Рис. 2.17. Чувствительность к давлению у оптического волокна с пластмассовы.м покрытием

200 300 т 500 600 700 Толщина пласттссобоео покрытия, тм

Формулы (2.29) и (2.30) означают, что радиальное напряжение и смещение на границе непрерывны. Формула (2.31) показывает р.авномерность внешней силы. Формула (2.32) свидетельствует о том, что оба конца волокна свободны. Формула (2.33) показывает, что деформация на конца.х не учитывается, так как по сравнению с деформацией поверхности пренебрежимо мала (случай, когда тело вытянуто вдоль оси и его размеры по этой оси гораздо больше размеров поперечного сечения). В соответствии с граничными условиями (2.29) -(2.33) определяются постоянные Л, В и С, и если их значения подставить в формулы (2.27) и (2.28), то можно найти зависимость деформации вдоль оси волокна от давления и температурных изменений (конкретные вычисления здесь не приводятся)"

Теперь, если найденное вышеуказанным способом значение бг подставить в формулу (2.26), то можно определить относительное изменение фазы Aijj/ii. На рис. 2.17 приведена одна из характеристик чувствительности к давлению для волокна с пластмассовым покрытием разной толщины при 47 = 0. Данные волокна; сердечник диаметром 4,5 мкм, синтеГическая оболочка диаметром 30 мкм, оболочка из кварцевого стекла (диаметр 85 мкм), кремнийорганическая (диаметр 200 мкм) и пластмассовая толщиной 0...700 мкм. Как видно из рисунка, по мере увеличения толщины пластмассового покрытия чувствительность волокна к давлению растет.

В том случае, когда оптическое волокно используется для измерения не давления, а других величин, увеличение чувствительности к давлению, подобное показанному на рис. 2.17, становится помехой. Здесь необходимо уменьшить чувствительность к давлению, насколько это возможно. На рис. 2.18 приведены характеристики чувствительности оптического волокна, в котором вместо кремнийорганического покрытия используется никелевое, а сверху - пластмассовое. Из рисунка видно, что при толщине никелевой оболочки примерно 15,5 мкм чувствительность такого волокна к давлению равна нулю.

Чувствительность волокна к температурным изменениям

"о 5 10 15 20 15 30 Толщина покрытия из никеля, мкм

Рис. 2.18. Чувствительность к давлению у оптического волокна с двухслойным покрытием (никель, пластмасса)

0,5 0.6 1,0 и и 1,6 1,1 Длина Волны, мкм

Рис. 2.19. Спектр потерь при радиоактивном облучении различных оптических волокон

/ н 2 - с высоким и низким содержанием он, кварцевый сердечник; Ge (CGW) и Ge (BTL) - с содержанием и без содержания ВгОз в оболочке; измерения - через час и после облучения (доза 1000 Гр)

тоже может быть помехой, когда датчик используется не для измерения температуры. Исследования материалов и конструкции волокна в отношении температурной чувствительности проводятся аналогичным образом.

Характеристики, обусловленные радиоактивным облучением. При радиоактивном облучении оптических волокон потери передачи в них увеличиваются. При этом электроны и дырки, разделенные вследствие облучения, взаимодействуют с дефектами молекулярной решетки, присущими волокну, и аналогичными дефектами, возникающими в результате облучения. Это взаимодействие сопровождается изменением цвета сердечника волокна, что приводит к потерям поглощения. Было исследовано изменение потерь с изменением длины волны распространяющегося в волокне света. На рис. 2.19 приведены примеры таких характеристик. Наличие в волокне примесей либо добавок фосфора или бора приводит к возникновению дефектов решетки, а те, в свою очередь,- к потерям поглощения. Наилучшей радиационной стойкостью, как видно из рисунка, обладает волокно с сердечником из кварцевого стекла. Потери, возникающие в таком волокне, уменьшаются при увеличении длины волны примерно от 0,85 до 1,5 мкм. Поэтому, если волокно используется как датчик радиоактивного излучения, удобнее

50 100 150

Доза облучения, рад

Рис. 2.20. Зависимость потерь в различных оптических волокнах от дозы облучения изотопом Со°

работать с длиной волны 0,85 мкм, а если волокно предназначено для связи, то - с длиной волны 1,3... 1,5 мкм.

На рис. 2.20 показан рост потерь при облучении оптических волокон, сердечники которых имеют добавку из свинца (1) или германия (2), а также волокна с кварцевым сердечником и кремнийорганической оболочкой (5). Потери в волокне, сердечник которого имеет добавку свинца, растут с максимальным темпом пропорционально дозе облучения. Из рис. 2.19 и 2.20 очевидно, что оптические волокна вполне могут служить индикаторами радиации, но при использовании их в качестве датчиков возникает проблема восстановления свойств после прекращения облучения. На рис. 2.21 показан характер изменения потерь в волокне с кварцевым сердечником после гамма-облучения. Увеличиваясь при облучении, после его прекращения потери снижаются до первоначальных. Итак, при использовании оптических волокон в качестве датчиков paдиoaктивнoto излучения необходимо обратить внимание на восстанавливаемость свойств волокна после облучения.

Характеристики рамановского и бриллюэновского рассеяния. Когда напряженность электрического поля падающего света превышает некоторое пороговое значение, характерное для данной среды, возникает нелинейный эффект поляризации, что приводит к появлению светового излучения с длиной волны, отличной от длины волны падающего света. Этот волновой сдвиг является неотъемлемым свойством среды. Свет с волновым сдвигом в сторону удлинения волны называется стоксовским светом (светом Стокса), а свет с волновым сдвигом в сторону укорочения волны - обратным стоксовским светом.

На рис. 2.22 приведены спектральные характеристики рамановского рассеяния для одномодового оптического волокна. Сердечник диаметром 8 мкм выполнен из ОеОг с относительной разностью коэффициентов преломления А = 0,22%; длина волокна L=l км; в качестве источника света используется Nd: YAG-лазер с модуляцией добротности и с синхронизированными модами (А,= 1,06). Как видно из рисунка, на длине волны 1,12; 1,18; 1,24 и 1,31 мкм имеются пики, соответствующие стоксовским световым волнам (от первого до четвертого

.а. г

о 20 W 60 Облучение

во 100 120 по

врет, тм

Рис. 2.21. Потери передачи в процессе и по прекращении гамма-облу-чеиия волокна при различной температура

I»,

0,7 0,3 1,1 1,3 1,5 1,7 Длина болны, 1ИШ

Рис. 2.22. Спектр рамановского рассеяния в оптическом волокне

порядка) рамановского рассеяния, обусловленного колебаниями молекул в соединении Si-О-Si. Кроме того, в диапазоне от 0,70 мкм до 1,06 мкм наблюдается обратный стоксовский свет. Интенсивность рамановского рассеяния для обратного стоксов-ского света в отличие от стоксовского света и света рэлеевского рассеяния в значительной степени зависит от температуры волокна. На рис. 2.23 приведена зависимость обратного рассеяния от расстояния (способ передачи с обратным рассеянием OTDR), которая рассматривается ниже, в § 6.5. Кроме того, рисунок показывает, что интенсивность света обратного стоксовского рассеяния от участка волокна с высокой или низкой

50 100 150 Расстояние, /и

"v CSSue Волнобого числа WOatr "ЛГд Обратный стотабстй VM cSemfxf)

Низиая температура Стоксобсмий с6ет(«1)

Высокая

температура

50 100 150 Расстояние, м

Рис. 2.23. Обратиое рассеяние в оптическом волокне: а - рэлеевское; б -

рамаиовское

температурой соответственно выше или ниже интенсивности света рассеяния от участка с обычной температурой.

Природа бриллюэновского рассеяния тоже связана с нелинейными эффектами среды, но возникает оно в результате взаимодействия фононов и электрического поля падающего света. Поэтому длина волны рассеянного света изменяется только за счет звуковой энергии, а так как последняя невелика, то изменение длины волны незначительно в отличие от изменения при рамановском рассеянии.

2.5. ЭЛЕМЕНТЫ ВОЛОКОННОЙ ОПТИКИ

2.5.1. Оптические соединители. Рисунок 2.24 иллюстрирует способы соединения полупроводниковых лазеров и оптических волокон. На рисунке также указаны наименьшие (из известных по публикациям) потери в соединениях с одномодовыми оптическими волокнами. Максимально эффективное соединение- с потерями 1,0 дБ (рис. 2.24, в)-реализовано с помощью стержневой линзы, имеющей криволинейно обработанную поверхность. Потери же в соединениях многомодовых оптических волокон и полупроводникового лазера составляют 0,7... 1,0 дБ.

При оптическом соединении используется принцип, согласно которому свет, выходящий из волокна, фокусируется в мельчайшее световое пятно. Например, в конструкции волокна с линзой на торце (рис. 2.24, г) эта линза, изготовленная с помощью фоторезиста, имеет радиус кривизны 2,6 мкм и для света с длиной волны 0,83 мкм формирует на расстоянии примерно 4 мкм от торца волновода световое пятно размером 0,75 мкм.

2.5.2. Волоконно-оптические соединители. Из всего множества волоконно-оптических соединителей и ответвителей здесь рассматриваются только те, которые чаще всего используются в волоконно-оптических датчиках, а именно соединители с полировкой поверхностей контакта и соединители, полученные спеканием при растяжении.

Соединители с полировкой поверхностей контакта. Ниже описывается один из способов изготовления подобного соединителя. Сначала, как показано на рис. 2.25, а, в несколько искривленную канавку, проточенную в стеклянной пластине, вставляется и приклеивается оптическое волокно. Его выступающая над канавкой часть полируется вместе с поверхностью пластины до тех пор, пока не обнажится сердечник. Два отполированных таким образом с одной стороны волокна соединяются, как показано на рис. 2.25, б, с помощью специальной жидкости или оптического клея (для согласования коэффициентов преломления), и между волокнами возникает оптическая

Рис. 2.24. Соединение одномодового оптического волокна с полупроводниковым лазером путем обработки торца волокна под конус (а, (5), посредством сферической и стержневой лннзы (б), стержневой линзы (в) и линзы на торце (г)

S) г)

Лазер Волокно -\

Сферическая CmepmeSaJ линза

линза

Стержнебая \ линза

Волокно

3 3,5дБ

Волокно

1,0 дБ

Линза Волокно

I (" ") 2,вдБ

Волокно

/ N.

Стекло с бысокии коздкрициентом преломления

Рис. 2.25. Волоконно-оптический соединитель (ответвитель) с полировкой поверхности контакта

связь. Преимущество волоконных соединителей с полировкой - возможность регулировки коэффициента связи, что достигается сдвигом волокон относительно друг друга (на рисунке направления таких перемещений показаны стрелкой). Однако это же можно расценивать и как некоторый недостаток, вызывающий нестабильность характеристик соединителя.

Соединители, полученные спеканием при растяркении. На рис. 2.26 представлен сохраняющий поляризацию соединитель спеченно-растянутого типа, изготовленный на основе оптического волокна PANDA. В процессе изготовления (при наблюдении под микроскопом) волокна PANDA располагаются параллельно и сжимаются, затем с помощью горелки спекаются и растягиваются так, что диаметр в этом месте становится равным 20 мкм. В спеченно-растянутой части не возникает скручивания, которое обычно ухудшает условия поляризации. Чтобы облегчить спекание, волокно покрывают стеклянной пылью - мельчайшими частицами SiOj, служащего связующим.

Если подать линейно поляризованный свет в плечо 1 соединителя, на его выходных плечах 1 и 2 появятся линейно поляризованные световые лучи с соотношением интенсивности 1:1,