электрического напряжения - с покрытием оптического волокна соответственно из магнитострикционного и электрострикцион-ного материала или с оптическим волокном, намотанным на цилиндр из этих материалов. Кроме того, возможны различные другие конструкции подобных датчиков на оптическом волокне.

На рис. 6.1, б представлена схема датчика, в котором используется вращение плоскости поляризации. По сути он соответствует измерителю тока или напряженности магнитного поля на эффекте Фарадея. Показанный на рис. 6.1, в чувствительный элемент на основе изменения потерь исследуется с точки зрения применения его в датчике давления, концентрации газа и радиоактивного излучения. На рис. 6.1, г представлена схема датчика распределения, измеряющего коэффициент отражения методом наблюдения за формой отраженного сигнала (OTDR). Этот метод был разработан с целью обнаружения мест разрыва оптического волокна в линии связи и определения потерь вдоль оптического волокна. Он предусматривает измерение очень слабого света обратного рэлеевского рассеяния в системе с высоким отношением сигнал - шум. В последнее время исследуются структуры датчиков, работающих на этом принципе, для измерения распределения таких величин, как температура, давление и др. Таблица 6.1 дает представление о направлениях исследований датчиков указанных типов.

6.3. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

6.3.1. Структуры волокоино-оптических интерферометров и шумовые факторы. Перед описанием конкретных датчиков рассмотрим принципы структурирования волоконно-оптических интерферометров, свойственные этим устройствам шумы и меры борьбы с ними.

Структуры. На рис. 6.3 представлены основные структуры волоконно-оптических интерферометров, в частности на рис. 6.3, а и б - структуры, особенно важные для волоконно-оптических гироскопов. Они образуют единую систему. Обе эти структуры будут еще раз рассмотрены в гл. 7. В интерферометрах Маха - Цендера и Майкельсона одни концы двух одномодовых оптических волокон предназначены для чувствительного элемента, другие - для опорного сигнала. В отличие от них интерферометры Фабри - Перо и интерферометры с поляризованными модами выполнены лишь на одном оптическом волокне и разработаны с учетом использования тех или иных особенностей волокна.

Формирование выходного сигнала. В структурах интерферометров, за исключением интерферометров Фабри - Перо, интенсивность интерференции Pi и Рг при интенсивности двух световых волн / и /2 (на рис. 6.3, е это световые волны с ортогональной поляризацией) выражается следующим образом:

Направленный Л-отбдтвитель

Истапнш i

cSema \

СЯетоприемное ycmpoUcmSo

Зеркало

Зеркало

Полупрозрачное зеркало свокотм коэд)фициентом отражения

Расщепитель поляризодаииых лучей

Поляризатор -У° 1

-Волокно с сохранением поляризации

Рис. 6.3. Схемы волоконно-оптических интерферометров: а - кольцевого; б - кольцевого Фабри - Перо; в - Маха - Цендера; г - Майкельсона; д - Фабри - Перо; е - с поляризованными модами

Pi«+ V2VV2 cosajj; (6.1)

Pj«у2л Л cosajj. (6.2)

В этих формулах у - показатель, называемый степенью когерентности интерференции. Он является функцией произведения ширины Af спектральной линии источника света и разности А/ длин двух оптических путей:

V (А/А/) < 1 , (6.3)

и при AfA/ = 0 получается равным единице.

Три изменении разности фаз ij; между световыми волнами желательно для повышения чувствительности (т. е. увеличения крутизны изменения выходных сигналов Р, и Рг), чтобы AfAl-*--0. Для заданной величины Af возможно найти значение А/, при котором показатель у окажется равным е~\ и эта длина А/ называется длиной когерентности (когерентным расстоянием) источника света. Для обычного гелий-неонового лазера, одномодового полупроводникового лазера и гелий-неонового лазера с одной модой длина когерентности составляет соответственно несколько десятков сантиметров, около 10 м и около 1 км. Таким образом, источник света необходимо выбирать в соответствии со структурой интерферометра. Кроме того, из формул (6.1) и (6.2) следует, что при hh чувствительность к изменению фазы оптимальна.

Заметим, что в формулах (6.1) и (6.2) для двух интерференционных выходных сигналов Pi и Рг знаки при cos ijj противоположны. Это точно соблюдается, если направленный ответвитель, объединяющий два световых луча, или расщепитель поляризованных лучей не имеет потерь. Обычно свет с интенсив-

Выходной сигнал

Составляющой в /разового dpeutpa

Рис. 6.4. Установка рабочей точки в интерферометре

ностью /1 + /2 передается по двум оптическим путям полностью, что является хорошей иллюстрацией закона сохранения энергии. В этом можно убедиться при более строгом (с использованием закона Стокса) анализе характеристик отражения в расщепителе лучей или направленном ответвителе.

Коэффициент шума и меры по его снижению. Разность фаз между двумя световыми волнами можно представить в виде фазы входного сигнала s и дрейфа гз<г в низкочастотной области, вызванного в основном колебаниями температуры:

Разность дшзф

Входной (разовый сигнал

(6.4)

Обычно трудно устранить влияние колебаний температуры, поэтому в качестве сигнала, используемого в волоконно-оптическом интерферометрическом датчике, принимается только переменная составляющая, расположенная выше частотной полосы температурного дрейфа. Разумеется, это ограничение неприемлемо при создании датчика температуры и не подходит также для оптической системы с волокном опорного сигнала. В таких случаях применяется интерферометр на одном оптическом волокне (рис. 6.3, вне).

На рис. 6.4 приведены кривые зависимости интенсивности выходного сигнала от фаз tjJs и ijid. Понятно, что, за исключением случая применения для термометра, фаза определяет рабочую точку для фазы tjJs. В частности, рабочую точку необходимо устанавливать в точке А на рисунке, где, например, значение dPld\lfs максимально. Кроме того, при колебаниях интенсивности /] и h [см. формулу (6.1)] изменяется масштаб оси ординат на рис. 6.4, т. е. возникают колебания масштабного коэффициента датчика. К тому же, как видно из рисунка, при входном сигнале (фаза s) большой амплитуды выходной сигнал оказывается нелинейным, что создает определенную проблему. Таким образом, при создании волоконно-оптического датчика типа интерферометра прежде всего должны быть учтены дрейф нуля, колебания масштабного коэффициента и нелинейность.

Меры против этих нежелательных факторов различны для методов светового гомодинирования и гетеродииирования. При методе светового гомодинирования предусматривается равенство частот двух интерферирующих световых волн и получение

выходного сигнала, определяемого формулами (6.1) и (6.2). В противоположность этому, если в один из оптических путей ввести частотный сдвигатель и установить между световыми волнами частотную разность Дю, то в соответствии с формулой (6.1) получается электрический сигнал переменного тока с фазовой модуляцией, т. е.

P=/i+/2 + YVV7cos(Aa)<+t3d + t3,). (6.5)

Фазовым детектированием этого сигнала можно получить td-l-i5s, что и отвечает сути метода светового гетеродинирова-ния. Как видно из табл. 6.2, в первом методе отмеченные три

Таблица 6.2. Методы формирования выходного сигнала иитерферометра

Метод

Особенности

Общая характеристика

Световое гомодини-рование:

активное

пассивное

Для компенсации дрейфа целесообразно применение фазовращателя (для стабилизации масштабного коэффициента и расширения динамического диапазона принимаются специальные меры)

Выходные сигналы, соответствующие sin 9 и cos 9, подвергаются аналоговой обработке

Требуется ограничение частоты сигнала

Допускается работа со световой волной произвольной формы

Одинаковая частота двух интерферирующих световых волн; выходной сигнал формируется посредством прямой амплитудной модуляции

Световое гетеродини-рование

Световое квазигете-родинирование

Целесообразно применение частотного сдвигателя, например акустооптического модулятора

Частотный сдвигатель не требуется. С помощью фазового или частотного модулятора производится оптимальная обработка сигнала для выделения несущей

Формируется сигнал, пропорционал ьн ый разности частот Дм двух интерферирующих световых воли, посредством фазовой модуляции несущей с частотой Дм

Стабильность выходного сигнала обеспечивается электронными схемами фазового детектирования

Источник сбета

Чувствительное волокно (сигнал 3)

Волокно опорного

Волоконный разовый сдвигатель

Поляризатор

/+C0S3

/-COS в Интегратор

Выходной - сигнал

Усилитель

Источник света

- Лш -

I Частотный сдвигатель

Волокно I опорного сигнала

Иувствительное волокно

Фазовый детектор

Выходной сигнал

Рис. 6.5. Интерферометры гомодииный с активной стабилизацией (а) и гетеродинный (б)

проблемы решаются усовершенствованием оптической системы, а во втором - в основном усовершенствованием электроники с целью более полного использования техники фазового детектирования. Однако акустооптический модулятор, с технической точки зрения наиболее приемлемый в настоящее время для сдвига частоты, еще не избавлен от таких недостатков, как сравнительно большая потребляемая мощность (около 2 Вт) и большая девиация частоты (примерно 100 МГц). Но в последнее время проводятся исследования по созданию частотного сдви-гателя на новых принципах, а также разрабатывается метод оптического квазигетеродинирования - с выдачей выходного сигнала без применения частотного сдвигателя.

На рис. 6.5, а представлена наиболее общая схема интерферометра с гомодинированием. В этой структуре составляющая дрейфа \>d компенсируется с помощью волоконно-оптического фазового модулятора. Здесь с помощью дифференциального усилителя из выходного сигнала интерферометра устраняется составляющая /i-b/2 постоянного тока [см. формулы (6.1) и (6.2)], а низкочастотная составляющая подается по цепи обратной связи и тем самым рабочая точка устанавливается в точке А (см. рис. 6.4). Даже при такой модификации системы все же остаются две из трех указанных выше проблем. Поэтому необходимо с помощью отслеживания сигналов 1\ и /г ввести процедуру деления выходного сигнала или компенсировать колебания

мощности источника света, контролируя ее посредством оптического волокна с сохранением поляризации. Эти проблемы могут быть решены и введением так называемого нулевого метода (рассматривается ниже). При структуре на рис. 6.5, а уже производятся измерения разности фаз порядка 10" рад/Гц.

Ниже описываются на конкретных примерах оптические системы в соответствии с их классификацией по структуре интерферометра, а также методы решения в них вышеуказанных проблем с приведением полученных характеристик. Необходимо отметить, как следует и из табл. 6.1, что представленные здесь структуры интерферометров ие ограничиваются измерением рассматриваемых величин, а носят универсальный характер. Особенно большой взаимозаменяемостью отличаются интерферометры Маха - Цендера и Майкельсона, которые применяются на практике, но до сих пор являются предметом исследований.

6.3.2. Интерферометр Маха-Цендера. Структура с гомодинированием и частотной модуляцией излучения полупроводникового лазера. При получении сигнала методом гоодинирования меры по устранению указанных трех шумовых факторов касаются в основном оптической системы. При этом в один из оптических путей вводится фазовый модулятор света и посредством его осуществляется обратная связь для изменения выходного интерференционного сигнала. Тогда даже при появлении входного сигнала выходной сигнал Р определяется точкой А (см. рис. 6.4): точка А соответствует нулевому выходному сигналу, так как эта схема соответствует дифференциальной системе на рис. 6.5, а. В результате выходной сигнал не только не подвергается влиянию колебаний 1\ и /г, но и улучшается его линейность. Однако для этого требуется хорошая частотная характеристика и линейность самого фазового модулятора.

Рассмотрим структуру, в которой реализован метод гомоди-

Ток смещения о-

, Изолятор

igCOSUgt

-уЧудстбительное Волокно

\ ., (П) (сигнал ABg)

Компенсатор

-ф Волокно опорного •игна

/Поляризатор

сигнала

доходной сигнал

Усилитель

светоприемное устройстбо

-двойной балансный смеситель

Фазовый модулятор

Рис. 6.6. Интерферометр с гомодинированием и прямой частотной модуляцией излучения полупроводникового лазера