Метрология волоконно-оптических линий связи

 
 
 
2.4 Становление оптоэлектроники  и появление оптических волокон. 
 
2.4.1 Лазеры и становление оптоэлектроники

 
Оптоэлектроника — это новая область науки и техники, которая появилась на стыке оптики и электроники. Следует заметить, что в развитии радиотехники с самого начала ХХ века постоянно прослеживалась тенденция освоения электромагнитных волн все более высокой частоты. Вытекающее из этого факта предположение, что однажды радиотехника и электроника достигнут оптического диапазона волн, становится все более и более достоверным, начиная с 1950-х годов. Годом возникновения оптоэлектроники можно считать 1955-й, когда Е. Лоебнер (Loеbner Е. Е. Optoelectronic devices and networks//Proc. 1ЕЕЕ. 1955. V. 43. N 12. Р. 1897 — 1906) описал потенциальные параметры различных оптоэлектронных устройств связи, нынче называемых оптронами, т. е. когда были обсуждены основные характеристики соединения оптического и электронного устройств. 
 
С тех пор оптоэлектроника непрерывно развивается, и полагают, что до конца ХХ века она превратится в огромную отрасль науки и техники, соизмеримую с электроникой. Появление в начале 1960-х годов лазеров способствовало ускорению развития оптоэлектроники. Потенциальные характеристики лазеров описаны еще в 1958 г., а уже в 1960 г. был создан самый первый лазер — газовый, на основе смеси гелия и неона. Генерирующие непрерывное излучение при комнатной температуре полупроводниковые лазеры, которые в настоящее время получили наиболее широкое применение, стали выпускаться с 1970 г. 
 
2.4.2 Появление оптических волокон 
 
Важным моментом в развитии оптоэлектроники является создание оптических волокон. Особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-x годов, а разработка в 1970 г. американской фирмой "Корнинг" кварцевого волокна с малым затуханием (20 дБ/км) явилась эпохальным событием и послужила стимулом для увеличения темпов исследований и разработок на все 1970-е годы. 
 
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. 
 
 
 
Рис. 2.2 - Снижение минимальных потерь передачи для различных типов оптических волокон 
 
2.4.3 Одно- и многомодовые оптические волокна 
 
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). 
 
 
 
 
Рис. 2.3 - Одномодовое (а) и многомодовое (б) оптическое волокно 
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.  
 
2.4.4 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 около 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. 

 
2.5 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.

 
 
 
2.6 Заключение по главе

Основными элементами волоконно-оптического датчика, как можно заметить из табл. 2.1, являются оптическое волокно, светоизлучающие (источник света) и светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент. Кроме того, специальные линии необходимы для связи между этими элементами или для формирования измерительной системы с датчиком. Далее, для практического внедрения волоконно-оптических датчиков необходимы элементы системной техники, которые в совокупности с вышеуказанными элементами и линией связи образуют измерительную систему.

Основными элементами волоконно-оптического датчика, как можно заметить из табл. 2.1, являются оптическое волокно, светоизлучающие (источник света) и светоприемные устройства, оптический чувствительный элемент. Кроме того, специальные линии необходимы для связи между этими элементами или для формирования измерительной системы с датчиком. Далее, для практического внедрения волоконно-оптических датчиков необходимы элементы системной техники, которые в совокупности с вышеуказанными элементами и линией связи образуют измерительную систему.

 
3 Оптические гироскопы

 
Гироскоп выполняет функции детектора угловой скорости в инерциальном пространстве и по праву может называться абсолютным тахометром, являясь структурным элементом инерциальной навигационной системы, обрабатывающей информацию о местонахождении самолета или судна с целью выведения его на курс. В состав этой системы обычно входит три гироскопа — для измерения скорости вращения вокруг трех ортогональных осей, три акселерометра — для определения скорости и расстояния и направлении трех осей и компьютер — для обработки выходных сигналов этих приборов. К самолетным гир/ч, динамический диапазон 6 порядков, высокая стабильность (10°оскопам предъявляются очень высокие требования: разрешающая способность и дрейф нуля 0,01-5) масштабного коэффициента преобразования угла поворота в выходной сигнал. До сих пор применялись в основном механические гироскопы, работающие на основе эффекта удержания оси вращения тела в одном направлении инерциального пространства (закон сохранения момента количества движения). Это дорогостоящие приборы, поскольку требуется высокая точность формы тела вращения и минимальное возможное трение подшипников. В отличие от механических оптические гироскопы, например, волоконно-оптические, созданные на основе эффекта Саньяка, имеют структуру статического типа, обладающую рядом достоинств, основные из которых: отсутствие подвижных деталей и, следовательно, устойчивость к ускорению; простота конструкции; короткое время запуска; высокая чувствительность; высокая линейность характеристик; низкая потребляемая мощность; высокая надежность.  
 
Кроме того, возможно снижение стоимости волоконно-оптических гироскопов за счет внедрения оптических интегральных схем. Наряду с использованием в самолетах и на судах можно ожидать по мере прогресса в технике гироскопов применения их в автомобилях, роботах и т. д.

1.  
   Принцип действия оптического гироскопа

 
 
, между световыми волнами возникает  разность фаз. Это явление и  называется эффектом Саньяка.WПринцип действия оптического гироскопа основан на эффекте Саньяка. По круговому оптическому пути, как показано на рис. 1, благодаря расщепителю луча свет распространяется в двух противоположных направлениях. Если при этом система находится в покое относительно инерциального пространства, оба световых луча распространяются встречно по оптическому пути одинаковой длины. Поэтому при сложении лучей в расщепителе по завершении пути нет фазового сдвига. Однако, когда оптическая система вращается в инерциальном пространстве с угловой скоростью  

 
 
Пусть коэффициент преломления на оптическом пути n=1. При радиусе оптического пути a время достижения расщепителя лучей светом, движущимся по часовой стрелке, выражается как 
 
(3.1) 
 
в противоположном направлении — 
 
(3.2) 
 
где с — скорость света. 
 
Из формул (1) и (2) разность времени распространения двух световых волн с учетом c>>Wa 
 
(3.3)  
 
Это означает, что появляется разность длины оптических путей 
 
(3.4) 
 
или, иначе говоря, разность фаз 
 
(3.5) 
 
Здесь S — площадь, окаймленная оптическим путем; k — волновое число. 
 
Формула (3.5) вытекает из формулы (3.3) при допущении, что n=1 и оптический путь имеет круговую форму, но возможно доказать, что формула (3.5) является основной для эффекта Саньяка. Она не зависит от формы оптического пути, положения центра вращения и коэффициента преломления.

 
3.2 Структурные схемы оптических  гироскопов 
 
На рис. 3.3 приведены общие схемы систем, разработанных для повышения точности измерений. Кольцевой лазерный гироскоп (рис. 3.3, а) отличается высокой частотой световой волны — до нескольких сотен терагерц. Волоконно-оптический гироскоп на (рис. 3.3, б) имеет высокую чувствительность, благодаря использованию длинного одномодового оптического волокна с низкими потерями. В оптическом гироскопе пассивного типа с кольцевым резонатором (рис. 3.3, в) используется острая резонансная характеристика резонатора.

 
 
3.3 Волоконно-оптические гироскопы 
 
На рис. 3.3 приведена оптическая схема волоконно-оптического гироскопа. По сути это интерферометр Саньяка (см. рис. 3.1), в котором круговой оптический контур заменен на катушку из длинного одномодового оптического волокна. Часть схемы, обведенная штриховой линией, необходима для повышения стабильности нулевой точки.