Оптическая обработка информации
Страница 2
На рис. 2 показано снижение минимальных потерь передачи для различных оптических волокон на протяжении минувших десяти с лишним лет. Можно заметить, что для кварцевых оптических волокон потери за 10 лет (в 1970-е годы) уменьшились примерно на два порядка.
Изначальной и главной целью разработки оптических волокон было обеспечение ими оптических систем связи. Тем не менее в 1970-е годы, когда в технике оптических волокон применительно к оптическим системам связи были достигнуты уже значительные успехи, влияние волокон на развитие волоконно-оптических датчиков, о которых пойдет речь в этой книге, оказалось несколько неожиданным.
Одно- и многомодовые оптические волокна.
Рис. 3. Одномодовое (а) и многомодовое (б) оптическое волокно |
Оптическое волокно обычно бывает одного из двух типов: одномодовое, в котором распространяется только одна мода (тип распределения передаваемого электромагнитного поля), и многомодовое — с передачей множества (около сотни) мод. Конструктивно эти типы волокон различаются только диаметром сердечника — световедущей части, внутри которой коэффициент преломления чуть выше, чем в периферийной части — оболочке (рис. 3).
В технике используются как многомодовые, так и одномодовые оптические волокна. Многомодовые волокна имеют большой (примерно 50 мкм) диаметр сердечника, что облегчает их соединение друг с другом. Но поскольку групповая скорость света для каждой моды различна, то при передаче узкого светового импульса происходит его расширение (увеличение дисперсии). По сравнению с многомодовыми у одномодовых волокон преимущества и недостатки меняются местами: дисперсия уменьшается, но малый (5 .10 мкм) диаметр сердечника значительно затрудняет соединение волокон этого типа и введение в них светового луча лазера.
Вследствие этого одномодовые оптические волокна нашли преимущественное применение в линиях связи, требующих высокой скорости передачи информации (линии верхнего ранга в иерархической структуре линий связи), а многомодовые чаще всего используются в линиях связи со сравнительно невысокой скоростью передачи информации. Имеются так называемые когерентные волоконно-оптические линии связи, где пригодны только одномодовые волокна. В многомодовом оптическом волокне когерентность принимаемых световых волн падает, поэтому его использование в когерентных линиях связи непрактично, что и предопределило применение в подобных линиях только одномодовых оптических волокон.
Напротив, хотя при использовании оптических волокон для датчиков вышеуказанные факторы тоже имеют место, но во многих случаях их роль уже иная. В частности, при использовании оптических волокон для когерентных измерений, когда из этих волокон формируется интерферометр, важным преимуществом одномодовых волокон является возможность передачи информации о фазе оптической волны, что неосуществимо с помощью многомодовых волокон. Следовательно, в данном случае необходимо только одномодовое оптическое волокно, как и в когерентных линиях связи. Тем не менее, на практике применение одномодового оптического волокна при измерении нетипично из-за небольшой его дисперсии. Короче говоря, в сенсорной оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферометров, используются многомодовые оптические волокна. Это обстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина используемых оптических волокон значительно меньше, чем в системах оптической связи.
Характеристики оптического волокна как структурного элемента датчика и систем связи
Прежде чем оценивать значимость этих характеристик для обеих областей применения, отметим общие достоинства оптических волокон:
· широкополосность (предполагается до нескольких десятков терагерц);
· малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);
· малый (около 125 мкм) диаметр;
· малая (приблизительно 30 г/км) масса;
· эластичность (минимальный радиус изгиба 2 MM);
· механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв примерно 7 кг);
· отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех типа известных в телефонии "переходных разговоров");
· безындукционность (практически отсутствует влияние электромагнитной индукции, а следовательно, и отрицательные явления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии электропередачи, импульсами тока в силовой сети);
· взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособностью волокна быть причиной искры);
· высокая электроизоляционная прочность (например, волокно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10000 B);
· высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим растворителям, маслам, воде.
В области оптической связи наиболее важны такие достоинства волокна, как широкополосность и малые потери, причем в строительстве внутригородских сетей связи наряду с этими свойствами особое значение приобретают малый диаметр и отсутствие взаимной интерференции, а в электрически неблагоприятной окружающей среде — безындукционность. Последние же три свойства в большинстве случаев здесь не играют какой-либо заметной роли.
В практике использования волоконно-оптических датчиков имеют наибольшее значение последние четыре свойства. Достаточно полезны и такие свойства, как эластичность, малые диаметр и масса. Широкополосность же и малые потери значительно повышают возможности оптических волокон, но далеко не всегда эти преимущества осознаются разработчиками датчиков. Однако, с современной точки зрения, по мере расширения функциональных возможностей волоконно-оптических датчиков в ближайшем будущем эта ситуация понемногу исправится.
Как будет показано ниже, в волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может быть применено просто в качестве линии передачи, а может играть роль самого чувствительного элемента датчика. В последнем случае используются чувствительность волокна к электрическому полю (эффект Керра), магнитному полю (эффект Фарадея), к вибрации, температуре, давлению, деформациям (например, к изгибу). Многие из этих эффектов в оптических системах связи оцениваются как недостатки, в датчиках же их появление считается скорее преимуществом, которое следует развивать.
Следует также отметить, что оптические волокна существенно улучшают характеристики устройств, основанных на эффекте Саньяка.
Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их применения
Современные волоконно-оптические датчики позволяют измерять почти все. Например, давление, температуру, расстояние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломления, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле, концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т.д.
Если классифицировать волоконно-оптические датчики с точки зрения применения в них оптического волокна, то, как уже было отмечено выше, их можно грубо разделить на датчики, в которых оптическое волокно используется в качестве линии передачи, и датчики, в которых оно используется в качестве чувствительного элемента. Как видно из таблицы 1, в датчиках типа "линии передачи" используются в основном многомодовые оптические волокна, а в датчиках сенсорного типа чаще всего — одномодовые.
Таблица 1. Характеристики волоконно-оптических датчиков
Структура |
Измеряемая физическая величина |
Используемое физическое явление, свойство |
Детектируемая величина |
Оптическое волокно |
Параметры и особенности измерений |
Датчики с оптическим волокном в качестве линии передачи | |||||
Проходящего типа |
Электрическое напряжение, напряженность электрического поля |
Эффект Поккельса |
Составляющая поляризация |
Многомодовое |
1 . 1000B; 0,1 .1000 В/см |
Проходящего типа |
Сила электрического тока, напряженность магнитного поля |
Эффект Фарадея |
Угол поляризации |
Многомодовое |
Точность ±1% при 20 .85° С |
Проходящего типа |
Температура |
Изменение поглощения полупроводников |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
-10 .+300° С (точность ±1° С) |
Проходящего типа |
Температура |
Изменение постоянной люминесценции |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
0 .70° С (точность ±0,04° С) |
Проходящего типа |
Температура |
Прерывание оптического пути |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
Режим "вкл/выкл" |
Проходящего типа |
Гидроакустическое давление |
Полное отражение |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
Чувствительность . 10 мПа |
Проходящего типа |
Ускорение |
Фотоупругость |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
Чувствительность около 1 мg |
Проходящего типа |
Концентрация газа |
Поглощение |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
Дистанционное наблюдение на расстоянии до 20 км |
Отражательного типа |
Звуковое давление в атмосфере |
Многокомпонентная интерференция |
Интенсивность отраженного света |
Многомодовое |
Чувствительность, характерная для конденсаторного микрофона |
Отражательного типа |
Концентрация кислорода в крови |
Изменение спектральной характеристики |
Интенсивность отраженного света |
Пучковое |
Доступ через катетер |
Отражательного типа |
Интенсивность СВЧ-излучения |
Изменение коэффициента отражения жидкого кристалла |
Интенсивность отраженного света |
Пучковое |
Неразрушающий контроль |
Антенного типа |
Параметры высоковольтных импульсов |
Излучение световода |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
Длительность фронта до 10 нс |
Антенного типа |
Температура |
Инфракрасное излучение |
Интенсивность пропускаемого света |
Инфракрасное |
250 .1200° С (точность ±1%) |
Датчики с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента | |||||
Кольцевой интерферометр |
Скорость вращения |
Эффект Саньяка |
Фаза световой волны |
Одномодовое |
>0,02 °/ч |
Кольцевой интерферометр |
Сила электрического тока |
Эффект Фарадея |
Фаза световой волны |
Одномодовое |
Волокно с сохранением поляризации |
Интерферометр Маха-Цендера |
Гидроакустическое давление |
Фотоупругость |
Фаза световой волны |
Одномодовое |
1 .100 рад×атм/м |
Интерферометр Маха-Цендера |
Сила электрического тока, напряженность магнитного поля |
Магнитострикция |
Фаза световой волны |
Одномодовое |
Чувствительность 10-9 А/м |
Интерферометр Маха-Цендера |
Сила электрического тока |
Эффект Джоуля |
Фаза световой волны |
Одномодовое |
Чувствительность 10 мкА |
Интерферометр Маха-Цендера |
Ускорение |
Механическое сжатие и растяжение |
Фаза световой волны |
Одномодовое |
1000 рад/g |
Интерферометр Фабри-Перо |
Гидроакустическое давление |
Фотоупругость |
Фаза световой волны (полиинтерференция) |
Одномодовое |
— |
Интерферометр Фабри-Перо |
Температура |
Тепловое сжатие и расширение |
Фаза световой волны (полиинтерференция) |
Одномодовое |
Высокая чувствительность |
Интерферометр Фабри-Перо |
Спектр излучения |
Волновая фильтрация |
Интенсивность пропускаемого света |
Одномодовое |
Высокая разрешающая способность |
Интерферометр Майкельсона |
Пульс, скорость потока крови |
Эффект Доплера |
Частота биений |
Одномодовое, многомодовое |
10-4 .108 м/с |
Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией |
Гидроакустическое давление |
Фотоупругость |
Фаза световой волны |
С сохранением поляризации |
Без опорного оптического волокна |
Интерферометр на основе мод с ортогональной поляризацией |
Напряженность магнитного поля |
Магнитострикция |
Фаза световой волны |
С сохранением поляризации |
Без опорного оптического волокна |
Неинтерферометрическая |
Гидроакустическое давление |
Потери на микроизгибах волокна |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
Чувствительность 100 мПа |
Неинтерферометрическая |
Сила электрического тока, напряженность магнитного поля |
Эффект Фарадея |
Угол поляризации |
Одномодовое |
Необходимо учитывать ортогональные моды |
Неинтерферометрическая |
Скорость потока |
Колебания волокна |
Соотношение интенсивности между двумя модами |
Одномодовое, многомодовое |
>0,3 м/с |
Неинтерферометрическая |
Доза радиоактивного излучения |
Формирование центра окрашивания |
Интенсивность пропускаемого света |
Многомодовое |
0,01 .1,00 Мрад |
Последовательного и параллельного типа |
Распределение температуры и деформации |
Обратное рассеяние Релея |
Интенсивность обратного рассеяния Релея |
Многомодовое |
Разрешающая способность 1 м |