волны, благодаря которым возникает дифракция света в волноводе. Для возбуждения поверхностных акустических воли необходим пьезоэлектрический материал в качестве преобразователя. Так, для светового волновода на кварцевом стекле это напыленная тонкая пьезоэлектрическая пленка (например, ZnO), на которой формируются встречно-штыревые электроды антенны. Однако использование пьезоэлектрической пластины, например, из LiNbOs, где канальный волновод создается диффузией Ti, существенно упрощает изготовление, благодаря превосходным акустическим и оптическим свойствам этого кристалла. Именно такой модулятор показан на рис. 4.26. Встречно-штыревая система состоит из трех пар штырей длной 2 мм (ширина фронта поверхностной акустической волны) с шагом 20 мкм. При этом на частоте модуляции 300 МГц при входной высокочастотной мощности около 80 мВт получается коэффициент дифракции не менее 70 %.

4.7.7. Модуляторы фазы света. Как показано на рис. 4.27, с помощью электродов на канальном волноводе в пластине LiNbOg можно изменять фазу света по принципу, описанному выше, и при такой же ориентации кристалла и напряжении 6 В получить фазовый сдвиг около п/2.

4.7.8. Устройства частотного сдвига. Устройство фазового типа. По тому же принципу, что и объемный прибор в п. 4.6.2, можно создать устройство сдвига частоты, используя модулятор фазы, показанный на рис. 4.27, и подавая на его электроды пилообразное напряжение. Эта структура проста и может возбуждаться низким напряжением, однако имеет и определенные недостатки, а именно: если форма пилообразного напряжения отличается от оптимальной, то возникают также частотные сдвиги на более высоких гармониках. Кроме того, из-за сложности формирования пилообразного напряжения с крутым срезом получаемый сдвиг частоты невелик (в настоящее время достигает нескольких десятков мегагерц).

Устройство на поверхностных акустических волнах. В ультразвуковом модуляторе, представленном на рис. 4.26, дифрагированный свет первого порядка подвергается частотному сдвигу только частотой ультразвука. Поскольку поверхностные акустические волны можно возбуждать на частотах около

Источник

пилообразного напряжения

(0 + 0).

Y-cpes кристалла, ниобата лития

Рис. 4.27. Интегральный модулятор фазы света и частотный сдвигатель

ЗдБ- ответвитель

Лазер

Фотодиод

Чувствительное кольцо

Поляризатор Ti:biNbOj из оптического волокна

Рис. 4.28. Оптическая интегральная схема для волоконно-оптического гироскопа

Преобразователь мод ТЕ/ТМ

Расщепитель

мод ТЕ и ТМ Оптическое болокно L- с сохранением поляризации

Анализатор спектра

Лавинный.

сротодиод

Сдвигатель частоты

Оптический, сигнал (fo-fs)y

Основной. о> Цр луч Четверть-

волновая . „ пластина

Рис. 4.29. Структура оптической иитегральиой схемы для лазерного допле-ровского измерителя скорости

1 ГГц, то по Сравнению с фазовым методом здесь можно получить большой частотный сдвиг.

4.7.9. Оптическая ИС для волоконно-оптических гироскопов.

О схемах, где все необходимые элементы оптической системы волоконно-оптического датчика были бы интегрированы иа одной подложке, пока еще не сообщалось в печати. Здесь рассмотрим общую оптическую ИС, которая является частью волоконно-оптического гироскопа (рис. 4.28). Канальные волноводы, выполненные на кристалле LiNbOs диффузией Ti, связаны через два направленных 3 дБ-ответвителя и комбинируются с поляризатором и элементом сдвига фазы. Лазерный диод и фотодиод являются навесными элементами. Кроме того, к схеме

требуется присоединить оптическое волокно. Необходимо учитывать, что во всех этих соединениях могут возникать отраженные волны, которые плохо влияют на характеристики гироскопа.

4.7.10. Оптическая ИС для волоконно-оптического лазерного доплеровского измерителя скорости. Разработан лазерный доплеровский измеритель скорости, в котором оптическое волокно используется для приема и передачи светового сигнала или как зонд. Оптическая система измерителя содержит различные элементы, которые можно интегрировать в одной оптической ИС. Общая схема такой ИС приведена на рис. 4.29. Она выполнена на подложке LiNbOs с дс-срезом и с распространением волны вдоль оси Z по волноводам шириной 4 мкм, сформированным диффузией Ti. В схеме комбинируются волноводные сочленения для разделения и соединения световых лучей по мощности (последнее сопровождается интерференцией), элемент фазового типа для сдвига частоты, расщепитель мод, преобразователь мод и другие оптические элементы. К схеме присоединяется оптическое волокно, сохраняющее поляризацию. Если множество подобных оптических элементов интегрировать на одной подложке, то получится устройство не только малогабаритное, но и виброустойчивое.

4.8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выше были рассмотрены элементы оптических схем, необходимые для создания волоконно-оптических датчиков. За последние годы улучшилось качество элементов, во многом облегчилась задача комбинирования оптических систем для волоконно-оптических датчиков. Более того, многие из этих элементов уже появились в продаже. Однако расширение функциональных возможностей оптических систем сопровождается увеличением числа элементов, что приводит к появлению таких проблем, как сопряжение оптических осей и стабильность характеристик. Для крепления оптических элементов разрабатываются различные клеи на основе смол, применяются связующие, мгновенно затвердевающие при ультрафиолетовом облучении. Однако необходимо всегда учитывать сдвиг оптических осей вследствие сжатия и расширения из-за колебаний температуры, влажности и т. д. Интеграция элементов в виде тонких пленок на одной подложке позволит решить многие Аз подобных проблем. Будущее-безусловно за интегральными приборами.

Глава пятая

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ С ВОЛОКНОМ В КАЧЕСТВЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ

5.1. ВВЕДЕНИЕ

В ГЛ. 2-4 были рассмотрены оптические волокна, источники , и приемники .света, элементы оптических схем, необходимые для создания волоконно-оптических датчиков. Как отмечалось в гл. 1, волоконно-оптические датчики по характеру использования оптического волокна, делятся на два типа: 1) в которых волокно служит только для передачи сигналов; 2) в которых волокно является собственно чувствительным элементом. В данной главе описываются волоконно-оптические датчики первого типа, интенсивно исследуемые и разрабатываемые в настоящее время. Эти датчики чувствительны к температуре, давлению, вибрации, электрическому и магнитному полю, скорости, составу газа, уровню жидкости и т. д. Многие из них постепенно находят практическое применение.

Вначале описываются способы структурирования волоконно-оптических датчиков, затем принцип их работы, особенности проектирования, способы увеличения отношения сигнал -шум, компенсации дрейфа. Далее на базе классификации параметров света (интенсивность, поляризация, частота, фаза), подвергаемых модуляции, рассматриваются типовые структуры датчиков и их характеристики. В заключение кратко описывается область применения.

5.2. БАЗОВАЯ ТЕХНИКА

5.2.1. Принцип устройства. Волоконно-оптические датчики, в которых оптическое волокно служит линией для распространения света (табл. 5.1), можно разделить на датчики с оптическим преобразователем и датчики с оптическим зондом.

Датчики с оптическим преобразователем (рис. 5.1, а) представляют собой систему, содержащую какой-либо оптический материал или чувствительный к механическому воздействию оптический элемент, преобразующие изменение параметров внешней среды в изменение параметров светового луча. Преобразователь помещен между торцами передающего и приемного оптического волокна. Применяются главным образом многомодовые волокна и пучки волокон. В качестве источника света здесь чаще всего используются светодиоды с малыми шумами, а в качестве детектора света - pin-фотодиоды, обладающие

Таблица 5.1. Характеристики волокоиио-оптических датчиков с волокном в качестве линии передачи

Измеряемая физическая величина, объект, явление

Модулируемый параметр света

Электрический ток, напряженность магнитного поля

Электрическое напряжение, напряженность электрического поля

Температура

Смещение, деформация, давление

Колебания Скорость Скорость потока Уровень

Качество поверхности

Радиоактивное ние

Изображение

излуче-

Концентрация газа Прочее

Поляризация

Поляризация

Интенсивность Интенсивность

Спектр

Поляризация Фаза

Интенсивность

Поляризация Интенсивность Частота Интенсивность

Частота Интенсивность

Принцип действия, используемое физическое явление

Эффект Фарадея, эффект Котто-на - Мутона

Эффект Поккельса, эффект Керра, электрогироскопический эффект

Эффект Франца - Келдыша, электролюминесценция

Прерывание оптического пути непрозрачной заслонкой, изменение коэффициента прозрачности полупроводника, изменение постоянной рассеяния света в жидком кристалле, люминесценция

Тепловое излучение тел, в том чясле излучение черного тела

Изменение коэффициента двой ного лучепреломления

Изменение передаточной характеристики резонатора Фабри- Перо

Изменение интенсивности отраженного света, эффект пьезо-поглощения, прерывание оптического пути непрозрачной заслонкой, изменение постоянной рассеяния света в жидком кристалле

Фотоупругость Смещение спектра Эффект Доплера

Прерывание оптического пути, поглощение света

Изменение коэффициента отражения твердым телом, дифракция света

Радиационная люминесценция

Передача изображения волоконным пучком

Смещение спектра поглощения молекул

Рамановское рассеяние Поглощение и рассеяние жидкостями, частицами

Источник света 1

Ответвитель i---.1--

I Л -

г-----Т

I Источник 1 / 1 света 2 I ,-J

Оптическое волокно

Измеряемый объект

Чувствительный оптический преобразовательный элемент

Ответвитель

I I

- V

Оптическое i I волокно " I

Световой детектор 1

~Световой 1 I детектор 2 j

Направленный ответвитель

I Источник 1 света

Измеряемый объект

Рис. 5.1. Схемы датчиков с оптическим преобразователем (а) н оптическим

зондом, (б)

термостабильными характеристиками. Датчики этой системы обычно просты по конструкции и, как правило, высоконадежны.

Схема датчика с зондом из оптического волокна приведена на рис. 5.1,6. Здесь световая информация, излучаемая, отраженная или рассеянная объектом измерения, выделяется с помощью сенсорной головки, состоящей из соответствующего объектива и оптического волокна, и поступает в световой детектор. Используются разнообразные оптические волокна (одномодовые, многомодовые), а также волоконные пучки. В качестве источника света в зависимости от типа датчика применяется лазер или светодиод. Волоконно-оптические датчики этого типа отличаются высокой чувствительностью и обычно применяются в области бесконтактных измерений.

5.2.2. Принцип действия. Для световой волиы, распространяющейся в виде синусоидального колебания, вектор напряженности электрического поля можно описать следующей формулой:

E = Asin(cu< + ij)). (5.1)

Из этой формулы следует, что измеряемым объектом может модулироваться интенсивность света Ар, его поляризация (направление вектора А), частота и, фаза \з и любой из этих видов модуляции может применяться в волоконно-оптическом датчике.