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