Входящий i

Выходящий сбет

Рис. 2.26. Волоконно-оптический соединитель (ответвитель), сохраняющий поляризацию, полученный спеканием волокон при растяжении

Причем в каждом плече составляющие с паразитной ортогональной поляризацией ослабляются на 20 дБ и более, а вносимые потери не превышают 0,5 дБ. В спеченно-растянутом соединителе по мере уменьшения отношения диаметра оболочки волокна к диаметру сердечника уменьшаются также и вносимые потери. Поэтому перед спеканием и растяжением диаметр оболочки волокна уменьшают путем химического травления.

Когда в соединителе используется волокно PANDA, имеющее большой коэффициент двойного лучепреломления, то коэффициенты эти дли ортогональных волн различны вследствие механического напряжения. Значит, неодинаковы и коэффициенты связи для разных поляризованных волн. На основе этих свойств с помощью спеченно-растянутого соединителя, сохраняющего поляризацию, был реализован также расщепитель поляризованных лучей. Он направляет ортогонально поляризованные световые лучи в разные плечи.

2.5.3. Волоконно-оптический поляризатор. Известно два устройства такого типа. В одном из них участок оболочки волокна полируется почти до самого сердечника и к этой поверхности прикрепляется кристалл с двойным лучепреломлением или на нее наносится металлическая пленка. В результате увеличиваются потери для поляризованных мод одного из направлений. Это поляризатор полированного типа. В другом поляризаторе (катушечного типа) используется увеличение потерь для волн определенной поляризации при изгибе многополяризованного волокна с большим коэффициентом двойного лучепреломления.

Волоконно-оптический поляризатор полированного типа. Часть оболочки, почти до самого сердечника, удаляется полировкой. Далее на обработанную поверхность напыляется металл, например алюминий или серебро. Среди мод, электрические составляющие которых перпендикулярны или параллельны металлической поверхности, на моды с перпендикулярной составляющей приходится значительная доля потерь поглощения. Если металл напыляется непосредственно на отполированную поверхность, то увеличивается доля потерь и для мод с парал-

Рис. 2.27. Волоконно-оптический поляризатор полированного типа

дельными составляющими. Для снижения этих потерь между отполированной поверхностью волокна и металлом формируется, как показано на рис. 2.27, буферный слой (СаРг), обладающий более низким коэффициентом преломления, чем оболочка. Путем оптимизации коэффициента преломления и толщины буферного слоя реализованы поляризаторы с коэффициентом затухания 45 дБ и вносимыми потерями на уровне 1 дБ.

Волоконно-оптический поляризатор катушечного типа. На рис. 2.28 и 2.29 показаны волоконно-оптический поляризатор катушечного типа и спектр потерь от изгиба волокна в нем для волн, поляризованных вдоль осей х и у. В волокне с двойным лучепреломлением, наподобие волокна PANDA, характеристики потерь от изгиба для волн с разной поляризацией различны, что можно объяснить следующим образом.

Коэффициент преломления световой волны, поляризованной вдоль оси X, благодаря эффекту фотоупругости, обусловленному механическим напряжением, отличается от коэффициента преломления волны, поляризованной вдоль оси у. Однако различие это характерно только для области сердечника и оболочки вблизи него, а в области оболочки, удаленной от сердечника.

Сбет с кругобой поляризацией

Сбет с линейной поляризацией

О, 7 0,3 1,1 1,3 1,5 Длина болны, МММ

Рис. 2.28. Волоконно-оптический поляризатор катушечного типа с использованием волокна PANDA

Рис. 2.29. Спектр потерь на изгиб в волоконно-оптическом поляризаторе катушечного типа для волн с поляризацией вдоль оси X (сплошная кривая) и у (штриховая кривая)

коэффициенты преломления для волн различной поляризации становятся почти одинаковыми. Следовательно, относительная разность коэффициентов преломления Д для волны с поляризацией вдоль оси X больше, чем для волны с поляризацией вдоль оси у, и при одинаковом радиусе изгиба потери на изгибе для волны, поляризованной вдоль оси у, будут выше. В поляризаторе катушечного типа, показанном на рис. 2.28, для света с длиной волны 1,3 мкм получается коэффициент затухания 45 дБ, а вносимые потери примерно 0,25 дБ. Таким простым способом, как изгиб волокна с двойным лучепреломлением, получаются обычные характеристики объемного поляризатора.

2.5.4. Волоконно-оптические регуляторы поляризации. Как изложено в п. 2.3.2, в обычном одномодовом оптическом волокне при изгибе или кручении возникает взаимодействие мод с ортогональной поляризацией, причем степень его зависит от температуры и механических возмущений. В результате этого взаимодействия изменяется поляризация. Кроме того, поляризация света до выхода его из волокна изменяется случайным образом также и во времени. Колебания поляризации приводят к ухудшению характеристик при использовании обычного одномодового оптического волокна в волоконно-оптических датчиках или при соединении волокна со светопроводящими схемами, чувствительными к ориентации плоскости поляризации.

Волоконно-оптический регулятор поляризации позволяет предотвратить подобные колебания поляризации. Известны различные типы таких регуляторов. Здесь представлен регулятор поляризации с изогнутым волокном, обладающим двойным лу-

Катушка 1

Матушка 2 h у

Рис. 2.30. Волоконно-оптический регулятор поляризации на основе изгиба волокна с двойным лучепреломлением

Рис. 2.31. Изогнутое вадокно

чепреломлением. Такие регуляторы используются довольно часто, и один из них показан на рис. 2.30. Катушки 1 я 2 проектируются так, чтобы создавать задержку соответственно л/2 и л, т. е. работать как четверть- и полуволновые элементы. Основные оси двойного лучепреломления в катушке из оптического волокна - ось х, параллельная плоскости катушки, и ось у, перпендикулярная ей, причем ось х является осью скорости. Таким образом, вращая отдельно катушку 7 и катушку 2 вокруг оси 2, можно

волну с произвольной поляризацией преобразовать в волну с линейной поляризацией в заданном месте. Отрезок волокна между катушками при этом скручивается. Но в одномодовом волокне с сердечником круглого сечения скручивание почти не влияет на угол поляризации. В связи с этим и возможно такое преобразование.

Теперь обратимся к некоторым принципам проектирования регулятора поляризации с изгибом волокна, обладающего двойным лучепреломлением. Пусть, как показано на рис. 2.31, диаметр оболочки оптического волокна равен 2 Ь, а радиус его изгиба R. Тогда составляющие механического напряжения внутри волокна выражаются следующим образом:

ах-(Х-Ь); ау = 0; а,-Х. (2.34)

Используя зависимость деформации от механического напряжения [см., например, формулу (2.28)], а также зависимость коэффициента преломления от деформации [см., например, формулу (2.22)], найдем разность между постоянными передачи мод с ортогональной поляризацией и с составляющими электрического поля в направлении осей X а Y:

APbend = k (rtx -rty) =-k- (Pn-Pn) (1 + v)

(2.35)

(C учетом того что внутри сердечника Х<Ь, использовалась подстановка Ox~Eb/{2R).)

Если число витков волокна в катушке обозначить М, то задержку можно выразить как

6 = (APBEND(2n/?iV=-a -iV, (2.36)

где а= (пу4) (pi2-Рп) (1+v).

Рис. 2.32. Волоконно-оптический деполяризатор

Для получения задержки равной я или л/2 (т. е. V2 или V4), необходимо, чтобы

R 2ла т

(2.37)

Здесь значение т берется равным 2 и 4 для получения соответственно полу- и четвертьволнового элемента. Тогда при >. = 0,83 мкм, 2Ь = 125 мкм и ;? = 3,2 см число витков для 1/4-элемента N = 2, а для Х/2-элемента yV = 4.

2.5.5. Волоконно-оптический деполяризатор. Выше рассматривался волоконно-оптический регулятор поляризации как элемент, предотвращающий колебания поляризации в обычном одномодовом оптическом волокне и действующий на основе когерентности. Здесь же описывается деполяризатор, который позволяет уменьшить шумы поляризационной характеристики, не опираясь на когерентность.

Деполяризатор, представленный на рис. 2.32, состоит из двух отрезков оптического волокна с двойным лучепреломлением и соотношением длин Z.i:Z.2=l:2, плоскости поляризации которых взаимно развернуты под углом 45° при соединении вдоль основной оси. Зона погрешности источника света обозначена /с. Теперь, если считать, что перекрестная связь между модами отсутствует, то при

CTpLi>/, (2.38)

когерентностью ортогонально поляризованных мод можно пренебречь (тр - дисперсия моды, поляризованной волны в волокне с двойным лучепреломлением, с/м).

Как показано на рисунке, линейно поляризованный свет вводится в первый отрезок волокна вдоль основной оси. Для более полной деполяризации света, входящего с любым углом поляризации, к этому отрезку волокна присоединяется с поворотом относительно оси на 45° еще отрезок волокна (соотношение отрезков указано выше).

На практике в оптических волокнах с двойным лучепреломлением моды все-таки интерферируют. Поэтому полная деполяризация света в них невозможна н остается уровень поляризации примерно 10-.

2.6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

в этой главе рассмотрены различные конструкции, типы и характеристики оптических волокон, необходимые для анализа и проектирования волоконно-оптических датчиков. Может показаться, что п. 2.4.3 насыщен формулами, трудными для восприятия. Однако многие сведения о волоконно-оптических датчиках (если они не слишком подвержены механическим напряжениям и деформации) можно смело получить из основных формул. Что же касается дисперсии, то эта характеристика чрезвычайно важна для волоконно-оптических линий связи, а в данной главе затронута лишь в той мере, которая необходима для рассмотрения волоконно-оптических датчиков.

Глава третья СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ И СВЕТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ

3.1. ВВЕДЕНИЕ

В этой главе рассматриваются принцип действия, конструкция, рабочие характеристики светоизлучающих приборов, которые генерируют свет для подачи в оптическое волокно датчиков, и светоприемных приборов, которые определяют параметры света, проходящего через волокно и приносящего информацию о процессе, измеряемом датчиками.

Здесь в качестве источника света рассматриваются светоизлучающие диоды и лазеры. Особое внимание при описании лазеров уделено часто используемым в датчиках полупроводниковым и малогабаритным газовым (Не-Ne) лазерам. Определенная часть материала посвящена лавинным и pin-фото-диодам.

Хорошо известно, что на параметры полупроводниковых светоизлучающих и светоприемных приборов сильно влияют свойства исходных материалов, технология формирования и обработки кристалла. Однако большинство сведений об этих