoppler 20 und 22 anstatt von 2x3- Faserkopplern auch 3x3-Faserkopplern verwendet werden können. Insgesamt werden von den 3x3-Faserkopplern dann jedoch nur lediglich fünf Ausgänge benötigt. Grundsätzlich ist es möglich, in allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anstatt eines 2x3 -Kopples jeweils einen 3x3-Koppler zu verwenden.

Im Folgenden werden solche Koppler, bei denen sechs Ausgänge verwendet werden, als 3x3- Koppler bezeichnet.

An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass - auch wenn alle im Folgenden anhand der Figuren 2, 4 bis 7 sowie 9 bis 12 konkret beschriebenen Ausführungsformen jeweils drei Detektoren 28, 30, 32 und drei Referenzdetektoren 34, 36, 38 umfassen - die vorliegende Erfindung auch solche Ausführungsformen umfasst, die jeweils nur zwei Detektoren 30, 32 und zwei Referenzdetektoren 36, 38 umfassen. Ein Beispiel für eine solche Ausführungsform ist ein Faserinterferometer, das demjenigen aus Figur 2 entspricht, jedoch mit dem Unterschied, dass der Detektor 28 und der Referenzdetektor 34 fehlen. Ein anderes Beispiel ist das Faserin- terferometer der Figur 5, jedoch ohne den Detektor 28 und ohne den Referenzdetektor 34. Diese nicht gezeigten erfindungsgemäßen Abwandlungen der Faserinterferometer aus den Figuren 2 und 5 umfassen weiterhin jeweils zwei 2x3-Koppler 20, 22 (Abwandlung von Inter- ferometer 18 der Fig. 1) bzw. jeweils einen 2x3-Koppler 20 (Abwandlung von Interferometer 218 der Fig. 5). Für eine Messung wird dem Signaleingang 40 ein optisches Signal 16 zugeführt. Bei dem optischen Signal 16 kann es sich beispielsweise um das in Figur 1 dargestellte schmalbandige Signal eines FBG-Sensors 10 mit einem Intensitätsmaximum bei der Bragg- Wellenlänge λβ handeln. Das optische Signal 16 läuft über den ersten Zirkulator 44 in den zweiten Koppler 22 ein. Im zweiten Koppler 22 sind der faseroptische Kopplerausgang, auf dem das optische Signal 16 einläuft, und die gegenüberliegenden faseroptischen Kopplerausgänge, welche die Eingange der beiden Interferometerarme 24 und 26 bilden, durch eine faseroptische Koppelverbindung verbunden oder gekoppelt. Es ist möglich - aber nicht notwendig -, dass die optische Faser eines Interferometerarm-Eingangs mit einer der beiden optischen Fasern der genannten gegenüberliegenden Kopplerausgänge identisch ist. Dementsprechend besteht die Kopplung der drei genannten faseroptischen Ausgänge des zweiten Kopplers 22 (d.h. der Ausgang für das einlaufende optische Signal 16 und die beiden gegenüberliegenden Ausgänge zu den In- terferometerarmen 24 und 26) aus einer kopplerinternen Verbindung von zwei oder drei verschiedenen optischen Fasern. Aufgrund der Kopplung tritt ein Teil der einlaufenden Intensität des optischen Signals 16 in zumindest eine andere optische Faser über bzw. wird in diese eingekoppelt. Im Ergebnis läuft in jeden der beiden Interferometerarme 24 und 26 jeweils ein Teil der einlaufenden Intensität ein, so dass das optische Signals 16 durch den zweiten Koppler 22 in zwei optische Signalanteile aufgeteilt wird, die jeweils in einen zugehörigen der beiden Interferometerarme 24 und 26 einlaufen. Die beiden Signalanteile durchlaufen jeweils den zugehörigen der Interferometerarme 24 bzw. 26 und laufen in den ersten Koppler 20 ein. Die in den ersten Koppler 20 einlaufenden Signalanteile haben unterschiedliche Weglängen durchlaufen und sind daher um einen entsprechenden Phasenunterschied Δφ gegeneinander phasenverschoben.

Im ersten Koppler 20 werden die phasenverschobenen Signaleinteile zusammengeführt, so dass sie miteinander wechselwirken bzw. interferieren können. So wie es zuvor in Bezug auf den zweiten Koppler 22 beschrieben wurde, wird auch die in den ersten Koppler 20 einlau- fende optische Intensität der einlaufenden phasenverschobenen Signaleinteile auf drei gegenüberliegende Ausgänge aufgeteilt, jedoch mit dem Unterschied, dass nicht ein Signal sondern zwei Signalanteile einlaufen und nicht zwei sondern drei Signalanteile auslaufen.

Die aus dem ersten Koppler 20 auslaufenden Teilsignale werden jeweils durch einen zugehörigen der optischen Detektoren 28, 30 bzw. 32 detektiert, wobei das von dem dritten optischen Detektor 32 detektierte Teilsignal zuvor den zweiten Zirkulator 46 durchläuft, an den der Referenzeingang 42 angeschlossen ist. Bei den optischen Detektoren 28, 30 und 32 handelt es sich vorzugsweise - ebenso wie bei den optischen Referenzdetektoren 34, 36 und 38 - um Fotodioden, welche ein elektrisches Signal ausgeben, das proportional oder zumindest näherungsweise proportional zur auf den Detektor auftreffenden optischen Intensität ist. Figur 3 zeigt die Profile Tl, T2 und T3 der spektralen Transmission für die Ausgänge des ersten Faserkopplers 20. Gemäß der spektralen Transmissionsprofile Tl, T2 und T3 läuft die optische Intensität aus dem ersten Koppler 20 in die zugehörigen Ausgänge ein bzw. wird in diese„transmittiert". Der Verlauf der gezeigten spektralen Transmissionsprofile Tl, T2 und T3 ergibt sich aus dem Weglängenunterschied Δ1 zwischen den Interferometerarmen 24 und 26, der die Periode P bestimmt, mit der sich jedes der Transmissionsprofile Tl, T2 und T3 entlang der spektralen Wellenlängen-Achse ändert, und aus spektralen Versätzen, die durch den Koppler 20 bedingt sind.

Die spektralen Versätze zwischen den spektralen Transmissionsprofilen Tl, T2 und T3 treten aus Gründen der Energieerhaltung beim Übergang der optischen Intensität in die Ausgänge des ersten Faserkopplers 20 auf. Wenn - wie es vorzugsweise beim ersten Faserkoppler 20 der Fall ist - genau drei Teilsignale aus dem ersten Koppler 20 auslaufen können, und die maximalen Werte der zugehörigen spektralen Transmissionsprofile Tl, T2 und T3 gleich hoch sind, dann beträgt der spektrale Versatz zwischen den jeweiligen spektralen Transmissionsprofilen Tl, T2 und T3 - wie in Figur 3 dargestellt - einem Drittel der Periode P. Bei ei- nem 2x2-Koppler würde der spektrale Versatz hingegen bei einer halben Periode P liegen.

Es ist zu beachten, dass auch bei lediglich zwei auslaufenden Teilsignalen der spektrale Versatz geringer als eine halbe Periode P sein kann, nämlich wenn ein Teil der Intensität in eine weitere angekoppelte optische Faser übertritt. Die in diese Faser bzw. in diesen Ausgang auslaufende Intensität muss nicht notwendigerweise detektiert werden. Figur 3 zeigt weiterhin das spektrale Intensitäts- bzw. Leistungsdichteprofil eines beispielhaften optischen Signals 16, das dem Signal eines FBG-Sensors mit einer Bragg-Wellenlänge λβ von 1,55 μπι entspricht.

Wie in Figur 2 gezeigt ist, detektieren die optischen Detektoren 28, 30 und 32 jeweils die Intensität auf einem zugehörigen Ausgang des Kopplers 20. Die zugehörigen spektralen Trans- missionsprofile oder Transmissions Verläufe Tl, T2 bzw. T3 sind in Figur 3 gezeigt. Anhand der Figur 3 ist zu erkennen, dass bei dem schmalbandigen optischen Signal 16 mit der Bragg- Wellenlänge von 1,55 μπι die von dem ersten und dem dritten Detektor 28 und 32 detektierte Intensität etwa gleich groß ist und die von dem zweiten Detektor 30 detektierte Intensität minimal ist. Wenn sich die Bragg-Wellenlänge λβ zu der in Figur 3 dargestellten spektralen Po- sition der Wellenlänge λι verschiebt, beispielsweise in Folge einer Temperaturänderung in der Umgebung des FBG-Sensors 10, dann ist die von dem zweiten und dem dritten Detektor 30 bzw. 32 detektierte Intensität etwa gleich groß und die von dem ersten Detektor 28 detektierte Intensität minimal.

Wenn das optische Signal 16 seine spektrale Position über eine oder mehrere Perioden P hin- weg verändert, dann wiederholen sich die mit den Detektoren 28, 30 und 32 delektierten Intensitäten nach jedem Durchlauf einer Periode. In Figur 3 ist zu sehen, dass es aufgrund des spektralen Versatzes von einem Drittel einer Periode P keine spektralen Positionen gibt, an denen zwei oder drei Transmissionsverläufe Tl, T2 und T3 zugleich ein lokales Extremum (lokales Minimum oder Maximum) aufweisen bzw. an denen die erste Ableitung (nach der Wellenlänge) von zwei oder drei Transmissionsverläufen Tl, T2 und T3 gleichzeitig Null ist. Dadurch ist es möglich, bei einem Wandern der spektralen Position der Bragg-Wellenlänge λβ die Anzahl der durchlaufenen Perioden mitzuzählen und festzustellen, in welche spektrale Richtung (zu einer größeren oder zu einer kleineren Wellenlänge) sich die Bragg-Wellenlänge bewegt. Dadurch kann eindeutig festgestellt werden, in welchem Periodenintervall sich die Bragg-Wellenlänge λ _Β befindet. Innerhalb des Periodenintervalls kann die Position der Bragg- Wellenlänge λβ anhand der Verhältnisse der gemessenen Intensitäten der optischen Detektoren 28, 30 und 32 eindeutig bestimmt werden.

Damit ist es möglich, mit lediglich zwei der drei Intensitätsmessungen die spektrale Position der Bragg-Wellenlänge λ _Β kontinuierlich zu bestimmen, sofern das Interferometer und die Messung nicht durch äußere Einflüsse gestört werden. Mithilfe der dritten unabhängigen Intensitätsmessung ist es möglich, eine Dämpfung, insbesondere einen Dämpfungsunterschied in den Interferometerarmen zu bestimmen. Der Dämpfungsunterschied führt zu einer verbleibenden Untergrundintensität für alle Wellenlängen, d.h. es tritt bei keiner Wellenlänge eine vollständig destrulctive Interferenz auf. Dadurch ergibt sich für zwei Detektoren ein Messfehler, der jedoch mithilfe der dritten Intensitätsmessung kompensiert werden kann.

Um die Messempfindlichlceit, das heißt die Genauigkeit, mit der die spektrale Position der Bragg-Wellenlänge λβ bestimmt werden kann, zu erhöhen, kann der optische Weglängendifferenz Δ1 im Interferometer vergrößert werden. Dadurch verkleinert sich die Periode P der Transmissionsverläufe Tl, T2 und T3 und ein spektrales Wandern der zu detektierenden Bragg-Wellenlänge λβ bewirkt eine schnellere Veränderung der Intensitäten an den Detektoren 28, 30 und 32.

Bei einem Mitzählen der Periodendurchläufe ist es möglich, jederzeit festzustellen, in welchem Periodenintervall sich die aktuelle spektrale Position eines optischen Signals 16 befindet. Dadurch kann die Bestimmung einer spektrale Position auch allein anhand der Zuord- nung zu einem bestimmten Wellenlängen- oder Periodenintervall, das sich beispielsweise zwischen lokalen Minima und/oder Maxima desselben oder unterschiedlicher Transmissionsverläufe Tl, T2 und T3 befindet, mit der Genauigkeit einer Periode P oder eines Periodenbruchteils vorgenommen werden. Die Bestimmung der Wellenlängenposition ist damit rein digital möglich. Weil die Periode P vom Weglängenunterschied Δ1 abhängig ist, kann die Ge- nauigkeit oder Auflösung der Messung durch eine Änderung von Δ1 verbessert werden. Ausgehend von einem bekannten Anfangs-Zählerstand kann also durch Mitzählen der Periodendurchläufe die aktuelle spektrale Position eines optischen Signals 16 absolut bestimmt werden.

Im Folgenden wird beschrieben, wie der Anfangs-Zählerstand und die anfängliche spektrale Position, beispielsweise nach einem Anschalten des Messsystems, ermittelt werden können.

Die Signale an den Detektoren des Interferometers sind zumindest näherungsweise proportional zu ^1 + cos (^-Δ1 + <p)j, wobei Δ1 der Weglängenunterschied zwischen den Interferometerarmen ist, λ die Wellenlänge des Eingangssignals ist und φ eine konstante Phasenverschiebung ist. Beispielsweise können beim Interferometer 18 der Figur 2 an den Detektoren 28, 30 und 32 die detektierten Intensitäten jeweils I ₂₈ , I30 und z betragen, die über die folgenden Zusammenhänge mit der Intensität I ₀ des eingehenden optischen Signals 16 in Beziehung stehen können:

_ 2 Δ1 2

^28— n "o 1 + cos I 2π— +—

Λ o

_ 2 Δ1 2π^

1 + cos ( 2π

λ ^~ ) ι ₃₂ ——\ ₀ 1 + cos I 2π

Da die cos-Terme für unterschiedliche Wellenlängen λ und unterschiedliche Weglängenunterschiede Δ1 den gleichen Wert haben können, z.B. wenn das Verhältnis ^ = 1, 2, 3, ..., n ist, kann die Bestimmung der Wellenlänge / des Weglängenunterschiedes aus dem Wert des cos- Terms bei Kenntnis des Weglängenunterschiedes / der Wellenlänge nicht eindeutig vorgenommen werden, wenn das Verhältnis ^ nicht bekannt ist. Es gibt also eine Mehrdeutigkeit, weil verschiedene Werte für das Verhältnis— Λ ^■ zum selben Wert des cos-Terms führen.

Um diese Mehrdeutigkeit zu vermeiden, können zunächst zwei optische Referenzsignale mit unterschiedlicher und jeweils bekannter Wellenlänge, beispielsweise mit den Bragg- Wellenlängen λ _Β1 und λ _Β2 , detektiert werden. Für die Bereitstellung dieser Wellenlängen können zum Beispiel zwei athermale Faser-Bragg-Gitter als Referenz-FBG oder andere stabile Wellenlängenreferenz-Quellen eingesetzt werden. Eines dieser Referenz-FBGs kann auch für die Bereitstellung des unten beschriebenen optischen Referenzsignals 48 vorgesehen sein und kann dafür an den Referenzsignaleingang 42 angeschlossen werden. Das andere Refe- renz-FBG kann an den Signaleingang 40 angeschlossen werden und kann später durch ein Mess-FBG ersetzt werden.

Mithilfe der zwei Detektormessungen bei unterschiedlicher Wellenlänge können die Werte der cos-Terme bestimmt werden. Wie oben beschrieben wurde, können zunächst keine eindeutig zugehörigen Phasen φ _1/2 = 2π——— (- φ _1/2 ermittelt werden, weil jeweils mehrere

' ^λ Β1/Β2 '

verschiedene Phasen zum selben Wert der cos-Terme führen.

Der Unterschied der beiden Wellenlängen Δλ _Β kann jedoch so gering gewählt oder eingestellt werden, dass sichergestellt, dass beide Wellenlängen λ _Β1 und λ _Β2 weniger als eine halbe In- terferenzperiode beabstandet sind. In diesem Fall ist der Phasenabstand Δφ kleiner als Phasenabstand Δφ kann durch die folgende Gleichung (1) dargestellt werden:

Δφ = φ ₂ - φ, = 2ττ-^- - 2π^- = 2ττ ^{Δ1( Βι} 7 ^λΒζ) = 2π , (1) wobei λ _Λ

Wenn durch λ _Λ = ^Β2 _^ ^Β1 > 2 ^■ Δ1 sichergestellt ist, dass Δφ < π ist, dann kann Δφ eindeutig

Δ Λβ

aus solchen Werten für und φ ₂ ermittelt werden, die beispielsweise aus einem der folgenden Intervalle jeweils eindeutig ermittelt werden können: [0;π], [ιτ;2π], [2π;3π], ..., [ηπ;(η + 1)π]. Aus Δφ kann dann der Weglängenunterschied Δ1 des Interferometers durch die folgende Gleichung (2) eindeutig ermittelt werden:

₌ ^Δ φ· λ _Β2 -λ _Β ι _ Δφ·λ _Λ

2π- (λ _Β1 -λ _Β2 ) 2π Demnach kann aufgrund der zwei Detektormessungen mit nahe beieinander liegenden bekannten Referenzwellenlängen λ _Β1 und λ _Β2 und aufgrund der Differenzbildung nach Gleichung (1) eine Mehrdeutigkeit bei der Ermittlung der Werte für φ und φ ₂ vermieden werden. Daher kann mit Gleichung (2) der Weglängenunterschied Δ1 des Interferometers eindeutig bestimmt werden. Auf ähnliche Weise kann auch eine unbekannte Wellenlänge λ eines optischen Signals eindeutig bestimmt werden: Für eine solche Bestimmung kann der Weglängenunterschied Δ1 des Interferometers geringfügig verstellt werden und das optische Signal für jeweils zwei unterschiedliche Weglängenunterschiede Ali und Δ1 ₂ detektiert werden. Die Änderung des Weglängenunterschieds Δ(Δ1)=Δΐ ₂ -Δ1ι kann beispielsweise mithilfe eines Heizwiderstands vorge- nommen werden, der in der Nähe eines Interferometerarms positioniert und geheizt werden kann. Wenn die Änderung zwischen den Weglängenunterschieden Δ(Δ1)=Δ1 ₂ -Δΐ _! kleiner ist als die Hälfte der Wellenlänge λ des optischen Signals, d.h. wenn Δ(Δ1)< dann ist Δφ<π, wobei (3) In diesem Fall kann Δφ = φ ₄ - φ ₃ eindeutig aus solchen Werten für φ ₃ und φ ₄ ermittelt werden, die beispielsweise aus einem der folgenden Intervalle jeweils eindeutig ermittelt werden können: [0;π], [π;2π], [2TT;3TT], ..., [ηπ;(η + 1)π].

Mit der folgenden Gleichung (4) kann dann die Wellenlänge λ aus dem Phasenabstand Δφ und aus der Änderung des Weglängenunterschieds Δ(Δ1) eindeutig ermittelt werden: λ = 2π^ ΔΓ φΤ (4) ^J

Demnach können sowohl die Anfangswellenlänge λ ₀ des optischen Signals, die zunächst unbekannt ist, als auch der Weglängenunterschied des Interferometers, beispielsweise mit Δ1ι=Δ1 oder mit Δ1 ₂ =Δ1+Δ(Δ1), getrennt und eindeutig bestimmt werden. Dadurch kann bei einer folgenden Messung, bei der sich die Anfangswellenlänge λ ₀ verändert, die absolute spektrale Position der Wellenlänge λ = λ ₀ + Δλ weiterhin ermittelt werden, nämlich indem eine Veränderung Δφ _3/4 der anfänglichen Phase φ _3/4 = 2TÜ - + ψ verfolgt wird und indem die durchlaufenen Interferenzperioden mitgezählt werden. Da die Anfangswellenlänge λ ₀ nach der Ermittlung bekannt ist und nur eine Veränderung der Phase verfolgt zu werden braucht, auf die der konstante Wert von φ keinen Einfluss hat, kann φ willkürlich gewählt bzw. festgelegt werden.

Diese Vorgehensweise, bei der ein Anfangs-Zählerstand mithilfe einer getrennten und eindeutigen Bestimmung von λ ₀ und Δ1 bzw. Δ1 _1; Δ1 ₂ bestimmt wird, kann beispielsweise als Initialisierungs-Prozedur einmalig nach dem Anschalten des Messsystems vorgenommen werden. Anschließend kann in einen Betriebsmodus für eine oder mehrere Messungen gewechselt werden. Mithilfe dieser Vorgehensweise ist es möglich, absolute Temperaturen zu erfassen, und nicht nur Temperaturänderungen.

Im Folgenden wird beschrieben, wie die Messung des optischen Signals 16 bei einem Störein- fluss auf das Faserinterferometer 18 korrigiert werden kann bzw. wie der Einfluss auf das Interferometer 18 kompensiert werden kann. Wie in Figur 2 gezeigt ist, kann dem Faserinterferometer 18 am Referenzsignaleingang 42 ein optisches Referenzsignal 48 zugeführt werden. Ebenso wie es zuvor für die Messung des optischen Signals 16 anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben wurde, kann auch das optische Referenzsignal 48, das das Interferometer 18 in entgegengesetzter Richtung zu dem optischen Signal 16 durchläuft, entsprechend mithilfe der optischen Referenzdetektoren 34, 36 und 38 gemessen werden.

Bei dem optischen Signal 48 kann es sich beispielsweise um das Signal eines athermalen Re- ferenz-FBG oder um ein schmalbandiges Intensitätssignal einer wellenlängenstabilen optischen Quelle handeln. Die Wellenlänge des Referenzsignals 48 ist bekannt. Wenn das Interferometer 18 durch äußere Einflüsse gestört wird, beispielsweise durch eine Temperaturveränderung, dann kann es zu einer Veränderung der optischen Weglänge Δ1 innerhalb des Interferometers 18 kommen, sodass sich an den Ausgängen des Kopplers 20 veränderte spektrale Transmissionsverläufe Tl , T2 und T3 ergeben. In Folge wird mithilfe der Detektoren 28, 30 und 32 eine scheinbare Veränderung der spektralen Position der Bragg- Wellenlänge λβ bestimmt, die jedoch nicht wirklich auf einer Änderung des zu messenden optischen Signals 16, sondern auf einem veränderten Interferometer 18 beruht.

Die Messkorrektur mithilfe der Referenzmessungen kann auf folgende Weise in zwei Schritten vorgenommen werden:

1. Die Detektoren 34, 36 und 38 aus Fig. 2, 5, 1, 9, 11 (jedoch nicht die Detektoren 38 aus Fig. 4, 6, 10, 12) liefern Signale näherungsweise proportional zu dem Term

27Γ 27Γ

1 + cos(— AI + k— ) mit k E {0; 1; 2} je nach Kanal. Dabei ist die Wellenlänge λ _Γ

y 3

bekannt - es handelt sich um die in den Referenzsignaleingang 42 eingespeiste Referenzwellenlänge. Somit kann aus dem gemessenen Detektorsignal die tatsächliche Weglängendifferenz Δ1 ermittelt werden.

2. Die Detektoren 28, 30 und 32 aus Fig. 2, 5, 7, 9, 11 (jedoch nicht die Detektoren 32 aus Fig. 4, 6, 10, 12) liefern Signale näherungsweise proportional zu dem Term

2TT 2TT

1 + cos(— ΔΙ + k— ) mit k E {0; 1; 2} je nach Kanal. Dabei ist die tatsächliche

X 3

Weglängendifferenz Δ1 bekannt - sie wurde im Schritt 1 ermittelt. Somit kann aus dem gemessenen Detektorsignal die zu messende Wellenlänge λ ermittelt werden.

Es handelt sich in dieser Betrachtung um ein überbestimmtes System (insgesamt 6 Messungen für 2 Unbekannte). Diese Überbestimmtheit kann jedoch dazu benutzt werden, die Intensität der verwendeten Lichtquelle(n) zu bestimmen und damit ihren Einfluss auf die Messung ebenfalls zu kompensieren. Dies ist möglich, indem die Summe der Detektorsignale der De- telctoren 28, 30 und 32 als Maß für die Intensität des optischen Signals 16 und die Summe der Detektorsignale der Detektoren 34, 36 und 38 als Maß für die Intensität des optischen Referenzsignals 48 herangezogen werden. Dabei dürfen das optische Signal 16 und das optische Referenzsignal 48 auch aus verschiedenen Lichtquellen gespeist werden.

Die verbleibende Überbestimmtheit kann auch dazu benutzt werden, durch Mittelwertbildung verbleibende statistische Messfehler zu reduzieren. Der oben beschriebene Algorithmus vermag nicht zu ermitteln, in welcher Interferometerperi- ode das optische Signal beziehungsweise das optische Referenzsignal liegt. Dies wird jedoch, wie beschrieben, durch das Mitzählen über mehrere Interferenzperioden bewerkstelligt.

Diese Korrektur hat den Vorteil, dass sie auf einfache Art und Weise im Anschluss an das Detektieren mit den Detektoren 28, 30 und 32 und den Referenzdetektoren 34, 36 und 38 vor- genommen werden kann. Das optische Signal kann kontinuierlich und störungsfrei gemessen werden, ohne dass dafür irgendwelche aktiven optischen Elemente, z.B. korrekturentsprechend zu schaltende Schalter, im Interferometer 18 erforderlich wären. Aktive optische Elemente sind insbesondere solche Elemente, die in Antwort auf eine elektrische Eingangsgröße eine optische Eigenschaft ändern. Eine Unterbrechung zum Zwecke einer Korrektur ist eben- falls nicht erforderlich.

Eine andere Möglichkeit der Messkorrektur bei einer Störung des Interferometers besteht darin, die elektrischen Detektionssignale der Referenzdetektoren 34, 36 und 38 für eine Rückkopplung zu verwenden. Über die Rückkopplung kann ein Kompensationsmittel (nicht gezeigt), das in mindestens einem Interferometerarm 24, 26 vorgesehen ist, gesteuert werden. Das Kompensationsmittel kann beispielsweise durch einen optisch integrierten Phasenmodulator, einen Fiber- Stretcher oder einer Delay-Line gebildet sein. Die Delay-Line ist besonders vorteilhaft, da mit ihr vergleichsweise hohe Weglängendifferenzen realisiert werden können. Mit der Rückkopplung kann der optische Weglängenunterschied Δ1 der Interferometerarme 24 und 26 in Antwort auf eine Störung so eingestellt werden, dass die detektierte Referenz- Wellenlänge auch bei einer Störung konstant bleibt oder nahezu konstant bleibt bzw. gehalten wird. Indem der Weglängenunterschied Δ1 in Antwort auf eine Störung so gesteuert wird, dass die gemessene Referenzwellenlänge mit der bekannten tatsächlichen Referenzwellenlänge übereinstimmt, kann der Störeinfluss auf die Referenzmessung kompensiert werden. Weil die Koppler 20, 22 und die Interferometerarme 24, 26 für die Referenzmessung und die Messung des optischen Signals 16 gemeinsam genutzt werden, wird durch die Kompensation der Referenzmessung gleichzeitig auch die Messung des optischen Signals 16 kompensiert. Diese Variante erfordert zwar eine aktive Kompensation, vermeidet jedoch dafür eine nachträgliche Kompensation oder Korrektur nach der Detektion, die weiterhin kontinuierlich erfolgen kann.

Die Figur 4 zeigt ein Faserinterferometer 118 gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Aus- führungsform, bei welcher der dritte optische Detektor 32 und der dritte optische Referenzde- tektor 38 jeweils an einem Ausgang des zweiten Faserkopplers 122 bzw. des ersten Faser- kopplers 120 angeschlossen sind, der sich jeweils auf der Seite der Interferometerarme 24 und 26 befindet. Im Unterschied zur ersten Ausfülirungsform 18 werden bei dem Faserinterferometer 118 gemäß der zweiten Ausführungsform jeweils sechs Ausgänge des ersten Faserkopplers 120 und des zweiten Faserkopplers 122 verwendet. Bei dem ersten Faserkoppler 120 und dem zweiten Faserkoppler 122 der zweiten Ausführungsform 118 des Faserinterferome- ters handelt es sich um 3x3 -Faserkoppler.

Das Faserinterferometer 118 kommt ohne die optischen Zirkulatoren 44 und 46 des Faserin- terferometers 18 der ersten Ausfuhrungsform aus, weil der Signaleingang 40 und der Referenzsignaleingang 42 jeweils nicht dazu verwendet werden, um einen auslaufenden Signalan- teil einem Detektor oder Referenzdetelctor zuzuleiten. Der dritte Detektor 32 und der dritte Referenzdetelctor 38 in dem Faserinterferometer 118 detektieren kein Interferenzsignal, sondern ein Signal, dessen Intensität unabhängig vom Weglängenunterschied Δ1 der Interferometerarme 24, 26 ist und das zumindest annähernd proportional zur Intensität des optischen Signals 16 bzw. des optischen Referenzsignals 48 ist. Dadurch kann beim Faserinterferometer 118, im Unterschied zum Faserinterferometer 18, allein mit dem Detektor 32 und allein mit dem Referenzdetektor 38 die Intensität des optischen Signals 16 bzw. die des optischen Referenzsignals 48 bestimmt werden. Beim Faserinterferometer 18 werden dafür jeweils mindestens zwei (Idealfall - d.h. bei Kenntnis der genauen Intensitäts- und Phasenbeziehung der jeweiligen Kopplerausgänge zueinander) bzw. jeweils drei (anhand der Summe der drei gemes- senen Intensitäten) der Detektoren 28, 30, 32 bzw. mindestens zwei oder alle drei der Referenzdetektoren 34, 36, 38 benötigt.

Beim Faserinterferometer 118 ist die Summe aus derjenigen Intensität, die in den Referenzsignaleingang 42 ausläuft und nicht detektiert wird, und denjenigen Intensitäten, die durch die Detektoren 28, 30 detektiert werden, - ebenso wie die am Detektor 32 gemessene Intensität - zumindest annähernd proportional zur Intensität des optischen Signals 16. Dadurch kann beim Faserinterferometer 118 mithilfe der Messung des Detektors 32 und der Messungen an den Detektoren 28, 30 in der Nachbearbeitung die nicht vorgenommene Messung der genannten Intensität, die durch den Referenzsignaleingang 42 ausläuft, rekonstruiert werden. Diese rekonstruierte Messung entspricht der Messung am Detektor 32 des Faserinterferometers 18. Entsprechendes gilt beim Faserinterferometer 118 auch für die Referenzmessungen.

Wie beim Faserinterferometer 18 liefert auch beim Faserinterferometer 118 die Messung am Detektor 32 bzw. am Referenzdetektor 38 eine dritte unabhängige Messung zusätzlich zu den jeweils zwei unabhängigen Messungen an den Detektoren 28 und 30 bzw. an den Referenzdetektoren 34 und 36. .

Es ist denkbar, dass die Dämpfung in den beiden Interferometerarmen 24 und 26 ungleich ist. Das kann beispielsweise passieren, wenn sich in den Interferometerarmen 24 und 26 Spleißoder Steckverbindungen unterschiedlicher Güte befinden. Eine solche ungleiche Dämpfung macht sich dadurch bemerkbar, dass keine vollständige destruktive Interferenz mehr stattfindet und über den ganzen Wellenlängenbereich eine Untergrundintensität detektiert wird. Wenn diese ungleiche Dämpfung immer gleich bleibt, lässt sich der Effekt durch entsprechende Kalibrierung des Messsystems egalisieren.

Problematischer ist es, wenn sich die Dämpfung während der Messung ändert, beispielsweise wenn das Interferometer - wie weiter unten beschrieben wird - als FT-Spektrometer betrieben wird und sich ein mechanischer Aktuator zur Veränderung des Weglängenunterschieds bewegt. Diese Bewegung kann auch eine Änderung der Dämpfung bewirken. Das muss beachtet werden, denn sonst könnte eine Intensitätsveränderung an den Detektoren falsch gedeutet werden. Ein in der Beobachtung der Ausgangsspektren gleicher, aber in der Ursache anders begründeter Effekt kann auch auftreten, wenn sich die beiden Teilintensitäten der Interfero- meterarme 24 und 26 im entsprechenden Faserkoppler 120 bzw. 122 nicht wieder genau gleichpolarisiert vereinigen. Mithilfe der Information der dritten Messung des dritten Detektors 32 bzw. des dritten Referenzdetektors 38 lässt sich bei den beschriebenen Faserinterfe- rometern 18, 118, 218, 318, 418, 518, 618, 718, 818 die durch den Dämpfungsunterschied bedingte Untergrundintensität, die sich während der Messung ändern kann, bestimmen und in der Nachverarbeitung kompensieren.

Im Folgenden wird ein Beispiel für eine Messkorrektur beschrieben, bei der zusätzliche Dämpfungsinformationen bestimmt werden. Diese Messkorrektur kann mit Hilfe der Referenzmessungen auf folgende Weise in zwei Schritten vorgenommen werden: 1. Die Referenzdetektoren 34, 36 und 38 aus Fig. 2, 5, 1, 9, 11 (jedoch nicht die Detektoren 12) liefern Signale näherungsweise proportional zu dem

Term Al + k - mit k E {0; 1; 2} je nach Kanal, a und

zeichnen die Dämpfungen in den Interferometerarmen 24 beziehungsweise 26, a, b€ ]0;l] mit a = 0 beziehungsweise b=0 bei Unterbrechung der Faser und a = 1 beziehungsweise b = 1 bei vollständiger Transmission. Dabei ist die Wellenlänge λ _Γ bekannt - es handelt sich um die in den Referenzsignaleingang 42 eingespeiste Referenzwellenlänge. Mit den drei Messungen können die drei unbekannten Terme (ab), und Δ/ bestimmt werden.

2. Die Detektoren 28, 30 und 32 aus Fig. 2, 5, 1, 9, 11 (jedoch nicht die Detektoren 32 aus Fig. 4, 6, 10, 12) liefern Signale näherungsweise proportional zu dem Term ab\ mit k G {0; 1; 2} je nach Kanal. Dabei ist die tatlab v λ

sächliche Weglängendifferenz Δ1 bekannt - sie wurde im Schritt 1 ermittelt. Somit kann aus den gemessenen Detektorsignalen die zu messende Wellenlänge λ ermittelt werden. Ebenfalls fällt Information zu den Termen (ab) und ab.

Es wird darauf hingewiesen, dass beim Faserinterferometer 118 die spektralen Transmissionsprofile für die Signalanteile des optischen Signals 16 und des Referenzsignals 48, die aus dem ersten Faserkoppler 120 bzw. aus dem zweiten Faserkoppler 122 auf der jeweils interfe- rometerabgewandten Seite auslaufen (jeweils zwei Teilsignale), wie bei dem Faserinterferometer 18 (jeweils drei Teilsignale) vorzugsweise um ein Drittel einer Periode gegeneinander versetzt sind, sodass das beschriebene„Mitzählen" der durchlaufenen Interferenzperioden auch mit dem Faserinterferometer 118 vorgenommen werden kann.

Figur 5 zeigt ein Faserinterferometer 218 gemäß einer dritten Ausführungsform, in der nur ein erster 3 2-Faserkoppler vorgesehen ist und bei der an jeweils einem Ende eines Interferome- terarms 24, 26 ein Reflektor 50, insbesondere ein Faraday-Reflektor, vorgesehen ist. Dieses Faserinterferometer 218 hat demnach den Aufbau eines Michelson-Interferometers. Der Signaleingang 40 sowie der Referenzsignaleingang 42 werden durch dieselbe optische Faser gebildet, die über einen optischen Zirkulator 44 faseroptisch mit einem Ausgang des ersten Faserkopplers 20 verbunden ist.

Es wird darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Beschreibung die Anschlüsse eines Faserkopplers auch dann als„Ausgänge" bezeichnet werden können, wenn sie dazu dienen, dem Koppler ein Signal zuzuführen.

In dem Faserinterferometer 218 der Figur 5 sind weiterhin ein erster, ein zweiter und ein dritter WDM-Koppler 52, 54 und 56 vorgesehen, die jeweils faseroptisch mit einem zugehörigen Ausgang des Faserkopplers 20 verbunden sind, der den Interferometerarmen 24 und 26 gegenüberliegt. Auf einer gegenüberliegenden Seite der genannten Ausgänge haben die WDM- Koppler 52, 54 und 56 jeweils zwei Ausgänge für unterschiedliche Wellenlängen, wobei jeweils ein Ausgang mit einem zugehörigen optischen Detektor 28, 30 bzw. 32 verbunden ist und der jeweils andere Ausgang mit einem zugehörigen optischen Referenzdetektor 34, 36 bzw. 38 verbunden ist. Der erste WDM-Koppler 52 ist über den genannten Zirkulator 44 mit dem ersten Koppler 20 faseroptisch verbunden. In dieser Ausführungsform 218 besitzen das optische Signal 16 und das optische Referenzsignal 48 eine unterschiedliche Wellenlänge, und sie können dem Faserinterferometer 218 gleichzeitig und kontinuierlich durch den genannten gemeinsamen Eingang 40 bzw. 42 zugeführt werden.

Das optische Signal 16 und das Referenzsignal 48 laufen in den ersten Koppler 20 ein und werden auf die Interferometerarme 24 und 26 aufgeteilt. Jeder der Interferometerarme 24 und 26 wird von einem Anteil des optischen Signals 16 und von einem Anteil des optischen Referenzsignals 48 durchlaufen und nach einer Reflexion der Signalanteile an den Reflektoren 50 ein zweites Mal durchlaufen. Die reflektierten, in den ersten Koppler 20 einlaufenden Teilsignale des optischen Signals 16 und des optischen Referenzsignals 48 interferieren jeweils mit- einander und werden jeweils auf drei auslaufende Teilsignale aufgeteilt, wobei die zugehörigen Transmissionsprofile um ein Drittel einer Periode zueinander versetzt sind. Jeweils ein Teilsignal des optischen Signals 16 und ein Teilsignal des optischen Referenzsignals 48 laufen gemeinsam in einen der zugehörigen WDM-Koppler 52, 54 und 56 ein und werden in diesem aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlänge getrennt, sodass die Teilsignale des optischen Signals 16 jeweils einem zugehörigen der optischen Detektoren 28, 30 bzw. 32 zu- geführt werden und die Teilsignale des optischen Referenzsignals 48 jeweils einem zugehörigen der optischen Referenzdetektoren 34, 36 bzw. 38 zugeführt werden.

Die Messung und Kompensation der Messung kann so durchgeführt werden, wie es zuvor anhand der Figuren 2 und 3 beschrieben wurde.

Wenn für das optische Signal 16 und das optische Referenzsignal 48 polarisiertes Licht ver- wendet wird, dann wird die Polarisation bei einer Verwendung von Faraday-Reflektoren 50 bei der Reflexion um 90 Grad gedreht. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die miteinander interferierenden Signale die gleiche Polarisation aufweisen, und die aus dem ersten Koppler 20 nach dem Interferieren auslaufenden Intensitäten gemäß der spektralen Interferenz-Transmissionsprofile der Figur 3 in die Kopplerausgänge einlaufen. Figur 6 zeigt ein Faserinterferometer 318 gemäß einer vierten Ausführungsform, die eine Abwandlung der zuvor genannten dritten Ausführungsform 218 ist. In dieser Ausfuhrungsform 318 ist der erste Faserkoppler 120 ein 3x3-Faserkoppler und die Einheit aus dem dritten WDM-Koppler 56, dem dritten Detektor 32 und dem dritten Referenzdetektor 38 ist an einen Ausgang des Faserkopplers 120 angeschlossen, der den anderen Ausgängen für die ersten und zweiten Detektoren 28, 30 und Referenzdetektoren 34, 36 gegenüberliegt.

Die Figur 7 zeigt ein Faserinterferometer 418 gemäß einer fünften Ausführungsform, die eine Abwandlung der ersten Ausführungsform 18 darstellt. In diesem Faserinterferometer 418 ist ein weiterer, dritter Interferometerarm 58 vorgesehen, der jeweils mit einem Anschluss des zweiten Faserkopplers 122 und mit einem Anschluss des ersten Faserkopplers 120 faserop- tisch verbunden ist.

Der erste, der zweite und der dritte Interferometerarm 24, 26 und 58 weisen jeweils eine unterschiedliche optische Weglänge auf, sodass zwischen dem ersten und zweiten Interferometerarm 24 und 26 ein erster optischer Weglängenunterschied Δΐι besteht und zwischen dem ersten und dritten Interferometerarm 24 und 58 ein zweiter optischer Weglängenunterschied Δ1 ₂ besteht.

Dadurch ergibt sich an den drei Ausgängen des ersten Faserkopplers 120 für die auslaufenden Teilsignale des optischen Signals 16 jeweils eine spektrale Transmission TU, T22 bzw. T33, wie sie in Figur 8 dargestellt ist. Wie der Figur 8 zu entnehmen ist, fluktuieren die spektralen Transmissionen T33, Tl 1 und T22 bei einer Veränderung der spektralen Position sowohl mit einer vergleichsweise ldeinen Periode PI als auch mit einer vergleichsweise großen Periode P2.

Bei den„schnellen" periodischen Fluktuationen (mit der Periode PI) der Verläufe T33, TU und T22 wechseln sich jeweils ein großes Maximum mit einer vergleichsweise hohen Transmission und ein kleines Maximum mit einer vergleichsweise geringen Transmission ab. Die in Figur 8 eingezeichnete Periode PI bezeichnet den spektralen Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden großen Maxima das Verlaufes T22 für den Ausgang zum zweiten Detektor 30, zwischen denen sich ein kleines Maximum befindet.

Entlang der spektralen Achse verändern sich die Werte der großen Maxima und der ldeinen Maxima ebenfalls periodisch mit der vergleichsweise großen Periode P2. In der Figur 8 ist weiterhin anhand der Positionen der lokalen Minima zu erkennen, dass sich mit drei Interferometerarmen 24, 26, 58 und zwei Weglängenunterschieden Alj und Al ₂ solche spektralen Positionen ergeben können, an denen die Ableitung von mehreren der Verläufe T33, TU und T22 gleichzeitig Null ist. Dadurch kann ein Mitzählen zur Bestimmung der spektralen Position und ihrer Veränderung erschwert oder unmöglich werden. Um dieses Problem zu umgehen, kann in einem der Interferometerarme 24, 26 oder 58 ein optischer Schalter vorgesehen sein, mit dem die optische Verbindung getrennt werden kann, so dass sich eine Messanordnung ergibt, die dem Interferometer 18 der Figur 2 mit den Verläufen Tl, T2 und T2 der Figur 3 entspricht. Mit diesen Verläufen Tl, T2 und T2 sind die Mitzählbarkeit und damit die eindeutige Bestimmbarkeit wieder gegeben. Demnach kann mit dem Interferometer 418 mit einer ersten Messanordnung, bei der sich an den drei Deteldor- und Referenzdetektorausgängen des ersten bzw. zweiten Kopplers 122 bzw. 120 die spektralen Transmissionen TU, T22 und T33 ergeben, und mit einer zweiten Messanordnung, bei der sich die spektralen Transmissionen Tl, T2 und T3 ergeben, gemessen werden. In der ersten Messanordnung kann unter Ausnutzung der„langsamen" periodi- sehen Veränderung mit der Periode P2 eine grobe Bestimmung einer spektralen Position vorgenommen werden. Anschließend kann die spektrale Position in der zweiten Messanordnung mithilfe der„schnelleren" periodischen Veränderung der Periode P aus Figur 3 genauer bestimmt werden.

Auch wenn die Funktionsweise sämtlicher Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Inter- ferometer in der vorliegenden Beschreibung hauptsächlich im Zusammenhang mit dem opti- sehen Signal 16 beschrieben wurden, kann die Beschreibung aufgrund der Interferometer- symmetrie genauso für die jeweilige Funktionsweise im Zusammenhang mit dem optischen Referenzsignal 48 gelten. Dies trifft insbesondere auch auf die oben beschriebene Funktionsweise des Interferometers 418 zu, die ebenso in Bezug auf die Referenzmessung gilt.

Die Figuren 9, 10, 11 und 12 zeigen jeweils ein erfindungsgemäßes Faserinterferometer ge- mäß einer sechsten Ausführungsform 518, einer siebten Ausführungsform 618, einer achten Ausführungsform 718 und einer neunten Ausführungsform 818, die als Fourier- Transformations(FT)-Spektrometer verwendet werden können.

Diese Ausführungsformen 518, 618, 718, 818 ähneln denen der Figuren 2, 4, 5 und 6. Im Unterschied zu diesen Ausführungsformen 18, 118, 218, 318 umfassen die Ausfuhrungsformen 518, 618, 718, 818 der Figuren 9 bis 12 weiterhin ein Stellmittel 60 in zumindest einem der Interferometerarme 24 und 26, mit dem die optische Weglänge des betreffenden Interferome- terarms über einen vorbestimmten Bereich verändert werden kann. Dadurch können die dargestellten Interferometer 518, 618, 718 und 818 nicht nur zur Bestimmung der Wellenlänge bzw. der spektralen Position eines schmalbandigen optischen Signals 16, sondern zusätzlich auch als FT-Spektrometer zur Bestimmung einer spektralen Intensitätsverteilung eines breit- bandigen optischen Signals 16 verwendet werden.

Bei dem Stellmittel 60 kann es sich beispielsweise um einen piezoelektrischen Fiber- Stretcher, eine optische Delay-Line oder um einen optisch integrierten Phasenmodulator handeln. Anders als es zuvor für die Messkorrektur mithilfe eines Kompensationsmittels be- schrieben wurde, wird das Stellelement 60 nicht zur Kompensation eines Störeinflusses verwendet, sondern als Messelement. Mit dem Stellmittel wird die Messanordnung absichtlich verändert, so dass für unterschiedliche Weglängenunterschiede Δ1 (die auch als„Retardierung" bezeichnet werden) absichtlich unterschiedliche Intensitäten für das gleiche Eingangsspektrum des optischen Signals 16 an den Detektoren 28, 30, 32 erzeugt werden und mit die- sen detektiert werden. Gegenüber dem optisch integrierten Phasenmodulator wird der Fiber- Stretcher und insbesondere die Delay-Line aufgrund einer üblicherweise höheren erreichbaren Retardierung bei der FT-Spektrometer- An Wendung bevorzugt eingesetzt.

Für das Referenzsignal 48 wird vorzugsweise ein stabiles schmalbandiges Signal mit einer bekannten Wellenlänge λ verwendet, so dass der aktuelle Weglängenunterschied Δ1, der die aktuellen spektralen Transmissionsverläufe Tl, T2, T3 für die auslaufenden Interferenzanteile des Signals 16 und des Referenzsignals 48 bestimmt, jederzeit mit der Referenzmessung bestimmt werden kann.

Wie es aus der Fourier-Transformationsspektroskopie bekannt ist, kann das Eingangsspektrum S(v) eines optischen Signals 16 mithilfe der folgenden Formel aus Messungen von Ι(Δ1) und Δ1 bestimmt werden:

+oo

S(y) = j I(Al) D (y) cos(2nv AI) d AI

— 00

Dabei bezeichnen

v die Wellenzahl 1/λ,

D(v) eine Fensterfunktion, die beispielsweise in der Betriebsbandbreite des Interferometers einen Wert von 1 besitzt und sonst Null ist,

Δ1 den Weglängenunterschied der Interferometerarme, dessen Wert für die Messungen mithilfe des Stellmittels 60 verändert wird und mithilfe der Referenzmessung jeweils bestimmt wird, und

Ι(Δ1) die mit einem der Detektoren 28, 30 oder 32 detektierte Intensität bei einem zugehörigen Weglängenunterschied Δ1, von der eine konstante Untergrundintensität, die ebenfalls durch den jeweiligen Detektor gemessen wurde, bereits abgezogen wurde.

Zur Bestimmung des Eingangsspektrums S(v) eines optischen Signals 16 werden also mithilfe des Stellmittels 16 der optische Weglängenunterschied Δ1 über einen vorbestimmten Bereich verändert und dabei Ι(Δ1) und die zugehörigen Δ1 gemessen.

Für die FT-Bestimmung werden unter Idealbedingungen lediglich ein Detektor zur Messung von Ι(Δ1) und zwei Referenzdetektoren zur eindeutigen Messung Δ1 benötigt. Bei nicht vor- liegenden Idealbedingungen können weitere Detektoren und/oder Referenzdetektoren eingesetzt werden. Wie es zuvor für die Bestimmung einer spektralen Position beschreiben wurde, so kann auch Δ1 eindeutig mithilfe eines Mitzählens, z.B. der durchlaufenen Minima und/oder Maxima, bestimmt werden, weil der spektrale Versatz zwischen jeweils zwei der spektralen Transmissionsverläufe Tl, T2, T3 geringer als 180° ist. Im Vergleich zu bekannten FT-Interferometern bieten die erfindungsgemäßen Faserinterfe- rometers den Vorteil, dass die Bestimmung der Weglängenunterschiede Δ1 ganz einfach und unkompliziert über ein Mitzählen vorgenommen werden kann. Es ist beispielsweise nicht notwendig, bestimmte Werte für Δ1 über ein sehr präzise einstellbares Stellmittel mithilfe ei- ner genauen Steuerung einzustellen, weil Δ1 über eine genaue Referenzmessung bestimmt wird, die mit der Signalmessung vergleichbar ist und gleichzeitig zu dieser erfolgt, so dass die Messungen von zusammengehörigen Messwerten von Ι(Δ1) und Δ1 denselben Störungen unterliegen, die sich daher nicht auf die Bestimmung des Eingangsspektrums S(v) auswirken. Das erfindungsgemäße FT-Spektrometer bietet den weiteren Vorteil, dass es ganz oder zu- mindest großteils ohne freistrahloptische Elemente aufgebaut werden kann. Dadurch kann beispielsweise eine Beeinträchtigung durch Verschmutzen verhindert werden.

Figur 13 zeigt das Ergebnis einer Simulation des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Ermittlung eines Spektrums eines optischen Signals 16.

In Figur 13 werden von oben nach unten fünf Bearbeitungsschritte gezeigt. In den oberen bei- den Diagrammen ist ein simuliertes bzw. willkürlich generiertes Eingangsspel trum S(X) bzw. S(v) eines optischen Signals 16 gezeigt, wobei das oberste Diagramm die spektrale Intensität 8(λ) in Abhängigkeit der Wellenlänge λ zeigt und das zweite Diagramm von oben die spektrale Intensität S(v) in Abhängigkeit der Wellenzahl v zeigt.

Das mittlere Diagramm zeigt in Abhängigkeit des Weglängenunterschieds oder der Retardie- rang Δ1 das Interferogramm Ι(Δ1) des Eingangsspektrums S(v), das über die folgende Fourier- Transformation mit dem Spektrum S(v) in Zusammenhang steht, in der /(Δ1) das Interferogramm, jedoch ohne bereits abgezogene Untergrandintensität bezeichnet:

/(ΔΖ) = 5(v) D(y) [l + cos(2nvM)]dv

Der erste Term hinter dem zweiten Gleichheitszeichen gibt die obengenannte konstante Untergrundintensität an, die sich beim Detektieren nicht mit Δ1 verändert.

Die unteren beiden Diagramme der Figur 13 zeigen das aus den simulierten Messwerten Ι(Δ1) . und Δ1 rekonstruierte Eingangsspektrum 5(v) bzw. S(X), jeweils in Abhängigkeit der Wellenzahl v und der Wellenlänge λ, das - wie oben beschrieben - gemäß der folgenden Fourier- Transformation bzw. inversen Fourier-Transformation bestimmt wurde: (v) = j I(M) D(y) cos(2 vM) dM Es wird darauf hingewiesen, dass die zuvor beschriebenen Ausführungsformen als lediglich beispielhaft und die Erfindung nicht einschränlcend anzusehen sind. Auch wenn bestimmte Merkmale und Funktionsweisen nur in Bezug auf bestimmte Ausfuhrungsformen oder nur in Bezug auf das Referenzsignal 48 oder das optische Signal 16 beschrieben wurden, können sie auf in anderen Ausführungsformen enthalten sein oder für das jeweils andere Signal des Refe- renzsignals 48 und des optischen Signals 16 gelten. Beispielsweise kann die Beschreibung in Bezug auf die Ausführungsformen der Figuren 2, 4, 5 und 6 jeweils auch entsprechend für die ähnlich aufgebauten Ausführungsformen der Figuren 9, 10, 11 bzw. 12 gelten.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 FBG-Sensor

12 Bragg-Gitter

14 Beleuchtungssignal

16 Optisches Signal

18 Faserinterferometer gemäß einer ersten Ausführungsform

118 Faserinterferometer gemäß einer zweiten Ausfuhrungsform

218 Faserinterferometer gemäß einer dritten Ausführungsform

318 Faserinterferometer gemäß einer vierten Ausführungsform

418 Faserinterferometer gemäß einer fünften Ausführungsform

518 Faserinterferometer gemäß einer sechsten Ausführungsform

618 Faserinterferometer gemäß einer siebten Ausführungsform

718 Faserinterferometer gemäß einer achten Ausführungsform

818 Faserinterferometer gemäß einer neunten Ausführungsform

20 Erster Faserkoppler, 2x3 -Koppler

120 Erster Faserkoppler, 3 3 -Koppler

22 Zweiter Faserkoppler, 2x3 -Koppler

122 Zweiter Faserkoppler, 3x3 -Koppler

24 Erster Interferometerarm

26 Zweiter Interferometerarm

28 Erster optischer Detektor

30 Zweiter optischer Detektor

32 Dritter optischer Detektor

34 Erster optischer Referenzdetektor

36 Zweiter optischer Referenzdetektor

38 Dritter optischer Referenzdetektor

40 Signaleingang

42 Referenzsignaleingang

44 Erster optischer Zirkulator

46 Zweiter optischer Zirkulator

48 Optisches Referenzsignal

50 Reflektor

52 Erster WDM-Koppler

54 Zweiter WDM-Koppler Dritter WDM-Koppler Dritter Interferometerarm Stellmittel