з) Покро/тие ф Покрштие

Рис. 1.3. Одномодовое (а) п много.модовое (б) оптическое волокно

Сердечник [п.,) \ Сердечник (щ)

Оболочка (TI2) Ьболочт{п

волокон преимущества и недостатки меняются местами; дисперсия уменьшается, но малый (5. ..10 мкм) диаметр сердечника значительно затрудняет соединение волокон этого типа и введение в них светового луча лазера.

Вследствие этого одномодовые оптические волокна нашли преимущественное применение в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации (линии верхнего ранга в иерархической структуре линий связи), а многомодовые чаще всего используются в линиях связи со сравнительно невысокой скоростью передачи информации. Имеются так называемые когерентные волоконно-оптические линии связи, где пригодны только одномодовые волокна. Исследования таких линий в Японии начались в 1978 г., и, с точки зрения авторов книги, особенно продвинулись в середине 1980-х годов, причем сравнительно с результатами основных исследовательских организаций по электросвязи во всем мире выглядели более успешными. В многомодовом оптическом волокне когерентность принимаемых световых волн падает, поэтому его использование в когерентных линиях связи непрактично, что и предопределило, применение в подобных линиях только одномодовых оптических волокон.

Напротив, хотя при использовании оптических волокон для датчиков вышеуказанные факторы тоже имеют место, но во многих случаях их роль уже иная. В частности, при использовании оптических волокон для когерентных измерений, когда из этих волокон формируется интерферометр, важным преимуществом одномодовых волокон является возможность передачи информации о фазе оптической волны, что неосуществимо с помощью многомодовых волокон. Следовательно, в данном случае необходимо только одномодовое оптическое волокно, как и в когерентных линиях связи. Тем не менее на практике применение одномодового оптического волокна при измерении нетипично из-за небольшой его дисперсии. Короче говоря, в сенсорной оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферометров, используются многомодовые оптические волокна. Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина 10

используемых оптических волокон значительно меньше, чем в системах оптической связи.

1.2.4. Характеристики оптического волокна как структурного элемента датчика и систем связи. Прежде чем оценивать значимость этих характеристик для обеих областей применения, отметим общие достоинства оптических волокон:

широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);

малые потери (минимальные 0,154 дБ/км); малый (около 125 мкм) диаметр; малая (приблизительно 30 г/км) масса; эластичность (минимальный радиус изгиба 2 мм); механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);

отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в телефонии «переходных разговоров»);

безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети);

взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);

высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10 000 В);

высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.

В области оптической связи наиболее важны такие достоинства волокна, как широкополосность и малые потери, причем в строительстве внутригородских сетей связи наряду с этими свойствами особое значение приобретают малый диаметр и отсутствие взаимной интерференции, а в электрически неблагоприятной окружающей среде - безындукционность. Последние же три свойства в большинстве случаев здесь не играют какой-либо заметной роли.

В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшее значение последние четыре свойства. Достаточно полезны и такие свойства, как эластичность, малые диаметр и масса. Широкополосность же и малые потери значительно повышают возможности оптических волокон, но далеко не всегда эти преимущества осознаются разработчиками датчиков. Однако, с современной точки зрения, по мере расширения функциональных возможностей волоконно-оптических датчиков в ближайшем будущем эта ситуация понемногу исправится.

Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть роль самого чувствительного элемента датчика. В последнем случае используются чувстви-

Датчики с оптическим волокном

Проходящего типа

ЧубшИшпвльный элемент

Z-е~~

Источник сбета

Детектор

Электрическое напряжение, напряженность электрического поля

Эффект Поккель-са

Сила электриче-ческого тока, напряженность магнитного поля

Эффект Фарадея

Температура

Изменение поглощения полупроводников

Изменение постоянной люминесценции

Прерывание оптического пути

Гидроакустическое давление

Полное отражение

Ускорение

Концентрация газа

Отражательного типа

Чцвстбтелшыщ элемент

Источник света

шетемюр

Звуковое давление в атмосфере

Концентрация кислорода в крови

Интенсивность СВЧ-излучення

Фотоупругость

Поглощение

Многокомпонентная интерференция

Изменение спектральной характеристики

Изменение коэффициента отражения жидкого кристалла

в качестве линии передачи Составляющая поляризация

Угол поляризации

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

Интенсивность отраженного света

Пучковое

1 . . , 1000 В; 0,1 . 1000 В/см

Точность ±1 % при 20 ... 85 °С

- 10 ... +300 °С (точность ±1 °С)

О ... 70 °С (точность ±0,04 °С)

Режим «вкл. - выкл.»

Чувствительность 1 ... 10 мПа

Чувствительность около

1 Mg

Дистанционное наблюдение на расстоянии до 20 км

Чувствительность, характерная для 12,7-мнл-лиметрового конденсаторного микрофона

Доступ через катетер

Неразрушающий контроль

Структура Антенного типа

Измеряемая физическая величина

Используемое физическое явление, свойство

f \

Детектор

Параметры высоковольтных импульсов

Температура

Излучение световода

Инфракрасное излучение

Датчики с оптическим волокном

Кольцевой интерферометр

R га

о, t-<и S о а,

Интерферометр Маха - Цен-дера

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Сила электрического тока, напряженность магнитного поля

Магиитострикция

Сила электрического тока

Эффект Джоуля

Ускорение

Механическое сжатие и растяжение

Интерферометр Фабри - Перо

Гидроакустическое давление

Фотоупругость

Температура

Тепловое сжатие и расширение

Спектр излучения

Волновая фильтрация

Детектируемая величина

Оптическое волокно

Параметры и особенности измерений

Интенсивность пропускаемого света

Многомодовое

Инфракрасное

Длительность фронта до 10 ис

250 .. . 1200 X (точность ±1 %)

в качестве чувствительного элемента

0,02 . . . °/ч

Фаза световой волны

Одномодовое

Фаза световой волны (полиии-терференция)

Интенсивность пропускаемого света

Волокно с сохранением поляризации

1 ... 100 рад-атм/м

Ч увствительность 10-9 А/м

Чувствительность 10 мкА

1000 рад/g

Высокая чувствительность

Высокая разрешающая способность