а) 91 МГц

Рнс. 6.19. Результаты измерения формы спектра излучения одномодового полупроводникового лазера

терферометр Фабри - Перо на кольцевом резонаторе (см. рис. 6.3, б).

6.3.5. Интерферометр с межмодовой интерференцией и интерферометр с двухсердечниковым волокном. Здесь рассматриваются два интерферометра: на основе интерференции между двумя модами с ортогональной поляризацией в одном оптическом волокне и со специальным оптическим волокном, имеющим два одномодовых сердечника (оптическое волокно с двойным сердечником).

На рис, 6.20, а приведена структура интерферометра с межмодовой интерференцией. Падающий свет с линейной поляризацией посредством четвертьволновой пластины превращается в свет с круговой поляризацией, и тем самым в оптическом волокне с сохранением поляризации равномерно возбуждаются моды с ортогональной поляризацией. Если при этом на выходном конце волокна установить расщепитель поляризованных волн (призму Волластона) с наклоном его оси по отношению

, Гелий-\неоно6ый лазер

Четвертьболиовая пластина

Волокно

с сохранением

поляризации

Поляризатор

-/- -0<)jr[

<у U Регулировка [J J температурь

Призма Сбетоприемное Црпластона устройстбо

Блок обработки сигнала

Температура, °С

Рис. 6.20. Измерение температуры интерферометре;

ференцией

м с межмодовой интер-

к осям поляризации под углом 45°, то значения выходных сигналов Pi и Рг будут определяться формулами (6.1) и (6.2). Разность фаз между световыми волнами выражается как Др/, где Др - разность между постоянными распространения двух световых волн, / - длина волокна. При изменении / и Др изменяется и выходной интерференционный сигнал, т. е. интерферометр функционирует как датчик. В данном случае Др меньше постоянной распространения р моды НЕ,, на несколько порядков, а это снижает чувствительность датчика.

На рис. 6.20, б показаны изменения выходного сигнала в зависимости от температуры. Чувствительность в этом случае 1,66 рад/(м-К), в то время как при обычном оптическом волокне-приблизительно 100 рад/(м-К). На основе этого интерферометра разработаны п исследуются также датчики давления, датчики магнитного поля и электрического тока с использованием магнитострикционных материалов.

Для датчиков применяется оптическое волокно с двумя одномодовыми сердечниками. При этом в датчике кручения, например, используется разность фаз света в обоих сердечниках, возникающая при кручении волокна. Разрабатывается датчик, в котором из-за разности постоянных распространения (обусловленной различием размеров сердечников или их коэффициентов преломления) под воздействием температуры или других факторов возникает разность фаз. Наконец, примером интерферо-метрического датчика на одном оптическом волокне может служить датчик температуры, в котором используется интерференция между двумя распространяющимися в волокне модами: одна из них основная, а другая - следующего порядка.

6.3.6. Метод компенсации пассивного типа и метод светового квазигетеродинирования. Метод компенсации пассивного типа. Рассмотренные до этого датчики являются интерферометрами с гомодинированием, причем интерферометрами активного типа, для которых характерна установка рабочей точки по отношению к сигналу, т. е. компенсация дрейфа (за исключением датчика температуры) путем организации обратной связи через фазовый модулятор световой волны. Здесь будут представлены также интерферометры с гомодинированием, но с повышением чувствительности к сигналу без активного механизма фазовой компенсации в оптической системе.

Предложен способ обработки вы.ходного сигнала, при котором для сигнала с заданной частотой независимо от характера дрейфа получается чувствительность, ограниченная лишь амплитудой дрейфа. На рис. 6.21, а и б представлены соответственно оптическая система и схема аналоговой обработки для способа измерений, независимого от влияния любого дрейфа переменного тока. В разработанной системе используются специальные волоконно-оптические ответвители с тремя входами и

о) ЧудтШепше

\= 0,65 mm ОтШЬтепь бтто отбетЪитт VJ]

Опорное болокно Ш

светоприемные устройства

Интегратор

ГУ\ Выходной сигнал

Сумматор

Выходные сигналы РиР до обрайотт

I I in

Входной сигнал

Выходной сигнал после одрадотки

Рис. 6.21. Интерферометр с активной стабилизацией, выполненный „а воло-конно-оптнческих ответвителях 3x3

7f "Р" выходные сигналы светоприемников

2 и 3 можно представить в следующем виде: ""Риемников

P2=Bi + Bi cos \5 + Вз sin гз; Рз = 5i + cos If-Вз sin ip.

(6.11) (6.12)

где Bi, В2, Вз - постоянные, определямые мощностью источника света, эффективностью связи в ответвителе и т. д.

Поскольку величина В\ является составляющей постоянного тока выходного интерференционного сигнала, то, устранив ее с помощью соответствующей электронной схемы, можно получить (по схеме на рис. 6.21, б) выходной сигнал, пропорциональный фазе входного сигнала. Однако при этом остаются колебания мощности источника света, дрейф из-за флюктуации поляризованной волны в оптическом волокне, поэтому целесообразно использовать оптическое волокно с сохранением поляризации. На рис. 6.21, в показаны входной и выходные сигналы системы, в том числе выходные сигналы перед обработкой, содержащие паразитную модуляцию (фединг). Предельная чувствительность составила 3- 10~* рад/Гц 204

Метод светового квазигетеродинирования. Как уже было отмечено выше, при создании в оптической системе частотного сдвигателя можно получить выходной сигнал гетеродинирования, выражаемый формулой (6.4). В этом случае, используя соответствующие электронные схемы, можно устранить дрейф, колебания масштабного коэффициента и причины ухудшения линейности. Однако наиболее часто используемый в качестве частотного сдвигателя акустооптический модулятор не избавляет от указанных проблем.

В связи с этим исследовалось получение выходного сигнала гетеродинированием на произвольной несущей частоте посредством более простой и дешевой структуры, т. е. метод светового квазигетеродинирования. Если при фазе входного сигнала гз на выходе интерферометра получить сигналы в виде sin i5 и cos умножить их соответственно на cos at и sin (at (w - оптимальная несущая частота) и сложить, то получим выражение, определяющее гетеродинированный сигнал:

sin cos (0 + cos г) sin со = sin {at + г).

Это один из принципов данной системы. Предложены различные способы извлечения составляющих cos ij; и sin \з и способы умножения на sin Ы и cos Ы. Создана и процедура, аналогичная фазовому методу, описанному в гл. 4. При обычном методе гетеродинирования в оптический путь вводят сдвигатель частоты в качестве фазового модулятора, управляемого пилообразным напряжением. В противоположность этому имеется метод, при котором не требуется устройство сдвига частоты, а используется характеристика прямой модуляции излучения полупроводникового лазера.

Из приведенной выше тригонометрической формулы ясно, что колебания амплитуд cos гз и sin гз при гетеродинированин дают фазовую ошибку выходного сигнала. Кроме того, даже при фазовом методе для устранения нежелательных частотных составляющих требуется очень точное соответствие амплитуды пилообразного напряжения фазовому сдвигу 2я, что представляет определенную трздность. Следовательно, в идеальном случае надо бы измерить и скомпенсировать колебания этих параметров, но их различение с сигналом довольно сложно, что и затрудняет компенсацию.

На рис. 6.22 приведена структурная схема одной из процедур, позволяющих решить эту проблему. Здесь используется прямая модуляция излучения полупроводникового лазера в интерферометре с разностью длины оптических путей (см. п. 6.3.2). Как показано на рис. 6.22, для получения этой разности используется разность фазовых постоянных между двумя поляризованными модами оптического волокна с сохранением поляризации. Если полупроводниковый лазер возбуждать током

Лазерный диод

Волокно с двойным Изолятор Расщепитель луча лучепреломлением

I фазовый . модулятор

М--I

Усил

-г- I Лавинный -1-, t фотодиод 3

Т /ч

Сигнал ф (t)

, Расщепитель поляризованных лучей

~Лавинный фотодиод 2

Полупрозрачное зеркало

Поляризатор Лавинный фотодиод 1

Низкочастотны... „ . . фильтр I Двойной

балансный

Выходной ток

смеситепь

Выходной ток /jT J

Выходной ток ig

Рнс. 6.22. Структура датчика со световым квазнгетероднннрованнем н автоматической стабилизацией сигнала возбуждения /д -ток инжекции,: / - постоянная составляющая тока ннжекцнн

четырехступенчатой формы (рис. 6.23, а), так, чтобы на каждой ступеньке происходил фазовый сдвиг на л/2, то получается выходной интерференционный сигнал (рис. 6.23, б), у которого основная составляющая выражается как cos ((oZ-brf) (рис. 6.23, в).

Этот метод можно рассматривать как видоизмененный фазо вый, а указанная форма инжекционного тока позволяет компенсировать дрейф, обусловленный колебаниями характеристики прямой частотной модуляции лазерного излучения [см. k в формуле (6.6)]. А именно, блок / (см. рис. 6.22) выделяет любую из составляющих (четырех ступеней) тока и подает по цепи обратной связи на фазовый модулятор таким образом, чтобы она оказалась равной нулю. Так разделяются колебания параметров и сам сигнал. Затем при выделении блоком составляющей с частотой 2(0 формируется приращение инжекционного тока

Рнс. 6.23. Временные диаграммы для схемы на рис. 6.22

0 12 5 Электрический ток/

Рис. 6.24. Характеристика эффекта Фарадея в оптическом одномодовом волокне, улучшенная с помощью его скручивания

в виде «положительного» шага Д/d и, благодаря подаче этого сигнала в цепь обратной связи (рис. 6.22), осуществляется компенсация дрейфа. Здесь достаточно, чтобы используемый фазовый модулятор работал в частотной полосе дрейфа, и от него не требуется широкого динамического диапазона или линейности. На рис. 6.23, г показан выходной сигнал для экспериментальной системы, в которой возбуждение лазера производилось током указанной выше формы. Видно, что при этом получается фазовый сдвиг колебаний несущей частоты.

6.3.7. Датчик магнитного поля на эффекте Фарадея. Оптическое волокно может служить также элементом Фарадея, например волокно из кварца с постоянной Верде К«0,0157А. Если изготовить кольцо из множества витков оптического волокна и намотать на это кольцо провод (см., например, рис. 6.25), то, пропустив электрический ток, можно получить датчик тока или магнитного поля, обладающий высокой чувствительностью. При этом угол вращения плоскости поляризации

ff = VN,NiI, (6.13)

где / - электрический ток; Nf - число витков кольца из оптического волокна; Л,- - число пересечений электрического тока с витками волокна.