Перевод с японского Г. Н. Горбунова
Ленинград
ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ
Ленинградское отделение
1991

ББК 22.34
037
УДК 681.586.5
Редактор С. С. Полигнотова
Окоси Т. и др.
037 Волоконно-оптические датчики/Т. Окоси, К. Окамото,
М. Оцу, X. Нисихара, К. Кюма, К. Хататэ; Под ред. Т. Око-
си: Пер. с япон.— Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние,
1990.—256 с: ил.
ISBN 5-283-02466-0 (СССР); ISBN 4-274-03123-3 (Япо-
ния)
Обобщен опыт, накопленный в области разработки и применения
волоконно-оптических измерительных преобразователей различных фи-
зических величин. Рассмотрены методы представления информации,
типы волоконно-оптических датчиков, оптические волокна, светоизлуча-
ющие и светоприемные устройства, элементы оптических схем, воло-
конно-оптические гироскопы.
Для инженерно-технических работников в области промышленных
и экспериментальных измерений, автоматики и информационно-измери-
тельной техники.
1604060000—138
В 051@1)-90 262~89 ББК 22М
ISBN 5-283-02466-0 (СССР) © *e#St ,1986
© Перевод на русский язык, преди-
словие научного редактора пере-
ISBN 4-274-03123-3 (Япония) вода. Энергоатомиздат, 1990

ПРЕДИСЛОВИЕ
НАУЧНОГО РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Сенсоризация производственной деятельности, т. е. замена
органов чувств человека на датчики, должна рассматриваться
в качестве третьей промышленной революции вслед за пер-
выми двумя — машинно-энергетической и информационно-ком-
пьютерной. Потребность в датчиках стремительно растет в связи
с быстрым развитием автоматизированных систем контроля и
управления, внедрением новых технологических процессов, пе-
реходом к гибким автоматизиррванным производствам. Помимо
высоких метрологических характеристик датчики должны обла-
дать высокой надежностью, долговечностью, стабильностью,
малыми габаритами, массой и энергопотреблением, совмести-
мостью с микроэлектронными устройствами обработки инфор-
мации при низкой трудоемкости изготовления и небольшой
стоимости. Этим требованиям в максимальной степени удовлет-
воряют волоконно-оптические датчики.
Предлагаемая читателю книга японских специалистов, охва-
тывающая разнообразные аспекты конструирования и примене-
ния волоконно-оптических датчиков, в оригинале является об-
зором многочисленной литературы по этой тематике. По боль-
шей части доступ к этой литературе для советского специалиста
весьма ограничен. В связи с этим решено не сопровождать пе-
ревод обширными библиографическими списками и ссылками
на них. Различие в обозначении одних и тех же величин, встре-
чающееся в отдельных главах данной книги, обусловлено раз-
ным авторством использованных в оригинале публикаций, од-
нако отнюдь не затрудняет восприятия.
Благодаря актуальности тематики и широте охвата мате-
риала книга окажется, безусловно, полезной советским специ-
алистам, занятым разработкой и применением датчиков.

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРОВ
Первые попытки создания датчиков на основе оптических
волокон можно отнести к середине 1970-х годов. Как показано
в гл. 1 этой книги, публикации о более или менее приемлемых
разработках и экспериментальных образцах подобных датчиков
появились во второй половине 1970-х годов. Однако считается,
что этот тип датчиков сформировался как одно из направлений
техники только в начале 1980-х годов. Тогда же появился*и тер-
мин «волоконно-оптические датчики» (optical fiber sensors). Та-
ким образом, волоконно-оптические датчики — очень молодая
область техники.
Настоящая книга создана с целью систематизации сведений
о различных аспектах этой новой области техники. За написа-
ние различных глав энергично взялись пять компетентных уче-
ных-исследователей, а поскольку здесь представлены все со-
временные направления в данной области, то вполне можно
считать эту книгу своеобразным учебником.
При написании книги сначала в ходе дискуссии коллектива
авторов был уточнен план изложения и определено содержа-
ние глав. Каждый автор написал отдельную главу. Затем ру-
ководитель авторского коллектива прочел все главы, заботясь
об убедительности аргументации, о стройности и единстве
стиля изложения.
Автор первой главы — Т. Окоси, второй — К. Окамото,
третьей — М. Оцу, четвертой — X. Нисихара, пятой — К. Кюма,
шестой и седьмой — К. Хататэ.
Книга как бы делится на две части. Первая (гл. 2—5;
гл. 1 — вводная) касается основных элементов и устройств во-
локонно-оптической техники, т. е. оптического волокна, свето-
излучающих и светоприемных приборов, оптических схем и эле-
ментов оптических датчиков. Во второй части (гл. 6, 7) описы-
ваются сами датчики и измерительные системы на них. Глава
пятая относится к обеим частям книги. Читатели, уже имеющие
представление о приборах и элементах волоконно-оптической
техники, смогут получить новые сведения о сенсорной технике
в целом.

Поскольку каждая глава в книге более или менее само-
стоятельна, порядок чтения безразличен. Например, читатель,
в общих чертах знакомый с приборами и элементами воло-
конно-оптической техники, может начинать чтение с гл. 5 и
лишь после гл. 7 вернуться к началу книги. Либо можно читать
все главы в наиболее приемлемом для себя порядке, и уж, ко-
нечно, вполне резонно читать книгу в обычной последователь-
ности.
Как бы там ни было, авторы единодушно желали сделать
книгу удобной для любой работы и пригодной для чтения
в произвольном порядке с учетом подготовленности читателя.
От имени авторов Таканори Окоси
1 июля 1986 года

Глава первая
ОБЩИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОН РАЗВИТИЯ
11 ВВЕДЕНИЕ
1.1.1. От электрических измерений к электронным. Конец
XIX века можно считать периодом становления метрологии
в ее общем виде. К тому времени произошла определенная си-
стематизация в области электротехники на основе теории элек-
тромагнетизма и цепей переменного тока До этого физические
величины измерялись главным образом механическими средст-
вами, а сами механические измерения распространены были
незначительно. Электрические же измерения ограничивались
едва ли не исключительно только электростатическими. Можно
сказать, что метрология, развиваясь по мере прогресса электро-
техники, с конца XIX века стала как бы ее родной сестрой.
Рассмотрим этапы и успехи этого развития. В течение не-
скольких десятков лет, вплоть до второй мировой войны, полу-
чили распространение электроизмерительные приборы, принцип
работы которых основан на силах взаимодействия электриче-
ского тока и магнитного поля (закон Био—Совара). Тогда же
эти приборы внедрялись в быстро развивающуюся промышлен-
ность. Особенность периода в том, что наука и техника, при-
частные к электроизмерительным приборам, становятся ядром
метрологии и измерительной индустрии.
После второй мировой войны значительные успехи в разви-
тии электроники привели к громадным переменам в метроло-
гии. В пятидесятых годах появились осциллографы, содержа-
щие от нескольких десятков до сотни и более электронных
ламп и обладающие весьма высокими функциональными воз-
можностями, а также целый ряд подобных устройств, которые
стали широко применяться в сфере производства и научных ис-
следований. Так наступила эра электронных измерений. Се-
годня, по прошествии более 30 лет, значительно изменилась
элементная база измерительных приборов. От электронных
ламп перешли к транзисторам, интегральным схемам (ИС),
большим ИС (БИС). Таким образом, и сегодня электроника
является основой измерительной техники.
1.1.2. От аналоговых измерений к цифровым. Однако между
электронными измерениями, которые производились в 1950-е
годы, и электронными измерениями 1980-х годов большая раз-
ница. Суть ее заключается в том, что во многие измерительные
приборы введена цифровая техника.
Обычно электронный измерительный прибор имеет струк-
туру, подобную изображенной на рис. 1.1. Здесь датчик в слу-

Рис 1 1 Типовая структура электронного измерителя
чае измерения электрической величины (электрический ток или
напряжение) особой роли не играет, и довольно часто выход-
ным устройством такого измерителя является индикатор. Од-
нако при использовании подобного прибора в какой-либо из-
мерительной системе сплошь и рядом приходится сталкиваться
с необходимостью обработки сигнала различными электрон-
ными схемами. Внедрение цифровой измерительной техники
подразумевает в идеале, что цифровой сигнал поступает непо-
средственно от чувствительного элемента датчика. Но пока это
скорее редкость, чем правило. Чаще же всего этот сигнал
имеет аналоговую форму, и для него на входе блока обработки
данных установлен аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Цифровая же техника используется главным образом в блоке
обработки данных и в выходном устройстве (индикаторе) или
в одном из них.
Основное преимущество использования цифровой техники
в процессе обработки данных — это сравнительно простая реа-
лизация операций высокого уровня, которые трудно осущест-
вимы с помощью аналоговых устройств. К таким операциям
относятся подавление шумов, усреднение, нелинейная обра-
ботка, интегральные преобразования и др. При этом функцио-
нальная нагрузка на чувствительный элемент датчика умень-
шается и снижаются требования к характеристикам элемента.
Кроме того, благодаря цифровой обработке становится воз-
можным измерение весьма малых величин.
1.1.3. Цифризация и волоконно-оптические датчики. Исто-
рия волоконно-оптических датчиков кратко излагается чуть
ниже (см. § 1.4), но важно отметить, что одним из этапов их
развития было функциональное расширение операций, выпол-
няемых в блоке обработки данных датчика, путем их цифриза-
ции и, что особенно существенно, упрощение операций нелиней-
ного типа. Ведь в волоконно-оптических датчиках линейность
выходного сигнала относительно измеряемой физической вели-
чины довольно часто неудовлетворительна. Благодаря же циф-
ризации обработки эта проблема теперь частично или пол-
ностью решается.
Нечего и говорить, что важный стимул появления волокон-
но-оптических датчиков — создание самих оптических волокон,

о которых будет рассказано ниже, а также взрывоподобное
развитие оптической электроники и волоконно-оптической тех-
ники связи
1 2 СТАНОВЛЕНИЕ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
И ПОЯВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН
1.2.1. Лазеры и становление оптоэлектроники. Оптоэлектро
ника — это новая область науки и техники, которая появилась
на стыке оптики и электроники Следует заметить, что в разви-
тии радиотехники с самого начала XX века постоянно просле-
живалась тенденция освоения электромагнитных волн все более
высокой частоты Вытекающее из этого факта предположение,
что однажды радиотехника и электроника достигнут опти-
ческого диапазона волн, становится все более и более досто-
верным, начиная с 1950-х годов Годом возникновения опто-
электроники можно считать 1955-й, когда Е Лоебнер (Loeb-
ner E E Optoelectronic devices and networks//Proc IEEE 1955
V 43 N 12 P 1897—1906) описал потенциальные параметры
различных оптоэлектронных устройств связи, нынче называе-
мых оптронами, т е когда были обсуждены основные характе-
ристики соединения оптического и электронного устройств
С тех пор оптоэлектроника непрерывно развивается, и пола-
гают, что до конца XX века она превратится в огромную от-
Рис 1 2 Снижение минимальных потерь передачи для различных типов оп
тических волокон

расль науки и техники, соизмеримую с электроникой Появле-
ние в начале 1960-х годов лазеров способствовало ускорению
развития оптоэлектроники Потенциальные характеристики ла-
зеров описаны еще в 1958 г, а уже в 1960 г был создан самый
первый лазер — газовый, на основе смеси гелия и неона. Гене-
рирующие непрерывное излучение при комнатной температуре
полупроводниковые лазеры, которые в настоящее время полу-
чили наиболее широкое применение, стали выпускаться с 1970 г
1.2.2. Появление оптических волокон. Важным моментом
в развитии оптоэлектроники является создание оптических во-
локон В Японии об этих волокнах и об их потенциальных воз-
можностях было заявлено в патенте Сэки Нэгиси A936 г,
о стеклянном волноводе) и в патенте Нисидзава Сасаки
A964 г, об оптических линиях с фокусирующими свойствами)
Но особенно интенсивными исследования стали в конце 1960-х
годов, а разработка в 1970 г американской фирмой «Корнинг»
кварцевого волокна с малым затуханием B0 дБ/км) явилась
эпохальным событием и послужила стимулом, для увеличения
темпов исследований и разработок на все 1970-е годы
На рис 1 2 показано снижение минимальных потерь пере-
дачи для различных оптически* волокон на протяжении минув-
ших десяти с лишним лет Можно заметить, что для кварцевых
оптических волокон потери за 10 лет (в 1970-е годы) уменьши-
лись примерно на два порядка
Изначальной и главной целью разработки оптических во-
локон было обеспечение ими оптических систем связи Тем не
менее в 1970-е годы, когда в технике оптических волокон при-
менительно к оптическим системам связи были достигнуты уже
значительные успехи, влияние волокон на развитие волоконно-
оптических датчиков, о которых пойдет речь в этой книге, ока-
залось несколько неожиданным
1.2.3. Одно- и многомодовые оптические волокна. Оптиче-
ское волокно обычно бывает одного из двух типов одномодо-
вое, в котором распространяется только одна мода (тип
распределения передаваемого электромагнитного поля), и мно-
гомодовое — с передачей множества (около сотни) мод Кон-
структивно эти типы волокон различаются только диаметром
сердечника — световедущей части, внутри которой коэффициент
преломления чуть выше, чем в периферийной части — оболочке
(рис 1 3)
В технике используются как многомодовые, так и одномо-
довые оптические волокна Многомодовые волокна имеют боль-
шой (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 све-
тового импульса происходит его расширение (увеличение дис-
персии) По сравнению с многомодовыми у одномодовых

волокон преимущества и недостатки меняются местами: дис-
персия уменьшается, но малый E. ..10 мкм) диаметр сердеч-
ника 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 вы-
сокой 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 ко-
герентные волоконно-оптические линии связи, где пригодны
только одномодовые волокна. Исследования таких линий в Япо-
нии начались в 1978 г., и, с точки зрения авторов книги, осо-
бенно продвинулись в середине 1980-х годов, причем сравни-
тельно с результатами основных исследовательских организа-
ций по электросвязи во всем мире выглядели более успешными.
В многомодовом оптическом волокне когерентность принимае-
мых световых волн падает, поэтому его использование в коге-
рентных линиях связи непрактично, что и предопределило, при-
менение 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 использо-
вании оптических волокон для когерентных измерений, когда
из этих волокон формируется интерферометр, важным преиму-
ществом одномодовых волокон является возможность передачи
информации о фазе оптической волны, что неосуществимо с по-
мощью многомодовых волокон. Следовательно, в данном слу-
чае необходимо только одномодовое оптическое волокно, как
и в когерентных линиях связи. Тем не менее на практике при-
менение одномодового оптического волокна при измерении не-
типично из-за небольшой его дисперсии. Короче говоря, в сен-
сорной оптоэлектронике, за исключением датчиков-интерферо-
метров, используются многомодовые оптические волокна. Это
обстоятельство объясняется еще и тем, что в датчиках длина
Рис. I 3. Одномодовое (а) п
многомодовое (б) оптическое
волокно

используемых оптических волокон значительно меньше, чем
в системах оптической связи.
1.2.4. Характеристики оптического волокна как структур-
ного элемента датчика и систем связи. Прежде чем оценивать
значимость этих характеристик для обеих областей примене-
ния, отметим общие достоинства оптических волокон:
широкополосность (предполагается до нескольких десят-
ков терагерц);
малые потери (минимальные 0,154 дБ/км);
малый (около 125 мкм) диаметр;
малая (приблизительно 30 г/км) масса;
эластичность (минимальный радиус изгиба 2 мм);
механическая прочность (выдерживает нагрузку на разрыв
примерно 7 кг);
отсутствие взаимной интерференции (перекрестных помех
типа известных в телефонии «переходных разговоров»);
безындукционность (практически отсутствует влияние элек-
тромагнитной индукции, а следовательно, и отрицательные яв-
ления, связанные с грозовыми разрядами, близостью к линии
электропередачи, импульсами тока в силовой сети);
взрывобезопасность (гарантируется абсолютной неспособ-
ностью волокна быть причиной искры);
высокая электроизоляционная прочность (например, во-
локно длиной 20 см выдерживает напряжение до 10 000 В);
высокая коррозионная стойкость, особенно к химическим
растворителям, маслам, воде.
В области оптической связи наиболее важны такие достоин-
ства волокна, как широкополосность и малые потери, причем
в строительстве внутригородских сетей связи наряду с этими
свойствами особое значение приобретают малый диаметр и от-
сутствие взаимной интерференции, а в электрически неблаго-
приятной окружающей среде — безындукционность. Последние
же три свойства в большинстве случаев здесь не играют ка-
кой-либо заметной роли.
В практике использования волоконно-оптических датчиков
имеют наибольшее значение последние четыре свойства. Доста-
точно полезны и такие свойства, как эластичность, малые диа-
метр и масса. Широкополосность же и малые потери значи-
тельно повышают возможности оптических волокон, но далеко
не всегда эти преимущества осознаются разработчиками датчи-
ков. 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 чувстви-
П

Таблица 1.1. Характеристики
Структура
Измеряемая
физическая
величина
Используемое
физическое
явление, свойство
Датчики с оптическим волокном
Проходящего типа
ЧцбстбитепоныЩ \
элемент | J
Источник
света
Детектор
Электрическое на-
пряжение, на-
пряженность
электрического
поля
Эффект Поккель-
са
Сила электриче-
ческого тока,
напряженность
магнитного по-
ля
Температура
Гидроакустиче-
ское давление
Ускорение
Концентрация
газа
Эффект Фарадея
Изменение погло-
щения полу-
проводников
Изменение по-
стоянной люми-
несценция
Прерывание оп-
тического пути
Полное отраже-
ние
Фотоупругость
Поглощение
Отражательного типа
Чувствительный
элемент
Источник
света
Детектор
Звуковое давле-
ние в атмосфе-
ре
Концентрация
кислорода в
крови
Интенсивность
СВЧ-излучения
Многокомпонент-
ная интерфе-
ренция
Изменение спект-
ральной харак-
теристики
Изменение коэф-
фициента отра-
жения жидкого
кристалла
12

волоконно-оптических датчиков
Детектируемая величина
Оптическое
волокно
Параметры и особенности
измерений
в качестве линии передачи
Составляющая поляризация
Угол поляризации
Интенсивность пропускаемого
света
Интенсивность отраженного
света
Многомодовое
Пучковое
1 . . . 1000 В; 0,1 ..
1000 В/см
Точность ±1 % при
20 ... 85 °С
— 10 ... +300 °С (точ-
ность ±1 °С)
0 ... 70 СС (точность
±0,04 °С)
Режим «вкл. — выкл.»
Чувствительность
1 ... 10 мПа
Чувствительность около
1 Mg
Дистанционное наблю-
дение на расстоянии до
20 км
Чувствительность, ха-
рактерная для 12,7-мил-
лиметрового конден-
саторного микрофона
Доступ через катетер
Неразрушающий
троль
кон-
13

Структура
Измеряемая
физическая
величина
Используемое
физическое
явление, свойство
Антенного типа
Детектор
Параметры высо-
ковольтных им-
пульсов
Температура
Излучение свето-
вода
Инфракрасное
излучение
Датчики с оптическим волокном
Кольцевой интеоЛеоометп
la И
о
ТО
f
Интерферометр Фабри —
Перо
Скорость враще-
ния
Сила электриче-
ского тока
Гидроакустиче-
ское давление
Сила электриче-
ского тока, на-
пряженность
магнитного поля
Сила электриче-
ского тока
Ускорение
Гидроакустиче-
ское давление
Температура
Спектр излучения
Эффект Саньяка
Эффект Фарадея
Фотоупругость
Магнитострикция
Эффект Джоуля
Механическое
сжатие и рас-
тяжение
Фотоупругость
Тепловое сжатие
и расширение
Волновая фильт-
рация
14

Продолжение табл. 1.1
Детектируемая величина
1
Интенсивность пропускаемого
света
Оптическое
волокно
Многомодовое
Инфракрасное
Параметры и особенности
измерений
Длительность фронта до
10 не
250 ... 1200 °С (точ-
ность ±1 %)
в качестве чувствительного э л е м t
Фаза световой волны
Фаза световой волны /полиин-
терференция)
Интенсивность пропускаемого
света
Одномодовое
н т а
0,02 ... 7ч
Волокно с сохранением
поляризации
1 ... 100 рад-атм/м
Чувствительность
10-в А/м
Чувствительность 10 мкА
1000 рад/g
—
Высокая чувствитель-
ность
Высокая разрешающая
способность
15

Структура
Интерферометрическая
Интерферометр Майкельсона
Интерферометр на основе мод
с ортогональной поляризацией
Неинтерферометрическая
Последовательного и параллельного
типа
Измеряемая
физическая
величина
Пульс, скорость
потока крови
Гидроакустиче-
ское давление
Напряженность
магнитного поля
Гидроакустиче-
ское давление
Сила электриче-
ского тока, на-
пряженность
магнитного поля
Скорость потока
Доза радиоактив-
ного излучения
Распределение
температуры и
деформации
Используемое
физическое
явление,
свойство
Эффект Доплера
Фотоупругость
Магнитострикция
Потери на микро-
изгибах волокна
Эффект Фарадея
Колебания во-
локна
Формирование
центра окраши-
вания
Обратное рассея-
ние Рэлея
тельность 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 недо-
статки, в датчиках же их появление считается скорее преиму-
ществом, которое следует развивать.
Следует также отметить, что оптические волокна сущест-
венно улучшают характеристики устройств, основанных на эф-
фекте Саньяка.
16

Окончание табл. 1.1
Детектируемая величина
Частота биений
Фаза световой волны
Интенсивность пропускаемого
света
Угол поляризации
Соотношение интенсивности
между двумя модами
Интенсивность пропускаемого
света
Интенсивность обратного рас-
сеяния Рэлея
Оптическое
ВОЛОКНО
Одномодовое,
многомодовое
С сохранением
поляризации
Многомодовое
Одномодовое
Одномодовое,
многомодовое
Многомодовое
Многомодовое
Параметры и особенности
измерений
10-* . . . 108 м/с
Без опорного оптического
волокна
Чувствительность
100 мПа
Необходимо учитывать
ортогональные моды
>0,3 м/с
0,01 . . . 1,00 Мрад
Разрешающая способ-
ность 1 м
1.3. КЛАССИФИКАЦИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
И ПРИМЕРЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ
Современные волоконно-оптические датчики позволяют из-
мерять почти все. Например, давление, температуру, расстоя-
ние, положение в пространстве, скорость вращения, скорость
линейного перемещения, ускорение, колебания, массу, звуковые
волны, уровень жидкости, деформацию, коэффициент преломле-
ния, электрическое поле, электрический ток, магнитное поле,
концентрацию газа, дозу радиационного излучения и т. д.
17

Если классифицировать волоконно-оптические датчики
с точки зрения применения в них оптического волокна, то, как
уже было отмечено выше, их можно грубо разделить на дат-
чики, в которых оптическое волокно используется в качестве
линии передачи, и датчики, в которых оно используется в каче-
стве чувствительного элемента. Более подробно датчики этих
двух типов рассматриваются в гл. 5 и 6. Судя по табл. 1.1,
в датчиках типа «линии передачи» используются в основном
многомодовые оптические волокна, а в датчиках сенсорного
типа чаще всего — одномодовые.
Рис. 1.4. Классификация основ-
ных структур волоконно-оптиче-
ских датчиков:
а — с изменением характеристик
волокна (в том числе специаль-
ных волокон)
Используемые физические явления: эф-
фект Фарадея, эффект Керра, измене-
ние давления, радиация. Материал —
люминесцентное волокно
б — с изменением параметров пе-
редаваемого света
в — с чувствительным элементом
на торце волокна
Чувствительным элементом может быть
как сам измеряемый объект, так и
специальный элемент, прикрепляемый
к нему
1.4. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК
1.4.1. Семидесятые годы. В истории волоконно-оптических
датчиков трудно зафиксировать какой-либо начальный момент
в отличие от истории волоконно-оптических линий связи. Пер-
вые публикации о проектах и экспериментах с измерительной
техникой, в которой использовалось бы оптическое волокно, на-
чали появляться с 1973 г., а во второй половине 1970-х годов
их число значительно увеличилось.
В Японии исследования в этом направлении осуществля-
ются, в частности, сотрудниками объединенной лаборатории
электроники в Институте промышленной технологии, возглав-
ляемой Кэндзиро Косакураи. На съезде ассоциации четырех
научных обществ по электротехнике в 1976 г. К. Косакураи
прочитал лекцию на тему «Оптическое волокно и измеритель-
ная техника», изобилующую достоверными прогнозами, если

Таблица 1.2. Сведения об исследованиях и разработках волоконно-оптических датчиков
по данным до 1978 г.
Измеряемая физи-
ческая величина,
объект измерения
Источник информации
Элементы измерительной структуры
Принцип действия,
используемое физическое
явление
Датчики электрических, оптических величин
и радиоактивного излучения
Электрическое на-
пряжение
Лазерные измерители электрического
напряжения. Дэнгаку дзэндай.
1977. № 1429
Определение напряжения электриче-
ского смещения с помощью лазер-
ного измерителя напряжений. Дэн-
гаку дзэндай. 1977. № 1430
Полупроводниковый лазер, многомо-
довое оптическое волокно, крис-
таллы LiNbO3, LiTaO3
Эффект Поккельса
Электрический ток
Лазерная компьютерная томография
на основе оптических волокон.
Дэнгаку дзэндай. 1977. № 1428
Гелий-неоновый лазер, одномодовое
оптическое волокно
Эффект Фарадея
Электрическое по-
ле
Измерение электромагнитного поля
с использованием волоконной теле-
метрии. Microwave J. Apr. 1977.
P. 35
Радиочастотный зонд из жидкокри-
сталлического волокна. Microwave
J. Aug. 1975. P. 58
Микроволновый детекторный эле-
мент, светодиод, оптическое во-
локно
Микроволновый поглощающий эле-
мент, жидкокристаллическое опти-
ческое волокно, источник света
Оптическая модуляция
Температурная зависи-
мость коэффициента
преломления
Электрический им-
пульс
Оптическая система дискретизации.
Appl. Opt. 1976. V. 15. № 6. P. 1404
Короткоимпульсный лазер, оптиче-
ский модулятор
Эффект Керра, задержка

о
Продолжение табл. 1.2
Измеряемая физи-
ческая величина,
объект измерения
Световой импульс
Световая волна
Радиоактивное из-
лучение
Источник информации
Ждущий осциллограф для пикосе-
кундных импульсов света. Opt.
Comm. 1973. V. 9. N 2. P. 212
Дискретизация пикосекундных им-
пульсов света. IEEE J. Q.E. 1974.
Р. 642
Интерференция двух световых пото-
ков в оптических волокнах. Обуцу.
1976. № 1P-F-9
Измерение электромагнитного поля
света с помощью одномодового оп-
тического волокна. Appl. Opt. 1978.
V. 17. N 12
Волоконное оптическое реле. Appl.
Phys. Lett. 1977. V. 31. N 10
Волоконный измеритель радиации.
SP1E. 1976. V. 77. Р. 88
Элементы измерительной структуры
Ячейка Керра, многомодовое оптиче-
ское волокно, короткоимпульсный
лазер
Гелий-неоновый лазер, видикон, од-
номодовое оптическое волокно
Оптическое волокно, светодиод
Специальное волокно, источник света
Принцип действия,
используемое физическое
явление
Эффект Керра
Интерференция, фазо-
вое детектирование
Термомеханическое сме-
щение
Измерение потерь при
передаче света
Датчики механических, акустических величин и температуры
Давление крови
Поток крови
Сила растяжения
Изгиб
Угловая скорость
Звуковые и ультра-
звуковые волны
Измерение давления крови с помощью
оптического волокна. Optics and
Laser Technology. 1976. P. 117
Измерение потока крови с помощью
волоконно-оптического катетера.
Appl. Opt. 1975. V. 14. P. 189
Волоконно-оптический измеритель
дифракции. Appl. Opt. 1978. V. 17.
P. 2867
Изменение потерь в оптическом во-
локне в зависимости от изгиба. Op-
tics and Laser Technology. 1976.
P. 251
Лазерный оптический гироскоп.
SPIE. 1976. V. 77. P. 110
Кольцевой волоконный интерферо-
метр. Appl. Phys. Lett. 1978. V. 33.
P. 940
Волоконно-оптический гидролокатор.
J. Acoust. Soc. Am. 1977. V. 62.
P. 1302
Звуковой детектор на оптическом во-
локне. J. Acoust. Soc. Am. 1977.
V. 62. P. 1136
Звуковой датчик на оптическом во-
локне. Appl. Opt. 1977. V. 16.
P. 1761
Жидкий кристалл
Оптический гетеродинный детектор
Одномодовое оптическое волокно, ге-
лий-неоновый лазер
Пластмассовое оптическое волокно,
аргоновый лазер
Одномодовое оптическое волокно, ге-
лий-неоновый лазер
Одномодовое оптическое волокно,
(ОаА1)Аз-лазер
Одномодовое и многомодовое оптиче-
ское волокно
Одномодовое оптическое волокно
Одномодовое и многомодовое оптиче-
ское волокно
Изменение коэффициен-
та преломления жид-
кого кристалла в за-
висимости от давления
Эффект Доплера
Изменение длины опти-
ческого пути при рас-
тяжении
Изменение потерь при из-
гибе
Эффект Саньяка
Акустооптический эф-
фект

к
Окончание табл. 1.2
Измеряемая физи-
ческая величина,
объект измерения
Звуковые и уль-
тразвуковые
волны
Колебания
Температура
Источник информации
Звуковой датчик на одном оптическом
волокне. Appl. Opt. 1978. V. 17.
P. 330
Модуляция вследствие изменения по-
терь в оптическом волокне. Appl.
Phys. Lett. 1977. V. 30. Р 94.
Измерение температуры в электромаг-
нитном поле. Microwave J. Aug.
1975. P. 55
Волоконно-оптический датчик темпе-
ратуры. Сингакукай но дэнпа бу-
мон дайкай. 1978. № 229
Элементы измерительной структуры
Одномодовое оптическое волокно
Многомодовое оптическое волокно,
гелий-неоновый лазер
Жидкий кристалл, многомодовое оп-
тическое волокно
Биметаллический элемент
Принцип действия,
используемое физическое
явление
Многократное отраже-
ние от торца волокна
Изменение потерь при из-
гибе от колебаний
Изменение коэффициен-
та преломления жид-
кого кристалла в зави-
симости от температу-
ры
Пресечение луча изогну-
тым биметаллическим
элементом
Датчики изображения
Изображение
Изображение
Плотность
Координаты
Расстояние до
объекта
Параллельная передача по одиноч-
ному оптическому волокну. Appl.
Phys. Lett. 1978. V. 32. P. 29.
Распределение света в оптическом
волокне. J. Opt. Soc. Am. 1978.
V. 68. P. 310
Передача изображения с помощью
цветового кодирования. Opt. Comm
1978. V. 27. P. 57
Измерение диффузного отражения
кровяной среды. Appl. Opt. 1976.
V. 15. P. 2059
Оптическое волокно с люминофором.
Сингаку дзэндай. 1975. № 884
Полупроводниковый лазер на перехо-
дах с самоограничением и его при-
менение. Сингаку гихо. 1976. OQE
75-125
Многомодовое оптическое волокно,
щель, сканер
Многомодовое оптическое волокно,
гелий-неоновый лазер
Волоконный лист, призма
Волоконный пучок, цветовой фильтр
Специальное волокно, световое перо
Одиночное оптическое волокно, по-
лупроводниковый лазер, зеркало
Сохранение моды при
распространении све-
тового луча
Самоформирование изо-
бражения (эффект мно-
гоцветного отраже-
ния)
Многоканальная пере-
дача на световых вол-
нах разной длины
Изменение коэффициен-
та отражения в зави-
симости от плотности
среды
Люминесценция
Эффект самоограниче-
ния переходов

даже смотреть на нее с позиций сегодняшнего дня. Уже с 1977
по 1979 г. появилось множество статей обзорного характера, и
по мере того как новые концепции приобретали известность,
интерес к ним возрастал. В 1978 г. Нэмото Тосио предложил
общую классификацию волоконно-оптических датчиков (рис.
1.4), которая мало чем отличается от современной.
Как видно из табл. 1.2, к 1978 г. число исследований и раз-
работок в Японии и других странах стало уже ощутимым. Од-
нако в публикациях 1970-х годов термин «волоконно-оптиче-
ский датчик» еще не был общепринятым. В японской техниче-
ской литературе этого периода чаще всего использовался тер-
мин «измеритель на основе оптических волокон», а в статьях
на английском языке — «оптический датчик на волокне» (fiber
optical sensors). Лишь в 1981 г. термин волоконно-оптический
датчик» признан всеми и окончательно утвердился после со-
стоявшейся в 1982 г. в Лондоне первой международной кон-
ференции по волоконно-оптическим датчикам (International
conference on optical fiber sensors, OFS'82).
1.4.2. Восьмидесятые годы. С наступлением 1980-х годов
история развития волоконно-оптических датчиков обрастает
значительными подробностями, и здесь следует отметить два
обстоятельства.
В Японии по инициативе Промышленно-технологического
института Министерства торговли и промышленности и под ру-
ководством Общества содействия промышленной оптической
технологии в течение шести лет (с 1980 по 1985 г.) был осуще-
ствлен проект «Измерения с использованием оптики». Разрабо-
танные элементы техники оптических измерений, включая и во-
локонно-оптические датчики, подвергались экспериментальной
проверке и оценке в Лаборатории очистки нефти (префектура
Окаяма) в 1985 г. К этим испытаниям было привлечено внима-
ние всех заинтересованных лиц.
В других же странах такие, равные по охвату проблем в об-
ласти прикладной оптики, крупномасштабные проекты не вы-
двигались. Тем не менее международное обсуждение исследо-
ваний проходило за границей. Например, вторая международ-
ная конференция по волоконно-оптическим датчикам (OFS'84)
состоялась в Штутгарте (ФРГ), третья (OFS'85)—в Сан-Диего
(США). Четвертая конференция (OFS'86) проходила уже
в Токио.
1.5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основными элементами волоконно-оптического датчика, как
можно заметить из табл. 1.1, являются оптическое волокно, све-
тоизлучающие (источник света) и светоприемные устройства,
оптический чувствительный элемент. Кроме того, специальные
линии необходимы для связи между этими элементами или для
24

формирования измерительной системы с датчиком. Далее, для
практического внедрения волоконно-оптических датчиков необ-
ходимы элементы системной техники, которые в совокупности
с вышеуказанными элементами и линией связи образуют изме-
рительную систему.
Вводный характер этой главы дает основание более по-
дробно рассмотреть структуру книги.
Главы 2—4 содержат описание элементов волоконно-опти-
ческих датчиков, а гл. 6, 7 посвящены элементам измеритель-
ных систем. В гл. 5 рассматриваются волоконно-оптические дат-
чики, у которых оптическое волокно используется в качестве
линии передачи, а по содержанию эта глава охватывает эле-
менты как датчиков, так и систем. В гл. 6 и 7 также в той или
иной мере обсуждается и элементная база датчиков.
В гл. 2—5 описываются пять самых основных элементов
датчиков: оптическое волокно, светоизлучающие приборы, све-
топриемные приборы, оптические схемы и оптические чувстви-
тельные приборы, представление о которых необходимо при
анализе и проектировании любого волоконно-оптического дат-
чика. Сначала в гл. 2 без особо сложных математических фор-
мул поясняется явление прохождения волн внутри оптического
волокна, затем рассматриваются физические, и особенно опти-
ческие, свойства оптических волокон и так далее — вплоть до
различных элементов схем, создаваемых на основе оптических
волокон. Глава 3 посвящена светоизлучающим и светоприем-
ным приборам. Описание первых начинается с принципа ра-
боты и заканчивается характеристиками мод и спектральными
характеристиками колебаний (например, когерентность), имею-
щими отношение к применению этих приборов в датчиках.
Рассмотрение вторых тоже начинается с принципа работы,
а заканчивается шумовыми характеристиками. В гл. 4 обсужда-
ются оптические схемы датчиков, начиная с различных оптиче-
ских элементов для передачи и кончая оптическими интеграль-
ными схемами, которым предстоит играть большую роль в во-
локонно-оптических датчиках будущего.
В гл. 5 рассматриваются волоконно-оптические датчики,
в которых оптическое волокно используется в качестве линии
передачи, обсуждаются различные физические явления, кото-
рые могут быть использованы для создания оптических датчи-
ков, приводятся примеры оптических датчиков, нашедших уже
практическое применение. Глава 6 посвящена волоконно-опти-
ческим датчикам, в которых оптическое волокно используется
в качестве чувствительного элемента. В центре внимания — раз-
личные волоконно-оптические датчики типа интерферометров.
Эта глава тоже знакомит читателя с конкретными примерами
уже реализованных датчиков, а также с их разработками.
В гл. 7 описываются измерители скорости вращения на основе
25

волоконно-оптических гироскопов как наглядный пример новых
измерителей, вызванных к жизни волоконно-оптической техни-
кой. Этот материал следовало бы ввести в гл. 6, но, учитывая
специфику и большое значение таких приборов, а также для
ритмичности книги в целом решено было выделить его также
в главу.
Глава вторая
ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА ДЛЯ ДАТЧИКОВ
2.1. ВВЕДЕНИЕ
Для анализа и проектирования волоконно-оптических дат-
чиков в первую очередь необходимы знания о самом оптиче-
ском волокне. В этой главе рассматривается явление проводи-
мости волокна в основном с физической точки зрения — без
особо сложных формул, насколько это возможно.
В п. 2.4.3 для объяснения изменений внутри волокна под
воздействием давления, температуры и других факторов, когда
измеряемой величиной может быть, например, фаза светового
луча, используются более или менее сложные формулы. Од-
нако, даже не вникая в подробности отдельных математиче-
ских выкладок, можно вполне понять содержание.
В начале главы излагаются основные идеи, необходимые
для понимания явления распространения света в оптическом во-
локне. Далее наряду с характеристиками одно- и многомодовых
оптических волокон рассматриваются характеристики оптиче-
ских волокон с двойным лучепреломлением. Такие волокна не-
обходимы в датчиках, работающих на принципе интерференции
света. Кроме того, для анализа и проектирования датчиков,
у которых оптическое волокно используется в качестве чувстви-
тельного элемента, предлагаются характеристики потерь и по-
ляризации в зависимости от температуры, давления, электри-
ческого, магнитного поля и т. д. Наконец, в заключение главы
рассматриваются для примера несколько типичных элементов
с оптическим волокном.
2.2. СТРУКТУРА. МОДЫ
2.2.1. Структура оптических волокон. Оптическое волокно,
как показано на рис. 2.1, состоит из сердечника, по которому
распространяется свет, и оболочки. Последняя, в свою очередь,
26

Оболочка
\
Сердечник
?
т
^Покрытие
Рис 2.1. Типовая структура оптического волокна и распространение света
в нем
заключена в оплетку, которая защищает поверхность волокна,
повышает его прочность и тем самым упрощает эксплуатацию.
Коэффициент преломления п\ сердечника лишь незначительно
превышает коэффициент преломления п2 оболочки, поэтому
свет, введенный в сердечник с торца волокна, полностью отра-
жается от границы сердечника и оболочки, как бы запирается
в сердечнике и распространяется только в нем.
Для полного внутреннего отражения света, входящего в во-
локно под углом 6, необходимо, чтобы выполнялось условие
О < 9 < sin"
B.1)
Поскольку разница между коэффициентами преломления
в сердечнике и оболочке лежит в пределах 0,01, то величину
Втах можно представить следующим образом:
вшах « Л/"? —Л2 ¦ B-2)
Это максимальный возможный угол, под которым свет мо-
жет проходить в оптическое волокно, т. е. приниматься им.
Называется такой угол числовой апертурой и обозначается NA
(Numerical Aperture).
При рассмотрении оптических волокон вместо разности ti\
и n<i чаще всего используется величина, называемая относи-
тельной разностью коэффициентов преломления:
А =¦
1п\
B.3)
Если воспользоваться значением А, то зависимость между
NA и А может быть представлена следующим образом:
ЫА^п^фЛ. B.4)
Относительная разность коэффициентов преломления А
обычно выражается в процентах. Тогда, например, при «1 = 1,47
и А= 1 % значение Л/^Л =0,21 и 6тах= 12°.
27

Рис. 2.2. Соответствие между световым лучом и модой
2.2.2. Представление о модах. Оптические лучи внутри во-
локна распространяются, многократно испытывая полное отра-
жение. Но распространение этих лучей возможно лишь в том
случае, когда они проходят под определенными углами. Подоб-
ное распространение луча характеризуется модой, которая оп-
ределяется типом распределения электромагнитного поля.
Чтобы лучше разобраться в понятии «мода», следует обра-
тить внимание на ее взаимосвязь с оптическими лучами и рас-
смотреть распространение оптических лучей в пластинчатом
волноводе (рис. 2.2). Распространяющаяся световая волна яв-
ляется горизонтально поляризованной и имеет относительно оси
волновода наклон t|?. Отсюда волновой фронт (поверхность
одинаковых фаз) перпендикулярен направлению света. На
рис. 2.2 сплошной линией обозначена фазовая поверхность
с положительным электрическим полем, а штриховой линией —
с отрицательным полем. Если считать, что горизонтально поля-
ризованная волна в вакууме имеет длину Я, то в сердечнике
с коэффициентом преломления щ длина волны уменьшается до
К/щ, а постоянная распространения волны knx (k = 2n/K), на-
оборот, увеличивается, причем постоянная распространения
вдоль оси
p = fot1cos\|>. B.5)
Перед тем как приступить к рассмотрению понятия моды,
необходимо разобраться в явлении интерференции, которое
связано с фазовым сдвигом света в результате полного отра-
жения. Если полное отражение света, падающего в точку А
(рис. 2.2), рассматривать более подробно в соответствии с тео-
рией электромагнитных волн, то выясняется, что незначитель-
ная часть энергии этого света все-таки проникает в оболочку.
Поэтому свет отражается уже от точки В, чуть сдвинутой отно-
28

сительно точки А вдоль горизонтальной оси. При этом фаза
отраженной волны также изменяется на некоторую величину i|),
зависимую от угла падения светового луча. Подобный сдвиг
отраженной волны и изменение ее фазы называется сдвигом
Гооса — Генхена (Goos—Hanchen Shift).
На рис. 2.2 несколько упрощенно показаны условия распро-
странения основной моды. В центральной части сердечника ин-
тенсивность электрического поля увеличивается и достигает
максимума вследствие сложения положительных (или отрица-
тельных) фазовых фронтов световых лучей. И наоборот, вблизи
границы сердечник — оболочка положительный и отрицатель-
ные фазовые фронты взаимно компенсируются и электрическое
поле стремится к нулю. При таких условиях распределение
электрического поля света вдоль вертикальной оси представ-
ляет собой стоячую волну. Это распределение многократно по-
вторяется вдоль горизонтальной оси с периодом Хр = 2я/р. Вы-
шеизложенная форма распространения и называется модой.
Для возникновения стоячей волны необходимо, чтобы при зер-
кальном отражении светового луча вверх и вниз сумма изме-
нений фазы по вертикали в ходе продвижения волны за период
отражения и вследствие сдвига Гооса—Генхена была бы крат-
ной 2л. Таким образом, для формирования моды угол распро-
странения светового луча не может быть произвольным, и
только световые лучи, имеющие тот или иной угол, удовлетво-
ряющий вышеуказанным условиям, могут распространяться.
При описании характеристик оптических волокон одним из
важных параметров является нормированная частота. По ее
значению судят о том, насколько много мод может распростра-
няться в оптическом волокне. Нормированная частота обозна-
чается v и вычисляется по следующей формуле:
и = -^-МА= — ап1л/2А. B.6)
Для описанных ниже оптических волокон со ступенчатым
изменением коэффициента преломления значение w = t>0 = 2,405
является граничным (wc — нормированная частота среза), т. е.
если действительное значение v волокна хотя бы немного
меньше, распространяется одна мода, а если больше,— распро-
страняется множество мод. Величина ис определяет условие
существования в оптическом волокне одной моды, или условие
границы среза мод более высоких порядков, поэтому и назы-
вается нормированной частотой среза. Величина
Xc = — atiiJ2K B.7)
называется длиной волны среза; оптические волокна в области
с длиной волны, большей Хс, работают в одномодовом режиме.
29

2.3. КЛАССИФИКАЦИЯ
Типичные образцы оптических волокон приведены на рис*
2.3. Их можно разделить на многомодовые оптические волокна,
у которых нормированная частота составляет несколько десят-
ков (у«30) и в которых распространяется множество мод,
а также одномодовые оптические волокна со значением v чуть
меньше 2,4, в которых распространяется только одна мода.
Ниже рассматриваются и те и другие виды оптических волокон.
2.3.1. Многомодовые волокна. По характеру распределения
коэффициента преломления внутри сердечника многомодовые
оптические волокна делятся на волокна со ступенчатым рас-
пределением и плавным (градиентные). Оба типа волокна
имеют обычно диаметр сердечника примерно 50 мкм и большую
(около 1 %) относительную разность коэффициентов преломле-
ния, что обусловливает такие их преимущества, как высокая
эффективность соединения с источником света и сравнительная
простота соединения с такими же оптическими волокнами.
В многомодовых оптических волокнах угол распространения
гр увеличивается по мере возрастания порядка моды. Для воло-
кон со ступенчатым распределением скорость распространения
Рис. 2.3. Типы оптического волокна: а — ступенчатое многомодовое; б — гра-
диентное многомодовое; в — одномодовое; г — с двойным лучепреломлением
30

моды вдоль оси волокна vg= (c/ni)cosi|), т. е. с увеличением по-
рядка моды скорость ее распространения уменьшается. (Здесь
с — скорость распространения света в вакууме.) Поскольку ско-
рость распространения каждой моды, возбуждаемой при входе
в волокно, зависит от ее порядка, на выходе волокна получа-
ется световой импульс более широкий, чем на входе.
Разность во времени распространения между модой самого
высокого порядка, которая может распространяться, и модой
самого низкого порядка с учетом критического угла ^с =
= cos-' {n2/ni) выражается формулой
6T==^-(_J A»_2lLA| B.8)
с V cos г|зс / с
где L — длина волокна.
Следовательно, частотная полоса В сигнала, который можно
передать по ступенчатому многомодовому волокну, определя-
ется из следующего выражения:
BL= —= —?-. B.9)
Если предположить, что Д = 1%, «1=1,47, то получается
BL = 20 МГц-км.
В градиентном оптическом волокне свет распространяется
благодаря тому, что коэффициент преломления сердечника по-
нижается к его периферии по квадратичному закону. Место,
где луч меняет свою траекторию при отражении, удаляется от
оси сердечника по мере увеличения угла распространения. По-
скольку же скорость света в среде обратно пропорциональна
коэффициенту преломления этой среды, световой луч, распро-
страняющийся ближе к оси волокна и имеющий более низкую
моду, из-за более высокого коэффициента преломления вблизи
оси будет иметь меньшую скорость. Напротив, световые лучи
мод более высокого порядка, отражающиеся дальше от цен-
тральной оси и проходящие за один цикл отражения больший
путь, чем лучи с модой низких порядков, продвигаются до-
вольно быстро, так как проходят через часть сердечника с мень-
шим коэффициентом преломления. В результате скорость рас-
пространения вдоль оси волокна лучей с различными модами
приблизительно одинакова. Поэтому временная разность в рас-
пространении световых лучей с модами наименьшего и наи-
большего порядка для градиентных волокон меньше, чем для
ступенчатых, и выражается как
6т «-^-^-. B.10)
с 2
Как видно из формул B.8) и B.10), разница во времени
распространения для градиентного волокна по сравнению
31

с разницей для ступенчатых волокон уменьшается в Л/2 раз.
Выражение B.9) приобретает следующий вид:
BL=^. B.11)
Если взять А=1 %, «i = l,47, то получается BL = 4,1 ГГц-км.
Необходимо отметить, что в многомодовых волокнах из-за
распространения света в виде нескольких сотен мод его поля-
ризация случайна (более подробно об этом в п. 2.3.3), и в та-
ких волокнах невозможно использовать поляризацию или фазу
света. Поэтому основное применение этот тип волокон нашел
в датчиках для измерений характеристик эффектов, при кото-
рых изменяется интенсивность света (как правило, за счет по-
терь при изгибе или поглощении).
2.3.2. Одномодовые волокна. Одномодовые оптические во-
локна имеют диаметр сердечника не более 10 мкм, а относи-
тельную разность коэффициентов преломления примерно 0,3 %.
Волокна эти проектируются так, чтобы их нормированная ча-
стота v была меньше 2,4. В отличие от многомодовых у одно-
модовых волокон отсутствует временная разность в распростра-
нении мод, поэтому они чрезвычайно широкополосны (в не-
сколько десятков или сотен раз более, чем градиентные во-
локна). Основным фактором, ограничивающим ширину полосы
одномодовых оптических волокон, является изменение коэф-
фициента преломления материала для разных по длине волн
проходящего света, в результате чего ширина полосы обратно
пропорциональна ширине спектра источника света.
В одномодовых оптических волокнах могут использоваться
поляриза' ия и фаза, что очень ценно для применения этих во-
локон в д тчиках.
В одномодовом оптическом волокне симметричной относи-
тельно оси формы (см. рис. 2.3, в) практически существует две
отдельные моды с поляризацией по двум ортогональным на-
правлениям в плоскости поперечного сечения волокна (т. е. со-
ставляющие электрического поля ориентированы в этих на-
правлениях). Моды в этих направлениях поляризации обозна-
чаются НЕ\\ и НЕи (рис. 2.4). Если волноводная структура
волокна идеально симметрична, то обе моды с ортогональной
Рис. 2.4. Моды с ортогональной поля-
ризацией в одномодовом оптическом
волокне
32

поляризацией имеют одинаковую постоянную распространения
и не различаются Именно по этой причине такие волокна на-
зываются одномодовыми Однако в реальных оптических волок-
нах вследствие эллиптичности и эксцентриситета сечения сер-
дечника возникает осевая асимметрия, при которой, хотя и
в ничтожной мере, постоянные распространения двух ортого-
нальных мод будут различными. Кроме того, на практике в од-
номодовых волокнах при изгибах волокна и возмущениях из-за
температурных колебаний происходит взаимное преобразова-
ние мод НЕи и НЕ\\ и изменяется поляризация света.
Таким образом, при использовании одномодового оптиче-
ского волокна для измерений, основанных на интерференции и
поляризации, его выходной луч вследствие возмущений, не свя-
занных с самим измерением, испытывает флюктуации, что сни-
жает точность измерений. Чтобы разрешить эту проблему, уве-
личивают разницу в постоянной распространения моды НЕи
и моды НЕп- Получается одномодовое оптическое волокно
с повышенной стабильностью поляризованной волны, т. е. оп-
тическое волокно с двойным лучепреломлением. Называют его
также волокном с единственной поляризованной волной или
волокном с устойчивой поляризацией волны.
2.3.3. Волокна с двойным лучепреломлением. В обычных од-
номодовых оптических волокнах даже при введении света с ли-
нейной поляризацией возникают связи между модой НЕи и
модой НЕуп, обусловленные, как показано на рис. 2.5, флюк-
туациями диаметра сердечника вдоль волокна, внешними по-
вреждениями и т. д. Все это приводит к тому, что поляризация
света на выходе волокна носит случайный характер. Если
флюктуации диаметра сердечника вдоль волокна (а также и
другие внешние возмущения) имеют пространственную частоту,
соответствующую разности постоянных распространения обеих
мод Ap = Px—pv, то между модами возникает сильная связь,
причем степень связи тем выше, чем больше эта частота.
На рис. 2.6 показан спектр мощности при флюктуациях диа-
метра сердечника одномодового оптического волокна. Можно
заметить, что по мере увеличения пространственной частоты
мощность уменьшается. Поэтому, если увеличить разность Др
между двумя модами поляризованной волны, флюктуации
Рис 2 5 Влияние внешних возмущений и изменения волноводной структуры
на угол поляризации
33

Пространственная частота, см
Рис. 2.6. Спектр мощное mi
при колебаниях диаметра сор
дечника оптического волокит
пространственной часто-
ты относительно этой раз-
ности резко уменьшаются,
т. е. получается прекрас-
ное оптическое волокно с
двойным лучепреломле-
нием, которому не свой-
ственно возникновение
связи между модами.
Существует два вида оптических волокон с двойным луче-
преломлением:
1) волокно с распределением, а точнее, с асимметрией рас-
пределения, коэффициента преломления, что вызывает разность
Ар (двойное лучепреломление, обусловленное геометрией);
2) волокно напряженного типа, в котором разность Др воз-
никает вследствие асимметричного распределения механиче-
ского напряжения в сердечнике (двойное лучепреломление, об-
условленное механическим напряжением).
На рис. 2.7 показаны сечения типичных оптических волокон
с двойным лучепреломлением. Волокна на рис. 2.7, а, б отно-
сятся к типу с распределением коэффициента преломления,
а на рис. 2.7, в, г — к напряженному типу. Необходимо отме-
тить, что в волокнах с распределением коэффициента прелом-
ления возникает также и асимметрия напряжения сердечника,
т. е. «чистого» типа волокна с распределением коэффициента
преломления не существует.
Основными параметрами оптических волокон с двойным лу-
чепреломлением являются коэффициент двойного лучепрелом-
ления мод
В = Лр//г
B.12)
и длина интерференционных» биений, создаваемых модами НЕ*\
и НЕ\\,
I— 2я _ Я,
~ др ~ в
B.13)
Если в оптическое волокно с двойным лучепреломлением
ввести под углом 8 к оси волокна линейно поляризованный луч,
то, как показано на рис. 2.8, внутри волокна состояние поляри-
зации волны будет периодически изменяться. Период повторе-
34

Рис. 2 7. Оптическое волокно с двойным лучепреломлением: а —с эллипти-
ческим сердечником; б —с боковыми выемками или туннелями; в —с со-
хранением поляризации и пониженным поглощением (PANDA); г — с эллип-
тической оболочкой
Рис. 2.8. Периодическое изменение состояния поляризации в оптическом во-
локне с двойным лучепреломлением
ния этих состояний — это длина биений, которую можно изме-
рить, например, наблюдая снаружи рассеянный свет (от сер-
дечника волокна). Если будет известна длина биений, то с по-
мощью формул B.12) и B.13) можно найти коэффициент В
двойного лучепреломления мод и разность Др постоянных рас-
пространения. Параметры Др, В и L характеризуют разность
фазовых задержек обеих поляризованных мод. Временная
разность групповых задержек мод обеих поляризованных волн
(разность времени распространения сигналов)
B.14)
называется дисперсией моды поляризованной волны.
Обычно в оптическом волокне с двойным лучепреломлением
В= A... 6) • 10-4, а тР=0,3 ... 2,0 нс/км.
Важными характеристиками волокна с устойчивой поляри-
зацией являются характеристики потерь и поляризационные.
Последние определяются степенью перекрестных помех. При
этом, если на входе вдоль главной оси волокна возбужден ли-
нейно поляризованный свет, то на выходе может обнаружиться
частичное «переливание» мощности в ортогональную моду. От-
ношение мощностей этих двух мод выражается в децибелах.
Среди реальных волокон с устойчивой поляризацией, обладаю-
35

щих одновременно низкими потерями и малыми перекрестными
помехами, известно оптическое волокно типа PANDA, у кото
рого перекрестные помехи на 1 км длины составляют 32,8 дП,
а потери мощности — 0,25 дБ (для ^,= 1,55 мкм).
В противоположность описанным выше оптическим волок-
нам с двойным лучепреломлением, передающим линейно поля-
ризованную волну с сохранением ее поляризации (оптические
волокна с единственной линейно поляризованной волной), име-
ются волокна, основанные на совершенно отличных принципах
и сохраняющие круговую поляризацию. В них используется
разность постоянных распространения волны с правой круговой
поляризацией (мода НЕ~\\) и волны с левой круговой поляри-
зацией (мода НЕп), обусловленная скручиванием оптического
волокна. Подобные волокна называются оптическими волок-
нами с единственной волной круговой поляризации. Эти во-
локна характеризуются разностью 60 постоянных распростра-
нения моды НЕи и моды НЕ\\, пропорциональной степени
скручивания ср (в оборотах на метр) оптического волокна, т. е.
бр = р+ — р- = 2а<р, B.15)
где а — коэффициент, характеризующий вращение плоскости
поляризации; в кварцевом стекле, а»0,07.
Следовательно, если симметричное одномодовое оптическое
волокно подвергнуть скручиванию, то возникает разность между
Р+ и р~ и благодаря уменьшению связи между модами НЕи
и НЕ~п получается волокно, передающее единственную волну
с круговой поляризацией.
Одно из преимуществ такого оптического волокна перед во-
локном с единственной линейно поляризованной волной —
крайне малая дисперсия моды поляризованной волны, выра-
жаемая как
B.16)
где Хр — дисперсия моды поляризованной волны волокна до его
скручивания.
Например, при Др=A/5)-2п рад/м, ф=10-2п рад/м полу-
чается Tpc = tp/100, т. е. дисперсия моды поляризованной волны
оптического волокна с единственной волной круговой поляри-
зации значительно меньше. Однако волокно с единственной ли-
нейно поляризованной волной отличается устойчивостью поля-
ризации относительно возмущений в волокне, поскольку его
коэффициент двойного лучепреломления р = Др/?= A .. .6) X
X Ю 4, в то время как для волокна с единственной волной кру-
36

Рис. 2.9. Зависимость потерь
от длины световой волны
в оптическом волокне из мно-
гокомпонентного стекла
Рис. 2.10. Зависимость потерь от
длины световой волны в пластмас-
совом оптическом волокне с сердеч-
ником из полиметилметакрилата
говой поляризации бр/& = асрУя«* 1 • Ю^5 даже при сртах~
-100 об/м.
2.3.4. Некварцевые волокна. Кроме кварцевых оптических
волокон имеются многокомпонентные стеклянные, пластмассо-
вые, инфракрасные и другие волокна. Основное преимущество
многокомпонентных стеклянных и пластмассовых волокон пе-
ред кварцевыми заключается в их малой стоимости. Инфра-
красное же волокно отличается меньшими по сравнению с квар-
цевым потерями в области А>2 мкм, где кварцевые волокна
непрозрачны. Далее остановимся на кратком рассмотрении
свойств некварцевых волокон.
Многокомпонентное стеклянное волокно. Изготовляется это
волокно из стекла на основе SiO2 с включением ЫагО, СаО,
GeCb, LiO, MgO и других компонентов. Многокомпонентное
стекло по сравнению с кварцевым имеет меньшую температуру
плавления (примерно 1400 °С), его можно плавить в тигле, из
которого целесообразно и вытягивать волокно. Поскольку ко-
эффициент преломления многокомпонентного стекла больше,
чем у кварцевого, то легко получить оптическое волокно с боль-
шой числовой апертурой (ЫА~0,Ъ), что является его преиму-
ществом. Кроме того, при вытягивании волокна из тигля можно,
изменяя диаметр отверстия тигля, регулировать диаметр сер-
дечника. Поэтому волокна из многокомпонентного стекла наи-
более пригодны для использования в системах передачи со све-
тодиодом в качестве источника света.
На рис. 2.9 приведена зависимость потерь в многокомпо-
нентном волокне от длины волны света. По сравнению с поте-
рями в волокнах из кварцевого стекла (см. п. 2.4.1) здесь си-
туация хуже. При длине волны 0,8 мкм потери около 4 дБ/км,
37

при 1 мкм—5... 10 дБ/км. Увеличение потерь обусловлено по
глощением света примесями (результат недостаточной чистоты
сырья для стекла), а также загрязнениями от тигля (ионы ОП
и ионы металлов, например железа).
Пластмассовое волокно. Здесь в качестве материала сердеч-
ника используется в основном полиметилметакрилат РММА
или дейтеридный, а для оболочки — фторполимеры. Полиметил-
метакрилату присущи аморфные свойства, а поскольку эффект
анизотропии для боковых цепей полимера слаб, то этот мате-
риал обладает хорошими Оптическими характеристиками, при-
годными для датчиков.
В процессе изготовления пластмассового волокна сначала
производится полимеризация материала для сердечника, а обо-
лочкой сердечник покрывается одновременно с вытягиванием
волокна. Для повышения пластичности и гибкости произво-
дится линейное непрерывное вытягивание волокон, что способ-
ствует определенной ориентации молекул.
Факторы, обусловливающие потери в пластмассовых волок-
нах, делятся на внутренние (собственные), связанные с мате-
риалом сердечника, и внешние, зависящие от технологии поли-
меризации и техники вытягивания волокна. Обычно у органи-
ческих полимеров поглощение в инфракрасной области проис-
ходит за счет колебаний молекул С—Н, а в ультрафиолетовой
области —за счет электронных переходов. В волокне из дейте-
ридного полиметилметакрилата все соединения С—Н заменены
на соединения С—D (дейтерий), поэтому поглощение за счет
колебаний молекул сдвигается в сторону более длинных волн
светового диапазона. Благодаря использованию этого принципа
потери при переходе из области видимого света в ближнюю
инфракрасную значительно снижаются (рис. 2.10).
Что касается внешних факторов потерь, то различаются
1) рассеяние, которое обусловлено пузырьками, возникающими
при полимеризации, и примесями, попадающими извне в про-
цессе линейного вытягивания или термического крекинга;
2) рассеяние, которое обусловлено нерегулярностью ориентиро-
ванного двойного лучепреломления, возникающей при вытяги-
вании вследствие неровностей граничного слоя между сердеч-
ником и оболочкой.
Пластмассовые волокна имеют большую (около 0,5) число-
вую апертуру и оптимальны для систем, где в качестве источ-
ника света используется светодиод.
Инфракрасное волокно. Это оптическое волокно с понижен-
ными потерями в области инфракрасных волн длиной от 2 до
10 мкм. В качестве материала для сердечника таких волокон
используются фтористые (ZrF4—BaF2—LaF3—YF3—A1F3—LiF)
и халькогенидные (AsS) стекла или галогенированные кри-
сталлы (CsBr, TiBr).
38

Рис 2.11. Зависимость потерь от длины
световой волны в оптическом волокне
из фтористого стекла
Оптическое волокно с сердечником из фтористого стекла по-
лучается в результате расплавления стекла в обычном тигле,
отливки заготовки и вытягивания ее. Основные причины увели-
чения потерь при передаче в волокне — рассеяние (обусловлено
микрокристаллами и фазовыми включениями, появляющимися
в процессе обработки) и поглощение из-за наличия примесей.
На рис. 2.11 приведена зависимость потерь от длины волны.
Благодаря уменьшению потерь, обусловленных микрокристал-
лами, общие потери на длине волны 2,55 мкм снижаются до
3,8 дБ/км.
Халькогенидные стекла и галогенированные кристаллы про-
зрачны для света с длиной волны примерно до 10 мкм. Волокна
из этих материалов используются для передачи световой энер-
гии СОг-лазеров A0,6 мкм) и СО-лазеров E,3 мкм), нашедших
широкое применение.
Среди инфракрасных волоконных измерителей известны во-
локонные радиационные термометры, системы для наблюдения
на их основе тепловых изображений, волоконные спектраль-
ные анализаторы и др. Поскольку в излучении тел с низкой
температурой преобладают составляющие с большой длиной
волны, для передачи этого излучения предпочтительны кри-
сталлические волокна, а в области температур 200 °С и выше
можно использовать фтористые стекла.
2.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Знание физических характеристик волокна необходимо при
использовании его в качестве чувствительного элемента. Дис-
персионные свойства различных оптических волокон уже рас-
сматривались в § 2.3, поэтому здесь о них ничего не говорится.
2.4.1. Потери. Причины потерь в кварцевых оптических во-
локнах можно классифицировать следующим образом:
39

f Внутренние
(собствен-
ные)
Факторы
потерь
Физические
Внешние
Химические
Конструктив-
ные и техноло-
гические
Стыковка
Изгиб
Инфракрасное погло-
щение, обусловленное
соединениями Si—О
Ультрафиолетовое по-
глощение, обусловленное
электронными перехода-
ми
Рэлеевское рассеяние,
обусловленное флюктуа-
циями коэффициента
преломления
Поглощение, обуслов-
ленное колебаниями мо-
лекул воды (радикал
ОН)
Поглощение, связан-
ное с ионами переход-
ных металлов
Отклонения конструк-
тивных параметров (на-
пример, диаметра сер-
дечника), коэффициента
преломления, вызванные
неточностью изготовле-
ния
В качестве иллюстрации на рис. 2.12 приведены теоретиче-
ские кривые потерь, обусловленных физическими факторами.
Рэлеевское рассеяние вызывается пространственными флюк-
туациями коэффициента преломления в сравнительно неболь-
ших интервалах A0...1000 А) относительно длины распростра-
няющейся плоской волны. В кварцевых стеклах коэффициент
этого рассеяния определяется следующей формулой (в неперах
на метр или в децибелах на километр):
где ke — постоянная Больцмана; TF — температура затвердева-
ния стекла; р — коэффициент изотермического сжатия.
Как видно из формулы B.17), коэффициент рэлеевского рас-
сеяния пропорционален Х~4.
Поглощение из-за молекул воды (радикал ОН) обусловлено
колебаниями ионов ОН, связанных с ЭЮг. Это поглощение на-
40

Рис. 2.12. Расчетные потери
в оптическом волокне
блюдается на длине волны
2,77 мкм основных колеба-
ний, вблизи длины волны
1,38 мкм второй гармоники
и 0,95 мкм третьей гармо-
ники колебаний. При кон-
центрации радикалов 10~6
на волне 1,38 мкм потери
поглощения составляют
примерно 54 дБ/км. Из рис.
2.13 видно, как по мере
уменьшения содержания
ионов ОН и устранения не-
достатков конструкции эти
потери год от года снижа-
ются. Кривая развития во-
локонной техники в 1980 г.
показывает, что фактор по-
глощения радикалами ОН почти полностью устранен (к этому
времени концентрация ОН была уже 0,8• 10~9 и ниже). На
рис. 2.14 приведена зависимость потерь от длины волны для
одномодового волокна. Из рисунка видно, что уже существуют
волокна, имеющие при длине волны 1,57 мкм потери 0,16 дБ/км,
т. е. почти предельный достижимый уровень.
Потери от изгиба волокна возникают вследствие преобразо-
вания мод, обусловленного искривлением линии передачи. Вза-
имное преобразование мод распространения не вызывает потерь,
так как при этом преобразуется только спектральное распре-
деление внутри волокна. Потери связаны с взаимным преобра-
зованием мод распространения и мод излучения, т. е. мод, для
которых не выполняются условия полного внутреннего отра-
жения.
Если к оптическому волокну прикладывать давление или
вызывать колебания волокна, то внутри него возникают дефор-
мации и, как следствие, изменение коэффициента преломления.
Это явление называется эффектом фотоупругости (см. п. 2.4.3).
Оно приводит к изменению числовой апертуры волокна, а зна-
чит, и числа мод распространения. Поскольку общее количе-
ство световой энергии, передаваемое по оптическому волокну,
пропорционально числу мод, то под влиянием приложенного
давления и вынужденных колебаний изменяются и потери пе-
редачи.
41

Рис. 2.13. Изменение спектра
потерь в многомодовом опти-
ческом волокне в период с 1977
по 1980 гг.
2.4.2. Прочностные ха-
рактеристики. Оптиче-
ские волокна, не имею-
щие дефектов, обладают
достаточной прочностью,
но внешние повреждения
могут значительно сни-
зить ее. Поэтому с целью
повышения прочности волокна на растяжение, на изгиб, а также
для защиты его поверхности и улучшения эксплуатационных
свойств волокно покрывается составом на основе смолы. Это
покрытие грубо делится на первичное, которое предназначено
для упрочнения волокна и выполнено обычно из кремнийорга-
нического полимера (полиуретана и т. п.), и вторичное, которое
наносится на первое в виде пленки, например из нейлона, поли-
этилена, служащей оболочкой оптического волокна.
На рис. 2.15 показаны результаты измерения прочности при
растяжении волокна. Часто дефекты на поверхности волокна
возникают после его растяжения, поэтому нанесение покрытия
в процессе растяжения препятствует их появлению, в резуль-
тате чего прочность волокна повышается примерно на порядок.
При этом увеличивается и прочность на изгиб, которая тоже
является важной механической характеристикой, всегда учиты-
Рис. 2.14. Зависимость потерь от
длины световой волны в одномо-
довом оптическом волокне
42
Рис. 2.15. Прочность на разрыв при
растяжении кварцевого оптического
волокна без покрытия (левая кри-
вая) и с покрытием (правая кривая)
Диаметр сердечника 125 мкм

ваемой в ходе эксплуатации волокна. Волокно с первичным
покрытием даже при изгибе до радиуса 0,5 мм не ломается
(здесь необходимо помнить, что изгибы значительно увеличи-
вают потери).
Первоначальной целью покрытия волокна оболочкой, напри-
мер, из кремнийорганического полимера, являлось улучшение
его механической прочности, но эти покрытия играют также
важную роль в стабилизации характеристик передачи волокна.
В частности, сравнительно мягкая пленка толщиной в несколько
десятков микрон, выполненная из кремнийорганического поли-
мера, смягчает изменение характеристик передачи, вызывае-
мое колебаниями температуры и внешней нагрузкой.
2.4.3. Физические свойства. Здесь рассматриваются те свой-
ства оптических волокон, вторые наиболее важны при исполь-
зовании их в качестве чувствительного элемента. А точнее, ис-
следуется характер изменения фазы распространяющегося по
волокну света — изменения под влиянием механического дав-
ления, температуры, магнитного и электрического поля. Кроме
того, рассматриваются характеристики, связанные с радиоак-
тивным облучением, характеристики рамановского и бриллю-
эновского рассеяния.
Как уже отмечалось выше, изменение фазы р/, являющееся
объектом измерения при использовании волоконно-оптического
датчика интерференционного типа, обнаруживается как изме-
нение интенсивности интерференции. Следовательно, для опре-
деления чувствительности волоконно-оптического датчика к при-
ложенному давлению, температуре и другим воздействиям не-
обходимо знать изменение фазы р/ в зависимости от этих
величин. Обозначим фазу света сенсорного волокна г|э. При не-
большой относительной разнице коэффициентов преломления
в волокне
гр = р/«Ы, B.18)
где п — коэффициент преломления сердечника.
Тогда относительное изменение фазы под влиянием объекта
измерения (чувствительность)
ДгрДр = Л//7 + ДяМ- B.19)
Для измерения магнитного поля можно использовать способ
на основе эффекта Фарадея — вращения плоскости поляриза-
ции под влиянием магнитного поля, но поскольку постоянная
Верде (удельное магнитное вращение) для стекла очень мала,
этот способ затруднительно применять для измерения слабых
магнитных полей. В этом случае оптическое волокно покрыва-
ется магнитострикционным материалом, например никелем или
пермаллоем, и используется способ измерения на основе дефор-
мации волокна в магнитном поле. Для измерения электриче-
43

ского поля в качестве материала покрытия служит пьезоэлект-
рик, например PVF2. Здесь, как и в предыдущем случае, ис-
пользуется эффект деформации оптического волокна под влия-
нием поля. Таким образом, по формуле B.19) можно сделать
определенные предположения относительно чувствительности
датчика при измерениях давления, температуры, магнитного,
электрического поля и т. д.
Зависимость изменения фазы от степени деформации во-
локна. Изменение коэффициента преломления стекла, исходя
из формулы B.19), выражается как
_Дп_=_!_л_ап\ АТ + Jn_ 2
п п \ дТ Jp n v '
где первый член учитывает изменение плотности стекла, второй
член — эффект фотоупругости, обусловленный деформацией во-
локна, а именно удлинением или сокращением вследствие дав-
ления или температуры.
Для кварцевого стекла
— (—1 =0,68-10-5°С-1. B.21)
п \ ОТ Jp K '
Изменение коэффициента преломления 8п, вносимое эффек-
том фотоупругости, можно выразить следующей формулой с ис-
пользованием коэффициентов Поккельса pif.
Ьп = ^-(Рцё! + Рг&г + рщВг), B.22)
где ej и е2 — относительная деформация в поперечном сечении,
а ег — вдоль оси волокна, причем
Е2 = А///; B.23)
8i = e2=—vez. B.24)
Символ v обозначает здесь отношение Пуассона.
Воспользовавшись формулами B.23) и B.24), можно выве-
сти
бл=—y-lPu—v (/>ц +/?i2)] ег. B.25)
ПриХ = 0,546 мкм для кварцевого стекла и =1,46; рц = 0,121;
Pi2 = 0,270, откуда v = 0,164. Если теперь выражения B.20) и
B.23) подставить в формулу B.19), то получим
-f-{l--fl*.-*<*. + *0l}.. + -l-(-?),A'1.<2-*>
Таким образом, чтобы вычислить чувствительность волокон-
ного датчика, необходимо определить деформацию вдоль во-
локна, обусловленную давлением, температурой и другими воз-
44

Рис. 2.16. Оптическое волокно под
действием равномерного давления
действиями. Зададимся зави-
симостью между продольной
деформацией, давлением и
температурным изменением
\Т. Предположим для прос-
тоты, что давление Р на во-
локно с трехслойной кон-
струкцией (рис. 2.16) равно-
мерно и, кроме того, действует
изменение температуры AT.
Известно распределение на-
пряжений внутри соосных цилиндров:
где индексы (=1, i — 2 и j = 3 обозначают данные соответ-
ственно для сердечника, оболочки и внешнего покрытия, а А„
В, и С, — постоянные.
Напряжение внутри сердечника конечно и поэтому опреде-
ляется при В, = 0. Кроме того, между напряжением (ст) и де-
формацией (е), а также между деформацией (е) и смещением
(и) существуют следующие зависимости:
B.28)
где Е — модуль Юнга; а — коэффициент теплового линейного
расширения; для кварцевого стекла ? = 7750 кг/мм2, а =
= 5,4- Ю-7 К-1.
Постоянные Л, Б и С определяются, исходя из нижеприве-
денных условий для напряжения и смещения:
B.29)
B.30)
B.31)
B.32)
B.33)
45

Рис. 2.17. Чувствительность
к давлению у оптического во-
локна с пластмассовым по-
крытием
Формулы B.29) и B.30) означают, что радиальное напря-
жение и смещение на границе непрерывны. Формула B.31) по-
казывает равномерность внешней силы. Формула B.32) свиде-
тельствует о том, что оба конца волокна свободны. Формула
B.33) показывает, что деформация на концах не учитывается,
так как по сравнению с деформацией поверхности пренебре-
жимо мала (случай, когда тело вытянуто вдоль оси и его раз-
меры по этой оси гораздо больше размеров поперечного сече-
ния). В соответствии с граничными условиями B.29) —B.33)
определяются постоянные Л, В и С, и если их значения подста-
вить в формулы B.27) и B.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
ег подставить в формулу B.26), то можно определить относи-
тельное изменение фазы Дг|э/г|;. На рис. 2,17 приведена одна из
характеристик чувствительности к давлению для волокна
с пластмассовым покрытием разной толщины при ДГ = 0. Данные
волокна: сердечник диаметром 4,5 мкм, синтетическая оболочка
диаметром 30 мкм, оболочка из кварцевого стекла (диаметр
85 мкм), кремнийорганическая (диаметр 200 мкм) и пластмас-
совая толщиной 0... 700 мкм. Как видно из рисунка, по мере
увеличения толщины пластмассового покрытия чувствитель-
ность волокна к давлению растет.
В том случае, когда оптическое волокно используется для
измерения не давления, а других величин, увеличение чувстви-
тельности к давлению, подобное показанному на рис. 2.17, ста-
новится помехой. Здесь необходимо уменьшить чувствитель-
ность к давлению, насколько это возможно. На рис. 2.18 при-
ведены 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 чувствитель-
ность такого волокна к давлению равна нулю.
Чувствительность волокна к температурным изменениям
46

Рис. 2.18. Чувствительность к дав-
лению у оптического волокна
с двухслойным покрытием (никель,
пластмасса)
Рис. 2.19. Спектр потерь при
радиоактивном облучении раз-
личных оптических волокон
/ и 2 — с высоким и низким содер-
жанием ОН, кварцевый сердечник;
Ge (CGW) и Ge (BTL) — с содер-
жанием и без содержания В?Оз 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 конструк-
ции волокна в отношении температурной чувствительности про-
водятся аналогичным образом.
Характеристики, обусловленные радиоактивным облучением.
При радиоактивном облучении оптических волокон потери пере-
дачи в них увеличиваются. При этом электроны и дырки, раз-
деленные вследствие облучения, взаимодействуют с дефектами
молекулярной решетки, присущими волокну, и аналогичными
дефектами, возникающими в результате облучения. Это взаи-
модействие сопровождается изменением цвета сердечника во-
локна, что приводит к потерям поглощения. Было исследовано
изменение потерь с изменением длины волны распространяю-
щегося в волокне света. На рис. 2.19 приведены примеры таких
характеристик. Наличие в волокне примесей либо добавок фос-
фора или бора приводит к возникновению дефектов решетки,
а те, в свою очередь,— к потерям поглощения. Наилучшей ра-
диационной стойкостью, как видно из рисунка, обладает во-
локно с сердечником из кварцевого стекла. Потери, возникаю-
щие в таком волокне, уменьшаются при увеличении длины
волны примерно от 0,85 до 1,5 мкм. Поэтому, если волокно ис-
пользуется как датчик радиоактивного излучения, удобнее
47

Рис 2.20. Зависимость потерь
в различных оптических во-
локнах от дозы облучения
изотопом Со60
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 облуче-
нии оптических волокон,
сердечники которых имеют добавку из свинца (/) или гер-
мания B), а также волокна с кварцевым сердечником и
кремнийорганической оболочкой (<?). Потери в волокне, сер-
дечник 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 инди-
каторами радиации, но при использовании их в качестве датчи-
ков возникает проблема восстановления свойств после прекра-
щения облучения. На рис. 2.21 показан характер изменения по-
терь в волокне с кварцевым сердечником после гамма-облуче-
ния. Увеличиваясь при облучении, после его прекращения по-
тери снижаются до первоначальных. Итак, при использовании
оптических волокон в качестве датчиков радиоактивного излу-
чения необходимо обратить внимание на восстанавливаемость
свойств волокна после облучения.
Характеристики римановского и бриллюэновского рассея-
ния. Когда напряженность электрического поля падающего света
превышает некоторое пороговое значение, характерное для дан-
ной среды, возникает нелинейный эффект поляризации, что при-
водит к появлению светового излучения с длиной волны, отлич-
ной от длины волны падающего света. Этот волновой сдвиг
является неотъемлемым свойством среды. Свет с волновым сдви-
гом в сторону удлинения волны называется стоксовским светом
(светом Стокса), а свет с волновым сдвигом в сторону укоро-
чения волны — обратным стоксовским светом.
На рис. 2.22 приведены спектральные характеристики рама-
новского рассеяния для одномодового оптического волокна. Сер-
дечник диаметром 8 мкм выполнен из GeO2 с относительной
разностью коэффициентов преломления Д = 0,22%; длина во-
локна L=\ км; в качестве источника света используется
Nd: YAG-лазер с модуляцией добротности и с синхронизиро-
ванными модами (Я=1,0б). Как видно из рисунка, н.а длине
волны 1,12; 1,18; 1,24 и 1,31 мкм имеются пики, соответствую-
щие стоксовским световым волнам (от первого до четвертого
48

Рис. 2.21. Потери передачи в про-
цессе и по прекращении гамма-облу-
чения волокна при различной тем-
пературе
Рис. 2.22.
рассеяния
Спектр рамановского
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 во-
локна. На рис. 2.23 приведена зависимость обратного рассея-
ния от расстояния (способ передачи с обратным рассеянием
OTDR), которая рассматривается ниже, в § 6.5. Кроме того,
рисунок показывает, что интенсивность света обратного сток-
совского рассеяния от участка волокна с высокой или низкой
Рис. 2.23. Обратное рассеяние в оптическом волокне: а — рэлеевское; б —
рамановское
49

температурой соответственно выше или ниже интенсивности
света рассеяния от участка с обычной температурой.
Природа бриллюэновского рассеяния тоже связана с нели-
нейными эффектами среды, но возникает оно в результате взаи-
модействия фононов и электрического поля падающего света.
Поэтому длина волны рассеянного света изменяется только за
счет звуковой энергии, а так как последняя невелика, то изме-
нение 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 извест-
ных по публикациям) потери в соединениях с одномодовыми
оптическими волокнами. Максимально эффективное соедине-
ние— с потерями 1,0 дБ (рис. 2.24, в)—реализовано с по-
мощью стержневой линзы, имеющей криволинейно обработан-
ную поверхность. Потери же в соединениях многомодовых опти-
ческих волокон и полупроводникового лазера составляют 0,7...
1,0 дБ.
При оптическом соединении используется принцип, согласно
которому свет, выходящий из волокна, фокусируется в мель-
чайшее 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 при-
мерно 4 мкм от торца волновода световое пятно размером
0,75 мкм.
2.5.2. Волоконно-оптические соединители. Из всего множе-
ства волоконно-оптических соединителей и ответвителей здесь
рассматриваются только те, которые чаще всего используются
в волоконно-оптических датчиках, а именно соединители с по-
лировкой поверхностей контакта и соединители, полученные
спеканием при растяжении.
Соединители с полировкой поверхностей контакта. Ниже
описывается один из способов изготовления подобного соеди-
нителя. Сначала, как показано на рис. 2.25, а, в несколько ис-
кривленную канавку, проточенную в стеклянной пластине,
вставляется и приклеивается оптическое волокно. Его высту-
пающая над канавкой часть полируется вместе с поверхностью
пластины до тех пор, пока не обнажится сердечник. Два отпо-
лированных таким образом с одной стороны волокна соединя-
ются, как показано на рис. 2.25, б, с помощью специальной
жидкости или оптического клея (для согласования коэффициен-
тов преломления), и между волокнами возникает оптическая
50

Рис 2.24. Соединение одномодового
оптического волокна с полупровод-
никовым лазером путем обработки
торца волокна под конус (а, д), по-
средством сферической и стержневой
линзы (б), стержневой линзы (в) и
линзы на торце (г)
Рис 2 25 Волоконно-оптический соединитель
(ответвитель) с полировкой поверхности кон-
связь. Преимущество волоконных соединителей с полировкой —
возможность регулировки коэффициента связи, что достигается
сдвигом волокон относительно друг друга (на рисунке направ-
ления таких перемещений показаны стрелкой). Однако это же
можно расценивать и как некоторый недостаток, вызывающий
нестабильность характеристик соединителя.
Соединители, полученные спеканием при растяжении. На
рис. 2.26 представлен сохраняющий поляризацию соединитель
спеченно-растянутого типа, изготовленный на основе оптиче-
ского волокна PANDA. В процессе изготовления (при наблю-
дении под микроскопом) волокна PANDA располагаются па-
раллельно 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 скру-
чивания, которое обычно ухудшает условия поляризации. Чтобы
облегчить спекание, волокно покрывают стеклянной пылью —
мельчайшими частицами SiCb, служащего связующим.
Если подать линейно поляризованный свет в плечо / соеди-
нителя, на его выходных плечах /' и 2' появятся линейно поля-
ризованные световые лучи с соотношением интенсивности 1:1,
51

Рис. 2.26. Волоконно-оптический соединитель (ответвитель), сохраняющий
поляризацию, полученный спеканием волокон при растяжении
причем в каждом плече составляющие с паразитной ортого-
нальной поляризацией ослабляются на 20 дБ и более, а вно-
симые потери не превышают 0,5 дБ. В спеченно-растянутом
соединителе по мере уменьшения отношения диаметра оболочки
волокна к диаметру сердечника уменьшаются также и вноси-
мые потери. Поэтому перед спеканием и растяжением диаметр
оболочки волокна уменьшают путем химического травления.
Когда в соединителе используется волокно PANDA, имею-
щее большой коэффициент двойного лучепреломления, то ко-
эффициенты эти для ортогональных волн различны вследствие
механического напряжения. Значит, неодинаковы и коэффици-
енты связи для разных поляризованных волн. На основе этих
свойств с помощью слеченно-растянутого соединителя, сохра-
няющего поляризацию, был реализован также расщепитель по-
ляризованных лучей. Он направляет ортогонально поляризо-
ванные световые лучи в разные плечи.
2.5.3. Волоконно-оптический поляризатор. Известно два уст-
ройства 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 увеличива-
ются 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 поли-
ровкой. Далее на обработанную поверхность напыляется ме-
талл, например алюминий или серебро. Среди мод, электриче-
ские составляющие которых перпендикулярны или параллельны
металлической поверхности, на моды с перпендикулярной со-
ставляющей приходится значительная доля потерь поглощения.
Если металл напыляется непосредственно на отполированную
поверхность, то увеличивается доля потерь и для мод с парал-
52

Рис. 2.27. Волоконно-оптический по-
ляризатор полированного типа
лельными составляющими. Для снижения этих потерь между
отполированной поверхностью волокна и металлом формиру-
ется, как показано на рис. 2.27, буферный слой (СаРг), об-
ладающий более низким коэффициентом преломления, чем обо-
лочка. Путем оптимизации коэффициента преломления и тол-
щины буферного слоя реализованы поляризаторы с коэффици-
ентом 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 х, благодаря эффекту фотоупругости, обусловленному
механическим напряжением, отличается от коэффициента пре-
ломления волны, поляризованной вдоль оси у. Однако разли-
чие это характерно только для области сердечника и оболочки
вблизи него, а в области оболочки, удаленной от сердечника,
Рис. 2.28. Волоконно-оптический по-
ляризатор катушечного типа с исполь-
зованием волокна PANDA
Рис. 2.29. Спектр потерь на из-
гиб в волоконно-оптическом по-
ляризаторе катушечного типа
для волн с поляризацией вдоль
оси х (сплошная кривая) и у
(штриховая кривая)
53

коэффициенты преломления для волн различной поляризации
становятся почти одинаковыми. Следовательно, относительная
разность коэффициентов преломления Д для волны с поляри-
зацией вдоль оси х 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 поляри-
заторе 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, по-
лучаются 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 ор-
тогональной поляризацией, причем степень его зависит от тем-
пературы и механических возмущений. В результате этого взаи-
модействия изменяется поляризация. Кроме того, поляризация
света до выхода его из волокна изменяется случайным образом
также и во времени. Колебания поляризации приводят к ухуд-
шению характеристик при использовании обычного одномодо-
вого оптического волокна в волоконно-оптических датчиках или
при соединении волокна со светопроводящими схемами, чув-
ствительными к ориентации плоскости поляризации.
Волоконно-оптический регулятор поляризации позволяет пре-
дотвратить подобные колебания поляризации. Известны раз-
личные типы таких регуляторов. Здесь представлен регулятор
поляризации с изогнутым волокном, обладающим двойным лу-
Рис. 2.30. Волоконно-оптический регулятор поляризации на основе изгиба
волокна с двойным лучепреломлением
54

Рис. 2 31. Изогнутое волокно
чепреломлением. Такие регуляторы ис-
пользуются довольно часто, и один из
них показан на рис. 2.30. Катушки 1 и 2
проектируются так, чтобы создавать за-
держку соответственно л/2 и л, т. е. ра-
ботать как четверть- и полуволновые
элементы. Основные оси двойного луче-
преломления в катушке из оптического
волокна —ось х, параллельная плоско-
сти катушки, и ось у, перпендикулярная
ей, причем ось х является осью скорости.
Таким образом, вращая отдельно катуш-
ку 1 и катушку 2 вокруг оси z, можно
волну с произвольной поляризацией преобразовать в волну с ли-
нейной 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 преоб-
разование.
Теперь обратимся к некоторым принципам проектирования
регулятора поляризации с изгибом волокна, обладающего двой-
ным лучепреломлением. Пусть, как показано на рис. 2.31, диа-
метр оболочки оптического волокна равен 2 Ь, а радиус его
изгиба R. Тогда составляющие механического напряжения вну-
три волокна выражаются следующим образом:
°x==i^(X2~fe2); 0у=О; °z=i"x- B-34)
Используя зависимость деформации от механического на-
пряжения [см., например, формулу B.28)], а также зависимость
коэффициента преломления от деформации [см., например, фор-
мулу B.22)], найдем разность между постоянными передачи
мод с ортогональной поляризацией и с составляющими элект-
рического поля в направлении осей X и Y:
APbend = k(nx-nY) =-k-j- (Рн-Рп) A + v) -?- • B.35)
(С учетом того что внутри сердечника |X|< Ъ, использовалась
подстановка ax~Eb2/BR2).)
Если число витков волокна в катушке обозначить /V, то за-
держку можно выразить как
б = | APbend |2n#W = J^-a — N, B.36)
A R
где а= (гс3/4) (pis—Pu) A+v).
55

Рис. 2.32. Волоконно-оптический деполяризатор
Для получения задержки равной я или я/2 (т. е. 1/2 или
Х/4), необходимо, чтобы
B.37)
Здесь значение т берется равным 2 и 4 для получения соот-
ветственно полу- и четвертьволнового элемента. Тогда при
А, = 0,83 мкм, 2Ь = 125 мкм и R = 2>,2 см число витков для Х/4-
элемента N = 2, а для Я/2-элемента N = 4.
2.5.5. Волоконно-оптический деполяризатор. Выше рассма-
тривался волоконно-оптический регулятор поляризации как эле-
мент, предотвращающий колебания поляризации в обычном од-
номодовом оптическом волокне и действующий на основе ко-
герентности. 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 Li:L2=l:2, плоскости поляризации ко-
торых взаимно развернуты под углом 45° при соединении вдоль
основной оси. Зона погрешности источника света обозначена
4. Теперь, если считать, что перекрестная связь между модами
отсутствует, то при
B.38)
когерентностью ортогонально поляризованных мод можно пре-
небречь (тр — дисперсия моды, поляризованной волны в волокне
с двойным лучепреломлением, с/м).
56

Как показано на рисунке, линейно поляризованный свет вво-
дится в первый отрезок волокна вдоль основной оси. Для более
полной деполяризации света, входящего с любым углом поля-
ризации, 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 лучепрелом-
лением моды все-таки интерферируют. Поэтому полная деполя-
ризация света в них невозможна и остается уровень поляри-
зации примерно 10~2.
2.6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В этой главе рассмотрены различные конструкции, типы и
характеристики оптических волокон, необходимые для анализа
и проектирования волоконно-оптических датчиков. Может по-
казаться, что п. 2.4.3 насыщен формулами, трудными для вос-
приятия. Однако многие сведения о волоконно-оптических дат-
чиках (если они не слишком подвержены механическим на-
пряжениям 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 необхо-
дима для рассмотрения волоконно-оптических датчиков.
Глава третья
СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ И СВЕТОПРИЕМНЫЕ
ПРИБОРЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ
3.1. ВВЕДЕНИЕ
В этой главе рассматриваются принцип действия, конструк-
ция, рабочие характеристики светоизлучающих приборов, ко-
торые генерируют свет для подачи в оптическое волокно дат-
чиков, и светоприемных приборов, которые определяют пара-
метры света, проходящего через волокно и приносящего инфор-
мацию о процессе, измеряемом датчиками.
Здесь в качестве источника света рассматриваются свето-
излучающие диоды и лазеры. Особое внимание при описании
лазеров уделено часто используемым в датчиках полупровод-
никовым и малогабаритным газовым (Не—Ne) лазерам. Опре-
деленная часть материала посвящена лавинным и рт-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
57

приборах не систематизированы и носят полуэмпирический
характер. С учетом этого, а также использования таких прибо-
ров в сенсорных системах на оптических волокнах возникает не-
обходимость в упорядочении данных, и в настоящей главе дела-
ется попытка органически соединить описание этих приборов
с изложенной выше информацией об оптических волокнах.
3.2. ТИПЫ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ПРИБОРОВ
3.2.1. Некогерентные источники света. Как известно из
квантовой механики, значения приобретаемой электронами
энергии не являются непрерывными, а носят дискретный ха-
рактер. Дискретность энергетических состояний дает основание
говорить, что электрон находится на том или ином энергетиче-
ском уровне.
Например, для газа (рис. 3.1,а), т. е. в условиях, когда
электроны не обмениваются энергией с другими электронами
(тепловое равновесие), число электронов Nb, обладающих
энергией нижнего уровня Еь (уровень с малым значением
энергии), больше числа электронов Na с энергией Еа верхнего
уровня. Верхний и нижний энергетические уровни в большин-
стве случаев значительно удалены от базового — самого низ-
кого энергетического уровня EG. Значения Na и Nb называются
числами распределения.
В полупроводниках (рис. 3.1,6) плотность электронов го-
раздо выше, чем в газах, и поэтому многочисленные энергети-
ческие уровни расположены плотно, образуя зоны. Имеется
два типа таких зон: верхняя — зона проводимости с энергией
Ес и нижняя — зона валентных электронов с энергией Ev.
Между этими зонами находится так называемая запрещенная
Рис. 3.1. Энергетические уровни электронов в газе (а) и полупроводнике (б)
58

Рис. 3.2. Распределение инверсий, процесс естественного излучений в газе
(а) и полупроводнике (б)
зона с энергией Eg. Считается, что зона валентных электронов
соответствует базовому энергетическому уровню на рис. 3.1, а.
При тепловом равновесии почти все электроны находятся
именно в этой зоне, т. е. сосредоточены и удерживаются в опре-
деленных местах кристаллической решетки полупроводника.
Возникает вопрос: что произойдет, если электронам доба-
вить энергию извне? Эта энергия может иметь различную при-
роду и оказывать различное воздействие; к примеру, подача
электрической энергии вызовет в газе электрический разряд и
электрический ток. В полупроводнике, если к р—м-переходу
приложить напряжение смещения в прямом направлении, то
через переход потечет электрический ток.
Если количество добавляемой извне энергии значительно,
то некоторые электроны, находящиеся на низком энергетиче-
ском уровне, приобретая добавочную энергию, переходят на бо-
лее высокий уровень. При этом в газе, как видно из рис. 3.2, а,
Na>Nb. Такое состояние называется распределением инверсий.
В полупроводнике (рис. 3.2, б) добавочная энергия приво-
дит к тому, что часть электронов, сконцентрированных в ва-
лентной зоне, переходит в зону проводимости, т. е. появляются
свободные электроны, которые могут перемещаться внутри по-
лупроводника. При этом в зоне валентных электронов на осво-
бодившихся местах возникают положительно заряженные
дырки. Дырки и свободные электроны являются носителями
тока в полупроводнике.
На рис. 3.2, а очевидно, что в газе электроны, находящиеся
на верхнем энергетическом уровне, соударяясь с другими элект-
ронами, теряют энергию и возвращаются на низкий уровень.
59

В полупроводнике (рис. 3.2,6) свободные электроны, сталки-
ваясь с узлами кристаллической решетки или с другими элект-
ронами, «падают» в зону валентных электронов и пара элект-
рон— дырка исчезает.
Иногда «падение» на нижний энергетический уровень или
в зону валентных электронов происходит без соударения, и в та-
ких случаях энергия, теряемая электроном, выделяется в виде
фотона. Подобный процесс излучения называется спонтанным
излучением.
Частота v определяется разностью энергетических уровней
Eg (равна Еа—Еь или ?с—Ev), т. е. шириной запрещенной
энергетической зоны:
v = c/X = Eg/h. C.1)
Эта формула называется частотным условием Бора. Интен-
сивность света зависит от числа распределений инверсий Na и
Мь или от числа пар электрон — дырка.
Спонтанное светоизлучение возникает при переходе любого
электрона с одного энергетического уровня на другой. Но так
как время перехода всех электронов не совпадает, то происхо-
дит наложение излучения и получаются световые волны с не-
одинаковой амплитудой и фазой, а вследствие этого наблюда-
ется неоднородность и по частоте. Кроме того, мельчайшие
колебания энергии Eg [см. формулу C.1)], тоже, пусть и не в та-
кой мере, влияют на частотный разброс излучения лазера.
Таким образом, напряженность электрического поля свето-
вого излучения изменяется во времени по следующему закону
(рис. 3.3,а):
Е (t) = [A +a (t)] sin [2яу/ + Ф (/)], C.2)
где a(t)—колебания амплитуды (шумы амплитудной модуля-
ции); (dty/dtJn — колебания частоты (шумы частотной моду-
ляции).
На рис. 3.3, б показан спектр подобного излучения. Если
Рис. 3.3 Характеристики не-
когерентной световой волны:
а —изменение напряженности
электрического поля во вре-
мени; б — спектр излучения;
в — направленность излучения
60

бы все колебания представляли собой синфазные синусоиды и
отсутствовали частотные отклонения, то спектр состоял бы из
единственной линии с некоторой частотой v. А поскольку
в вышеупомянутом случае имеются флюктуации частоты, то
спектр приобретает некоторую ширину Av, определяемую этими
флюктуациями. Значение ширины спектра используется как
параметр, характеризующий монохроматичность источника из-
лучения.
Спонтанное излучение обладает низкой монохроматичностью.
Его называют некогерентным светом. Кроме того, свет, излу-
чаемый при этом каждым электроном, не имеет регулярного
направления в пространстве, т. е. некогерентное излучение от-
личается низкой направленностью (рис. 3.3,в).
Механизм спонтанного излучения используется в неоновых
лампах, светодиодах.
3.2.2. Когерентные источники света. Когерентными называ-
ются такие источники, которые в отличие от описанных выше,
излучают синфазные световые волны. Такими источниками яв-
ляются лазеры. В основе их работы лежит спонтанное излуче-
ние газа или полупроводника, охваченное объемным резонато-
ром (рис. 3.4,а).
Функции и типы, резонаторов. Известно, что в соответствии
с законами электромагнитной теории составляющая электри-
ческого вектора света (электромагнитной волны) внутри резо-
Рис. 3.4. Общая структура резонатора (а), резонатор Фабри — Перо (б) и
распределение электрического поля в нем (е, г, д)
61

Рис. 3.5. Распределение интенсивно-
сти светового луча для поперечной
моды (а) и спектр продольной
моды (б)
натора в любой точке стенки,
ориентированная в ее плоско-
сти, непременно равна нулю.
Ввиду этого ограничения рас-
пределение электрического
поля вдоль осей х и у (см.
рис. 3.4, а) подобно показан-
ному на рис. 3.4, виг.
Числом пересечений Nx или
Ny кривых с осью х или у оп-
ределяется мода нулевого, пер-
^^ вого, второго порядка. По-
.," * J' ' ^ ^ у * ,, ~ этому числа Nx и Ny исполь-
-\-2 \-i \ VVV'- дуются для обозначения по-
рядка моды. В обычном лазере, как показано на рис. 3.4, а, свет
излучается вдоль резонатора (по оси z). У полупроводникового
лазера размеры резонатора по осям х и у сравнимы с длиной
волны света, а значит, требуются те же принципы рассмотре-
ния, что и для волноводов, уже описанные в гл. 2 при обсужде-
нии мод в оптическом волокне. Эти принципы исходят из пред-
ставления о существовании стоячих волн вдоль осей х и у. На
рис. 3.5, а показано распределение интенсивности светового по-
тока по его сечению для поперечных мод.
Поскольку длина волны света в обычном лазере намного
меньше размеров резонатора, то в резонаторе конструкции, по-
добной изображенной на рис. 3.4, а, существует громадное
число поперечных мод. Это неприемлемо для практического ис-
пользования, и в реальных лазерах продольные стенки (парал-
лельные оси z) удаляются, а перпендикулярно оси z устанав-
ливаются два зеркала, образующие резонатор (рис. 3.4,6). Та-
кое устройство называется резонатором Фабри—Перо. Данная
конструкция препятствует распространению лучей только вдоль
оси z, а следовательно, здесь уменьшается число поперечных
мод.
Рассмотрим распределение электрического поля вдоль оси г
(рис. 3.4,(9). Ограничения для вектора электрического поля
в этом направлении те же, что и для направлений х или у, но
размеры резонатора в направлении z значительно больше, по-
этому число пересечений Мг оси г кривой распределения элек-
трического поля весьма велико. При всем этом, исходя из усло-
вий существования стоячих волн, получим следующие формулы:
62

C.3)
где п — коэффициент преломления среды; Lz— длина резона-
тора; Xn и Vjv —длина и частота стоячей волны в резона-
торе.
В соответствии с формулами C.3) стабильные условия су-
ществуют только для света с длиной волны %n и частотой
v,v . (В действительности значение длины волны в случае,
представленном на рис. 3.4, а, зависит также от Nx и Ny,
а в случае, отраженном на рис. 3.4, в, эта зависимость мала
и ею можно пренебречь.) Электрическое поле, разделенное на
Nz участков, представляет собой продольную моду порядка
Nz. Итак, в дополнение к вышеописанным поперечлым модам
в резонаторе можно констатировать существование мод (Nx,
Nv, Nz) -порядка.
Таким образом, сколько бы ни существовало в резонаторе
различных мод, направленных в обе стороны осей х, у и г,
стабильные условия (условия резонанса) устанавливаются
только для света, удовлетворяющего вышеописанным законам
электромагнетизма, и этот свет продолжает оставаться в виде
моды (Nx, Ny, Nz) -порядка.
Если значение Nz изменить только на +1, то согласно фор-
мулам C.3) и учитывая, что Nz~>\, получим
AXN=— —!!Ц AvN =—— ¦ C.4)
* 2nLz ' z 2nLz v ;
Из формулы C.4) следует, что частоты продольной моды
расположены на частотной оси (см. рис. 3.5, б) с одинаковым
интервалом, равным c/BnLz). Эти интервалы называются ча-
стотными интервалами продольной моды. Ширина спектра на
каждой частоте равна Avc и зависит от потерь резонатора.
В реальном резонаторе для различных мод происходит незна-
чительное поглощение и рассеяние света на стенках. Кроме
того, имеет место поглощение и в среде резонатора (коэффи-
циент поглощения обозначается а;)- К тому же свет из резона-
тора излучается наружу, т. е. коэффициенты отражения стенок
Ri я R2 для света, распространяющегося вдоль оси z, не равны
100 %. Обычно стенки частично прозрачны и коэффициент
прозрачности — от 0,1% до нескольких десятков процентов,
а потери, обусловленные этим обстоятельством, составляют
In . Сумма этих потерь представляется в виде по-
1LZ RiR%
терь, возникающих при прохождении света внутри резонатора,
на единицу его длины:
63

atl = щ + —!— In l- . C.5)
На основе этой формулы ширина спектра выражается как
Avc = vA,z/Q, C.6)
где
Q==_2nwL_ C7)
CO.fl
— добротность резонатора — показатель качества, характери-
зующий степень потерь в резонаторе.
Формула C.6) показывает, что в резонаторе с потерями су-
ществует излучение незначительной мощности с частотой, ко-
торая отличается от частоты vnz, определяемой по формуле
C.3), на значение ±Avc/2.
Индуцированное излучение и генерация лазера. Считается,
что лазер, как когерентный источник, генерирует свет с ис-
пользованием только спонтанного излучения светоизлучающих
веществ. В действительности же в соответствии с законами
квантовой механики происходит не только спонтанное излуче-
ние, но и еще один процесс — так называемое индуцированное
излучение. При этом (рис. 3.6), если на электрон, находящийся
на верхнем энергетическом уровне (в газе) или в зоне прово-
димости (в полупроводнике), падает свет с частотой vo, при-
мерно равной частоте v по формуле C.1), то возникает излу-
чение с частотой vo и направлением падающего света.
Для эффективного использования индуцированного излуче-
ния светоизлучающее вещество помещается в объемный резона-
тор, подобно тому как показано на рис. 3.4. В этом случае,
если в данном веществе, подавая энергию извне, создать рас-
пределение инверсий, то сначала в различных направлениях
распространяется свет спонтанного излучения с различной ча-
стотой. Затем некоторые электроны, облучаемые светом спон-
танного излучения с частотой vo, генерируют индуцированное
излучение, свет которого возбуждает к индуцированному излу-
чению и другие электроны. Таким образом, в резонаторе рас-
пространяется свет с частотой vo. Он отражается от стенок ре-
зонатора и по мере прохождения туда и обратно усиливается.
В стационарном режиме этот свет имеет моду, удовлетворяю-
Рис. 3 6 Индуцированное из-
лучение в газе (а) и полупро-
воднике (б)
64

Рис 3.7. Спектр колебаний лазера
щую условиям резонанса в ре-
зонаторе. В этом и состоит
принцип генерации излучения
лазером.
Поскольку генерация в по-
добном лазере возникает как
разновидность спонтанного из-
лучения, то мощность лазер-
ного излучения и его частота
зависят от формы спектра
спонтанного излучения (см.
рис. 3.3, б). На рис. 3.7, а эта
форма воспроизведена с до-
полнительными пояснениями.
Форму спектра спонтанного
излучения, поскольку она от-
ражает степень возбудимости колебаний в лазере, можно счи-
тать характеристикой усиления (спектром усиления) для этих
колебаний. В данном случае частота лазера vo не удовлетво-
ряет условиям резонанса в резонаторе, а среди частот продоль-
ных мод резонатора, которые попадают в область, равную ши-
рине Av спектра спонтанного излучения светоизлучающего ве-
щества (см. рис. 3.5, б), имеется частота v^, попадающая в ин-
тервал ±Ave/2.
Для возникновения колебаний в лазере наряду с указан-
ными частотными условиями необходимо соблюдение и энерге-
тических условий. Иначе говоря, необходимо ввести в излучаю-
щую среду от внешнего источника энергию, вполне достаточ-
ную для компенсации потерь в резонаторе [см. формулу C.5)],
а также для создания определенного числа распределений ин-
версий и усиления света (с помощью индуцированного излуче-
ния). Минимальный необходимый для генерации коэффициент
усиления, или так называемый пороговый коэффициент усиле-
ния, уравновешивающий потери, выражается как
gth = atl. C.8)
Если воспользоваться этой формулой и совместить рис. 3.3, б
и 3.5, б на одной частотной оси, то получим график, приведен-
ный на рис. 3.7, а. Здесь иллюстрируется случай, когда посту-
пающая извне энергия обеспечивает коэффициент усиления,
больший его порогового значения. Интенсивностью спектра из-
лучающей среды определяется усиление тех колебаний, для ко-
торых коэффициенты усиления не менее заданного формулой
C.8), из чего следует, что ширина Дл>с спектра, соответствую-
65

щая точно равновесию потерь и усиления, несколько меньше
Av. При этом генерация лазера возникает на частотах v#
продольной моды резонатора, входящих в область Avg с цент-
ром на частоте v. Таким образом, возможна генерация одно-
временно на одной или нескольких продольных модах. На
рис. 3.7, б приведен пример генерации на двух модах.
При генерации лазера, поскольку его свет носит характер
индуцированного излучения, фазы световых волн совпадают,
а угол рассеяния в направлении излучения мал, т. е. лазер яв-
ляется когерентным источником света. Влияние колебаний
амплитуды и флюктуации частоты спонтанного излучения, лежа-
щего в основе генерации, здесь незначительно, что ограничи-
вает уровень шумов амплитудной и частотной модуляций ла-
зерного света. Ширина спектра Av; лазерного излучения опре-
деляется этими шумами, однако она гораздо меньше ширины
Av, Avg и Л\с спектра излучения некогерентного источника
света.
3.3. СВЕТОДИОДЫ
3.3.1. Светоизлучающие материалы. Светодиоды являются
примером некогерентного источника света. Основой такого ис-
точника служит полупроводник с прямым переходом (GaAs
и т. п.). В нем, как показано на рис. 3.8,а, электрон в зоне
проводимости не сталкивается с узлами кристаллической ре-
шетки, т. е. при сохранении количества движения переходит
в зону валентных электронов и воссоединяется с дыркой. При
таком переходе возникает спонтанное излучение.
В полупроводнике с косвенным переходом (рис. 3.8, б) элек-
трон при переходе передает свое количество движения узлу
кристаллической решетки и спонтанного излучения не возни-
кает. К таким полупроводникам относятся кремний, германий,
и они в светоизлучающих приборах не используются.
Полупроводники на основе соединений GaAs и других, со-
стоящих из двух и более элементов, чаще всего являются по-
лупроводниками с прямым переходом и легко излучают свет.
Если к тому же использовать три-четыре типа элементов, то
в соответствии с соотношением компонентов изменяется энер-
гия Eg запрещенной зоны, определяемая по формуле C.1), что
позволяет создавать светоизлучающие приборы с различной
длиной световой волны. При изменении соотношения компонен-
тов изменяется также и коэффициент преломления На рис. 3.9
представлено несколько типов полупроводников, полученных на
основе химических соединений, и показан диапазон их свето-
вого излучения. Среди них есть и такие, которые излучают ви-
димый свет с длиной волны менее 1 мкм, что важно для дат-
чиков. Это трехэлементные химические соединения, состоящие
66

Рис. 3 8 Переход электронов
из зоны проводимости в зону
валентных электронов
из кристаллов GaAs с до-
бавками Al, In, P и Sb.
Для их описания исполь-
зуется такая форма за-
писи, как, например,
AUGai-xAs, где х— доля
компонента (молярная
масса), O^x^l.
Если выращивать на
подложке InP четырех-
элементное химическое
соединение, например InxGa,_xAsyPi-tf, то в зависимости от со-
отношения долей х и у светоизлучение будет изменяться в диа-
пазоне длин волн от 1,0 до 1,6 мкм. В качестве источника света
для волоконно-оптических датчиков желателен прибор, рабо-
тающий на длине волны Х~1,6 мкм, при которой поглощение
излучаемого света в кварцевом волокне минимально, и на
длине волны Х~1,3 мкм, при которой отсутствует дисперсия
коэффициента преломления.
На рис. 3.10 показано изменение Eg, X и п в зависимости
от соотношения долей х а у компонентов соединения. Поскольку
химические соединения, включающие свинец, излучают свет
Рис. 3 9. Возможные области излучения полупроводниковых лазеров на
основе различных групп химических соединений
67

Рис 3 10 Ширина запрещенной зоны, длина волны и коэффициент прелом-
ления кристаллов в зависимости от соотношения компонентов соединений
Рис 3 11 Светодиод а — структура, б — энергетические зоны
в диапазоне от нескольких микрон до 20 мкм, то их можно
использовать при создании источников света для датчиков за-
грязнения атмосферы органическими газами, а также для ла-
зерного радара.
3.3.2. Характеристики светоизлучения. На рис. 3.11, с при-
ведена структура светодиода Слой GaAs с р-проводимостью
охвачен с обеих сторон слоем р-типа Al^Gai-xAs и слоем
n-типа AlyGai_yAs. Подобная конструкция называется двух-
слойной гетероструктурой. Из слоя п-типа в слой GaAs инжек-
тируются электроны, но, как показано на рис 3.11,5, из-за энер-
гетического барьера (гетеробарьера) в области гетероперехода
слоя GaAs и слоя р-типа электроны не рассеиваются в слое
68

Рис 3 12 Структура свето-
диода с боковым излучением
(а) и повышенной яркости
с торцевым излучением (б)
р-типа, а накапливаются
в слое GaAs и затем пе-
реходят в зону валент-
ных электронов, генери-
руя спонтанное излуче-
ние. Слой GaAs, излуча-
ющий свет, называется
активным слоем. А оба
боковых слоя AlGaAs на-
зываются слоями обо-
лочки. Излучаемый свет,
в связи с тем что энер-
гия запрещенной зоны
в обоих слоях оболочки
больше энергии актив-
ного слоя, не поглоща-
ется электронами валентной зоны слоев оболочки (т. е. излуче-
ние не используется для возбуждения этих электронов и пере-
хода их в зону проводимости), а проходя через эти зоны, из-
лучается наружу.
Как показано на рис. 3.12, а, существуют светодиоды боко-
вого излучения, которые излучают свет перпендикулярно по-
верхности перехода, и светодиоды высокой яркости (SLD —
Super Luminescent Diode) с торцевым излучением, которые из-
лучают свет параллельно поверхности перехода. Последние по
сравнению с первыми обладают большой мощностью излучения
и используются в качестве источников света для датчиков, в ко-
торых не требуется когерентность света. Кроме того-(см. § 3.5),
они используются вместо лазера в тех случаях, когда высокая
когерентность может оказаться помехой вследствие, например,
шумов, индуцированных обратным лучом полупроводникового
лазера.
Одной из основных характеристик AlGaAs-светодиода явля-
ется мощность излучаемого света (обычно от нескольких до
100 мВт при инжекционном токе 100 ... 200 мА и примерно про-
порциональна ему). Длина волны центра спектра 730... 900 нм,
а ширина спектра 30... 60 нм. В соответствии с обозначением
на рис 3 3,6 v = 330...410 ТГц, a Av=11...22 ТГц. Угол рас-
сеяния в направлении излучаемого света очень велик—120 ..
180°. Следовательно, даже при использовании линзы трудно по-
лучить параллельные, хорошо сфокусированные лучи, что сни-
жает эффективность соединения светодиода с оптическим
69

волокном. Даже при многомодовом оптическом волокне коэффи-
циент эффективности соединения ограничен несколькими про-
центами. Для повышения эффективности к светодиоду приклеи-
вается миниатюрная линза или подложка светодиода обрабаты-
вается в форме выпуклой линзы
С помощью инжекционного тока можно модулировать мощ-
ность излучения, но частота модуляции ограничена значением
C.9)
где ts — время перехода инжектированных носителей, сопровож-
даемого спонтанным излучением, т. е. продолжительность спон-
танного излучения.
Значение fm обычно составляет примерно 10 МГц. Долго-
вечность спонтанного излучения при работе светодиода в усло-
виях комнатной температуры, как считают, может достигать
105 ч и более.
Светодиоды на основе соединения InGaAsP тоже в боль-
шинстве случаев имеют двухслойную гетероструктуру. Их мощ-
ность излучения 1... 3 мВт, длина волны центра спектра 1,1 ...
1,5 мкм, ширина спектра 100... 200 нм, v = 200...300 ТГц,
Av=13...5O ТГц. Долговечность даже при температуре 60°С
может превышать 109 ч, т. е. надежность выше, чем у AlGaAs-
светодиодов.
3.4. ГАЗОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
3.4.1. Принцип действия и конструкция. Перед тем как рас-
сматривать полупроводниковые лазеры, являющиеся в отличие
от светодиодов когерентными источниками света, кратко позна-
комимся с особенностями газовых лазеров, что поможет лучше
разобраться в характеристиках лазеров, описанных в этой главе.
Возьмем в качестве типичного образца Не—Ne-лазер с излу-
чением красного цвета (длина волны 633 нм). Среди газовых
лазеров это один из малогабаритных, и так как его излучаемый
видимый свет имеет малые шумы, то он является идеальным
Рис 3.13. Схема гелий-неонового лазера
70

Рис. 3 14 Энергетические уровни
неона при генерации гелий-неоно-
вого лазера
когерентным источником света
и чаще всего применяется
в высоковольтных датчиках,
например в дальномерах.
На рис. 3.13 представлен
пример конструкции такого
лазера. Длина резонатора
около 20 см. В середине резо-
натора расположена тонкая
трубка длиной примерно 10 см
и внутренним диаметром
около 1 мм. Внутри этой
трубки находятся газы Не и Ne при соотношении парциальных
давлений He:Ne = 5:l и общем давлении вакуума примерно
0,4 кПа C торр). Если приложить электрическое напряжение
1... 3 кВ, то возникает тлеющий разряд с током около 5 мА.
Энергетические уровни неона, соответствующие генерации
лазера, показаны на рис. 3.14. И верхний и нижний энергетиче-
ские уровни отстоят от базового очень «далеко» A8,5 эВ),
а разница между ними сравнительно невелика A,95 эВ), по-
этому число распределений инверсий на этих уровнях мало. Сле-
довательно, если даже с помощью разряда добавлять электри-
ческую энергию извне, то все равно число возникающих распре-
делений инверсий между верхним и нижним уровнями мало.
Гелий примешивается с тем, чтобы увеличить это число. Ко-
эффициент усиления генерации здесь 10~4... 10~3 см-', что по
сравнению с полупроводниковыми лазерами слишком мало.
На концах газоразрядной трубки (см. рис. 3.13) в качестве
окон приклеиваются или привариваются оптические полирован-
ные стекла под углом &в = 1ё~~1пв к оси трубки (пв — коэффи-
циент преломления стекла). Этот угол называется углом Брю-
стера. При таком угле коэффициент отражения для линейного
поляризованного света внутри становится равным нулю, поэтому
будет генерироваться свет только этой поляризации.
Как уже отмечалось, коэффициент усиления генерации здесь
мал, а поэтому для получения лазерных колебаний вещество
лазера (Не—Ne) следует поместить в резонатор с большой
добротностью. Обычно с обеих сторон газоразрядной трубки
ставятся друг против друга плоские или вогнутые зеркала с точ-
ностью обработки отражательной поверхности в пределах 50 нм,
т. е. создается резонатор Фабри—Перо (см. рис. 3.4,6). При
коэффициенте отражения этих зеркал не менее 99 °/о доброт-
71

ность получается достаточно большой. Если принять коэффи-
циент отражения Ri = R2 = 99,8 %, длину резонатора Lz = 20 см,
то по формуле C.5) получим потери резонатора ац=2- 10~4cm-'.
В данном случае, собственное поглощение света неоном и ге-
лием отсутствует, т. е. а«=0. Это объясняется тем, что нижний
энергетический уровень далек от базового уровня (см. рис. 3.13).
Если еще учесть, что потери резонатора невелики, то, несмотря
на малый коэффициент усиления, генерация все-таки проис-
ходит.
В соответствии с формулой C.4) частотный интервал для
продольной моды AvWj получается равным 750 МГц. При
этом коэффициент преломления я среды (Не—Ne) внутри ре-
зонатора принимался равным единице. Далее по формуле C.7)
получается добротность резонатора Q=l-109, откуда ширина
спектра А\е продольных мод резонатора будет равна 500 кГц.
Поскольку температура электронов неона 500 °С, ширина
спектра среды усиления, определяемая тепловой скоростью
электронов неона, будет 1... 2 ГГц, т. е. примерно в два раза
выше частотного интервала Av# продольных мод, поэтому
обычно генерируется две-три соседние продольные моды. Что
касается поперечных мод, то, благодаря введению в резонатор
микроканала и регулировке радиуса кривизны вогнутых зеркал
резонатора, могут генерироваться моды только самого низкого
порядка.
3.4.2. Характеристики излучения. Мощность излучаемого га-
зовым лазером света обычно равна 0,1... 5,0 мВт, а соотно-
шение ее с подводимой электрической мощностью, или, иначе
говоря, эффективность элемента, составляет 0,01 %. Угол рас-
сеяния светового пучка
е=д/_2^-.=2 мрад, C.10)
V nLz
т. е. излучаемый свет почти не рассеивается.
Размер пятна светового пучка или, точнее, радиус этого
пятна определяется расстоянием от оси пучка до точки, в кото-
рой амплитуда вектора электрического поля света составляет
1/е-ю часть ее значения на оси пучка. Радиус пятна на поверх-
ности зеркала резонатора выражается как
ws = «jL?ln =0,15 мм. C.11)
В формулах C.10) и C.11) подразумевается конфокальный
резонатор (радиус кривизны зеркал равен Lz).
Если зеркало резонатора приклеить к пьезоэлектрическому
элементу и на этот элемент подавать напряжение переменного
электрического тока или в резонаторе установить модулятор,
72

в котором используется электрооптический эффект, то можно
модулировать частоту лазера и мощность излучения. Макси-
мальная частота модуляции в первом случае около 100 кГц,
а во втором примерно 100 МГц.
Ширина спектра Av/ лазерного луча зависит от флюктуации
спонтанного излучения, примешиваемого к лазерному, и от до-
бротности резонатора, т. е.
2MAvc)* hv N.
Р (Na-Nb),h У '
Здесь Р — мощность лазерного излучения; Na— число распреде-
лений инверсий на верхнем энергетическом уровне; (Na—Nb)th —
пороговая разность чисел распределения инверсий.
Это выражение называется формулой Шавлова—Таунса.
Таким образом, ширина спектра Avc обратно пропорцио-
нальна мощности лазерного луча. При выходной мощности
гелий-неонового лазера 1 мВт по формуле C.12) получается,
что значение Avj равно нескольким миллигерцам. Однако на
практике вследствие возмущений воздуха внутри резонатора,
механических вибраций и нестабильности плазмы газа Не—Ne
ширина спектра увеличивается до нескольких килогерц. По этим
же причинам наблюдается и отклонение резонансной частоты.
Относительное отклонение составляет 10-8...10~6. Если для
устранения отклонений ввести автоматическую отрицательную
обратную связь, то это значение уменьшится до 10~14... 10~12.
Аналогичным образом происходят и флюктуации мощности ла-
зерного луча; относительное отклонение 10~6...10~4. Введение
автоматической отрицательной обратной связи позволяет со-
кратить это значение до 10~8... 10~6.
3.5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ
3.5.1. Излучающие материалы и резонаторы. Для обеспече-
ния процесса индуцированного излучения, используемого в ла-
зере, необходим материал, обладающий спонтанным излуче-
нием, т. е., по крайней мере, материал, пригодный для свето-
диодов. В этом отношении более или менее подходит материал,
упомянутый в п. 3.3.1. Для получения лазерных колебаний на
основе этого материала необходимо поместить его в резонатор
Фабри—Перо. Обычно создается двухслойная гетероструктура
(рис, 3.15,а), в которой электроны запираются в активном
слое, а обе ее открытые торцевые поверхности, перпендикуляр-
ные оси светового луча (оси z на рисунке), делаются плоско-
стями спайности или с помощью химического травления пре-
вращаются в зеркала, и тем самым формируется резонатор
Фабри—Перо.
73

а)
Рис. 3.15. Полупроводниковый лазер: а, б — структура; в — энергетические
зоны; г — распределение коэффициента преломления и электрического поля
света
74

Длина резонатора Lz обычно 300 мкм. С другой стороны,
поскольку среднее расстояние рассеяния (глубина диффузии)
инжектируемых в активный слой электронов равна 1...2 мкм,
то нет смысла в том, чтобы толщина d активного слоя была
выше. Кроме того, как уже отмечалось, желательно, чтобы из
поперечных мод могли генерироваться только моды самого
низкого порядка, поэтому толщина d выбирается поменьше,
обычно 0,1 мкм.
В направлении оси х ширина w активного слоя делается
также небольшой, чтобы в нем запирались инжектируемые
электроны. Здесь, как и в случае с оптическим волокном, соз-
даются условия, при которых могут генерироваться поперечные
моды только самого низкого порядка. Если выбрать w не более
0,5 мкм, то эти условия соблюдаются, но на практике из-за
технологических трудностей ширина w обычно не менее 2 мкм.
Таким образом, электроны можно запереть в резонаторе типа
волновода с прямоугольным поперечным сечением, ограничен-
ным размерами w и d вдоль осей х и у. В двухслойной гетеро-
структуре, приведенной на рис. 3.15, коэффициент преломления
активного слоя, как и в случае, отображенном на рис. 3.10,
больше коэффициента преломления обоих прилегающих к нему
слоев, поэтому активный слой соответствует оптическому во-
локну, а свет, запертый в нем, распространяется, как в волно-
воде. Практически для света коэффициент удержания в актив-
ном слое всего лишь 0,2, но даже этого вполне достаточно,
чтобы возникла лазерная генерация.
Таким образом, в резонаторе волноводного типа свет рас-
пространяется с частичным его удержанием и благодаря инду-
цированному излучению появляются лазерные колебания. По-
добный лазер называется полупроводниковым с двухслойной
гетероструктурой полоскового типа.
В отличие от газового лазера здесь необходимо учитывать
рассеяние кристаллической решеткой и поглощение примесями,
т. е. в правой части формулы C.5) следует добавлять также
член а(; для соединения GaAs его значение примерно 10 см~'.
Коэффициент отражения плоскостей спайности выражается как
^MirrJ' (ЗЛЗ)
где п — коэффициент преломления активного слоя.
Для GaAs коэффициент я = 3,5, откуда получается /?, = /?2 =
= 30 %. Это намного меньше, чем для гелий-неонового лазера.
С учетом отмеченного выше значения оц и формулы C.13)
можно предположить, что потери резонатора будут велики.
В частности, для GaAs при Lz = 300 мкм из формулы C.5) по-
лучается а<; = 50 см. Следовательно, добротность резонатора
будет Q~ 5,6-103.
75

Рис 3 16 Зависимость свето
вой мощности от инжекцион
ного тока
Рис 3 17 Спектр многомодо-
вых продольных колебаний
полупроводникового лазера
По мере увеличения тока инжекции и по достижении поте-
рями значения а« начинается генерация лазерных колебаний
Необходимое для генерации значение инжекционного тока
называется пороговым током /<&. Отношение hh к площади
wLz поверхности активного слоя называется пороговой плотно-
стью тока Jth Обычно для GaAs-лазеров пороговая плотность
тока составляет 1 ... 2 кА/см2. На рис. 3.16 представлена зави-
симость выходной мощности излучения от инжекционного тока
(так называемая кривая /—L).
Если принять л = 3,5, А,^ = 0,85 мкм, L2 = 300 мкм, то по фор-
муле C.4) интервалы между соседними продольными модами
можно выразить как AA,#2 = 0,34 нм, Av^z=140 ГГц. Поскольку,
как показано на рис. 3 7, спектр усиления Ava получается при-
мерно в 100 раз более широким, в пределах этого спектра
укладывается около 100 продольных мод, причем между усиле-
нием соседних мод почти нет разницы и, естественно, многие
продольные моды генерируются одновременно Общая картина
такой генерации представлена на рис. 3.17.
3.5.2. Управление модами. Управление поперечными модами.
Что касается продольных мод излучения, то обычно они генери-
руются в большом количестве (см. рис. 3.17). Но кроме них
генерируются и разнообразные поперечные моды, при этом на
кривой /—L (рис 3.16) возникает излом. Из-за генерации по-
перечных мод увеличивается значение порогового тока, возни-
кает нестабильность направления излучения, ухудшается моду-
76

ляционная характеристика, поэтому желательно, если и допус-
кать генерацию поперечных мод, то лишь одной моды — самого
низкого порядка.
Этого можно достичь с помощью особых конструктивных
решений, например, как и при создании одномодовых световых
волокон, уменьшить размеры поперечного сечения волноводного
резонатора. Средства подавления такой генерации называются
техникой регулировки поперечных мод.
В соответствии с теорией волновода, если при коэффициен-
тах преломления /ii активного слоя и п2 окружающих его слоев
их относительная разница Д= (ri\—n2)/rti = 0,08, то для возбуж-
дения одной поперечной моды должно выполняться условие
d<0,45 мкм и ш<0,45 мкм. Обычно лазер проектируется так,
что d=0,l 0,2 мкм, условие же О)<0,45 мкм труднодости-
жимо для современной технологии, и этот размер обычно пре-
вышает 2 мкм.
Для того чтобы не допустить возбуждения более одной попе-
речной моды даже при подобных обстоятельствах, разработан
так называемый рефракционный волновод, формируется вол-
новод с разницей коэффициентов преломления также и вдоль
оси х (см рис 3 15) Благодаря сильному волноводному эф-
фекту в лазере генерируется»поперечная мода только самого
низкого порядка. На практике, как правило, используются
лазеры такого типа Структуры лазеров с рефракционными вол-
новодами приведены на рис 3 18. Укрупненно эти структуры
можно разбить на три.
Диффузионный б)
слой. In
Рис. 3 18 Структуры лазеров с рефракционными волноводами а — скрытая
гетероструктура (ВН), б — с терассированной подложкой (TS), в — плоская
с канализированной подложкой (CSP), г — с поперечным переходом (TJS)
Штриховым контуром показано сечение светового луча
77

Рис. 3.19. Спектр колебаний продольной моды лазера
с рефракционным волноводом
1J00 1,305 1,310
Длина волны, мкм
1. Скрытая гетероструктура (ВН —Buried Heterostructure).
Боковые стенки предварительно полученной путем кристаллиза-
ции двухслойной гетероструктуры подрезаются методом травле-
ния, т. е. получается мезаструктура. Затем путем повторной
кристаллизации поверхности этих стенок выравниваются.
2. С выборочным выращиванием. Зауженный волновод ак-
тивного слоя образуется путем выращивания кристалла двух-
слойной гетероструктуры на подложке, на которой предвари-
тельно создается канавка. Одним из образцов такого лазера яв-
ляется плоскостной лазер с канализированной подложкой
(CSP—Channeled Substrate Planer).
3. С разностью концентрации примесей. Необходимая раз-
ность коэффициентов преломления создается за счет разности
концентрации примесей. Полосковая структура с поперечным
переходом (TJS — Transverse Junction Stripe) является одним
из примеров приборов такого типа. В отличие от вышеописан-
ных структур с рефракционным волноводом здесь, благодаря
полосковым электродам шириной несколько микрон, ток проте-
кает только в ограниченной вдоль осих (см. рис. 3.15) области
и лазерные колебания усиливаются в зауженной части, по-
этому подобная структура называется лазером с усиленным
волноводом. При этом не происходит достаточного подавления
поперечных мод и обычно генерируется множество продольных
мод. Кроме того, усиление генерации неравномерно в простран-
стве. Один из реальных видов излучения продольных мод такой
Структурой приведен на рис. 3.17.
Напротив, в ранее описанных структурах с рефракционным
волноводом подавление поперечных мод является достаточным
и в большинстве случаев продольная волна носит одномодовый
характер (рис. 3.19). Однако поскольку между усилением гене-
рируемых и негенерируемых колебаний с продольной модой
почти нет разницы, то под влиянием температуры и инжекци-
онного тока возможны резкие переходы колебаний с одной
моды на другие — так называемые перескоки моды. При моду-
ляции с резким изменением инжекционного тока генерация
будет подобна генерации множества продольных мод.
78

Управление продольными модами. В лазере с рефракцион-
ным волноводом при непрерывном излучении достаточно легко
получить одномодовую продольную волну, а при очень быстрой
модуляции происходит перескок моды и возникает многомодо-
вое излучение. Для предотвращения этого явления используется
так называемая техника управления продольными модами, ко-
торая позволяет даже в динамических условиях работы, напри-
мер при скоростной модуляции, генерировать одномрдовую про-
дольную волну.
Для этого желательно создать резонатор, который в отличие
от резонатора Фабри—Перо обладал бы малыми потерями
только для определенной продольной моды. Другими словами,
чтобы только для определенной моды увеличивался коэффи-
циент отражения краевой поверхности резонатора и повыша-
лась добротность резонатора. Типичным примером такого под-
хода может служить создание вблизи волновода дифракцион-
ной решетки, как это показано на рис. 3.20.
И раньше было известно множество примеров селекции
длины генерируемой волны путем замены на дифракционную
решетку одного из двух зеркал резонатора в газовом лазере
или в лазере на красителях. Разрешающая • способность при
этом около 0,1 нм, что при интервале между продольными
79
Рис. 3.20. Структура лазера с управлением продольными модами: а —с рас-
пределенной обратной связью (DFB); б — с распределенным брэгговским
рефлектором (DBR)

модами в полупроводниковом лазере 0,3...0,5 нм вполне до-
статочно для их разделения и, следовательно, для практиче-
ского применения лазера.
1. Структура с распределенной обратной связью (DFB —
Distributed Feedback). На волноводе создается дифракционная
решетка, причем длина волны, для которой коэффициент отра-
жения будет максимальным,
\ = kB±SKi. C.14)
Здесь Хв = 2пА/т — длина волны Брэгга; Л — период дифрак-
ционной решетки; т — целое число, отражающее степень диф-
ракции. Значение Ь\1 определяется глубиной канавки дифрак-
ционной решетки, длиной резонатора Lz и т. д.
Поскольку согласно формуле C.14) могут существовать две
волны с максимальным коэффициентом отражения, т. е. до и
после волны Брэгга, и в результате есть опасность их одновре-
менной генерации, в современных лазерах предприняты по-
пытки для генерации моды только с одной стороны (до или
после) путем смещения периода дифракционной решетки на
одну четверть и разрушения тем самым симметрии решетки
относительно этих волн.
2. Структура с распределенным брэгговским рефлектором
(DBR — Distributed Bragg Reflector). Путем формирования
дифракционной решетки с одной стороны или с обеих сторон ак-
тивного слоя ему придаются избирательные свойства. Если для
решетки использовать тот же материал, что и для активного
слоя, то получится как бы множество резонаторов и поглощение,
а следовательно, и потери будут большими. Поэтому формируют
решетку из отличного от активного слоя материала, и такая
структура называется структурой с распределенным брэггов-
ским рефлектором. При создании дифракционной решетки тре-
буется точность обработки, сопоставимая с точностью формиро-
вания активного слоя, но зато для полученной таким образом
структуры в отличие от описанной в п. 1 генерация единствен-
ной продольной моды — обычное явление.
Лазеры с этой структурой не имеют перескока моды даже
при высокоскоростной модуляции и генерируют только одну
продольную моду, что делает их удобными в качестве источни-
ков света для оптических волокон. При использовании материа-
лов системы InGaAsP получаются структуры с длиной волны
излучения 1,3... 1,6 мкм.
Что касается структур на GaAlAs с длиной волны около
0,8 мкм, то для них требуется дифракционная решетка с умень-
шенным по сравнению с предыдущей периодом Л. Кроме того,
вследствие большой скорости окисления поверхности GaAlAs
создание дифракционной решетки вообще затруднительно, по-
этому за исключением начальных исследований почти не было
80

попыток в этом направлении. Однако в последнее время повы-
шается потребность в лазерах о одномодовым излучением
в видимом световом диапазоне, предназначенных для когерент-
ных оптических измерений и датчиков когерентного света. По-
этому снова предпринимаются усилия по созданию таких
лазеров.
3.5.3. Характеристики излучения. Мощность излучения и
КПД. Спектр усиления, необходимого для генерации (см. рис.
3.7, а), зависит от распределения энергии инжектируемых носи-
телей, энергетических зон примесей, от релаксации в зонах
и т. д. Ширина спектра 10... 20 нм, что на рис. 3.7, а соответст-
вует Avg = 5...1O ТГц. Данное значение достаточно велико по
сравнению с частотным интервалом между продольными
модами. Поэтому если не принять специальных мер по регули-
ровке мод, то обычно генерируется множество продольных мод.
Пороговый ток генерации, как видно из формулы C.8), за-
висит от потерь в резонаторе, от ширины w активного слоя
и т. д. Минимальное его значение для непрерывной генерации
при комнатной температуре около 2,5 мА. Для Лазеров с хоро-
шими характеристиками, изготовленных на материалах системы
AlGaAs, а также системы GaAsP, пороговый ток равен 10...
30 мА.
Выходная мощность при непрерывном излучении в условиях
комнатной температуры составляет 1... 10 мВт. Однако пред-
принимаются шаги для дальнейшего ее повышения. В част-
ности, в источниках света, предназначенных для датчиков и
системы записи на оптических датчиках, желательно иметь мощ-
ность более 10 мВт. В настоящее время от лазеров системы
AlGaAs уже добились высокой выходной мощности — примерно
200 мВт. Кроме того, создан лазер мощностью 2,6 Вт с матри-
цей из 40 смежных волноводов.
Отношение излучаемой мощности к мощности электриче-
ского тока, поступающего от источника питания, а именно коэф-
фициент полезного действия, упомянутый в п. 3.4.2, обычно
около 10 %. Это соизмеримо с КПД типичного представителя
газовых лазеров с высокой мощностью — СО2-лазера. Конечно,
желательно сделать КПД еще выше. С другой стороны, отно-
шение числа фотонов к приращению числа инжектируемых но-
сителей определяется как дифференциальный квантовый КПД,
и его значение при непрерывном излучении равно 40... 60%.
Это дает основание считать полупроводниковые лазеры высоко-
эффективными приборами.
Угол рассеяния светового потока. В качестве параметра,
характеризующего распределение мощности в сечении светового
потока, используется конфигурация поля в ближней и дальней
зоне видимости. Первая характеризует распределение световой
мощности на торцевой поверхности резонатора. Картину
81

-ад -20 о 20 w
Угол 9,...° *
-40 -20 0 20 Ю
Уголв,...°
Рис. 3.21. Сечение светового пучка в дальней зоне (а) и диаграмма направ-
ленности (б, в)
распределения, увеличенную микроскопом, можно наблюдать
с помощью телевизионной трубки видикон и т. п. Второй тип
конфигурации (рис. 3.21) отражает характер направленности
светового пучка.
В полупроводниковом лазере между толщиной волновода d,
его шириной w и длиной волны X существует обычно следую-
щее соотношение: d<\<w. Поскольку световой поток, излучае-
мый волноводом, вследствие дифракции расширяется тем
больше, чем уже торец волновода, то угол излучения 0±в вер-
тикальной плоскости будет больше угла излучения 8 ц в гори-
зонтальной плоскости. Обычно вц «15°, а 9х»30°. По сравне-
нию с аналогичными параметрами газового лазера [см. фор-
мулу C.10)] эти значения очень велики.
Кроме того, сечение светового потока имеет круглую форму,
поэтому его трудно эффективно сфокусировать на входе в оп-
тическое волоконо, а также создать параллельный световой
пучок, к тому же возникает неравномерность распределения
мощности и фазы в плоскости сечения, наблюдается явление
астигматизма. На практике для параллельности светового пучка
используются системы самофокусировки, стержневые линзы,
объективы микроскопов и др.
Модуляционные характеристики. В полупроводниковом ла-
зере путем изменения инжектируемого тока можно управлять
мощностью (интенсивностью) и частотой излучаемых колеба-
ний. В отличие от газовых лазеров здесь модулируется непо-
средственно плотность носителей в лазерной среде, поэтому воз-
можна модуляция с более высокой скоростью.
Один из примеров модуляции интенсивности приведен на
рис. 3.22. Здесь можно заметить резонансный пик на частоте
/г, обусловленный релаксационными колебаниями, которые,
в свою очередь, вызваны временной задержкой около 3 не от
82

Рис. 3.22. Характеристика прямой
модуляции интенсивности
Рис. 3.23. Характеристика прямой ча-
стотной модуляции
момента инжектирования носителей в активный слой до излу-
чения ими фотона {см. величину xs в формуле C.9)], а также
временной задержкой около 1 пс от излучения фотона внутри
резонатора до выхода его из резонатора, определяемой коэффи-
циентом отражения торцевой поверхности резонатора (эта за-
держка соответствует времени жизни фотона тР).
Таким образом, полупроводниковый лазер характеризуется
резонансным пиком, который обусловлен двумя временными
задержками.
Для частоты /г имеется следующая формула:
C.15)
где / и 1th — постоянный ток смещения и пороговый ток коле-
баний; если ///<h = 2, то fr=3 ГГц.
На рис. 3.23 приведен пример частотно-модуляционной ха-
рактеристики. Она формируется как результат повышения тем-
пературы лазера, сопутствующего модуляции инжекционным
током, релаксационных колебаний и изменений коэффициента
преломления.
Частота генерации определяется частотой продольных мод
резонатора Фабри—Перо в соответствии с формулой C.3).
Если предположить, что генерируется единственная продольная
мода, то на основе формулы C.3) изменение частоты выража-
ется следующим образом:
Av = ~v l(Aln) ANC (/) + (ат + pr) AT (/)]. C.16)
В первом члене в квадратных скобках от тока / зависит
только плотность носителей ANC, вследствие чего изменяется
коэффициент преломления п резонатора и соответственно этому
частота продольной моды. Здесь А — коэффициент пропорцио-
нальности.
83

Таблица 3.1.
Коэффициент
Л, м3
п
«г, К
Рг, К
Значения коэффициентов е
AlGaAs-лазер @,8 мкм)
—4,0- Ю-27
3,5
5- Ю~е
1 • Ю-4
1 формуле C.16)
InGaAsP-лазер A,5 мкм)
—7,0- К)7
3,5
5,4-Ю-8
1,0- Ю-4
Второй член в квадратных скобках отражает следующее:
1) от протекания тока / повышается температура и увеличива-
ется длина Lz резонатора (при этом коэффициент пропорцио-
нальности a,T~dLzldT соответствует коэффициенту теплового
линейного расширения лазерной среды); 2) благодаря увеличе-
нию коэффициента преломления, при коэффициентах пропор-
циональности $т = дп/дТ изменяется частота продольной моды.
При частоте тока модуляции /<10 МГц численное значение
второго члена примерно в 10 раз больше первого, поэтому пре-
обладает температурный эффект. Однако при частоте ^>10МГц
изменение электрического тока не сопровождается повышением
температуры лазера, т. е. температурный эффект ослабевает и
преобладает эффект носителей. Последний выражается в резо-
нансном пике, обусловленном релаксационными колебаниями
и подобном пику в модуляционной характеристике интенсив-
ности.
Наряду с температурным эффектом и эффектом носителей
частотная характеристика лазера имеет фазовый сдвиг отно-
сительно модулирующего тока.
В табл. 3.1 приведены значения коэффициентов в формуле
C.16) для лазеров системы AlGaAs и InGaAsP.
Температурные характеристики. Характеристики световых
колебаний полупроводникового лазера весьма чувствительны
к температуре: с повышением температуры увеличивается зна-
чение порогового тока Ith, уменьшается дифференциальный
квантовый выход. Зависимость Ith от температуры выражается
следующей формулой;
/,„ = /,„ (Ts)exp[(T-7s)/ro],
C.17)
где Ith(Ts)—пороговый ток при стандартной температуре Ts;
То — постоянная, присущая материалу и называемая характери-
стической температурой.
Для материалов системы AlGaAs эта температура равна
120... 150 К, а системы InGaAsP — 50... 70 К- По мере увели-
чения То температурная зависимость порогового тока ослабе-
вает. Причины малого значения То для материалов второй из
упомянутых систем: рекомбинация Оже, межзонное поглоще-
84

Рис. 3.24. Температурная зависимость для
кривой /—L (длина волны 1,3 мкм, излучение
непрерывное)
ние, фотоэлектронный эффект, «про-
сачивание» через гетеробарьер и т. д.
Кривые, приведенные на рис. 3.24,
позволяют судить о температурной
зависимости порогового тока и диф-
ференциального квантового выхода.
Из рисунка видно, что даже при
неизменном токе инжекции колеба-
ния температуры влияют на мощ-
ность излучения.
В лазере с квантовой ямой (guantum well laser), сформиро-
ванной в активном слое толщиной 10... 20 нм, с расположением
энергетических зон, отличным от обычного лазера с двухслой-
ным гетеропереходом, температура То велика, примерно 200 К.
В зависимости от температуры изменяется не только мощ-
ность излучения, но и резонансная частота. Как уже упомина-
лось в предыдущей рубрике, это обусловлено увеличением
с температурой длины Lz резонатора и коэффициента прелом-
ления п, а следовательно, изменением частоты продольной
моды. Это изменение, если воспользоваться символами фор-
мулы C.16), выражается как — v(ar + pr) (J—Та).
Ниже отражена зависимость частоты и длины волны излу-
чения лазера от постоянного электрического тока и окружаю-
щей температуры:
Допустимые пульсации электрического напряжения, долго-
вечность. Полупроводниковый лазер выдерживает пульсации
электрического напряжения примерно до 500 В. Что же каса-
ется долговечности, то совершенствуются теплоотводы, техно-
логия металлизации, выращивания кристаллов, исследуются
различные факторы ухудшения параметров (например, темные
линии и пятна, возникающие в активном слое, и т. д.). В на-
стоящее время практически достигнута долговечность лазера
106 ч (примерно 100 лет).
При использовании лазера в качестве источника света для
датчика, особенно для когерентного датчика, скорее всего, бо-
лее важна так называемая спектральная долговечность. При
85

непрерывной работе полупроводникового лазера даже в условиях
стабильной температуры и пониженного тока инжекции проис-
ходит медленный сдвиг частоты генерации, равный +26 МГц/ч.
Кроме того, изменяются предельные значения электрического
тока, при которых генерируются те или иные продольные моды.
Случается, что генерируемая до сих пор какая-либо продольная
мода внезапно уменьшается и даже пропадает. Причиной этого
явления считаются временные изменения теплового сопротив-
ления, обусловленные окислением металлизированных слоев,
тепловые эффекты из-за неотраженной рекомбинации носителей
на торцевой поверхности резонатора. Важно количественно оце-
нить это явление и принять соответствующие предупредитель-
ные уеры уже на стадии проектирования лазера. В подобных
случаях принимаются определенные ограничения на продолжи-
тельность генерации продольной моды, предназначенной для
использования. Отсюда и понятие спектральной долговечности.
3.5.4. Шумы, когерентность и управление ими. Как уже от-
мечалось в п. 3.5.1, размеры резонатора у полупроводниковых
лазеров меньше, чем у газовых, и, следовательно, значение
добротности Q невелико. Поэтому на излучаемый лазером свет
большое влияние оказывают флюктуации спонтанного излуче-
ния. Они вызывают флюктуации интенсивности света (модуля-
ционные шумы интенсивности) и флюктуации частоты (шумы
частотной модуляции).
Помимо указанных имеется много других факторов, увели-
чивающих уровень шумов, и для повышения чувствительности
датчиков необходимо ограничить также и эти шумы. С этой
целью, как будет описано ниже, в зависимости от характера
шумов можно использовать те или иные способы их подавле-
ния.
Модуляционные шумы интенсивности. Ниже, в пп. 1—3,
рассматриваются прежде всего случаи с генерацией одной про-
дольной моды.
1. Шумы, обусловленные спонтанным излучением. Флюктуа-
циями мощности спонтанного излучения определяются границы
шумов. На рис. 3.25 приведена спектральная плотность мощ-
ности модуляционных шумов интенсивности для частотных гар-
моник выше 1 МГц. Множество этих значений можно разделить
на две составляющие. Одна из них обусловлена флюктуациями
коэффициента усиления колебаний из-за флюктуации спонтан-
ного излучения. Эта составляющая присутствует во всех без
исключения полупроводниковых лазерах, поэтому их характе-
ристика спектральной плотности напоминает характеристику
низкочастотного фильтра. Частота среза характеристики опре-
деляется как
fa ~ 2ягр • (ЗЛ8)
86

Рис. 3.25. Спектральная плотность мощности мо- т
дуляционных шумов интенсивности
Для полупроводниковых лазеров ча- Цю~11
стота среза лежит в пределах от не- * Q-n
скольких гигагерц до 100 ГГц. |
Другая составляющая проявляется <|/0
в резонансном пике на гармонике, рав- §да-'4
ной частоте fr релаксационных колеба-
ний, в свою очередь, обусловленных
флюктуациями спонтанного излучения.
На гармониках ниже 1 МГц носители под воздействием
спонтанного излучения возбуждаются и переходят в зону про-
водимости, что вызывает флюктуации плотности носителей,
а следовательно, колебания тока и собственной теплопровод-
ности, далее колебания температуры приводят к дрейфу свето-
вой мощности.
2. Шумы, обусловленные изменением температуры и тока.
На практике к вышеупомянутым шумам добавляются шумы,
обусловленные сторонними для излучающего вещества факто-
рами и повышающие общий уровень шумов. На гармониках до
10 МГц особенно существенны колебания порогового значения
тока и дифференциального квантового выхода, в свою очередь,
обусловленные в основном колебаниями окружающей темпера-
туры. В результате наблюдается температурный дрейф мощ-
ности примерно — 50 мкВт/К-
Кроме того, шумы тока инжекции влияют на уровень смеще-
ния, в связи с чем наблюдаемые колебания мощности дости-
гают 1 • 10~4. Поскольку эти факторы при использовании лазе-
ров в датчиках вызывают дрейф характеристик датчика, то не-
обходимо обеспечить регулировку окружающей температуры
либо автоматическую регулировку мощности излучения с помо-
щью внешних схем.
При проектировании лазера желательно предусмотреть мо-
нолитное с ним выполнение схемы автоматической регулировки
мощности. Первый шаг в этом направлении — изучение воз-
можности создания на одной подложке лазера и фотодиода,
предназначенного для слежения за световой мощностью.
Предполагается, что введением подобной схемы можно сни-
зить колебания мощности до 1 • Ю-6.
3. Шумы, обусловленные обратным светом. Если, как пока-
зано на рис. 3.26, свет, излучаемый полупроводниковым лазе-
ром, отражается от внешнего зеркала, торца оптического во-
локна и других препятствий, а затем возвращается в лазер
с произвольной фазой, то этот отраженный свет изменяет усло-
вия генерации лазера и значительно увеличивает уровень моду-
87

Рве 3 26 Возникновение шумов от обратного света
ляционных шумов интенсивности и шумов частотной модуля-
ции. Эти вносимые шумы называются в силу своей природы
шумами от обратного света и являются определенным препятст-
вием для применения полупроводниковых лазеров.
В той или иной степени это явление характерно для лазеров
всех типов, но в полупроводниковых лазерах коэффициент от-
ражения торцевой поверхности резонатора примерно на 30 °/о
меньше по сравнению с лазерами других типов, поэтому обрат-
ный свет легче проникает внутрь резонатора и его влияние
столь заметно.
На рис. 3.27 приведены диаграммы, которые показывают,
как с увеличением интенсивности обратного света увеличива-
ются и колебания мощности излучаемого света. Это влияние
обратного света заметно при интенсивности его 0,003 % по от-
ношению к излучаемому свету, а при 5 % обратный свет при-
водит уже к генерации импульсного типа.
Изменения характеристик генерации, вызванные обратным
светом, сводятся главным образом к следующему:
сдвиг резонансной длины волны, изменение числа генери-
руемых продольных мод (рис. 3.28,а);
изменение формы кривой /—L, изменение порогового тока
(рис. 3.28,6);
расширение или сужение спектра колебаний;
изменение вида модуляции, подавление или поддержка ре-
лаксационных колебаний;
появление шумов на гармонике f=с/ BLe) и ее высокочастот-
ных составляющих (Le — расстояние от лазера до внешней по-
верхности отражения), на частоте f=a/c/BLe) и ее высокоча-
стотных составляющих (а/<С1), увеличение низкочастотного
шума, способствующих перескоку моды.
В лазерах с нелинейным генератором самовозбуждения при
попадании извне поперечной световой волны с запаздыванием
по фазе наблюдается нестабильность обычно строго детермини-
рованных параметров, поэтому отмеченные выше явления свой-
ственны не только лазерам с резонаторами Фабри—Перо, но и
88

Рис 3 27 Временные колебания мощности
лазерного луча из-за обратного света при
Le = 5 см и соотношении мощности обрат-
ного и излучаемого света, равном нулю
(а), 0,003% (б) и 5% (в)
DFB-лазерам, DBR-лазерам. По-
добную нестабильность детермини-
рованных параметров принято на-
зывать хаосом. В настоящее время
все шире изучается механизм его
возникновения.
В реальных системах всегда
имеются нерегулярные отклонения
температуры лазера, его точки ин-
жекции, положения внешней по-
верхности отражения и т. д. В ре-
зультате проявления этих нерегу-
лярностей уровень шумов возра-
стает.
Чтобы избежать шумов от об-
ратного света, можно увеличить
коэффициент отражения торцевой
поверхности лазерного резонатора
830 832 83Ь
Длина Волны'; им
0 W 180 190
Ток инжеки,ци,мА
Рис 3.28 Изменение характеристик генерации, обусловленное обратным све-
том а — спектр продольной моды при обратном свете, б — зависимость мощ-
ности излучения от тока инжекции
89

путем напыления на нее тонкой пленки или использования оп-
тического изолятора. Однако эти меры, особенно введение изо-
лятора, повышают стоимость лазера, что противоречит идее
создания малогабаритного, экономически выгодного полупро-
водникового прибора. Поэтому требуется дальнейшее изучение
механизма возникновения шумов и выработка соответствующих
технических решений.
При необходимости работы с пониженным уровнем шумов
может использоваться многомодовый (имеются в виду продоль-
ные моды) лазер. В этом лазере возникают шумы, вызванные
эффектом перескока моды, и уровень шумов при отсутствии об-
ратного света выше, чем в одномодовом лазере. Но в силу ма-
лой когерентности многомодовый лазер обладает пониженной
чувствительностью к обратному свету, поэтому последний здесь
не приводит к ощутимому увеличению уровня шумов.
Многомодовым лазером может служить, например, лазер
с усилительным волноводом. Здесь используются два метода
подавления шумов. Первый заключается в том, что на колеба-
ния лазера с усилительным рефракционным волноводом, генери-
рующим одну продольную моду, накладывается ток высокой
частоты (сотни мегагерц) и таким образом возникает многомо-
довая генерация. Другой способ — увеличение разницы в ко-
эффициентах преломления активного слоя и окружающих его
слоев. Это приводит к самовозбуждению и к эффекту, анало-
гичному наложению высокочастотных токов, т. е. к возникнове-
нию многомодовой генерации.
Лазеры, выполненные с применением того или иного из
описанных способов снижения шумов от обратного света, гене-
рируют примерно десять продольных мод в виде импульсов
с частотой несколько сотен мегагерц.
4. Шумы перескока моды. В лазерах, генерирующих един-
ственную продольную моду, как, например, в лазерах с рефрак-
ционным волноводом и резонатором Фабри—Перо, ширина
спектра усиления может быть до 10 нм, а расстояние между
соседними продольными модами равно примерно 0,3 нм. И хотя
в них обычно генерируется одна мода, усиление ее колебаний
превышает усиление других, негенерируемых, мод незначи-
тельно Следовательно, при отклонениях тока инжекции или ок-
ружающей температуры может возникнуть генерация продоль-
ной моды, ранее не излучавшейся, и прекратиться генерация
продольной моды, излучавшейся до этого (все тот же пере-
скок моды, см. п. 3.5.2). Диаграммы, поясняющие это явление,
приведены на рис. 3.29, откуда понятно, что перескок моды
приводит к значительным колебаниям световой мощности ла-
зера. Эти колебания называются шумами перескока моды.
Рассмотрим пример перескока моды. Для простоты ограни-
чимся всего лишь двумя продольными модами, возможными для
90

генерации. При этом, если измерять временные изменения све-
товой мощности, то получается характеристика, подобная изоб-
раженной на рис. 3.30.
Из рисунка видно, что при генерации одной моды генерация
другой прекращается, т. е. происходит процесс типа переклю-
чения. В каждый момент генерируется только одна мода, и
такой характер генерации объясняется сильной связью между
модами в полупроводниковом лазере. Напротив, в газовом
лазере, например в Не—Ne-лазере, эта связь слаба и обе моды
могут генерироваться одновременно.
Обычно мощность генерируемых мод, неодинакова, поэтому
их сложение приводит к колебаниям общей излучаемой мощ-
ности. Это и есть шумы перескока моды.
Перескок моды как явление, при котором флюктуации спон-
танного излучения возникают по принципу срабатывания «спус-
кового крючка» и начало генерации моды во времени совер-
шенно случайно, можно описать на основе процесса Пуассона,
причем средняя частота генерации с увеличением тока инжек-
ции уменьшается по закону показательной функции.
Таким образом, для подавления шумов перескока моды
желателен режим работы с высоким смещением. Ситуация
также улучшается, когда число возможных для генерации мод
достигает трех и более.
Для предупреждения перескока моды хорошо бы, регули-
руя температуру в соответствии с характеристикой на рис. 3.29,
зафиксировать генерацию единственной продольной моды. Но
трудность в том, что подобные характеристики индивидуальны
для каждого экземпляра лазера.
91
Рис 3.30 Реальное измене-
ние мощности излучения
двух продольных мод во
времени
Рис 3 29 Температурный диапазон
генерации различных продольных
мод и шумы перескока мод

Более надежным, способом является добавка в слой оболочки
примесей теллура и использование его в качестве поглотителя
с насыщением. Таким образом можно остановить генерацию
новой моды. Поскольку поглотитель с насыщением имеет вы-
сокий коэффициент поглощения относительно светового излуче-
ния небольшой мощности, начинающаяся генерация сопровож-
дается высокими потерями и подавляется. Напротив, для света
большой мощности коэффициент поглощения невысок, потери
для уже генерируемой моды малы и генерация продолжается.
Таким образом, даже при изменении температуры и тока про-
должаются колебания единственной моды, т. е. работа лазера
стабильна в широком диапазоне условий.
Перескок моды характерен для лазеров, где отсутствует си-
стема управления продольными модами. В лазерах с распре-
деленной обратной связью (типа DFB) и с распределенным
брэгговским рефлектором (типа DBR) имеется регулировка
продольной моды и поэтому перескока моды не наблюдается.
В настоящее время эти лазеры используются главным образом
как источники света для оптической связи и преимущественно
с генерацией на длине волны 1,3... 1,6 мкм, что обусловливает
применение в них соединения InGaAsP. Известно о попытках
выполнения их на материале AlGaAs, что дает возможность
работы в видимом диапазоне света.
Шумы частотной модуляции. 1. Шумы, обусловленные спон-
танным излучением. Шумы частотной модуляции также в ос-
новном определяются флюктуациями спонтанного излучения.
Примером может служить распределение спектральной плот-
ности мощности шумов частотной модуляции для лазеров на
материале AlGaAs (рис. 3.31). Шумы частотной модуляции,
обусловленные флюктуациями спонтанного излучения, имеют
постоянный уровень (независимый от частоты /) при частоте
чуть ниже 10 ТГц, соответствующей времени релаксации диполь-
ных моментов из пар электрон—дырка. Эту составляющую
спектральной плотности можно представить как белый шум.
92
Рис. 3.31. Спектральная плот-
ность мощности шумов ча-
стотной модуляции
/ — суммарный шум; 2, 3, 4— шу-
мы, обусловленные электрическим
током, носителями, спонтанным из-
лучением

Он присутствует не только в полупроводниковых, но и в других
лазерах.
Для полупроводниковых лазеров характерны также колеба-
ния частоты продольной моды, обусловленные колебаниями
плотности носителей (вызванными, в свою очередь, флюктуа-
циями спонтанного излучения), коэффициента преломления,
а также тока (из-за колебаний плотности носителей) и собст-
венного тепловыделения.
Шумы, обусловленные колебаниями коэффициента прелом-
ления, имеют резонансный пик, связанный с релаксационными
колебаниями в широком частотном диапазоне. Шумы, обуслов-
ленные колебаниями тока, имеют только низкочастотные со-
ставляющие. В результате общая характеристика получается
похожей на модуляционную характеристику, рассмотренную
в п. 3.5.3.
2. Шумы, обусловленные колебаниями температуры и элект-
рического тока. В действительности к шумам, описанным в п. 1,
как и к модуляционным шумам интенсивности, добавляются
шумы частотной модуляции, обусловленные колебаниями окру-
жающей температуры и шумами источника тока инжекции.
Подобно формуле C.16) уровень этого шума выражается ча-
стотными колебаниями:
6v = — v [(А/п) 8МС F/) + (от + Рг) Ы (81) + 67, C.19)
где б/, 6NC и 67"' — колебания тока, плотности носителей и ок-
ружающей температуры; 67" — температурные колебания, вы-
званные колебаниями тока.
На практике уровень этих шумов выше уровня шумов, опи-
санных в п. 1, и частотные колебания, обусловленные ими, со-
ставляют 1 • 10~8 и более. Если применять лазеры с такими
шумами в качестве источника света для когерентных датчиков,
то эти колебания во многих случаях могут оказаться недопусти-
мыми и необходимо их подавлять. Предпринимаются попытки
стабилизации частоты излучения с помощью системы автома-
тической регулировки тока инжекции, где используются моду-
ляционные характеристики (см. п. 3.5.3). Эталоном частоты
служат интерферометры Фабри—Перо, стабильные спектры по-
глощения атомов, молекул, где отношение частот не превышает
1 • Ю-12.
3. Шумы, обусловленные обратным светом. Как уже гово-
рилось в п. 1, условия генерации при попадании обратного света
в лазер становятся весьма нестабильными, что приводит к зна-
чительным изменениям частоты излучаемого света. Кроме того,
обратный свет может вызвать перескок моды, в таком случае
колебания частоты увеличиваются.
4. Шумы перескока моды. При переходе генерации с одной
моды на другую возникает скачкообразное изменение частоты,
93

Рис. 3.32. Измерение ширины спектра излучения полупроводникового лазера
соответствующее разности между частотами этих мод (см.
рис. 3.29).
Ширина спектра. Шириной спектра можно считать ширину
кривой распределения мгновенных значений напряженности
электрического поля световой волны. Основной вклад в спектр
вносит низкочастотная составляющая шумов частотной моду-
ляции.
Для измерения ширины спектра существует несколько спо-
собов: измерение (с помощью спектроанализатора) спектра сиг-
нала биений между лучами двух лазеров (рис. 3.32, а); исполь-
зование интерферометра Фабри—Перо с высокой разрешающей
способностью сканирования по частоте (рис. 3.32, б); автогете-
родинирование с задержкой, где в качестве линии задержки ис-
пользуется оптическое волокно (рис. 3.32, в).
91
Интерферометр Фабри —Перо
с разверткой

Рис. 3.33. Результаты измерения ширины
спектра AlGaAs-лазера
Значения ширины спектра, изме-
ренные в последнее время, составля-
ют от единиц до нескольких сотен
мегагерц. Результаты измерения для
одного из лазеров системы AlGaAs
представлены на рис. 3.33. Ширина
спектра выражается следующей фор-
мулой, представляющей собой откор-
ректированную для полупроводнико-
вых лазеров формулу C.12):
C.20)
Эта формула называется модифицированной формулой Шав-
лова—Таунса. Здесь Р — мощность излучения торцевой поверх-
ностью с коэффициентом отражения Ru nsp — величина, соот-
ветствующая NJ(Na—Nb)th в формуле C.12) и равная 1...2.
Кроме того, обусловленные флюктуациями спонтанного излу-
чения колебания плотности носителей приводят к изменению
коэффициента усиления и коэффициента преломления. Коэффи-
циент а есть отношение этих изменений и называется а-пара-
метром или коэффициентом линейного усиления. Его значение
равно нулю для газового лазера, в полупроводниковых же ла-
зерах находится в пределах от —2 до —6.
В соответствии с формулой C.20) ширина спектра должна
быть обратно пропорциональна световой мощности (или инжек-
ционному току). Однако в действительности, как показано на
рис. 3.33, линия результатов измерения не проходит через на-
чало координат. Получается, что даже при неограниченно боль-
шой мощности света ширина спектра не равна нулю, т. е. су-
ществует такая ширина спектра, которая не зависит от свето-
вой мощности. Для лазеров системы AlGaAs она составляет
0,6... 1,9 МГц. Причины этого не совсем ясны, но предпола-
гается, что это шум с мощностью, пропорциональной 1/f, кото-
рый определяется флюктуациями плотности носителей или
флюктуациями подвижности носителей.
Кроме рассматриваемой здесь продольной моды возникают
поперечные моды с очень небольшой мощностью, поэтому в ла-
зерах с недостаточной регулировкой поперечных мод спект-
ральная ширина мод с учетом влияния «конкуренции» между
ними получается больше, чем по формуле C.20). Таким обра-
95

зом, процесс генерации ус-
ложняется и измеряемая
ширина спектра полупро-
водникового лазера имеет
большой разброс.
Но в любом случае ши-
рина спектра не менее не-
скольких мегагерц. Это
примерно в 109 раз больше, чем для Не—Ne-лазеров (см.
п. 3.4.2), что является следствием малой добротности резона-
тора полупроводникового лазера.
Когда полупроводниковый лазер используется в когерентном
оптическом датчике, то часто необходима ширина спектра не
более 1 МГц. В подобных случаях применяют различные спо-
собы повышения добротности резонатора. На рис. 3.34, а пред-
ставлен способ, при котором путем напыления поглощающей
пленки на одну из торцевых поверхностей лазера снижается
коэффициент отражения луча зеркалом, расположенным на рас-
стоянии несколько сантиметров от лазера, т. е. создается кон-
струкция с увеличенными размерами резонатора. В способе,
показанном на рис. 3.34, б, к лазеру присоединяется одним
концом оптическое волокно, а вместо зеркала (как на рис.
3.34, а) здесь используется торец другого конца волокна.
При любом из этих способов объем резонатора данного ла-
зера значительно увеличивается по сравнению с объемом резо-
натора простого лазера и тем самым создается возможность
увеличения добротности резонатора. Благодаря этому обстоя-
тельству шумы частотной модуляции приобретают более низко-
частотный характер и спектр сужается, причем для случая,
показанного на рис. 3.34, а, ширина спектра уменьшается до
10 кГц, а для случая на рис. 3.34, б — до 30 кГц.
Однако для получения столь узкого спектра необходимо,
чтобы фаза световой волны, отраженной от зеркала или конца
волокна, при повторном вхождении в лазер была бы равна
фазе излучаемой световой волны. Другими словами, положение
зеркала и длину оптического волокна необходимо регулировать
с точностью в пределах длины световой волны, и если это не
обеспечить, то шумы обратного света вызовут, наоборот, рас-
ширение спектра.
Следовательно, введение обратной оптической связи не
всегда подходит как способ стабильного ограничения ширины
спектра, а увеличение размеров резонатора находится в проти-
96
Рис 3.34 Сужение спектра с по-
мощью обратной оптической
связи

Рис 3.35 Сужение спектра с помощью обратной связи по электрическому
току
воречии с таким преимуществом полупроводникового лазера,
как малогабаритность, но в силу простоты решения этот спо-
соб используется часто. Предпринимаются также попытки изго-
товления внешнего зеркала по интегральной технологии.
В последнее время выдвинут способ, при котором с помо-
щью широкополосной отрицательной обратной связи по элект-
рическому току снижается частота шумов частотной модуляции
и сужается спектральная полоса. В отличие от рассмотренных
выше способов с оптической обратной связью этот способ не
препятствует миниатюризации лазера, при нем нет необходи-
мости изменять конструкцию резонатора. Отмечается, что
можно получить более узкий спектр. Схема реализации способа
приведена на рис. 3.35. Теоретически этим способом можно до-
стигнуть ширины спектра в несколько сотен герц. В настоящее
время для лазеров системы InGaAsP реализована ширина
спектра около 330 кГц. Электрическую схему с отрицательной
обратной связью можно выполнить по интегральной техноло-
гии, т. е. рассмотренный метод вполне приемлем для практики.
3.6. СВЕТОПРИЕМНЫЕ ПРИБОРЫ
Светоприемные приборы (световые детекторы), если их
классифицировать по области применения, используемым мате-
риалам и по другим признакам, весьма разнообразны. Напри-
мер, высокочувствительный фотоэлектронный умножитель, уст-
ройство с термопарой для измерения температуры в зависи-
мости от падающего света; элемент Голея, содержащий напол-
ненный газом резервуар, давление в котором увеличивается
вследствие теплового движения газа под воздействием света, и
многие другие приборы.
Для датчиков нужны светоприемные приборы, удовлетво-
ряющие ряду требований, в первую очередь требованию мало-
габаритности, малого потребления мощности, высокой чувстви-
тельности, быстрой реакции. Среди подобных устройств здесь
рассматриваются полупроводниковые приборы, в частности
рйя-диоды и лавинные фотодиоды.
97

3.6.1. Принцип действия. Описываемые здесь приборы отно-
сятся к квантовым светоприемным устройствам. В них исполь-
зуется внутренний фотоэффект — явление, при котором элект-
роны, находящиеся в валентной зоне полупроводника или зоне
примесного уровня, при поглощении света возбуждаются и
переходят в зону проводимости. Процессы, происходящие в све-
топриемных приборах, носят обратный характер по отношению
к индуцированному излучению, составляющему принцип ра-
боты лазера.
К внутреннему фотоэффекту относится эффект фотопроводи-
мости, при котором под воздействием света изменяется сопро-
тивление полупроводника, а также фотогальванический эффект,
при котором под воздействием света на краях зоны р—л-пере-
хода возникает ЭДС. В приборах, основанных на эффекте фото-
проводимости, используются материалы CdS, CdSe, PbS и др.
В фотогальванических приборах используются полупроводники
с р—л-переходом. Кроме того, солнечные батареи, которые слу-
жат источником электроэнергии, также представляют собой
светоприемные приборы с большой площадью рабочей поверх-
ности.
Принцип действия светоприемных устройств заключается
в межзонном перемещении носителей при поглощении ими света.
Это процесс, обратный индуцированному излучению в лазерах,
но для него также справедливы частотные условия Бора [см.
формулу C.1)].
В качестве детекторов фотогальванического типа могут быть
использованы одно- и двухэлементные полупроводники (Ge,
GeAs, InP и др.), а поскольку каждый из них имеет ширину
запрещенной зоны Eg вполне определенную, присущую данному
материалу, то и максимальная длина волны, на которую может
откликаться детектор, имеет в соответствии с формулой C.1)
также фиксированное значение.
В полупроводниках из трех или четырех элементов групп
III—V периодической системы элементов (Gai_xAlxAs,
IrisGai-aAsyPi-y) благодаря регулировке соотношения х и у раз-
личных составляющих можно изменять значение Eg и таким
образом создавать фотодетектор, откликающийся на свет с оп-
ределенной длиной волны в широком световом диапазоне.
Если, как показано на рис. 3.36, а, используя полупровод-
ники типа пир, создать р—л-переход, то, даже когда на него
извне не подается никакого электрического напряжения, внутри
перехода возникает электрическое поле (рис. 3.36,6). При
этом, если на р—л-переход падает свет, то электроны ковалент-
ной зоны, поглотившие его, переходят в зону проводимости и
таким образом формируются свободные электроны и дырки.
Они под воздействием внутреннего электрического поля на-
правляются соответственно в сторону слоя л или р, т. е. воз-
98

Рис. 3.36. Энергетические зоны ал
и принцип действия фото- Зона
диода, основанного на фото- проводимости
гальваническом эффекте: а —
перед созданием р—п- пере-
хода; б — без освещения р— уровень Ферми
л-перехода; в — при освеще- Зона валентных
нии р—л-перехода
никает электрический
ток. Ток, протекающий
при коротком замыкании
выводов от полупровод-
ников р- и я-типа, назы-
ваются током короткого
замыкания.
В случае размыкания
электроны и дырки, за- в)
ряженные соответственно
отрицательно и положи-
тельно, создают между
полупроводниками р- и
«-типа напряжение раз-
мыкания. Этими явле-
ниями и характеризуется
фотогальванический эффект, а детекторный элемент, работаю-
щий по такому принципу, называется фотодиодом.
3.6.2. Структура и характеристики. На рис. 3.37 представ-
лены типичные структуры фотодиодов. Мезаструктура, получен-
ная травлением (рис. 3.37, о), используется в солнечных бата-
реях, фотоэлектрических переключателях, фотодиодах для уст-
ройств считывания с перфокарт и перфолент. На рис. 3.37, б
показана планарная структура, в которой на поверхности кри-
сталла кремния экспонируется р—«-переход, затем это место
защищается оксидной пленкой, поэтому темновой ток (ток, про-
текающий при отсутствии светового облучения элемента и вы-
зываемый диффузией носителей, процессом их генерации — ре-
комбинации) мал. Следовательно, обеспечивается весьма высо-
кая чувствительность и большой динамический диапазон.
В pin-фотодиодах, как показано на рис. 3.38, в области р—
«-перехода уменьшено количество примесей и создан так на-
зываемый собственный слой с малым числом электронов и
дырок (intrinsic layer, i-слой). При этом р—n-переход получа-
ется несколько толще, а электрическая емкость перехода умень-
шенной, что способствует повышению быстродействия.
Если на р—га-переход подать обратное напряжение смеще-
ния, то электрические заряды в нем исчезнут: электроны «под-
99

Рис. 3.37. Структуры
фотодиодов
Рис. 3.38 Принцип
действия (а) и энер-
гетические зоны (б)
рт-фотодиода
тянутся» к положительному полюсу («-слой), а дырки — к от-
рицательному полюсу (р-слой). Таким образом можно создать
условия, при которых в i-слое отсутствуют носители (обеднен-
ный слой). Благодаря обратному напряжению смещения возни-
кает высокий электрический потенциал. При попадании в р—п-
переход света внутри обедненного слоя возникают электроны и
дырки, но благодаря высокому электрическому потенциалу
электроны устремляются с большой скоростью к положитель-
ному полюсу, а дырки — к отрицательному, что проявляется
в виде тока диффузии и может быть зафиксировано снаружи.
В результате подобного ускорения носителей также достига-
ется высокое быстродействие прибора.
Сила тока, получаемого от фотодиодов, т. е. фототока, выра-
жается следующей формулой:
C-21)
где е — элементарный электрический заряд; Pq — мощность па-
дающего света; hv — энергия фотона; г) — квантовый выход
(соотношение количества электронов и фотонов).
Отношение сигнал — шум
C.22)
100

где Id — темновой ток; Б — частотная полоса измерений; k —
постоянная Больцмана; Т — температура; Ri— входное сопро-
тивление первого каскада измерительного усилителя; F — коэф-
фициент шума этого каскада.
Числитель в формуле C.22) определяет мощность сигнала,
первый член знаменателя—дробовой шум, обусловленный вре-
менными флюктуациями частоты возникновения электронов под
воздействием света, а второй член знаменателя — мощность
тепловых шумов в первом каскаде усилителя.
Чувствительность обнаружения, определяемая при условии
SJN=l, приблизительно равна 0,5 мкВт. Скорость релаксации,
определяемая временной постоянной (произведением емкости
перехода и сопротивления нагрузки Ri), при /?i = 50 Ом состав-
ляет несколько сотен мегагерц.
Для повышения чувствительности и быстродействия необхо-
димо увеличить толщину обедненного слоя, повысив обратное
напряжение смещения и тем самым уменьшив емкость пере-
хода. Кроме того, коэффициент поглощения света уменьшается
с ростом длины световой волны, поэтому необходимо увеличи-
вать зону перехода.
В лавинных фотодиодах возможно усиление фототока, что
и определяет их высокую чувствительность и быстродействие.
а)
Рис. 3.39. Лавинный фотодиод: а — структура; б — распределение электри-
ческого поля; в — энергетические зоны
101

Рис. 3.40. Структуры лавин-
ных фотодиодов: а — основ-
ная; б — исследуемая
0,9 0,95 1,0
Рис. 3.41. Зависи-
мость коэффициента
усиления от напря-
жения обратного
смещения
U),— анодное напряже-
ние
102
Поэтому первоначально они были предназначены для оптиче-
ской связи и для измерения сверхкоротких световых импульсов.
Структура лавиннного фотодиода представлена на рис. 3.39,
а. При увеличении обратного напряжения смещения одновре-
менно с утолщением обедненного слоя усиливается диффузия
носителей и по соседству с р—л-переходом образуется зона
с высоким электрическим потенциалом, примерно 100 кВ/см.
Диффузионные электроны, достигшие зоны, сталкиваясь с нейт-
ральными атомами, выбивают из них вторичные электроны.
Благодаря высокому напряжению последние ускоряются, снова
сталкиваются, возникают новые электроны и так далее, т. е.
происходит лавинообразный процесс, в результате которого
резко увеличивается число электронов. Например, от одного
фотона может образоваться до 1000 электронов. Увеличением
числа электронов определяется коэффициент усиления.
Типы лавинных фотодиодов представлены на рис. 3.40. За-
щитное кольцо на периферии прибора делается с целью огра-
ничения усиления.
Как показано на рис. 3.41, коэффициент усиления зависит
от напряжения обратного смещения. В кремниевых лавинных
фотодиодах при напряжении обратного смещения 100... 150 В,
а в германиевых при 30... 40 В коэффициент усиления М—1000.
В отличие от фототока /р у /nn-фотодиода [см. формулу C.21)]
фототок в лавинном получается в М раз большим.
К факторам, ограничивающим быстродействие лавинного
фотодиода, можно отнести следующие: 1) постоянную времени

(произведение RiC — сопротивления нагрузки и электрической
емкости перехода и кристалла); при С=1,5 пФ, Ri=50 Ом по-
стоянная времени равна 75 не; 2) время движения носителей
в зоне диффузии; при длине зоны 10 мкм, скорости носителей
107 см/с это время равно 100 не; 3) время нарастания лавино-
образного усиления; при Л1= 100 оно равно 100 не.
Суммирование всех этих составляющих и дает время от-
клика фотодиода. В данном случае частота среза характери-
стики отклика 1...2 ГГц.
Отношение сигнал — шум для лавинного фотодиода
C.23)
Первый член знаменателя описывает дробовой шум, обус-
ловленный временными флюктуациями генерации фототока,
темнового тока и лавинообразного усиления; Мх — коэффициент
избыточного шума, определяемый структурой лавинного фото-
диода (в частности, для кремниевого лавинного фотодиода
дс~0,35). Второй член знаменателя описывает дробовой шум,
обусловленный током рассеяния /;, протекающим на перифе-
рии р—л-перехода. Поскольку этот ток не проходит через
переход, то и не усиливается. Третий член знаменателя описы-
вает тепловой шум.
На рис. 3.42 представлено изменение значения S/N отно-
сительно М при подсчете по формуле C.23). Поскольку отно-
шение S/N увеличивается с ростом М, желательно регулировать
напряжение обратного смещения так, чтобы достичь оптималь-
ного значения М.
Лавинные фотодиоды являются превосходными детекторами
благодаря высокой чувствительности и скорости отклика, но
для них требуется повышенное и стабильное напряжение об-
ратного смещения, а стабилизация его представляет определен-
ную проблему. В этом отношении интересны разработки при-
боров, в которых рш-фотодиод интегрируется с усилителем и
которые работают при широко распространенном напряжении
питания ТТЛ.
Рис. 3.42. Зависимость сигнала, дробового
и теплового шума от коэффициента уси-
ления

3.6.3. Методы обнаружения светового сигнала. Гетеродинное
обнаружение. Формулы C.22) и C.23) позволяют получить
значение S/N при прямом обнаружении светового сигнала. Если
бы можно было полностью устранить темновой ток и диффузи-
онные токи, сделав при этом Мх=\, а тепловые шумы доста-
точно малыми, то исходя из условия SJN= 1 получили бы ми-
нимальную обнаруживаемую мощность сигнала
Pomin = AvB/ti, C.24)
называемую квантовым порогом обнаружения.
Однако в реальных условиях трудно уменьшить темновой
ток, диффузионные токи и тепловые шумы так, чтобы полно-
правно применить формулу C.24). Тем не менее при гетеро-
динном обнаружении (рис. 3.43) можно вплотную прибли-
зиться к порогу, заданному формулой C.24).
При этом способе обнаружения одновременно со световым
сигналом (допустим, с частотой v) в световой обнаружитель
подается сильное световое излучение гетеродина со сдвигом по
частоте на величину vs<v. Напряженность электрического поля
входного света, если обозначить амплитуды векторов электри-
ческих полей каждого светового луча Es и Ei, можно предста-
вить как
Е @, = Es cos 2nvt + Ei cos 2л (v + vs) t, C.25)
причем
Et » E,. C.26)
Фототок iP{t) пропорционален входной световой мощности,
т. е. пропорционален E2(t), а поскольку световой обнаружитель
не реагирует на сверхвысокие частоты вроде 2v, 2(v + vs), 2v +
+vs и т. д., то
ip (?) ~ El + Е) + 2EtEs cos 2nvst. C.27)
Учитывая формулу C.26) и подставляя вместо Es и ?j соот-
ветствующие световые мощности Ps и Р/, на основе формулы
C.21) получаем
Рис 3.43. Общая схема гетеродинного обнаружения
104
C.28)

Понятно, что здесь мощность дробового шума подобно пред-
ставлению ее в знаменателе формулы C.23) выражается как
2e{er)Pi/(hv)+Id]M2Mx. Среднее значение мощности сигнала из
формулы C.28) получается равным 2(Ps/Pi)[ej]Pi/(hv)]2M2. Сле-
довательно,
2PlPiC_?!LYA,.
SIN = V hv J . C.29)
2e (jbiL+,\ M2M*B'+ 2eBIi+jam.
Поскольку значение Pi здесь велико, то всеми членами зна-
менателя, за исключением первого, можно пренебречь. Иначе
говоря, уровень дробового шума, обусловленного светом гетеро-
дина, превышает уровень шумов, возникающих по другим при-
чинам, поэтому
SIN = ^ . C.30)
(AvB/tj) Mx
При Мх=\ это отношение совпадает с порогом квантового
обнаружения [см. формулу C.24)], т. е. таким способом можно
достичь высокой чувствительности обнаружения.
В фотоэлектронных умножителях и /nn-фотодиодах М*=1,
поэтому использование этих приборов при гетеродинном спо-
собе обнаружения позволяет создавать высокочувствительные
оптические измерители.
Счет фотонов. При очень слабом свете частота попадания
фотонов в обнаружитель мала, но если применять фотоумножи-
тель, то число фотоэлектронов, возникающих от каждого фо-
тона, увеличивается и на выходе с приходом каждого фотона
появляются импульсы напряжения. Путем счета этих импульсов
можно оценить число принятых фотонов.
Процесс умножения фотоэлектронов является в определен-
ной степени случайным, отсюда разброс в коэффициенте усиле-
ния, а амплитуды выходных импульсов детектора распределя-
ются, как показано на рис. 3.44. Кроме того, импульсы, подоб-
ные импульсам от фотоэлектронов, возникают также и в ре-
Рнс. 3.44. Распределение амплитуды импульсов 0 0,5 1.0
фотоэлектронного и темнового тока ямппатуаа импульса
105

зультате темнового тока. Но распределение амплитуд импуль-
сов от темнового тока обычно сдвинуто в .сторону малых на-
пряжений. Дискриминатор должен выделять только импульсы
от фотоэлектронов, распределение амплитудных значений кото-
рых сдвинуто в сторону более высокого напряжения. Выделен-
ные импульсы усиливаются и затем подсчитываются. С по-
мощью такого способа можно измерять интенсивность тем бо-
лее слабого света, чем выше отношение сигнал — шум.
Метод счета фотонов с помощью высокочувствительных фо-
тоэлектронных умножителей применялся и раньше для обна-
ружения слабого света — интенсивностью примерно 10 фотонов
в секунду. У лавинных фотодиодов пока еще велики шумы, по-
этому при данном методе они обычно не используются, хотя
в последнее время в этом направлении предприняты некоторые
попытки.
3.7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как уже говорилось в начале главы, на параметры полупро-
водниковых светоизлучающих и светоприемных приборов ока-
зывают сильное влияние выбранные для них материалы, кон-
струкция и технология, но это пока не рассматривалось в дан-
ной главе.
В последнее время технические характеристики приборов
заметно улучшились, соответственно этому расширилась сфера
их применения, в том числе и для волоконно-оптических дат-
чиков.
До настоящего времени оптические приборы в основном
предназначались для систем оптической связи, а разработок
специально для датчиков было недостаточно. И в будущем
одна из важных задач в проектировании сенсорных систем —
создание специальных оптических приборов с новыми возмож-
ностями.
Для того чтобы техника волоконно-оптических датчиков
вступила в зрелый период и чтобы значительно расширился их
рынок, необходима разработка конструкций и технологии све-
товых приборов, которые бы отличались от приборов для опти-
ческой связи. Считается, что в разработке этих приборов, в ча-
стности полупроводниковых лазеров, для датчиков можно выде-
лить, по крайней мере, два направления (рис. 3.45).
Первое направление — разработка специализированных ла-
зеров, предназначенных для той или иной сенсорной системы.
В связи с этим можно ожидать появления оригинальных лазе-
ров, полностью меняющих представление о светоизлучающих
приборах и способствующих улучшению характеристик сенсор-
ных систем.
Второе направление — тщательное исследование модели
106

(Новые области j
I применения |
Рис. 3.45. Возможности полупроводниковых лазеров
идеального лазера и проектирование сенсорных систем на его
основе. Реализация идеальных приборов, сочетающих различ-
ные характеристики, является магистральной линией в данном
направлении. Этот принцип всегда был движущей силой, начи-
ная с изобретения лазера в 1960 г. Тем, кто занимается иссле-
дованием и разработкой датчиков, тоже предстоит создавать
системы на основе идеальных лазеров и таким образом расши-
рять шаг за шагом возможности датчиков.
Появление лазеров, чьи характеристики будут удовлетворять
обоим указанным направлениям развития, приведет к необхо-
димости разработки оптических схем, приборов, наиболее полно
использующих возможности этих лазеров. Поэтому в будущем
усилится взаимосвязь техники обработки сигналов, светоизлу-
чающих и светоприемных приборов, оптических схем и оптиче-
ских волокон.
107

Глава четвертая
ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ
4.1. ВВЕДЕНИЕ
В этой главе рассматривается техника оптических схем на
примере различных оптических элементов волоконно-оптических
датчиков. В § 4.2 внимание уделяется стержневым линзам, ко-
торые особенно часто используются в оптических схемах, рас-
щепителям луча, разделяющим световую мощность, волновым
пластинам и другим элементам. В § 4.3 описываются оптиче-
ские изоляторы, ослабляющие флюктуации излучения полупро-
водникового лазера, которые обычно обусловлены обратным
светом, а в § 4.4 — разделительные и соединительные фильтры,
волновые мультиплексоры и диплексоры для оптического диа-
пазона волн. В § 4.5 показано, что оптический модулятор явля-
ется необходимым элементом для обнаружения очень слабых
световых сигналов, а в § 4.6 речь идет о частотном сдвигателе,
применяемом для гетеродинного обнаружения. В настоящее
время проводятся исследования по созданию интегральных тон-
копленочных волноводных элементов, о которых рассказано
в § 4.7.
В главе описываются принцип действия и характеристики
типичных элементов оптических схем, за исключением уже рас-
смотренных оптических волокон, источников и приемников
света. Поскольку среди этих элементов не все имеются в про-
даже, то полезно рассмотреть их технические особенности,
чтобы учесть их при создании схемы датчика. Оптическая схема
обычно состоит из множества элементов, поэтому возникает
проблема стабилизации характеристик и согласования оптиче-
ских осей. Одним из направлений решения этой проблемы счи-
тается интеграция на одном кристалле нескольких тонкопле-
ночных оптических элементов. Изделия в таком исполнении
пока не поступили на рынок, но поскольку они перспективны,
то им посвящено несколько страниц. При создании схемы дат-
чика необходимо учитывать также возможность появления
в ближайшем будущем новых оптических интегральных схем.
4.2. ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
В этом параграфе рассматриваются оптические элементы
пассивного типа.
4.2.1. Стержневые линзы. В отличие от обычной линзы, по-
верхности которой с обеих сторон криволинейны, стержневая
108

линза имеет цилиндрическую форму с плоскими торцевыми по-
верхностями для входа и выхода световых лучей, а свойства
линзы как таковой обеспечиваются за счет сформированного
в ней распределения коэффициента преломления. Эти линзы
подобны оптическому волокну типа GI, описаному в гл. 2, при-
чем коэффициент преломления в них изменяется симметрично
оптической оси вдоль радиуса по квадратичному закону, что до-
стигается методом ионного обмена с точной регулировкой в про-
цессе изготовления линзы.
Распределение коэффициента преломления по квадратич-
ному закону (рис. 4.1) описывается формулой
п (г) = п0 A _?V2)>/2 » л, A --1- g"r«), D.1)
где g— параметр фокусировки, мм, характеризующий кон-
центрацию света.
Из уравнения траектории светового луча в плоскости мери-
диана линзы
dPrldz2 =—gh D.2)
следует, что между радиальными координатами входа и выхода
светового луча гх и л2 и углами г/ и г/ существует матричная
зависимость
D.3)
Рис 4 1 Траектория светового луча и распределение коэффициента прелом-
ления в стержневой линзе
109
Отсюда видно, что траектория светового луча внутри линзы
имеет синусоидальную форму. Шаг Р этой траектории равен
2n/g и является основным параметром линзы. Стержневые
линзы чаще всего бывают длиной Р/4 и Р/2. Типичные для
этих линз траектории световых лучей, входящих по оси со сме-
щением от нее, показаны на рис. 4.2.
Такие линзы обычно имеют диаметр 1...2 мм, длину Р/4
C.. .6 мм), параметр фокусировки 0,2.. .0,5 мм~', т. е. выбор

Рис. 4.2. Типичные тра-
ектории световых лучей
в стержневых линзах
различной длины
Рис. 4.3. Согласование полупровод-
никового лазера с оптическим во-
локном
для различных целей применения достаточно широк. Стержне-
вые линзы малогабаритны, что удобно для согласования свето-
излучающих и светоприемных приборов, например оптических
волокон и лавинных фотодиодов. Кроме того, поскольку изобра-
жение формируется внутри линзы, между ее торцевыми поверх-
ностями, световые лучи не выходят в окружающую атмосферу,
что позволяет объединять линзы в монолитную конструкцию
с другими оптическими элементами.
Стержневые линзы нашли широкое применение в коллима-
торных системах, которые собирают в параллельный пучок
лучи, выходящие из полупроводникового лазера и волокна,
а также в системах формирования изображения, которые, фо-
кусируя лучи полупроводникового лазера, согласуют его с оп-
тическим волокном (рис. 4.3). В последнем случае, подбирая
длину стержневой линзы и расстояния Л, /г, можно повысить
эффективность световой связи.
4.2.2. Призмы и фазосдвигающие элементы. Рассмотрим опти-
ческие элементы, наиболее характерные для измерений.
Прямоугольная призма. Как показано на рис. 4.4, такая
призма имеет один прямой угол. Если она выполнена из стекла,
для которого, например, при коэффициенте преломления 1,5 кри-
тический угол отражения равен 41,5°, то при угле отражения
45° получается полное отражение. Такую призму удобно ис-
пользовать для изменения направления оптических лучей.
Уголковая призма. Эта призма с тремя взаимно перпенди-
кулярными отражательными поверхностями (рис. 4.5). Она
обладает таким свойством, что откуда бы ни пришел световой
луч, он отразится в том же направлении. Эту призму называют
также уголковым отражателем, и она часто используется в ка-
честве зеркала для лазерного интерференционного измерения
длины волны.
по

Рис. 4.4. Прямоуголь-
ная призма
Рис. 4.5. Уголковый отражатель
Призматический расщепитель луча. Как показано на
рис. 4.6, а, такой расщепитель представляет собой две прямо-
угольные призмы с полупрозрачной пленкой на самых боль-
ших («косых») гранях, соединенные этими гранями друг с дру-
гом. Полупрозрачные пленки обычно многослойные, и путем
оптимального выбора толщины пленок, их коэффициента про-
ницаемости и числа слоев можно добиться разделения световой
мощности в соотношении 1 : 1, 1 : 10 и т. д. Кроме того, как по-
казано на рис. 4.6, б, если придать этим пленкам поляризацион-
ные свойства, то получится расщепитель поляризованных лучей,
который разделяет входной световой луч по мощности в зави-
симости от его поляризации. При этом для перпендикулярно
падающего на призму входного луча составляющие с верти-
кальной и горизонтальной поляризацией образуют между собой
прямой угол.
Поляризационная призма. Разрезав кристалл с двойным
лучепреломлением (например, кристалл известкового шпата
или кварца) под определенным углом относительно его оптиче-
Рис. 4.6. Расщепитель
световых лучей
111

ской оси, можно получить различные расщепители поляризо-
ванных лучей. На рис. 4.7, а показана призма Глана — Томсона,
которая из луча со случайной поляризацией выделяет луч
с линейной поляризацией, а на рис. 4.7, б — призма Рошона,
в которой падающий луч свега со случайной поляризацией
разделяется на два луча с линейной взаимно ортогональной
поляризацией.
Поляризационная пластина и пластина-анализатор. В этих
пластинах используется анизотропность макромолекул, кото-
рая возникает вследствие растяжения высокомолекулярной
пленки в определенном направлении, однако при этом ослабле-
ние света составляет примерно 100: 1. Но поскольку пластины
дешевы, то они находят применение.
Фазовая пластина. Световая волна, проходящая внутри кри-
сталлической пластины с анизотропными свойствами, напри-
мер пластины из кварца или слюды, имеет обычно разные фа-
зовые скорости для обыкновенного и необыкновенного луча.
Если считать, что оптические оси кристалла параллельны пло-
скости пластины, длина волны света К, толщина пластины d,
то фазовая разность между обыкновенным и необыкновенным
лучом, набегающая в результате прохождения через пластину,
выражается как
D.4)
где Ло и пе — коэффициенты преломления для обыкновенного и
необыкновенного луча.
Рис. 4.9. Принцип действия
четвертьволновой (а) и полу-
волновой (б) пластины
Рис. 4.8. Обыкновенный и необыкновенный
луч в кристаллической пластине с анизо-
тропными свойствами (а), характер рас-
пространения лучей в пластине при
По>Пе (б)
112

На рис. 4.8 представлена подобная пластина. Имеются пла-
стины четверть- и полуволновые (Г = я/2 и Г = л). Как показано
на рис. 4.9, а, падающий на четвертьволновую пластину свет
имеет линейную поляризацию с углом 45° относительно двух
оптических осей кристалла; после же фазовой пластины фаза
обыкновенной составляющей выходного луча сдвигается отно-
сительно фазы необыкновенной составляющей на 90°, в резуль-
тате возникает вращение вектора напряженности электриче-
ского поля вправо. Другими словами, свет приобретает пра-
востороннюю круговую поляризацию. Точно так же происходит
обратное преобразование. Если же при прочих равных усло-
виях воспользоваться полуволновой пластиной, то, как показано
на рис. 4.9, б, выходной луч остается линейно поляризованным,
но развернутым относительно падающего на пластину луча на
90°. Кроме того, полуволновая пластина преобразует свет с пра-
восторонней круговой поляризацией в свет с левосторонней
круговой поляризацией и наоборот, тогда как четвертьволновая
пластина превращает свет с круговой поляризацией в свет с ли-
нейной поляризацией.
Пластины должны иметь толщину, строго соответствующую
заданной длине волны, и использоваться при той длине волны,
на которую они рассчитаны.
4.3. ИЗОЛЯТОРЫ
Оптические изоляторы являются необходимым оптическим
элементом, например, в схемах, где в качестве источника излу-
чения применяется полупроводниковый лазер с линейно поля-
ризованным светом. Здесь изолятор служит для ограничения
спектра и уменьшения флюктуации излучения, обусловленных
обратным светом. В простейшем случае, как показано на
рис. 4.10, оптический изолятор можно создать на основе выше-
описанных принципов — путем объединения поляризатора и
четвертьволновой пластины с оптическими осями, развернутыми
на 45° относительно осей поляризатора, но, как правило, раз-
вязка оптических сигналов в таком устройстве недостаточна.
Что касается оптических изоляторов с развязкой 50 дБ и
более, то в них обычно используется магнитооптический эф-
фект— эффект Фарадея. Изолятор состоит из поляризатора,
элемента вращения Фарадея, магнита для создания магнитного
поля, оптического анализатора (рис. 4.11).
Элемент вращения Фарадея поворачивает плоскость поля-
ризации входящего линейно поляризованного луча на угол
Q = FIH, D.5)
где F — постоянная Верде; / — длина элемента; Я — составляю-
щая магнитного поля вдоль оси элемента (напряженность).
ИЗ

Обычно делают угол поворота 8 = 45°, тогда свет в обратном
направлении не проходит. Желательно, чтобы материал эле-
мента Фарадея обладал большой постоянной Верде и был до-
статочно прозрачен.
Теперь о принципе работы изолятора. Как видно из рис. 4.11,
луч света, входящий в прямом направлении, поступает на эле-
мент вращения Фарадея как линейно поляризованный свет
с углом поляризации, определяемым поляризатором. После эле-
мента вращения плоскость поляризации луча поворачивается на
угол 45°. Таким образом, если на выходе поставить анализатор
с плоскостью поляризации под углом 45°, то все устройство
окажется полностью прозрачным для светового луча. Однако
при прохождении луча в обратном направлении он снова пово-
рачивается на угол 45°, т. е. суммарный угол поворота 90°, по-
этому луч не проходит через поляризатор (в данном случае
работающий как анализатор). Стало быть, это устройство в це-
лом работает как изолятор.
На практике чаще используются оптические изоляторы ко-
ротковолнового @,8 мкм) и длинноволнового A,3 мкм и
1,5 мкм) диапазона (рис. 4.12). В качестве материала для эле-
мента Фарадея коротковолнового изолятора удобно использо-
вать парамагнитное стекло с добавками тербия (ТЬ3+), но по-
скольку постоянная Верде у него сравнительно мала, нужный
угол вращения плоскости поляризации получается удлинением
оптического пути (четырехкратным отражением). В качестве
материала для элемента Фарадея длинноволнового изолятора
используется монокристалл YIG железоиттриевого граната —
с большой постоянной Верде, прозрачный на длине волны выше
1,2 мкм. В обоих случаях прямые потери не превышают 1 дБ,
114
Рис. 4.10. Оптический изолятор Рис. 4.11. Оптический изолятор на основе эф-
фекта Фарадея

Рис. 4.12. Оптический изоля-
тор для коротковолнового
(а) и длинноволнового (б)
диапазона
а)
Постоянный магнит
Призма
Ротона
Зеркало
Стекло Фарадея
(FR-5)
-Зеркало
-Призма
Рошона
6)
Постоянный, магнит
Призма
Рошона
(поляризатор)
¦?:
Железоиттриевый.
\/ гранат
(YIQ-кристалл)
-Призма Рошона
(анализатор,
поборот на 45 )
а развязка получается около 30 дБ. Ниже приведены характе-
ристики оптических изоляторов:
Коротковолновый Длинноволновый
диапазон диапазон
Развязка, дБ . . . . 32 28
Прямые потери, дБ . . 0,8 0,6
Центральная длина вол-
ны, нм 850±20 1300±50; 1550±50
Эффективный диаметр
луча, мм sg;2 ^2
Материал элемента враще-
ния Фарадея .... Парамагнитное Железоиттриевый
стекло гранат
Габариты, мм 35X24X23 13X10X14
Масса, г «150 «10
4.4. СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ И РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ ФИЛЬТРЫ
Иногда возникает необходимость в передаче нескольких све-
товых волн по одному волокну для расширения возможностей
измерений. При этом для введения двух оптических волн в одно
волокно используется соединительный фильтр, а для разделе-
ния двух оптических волн, передаваемых по одному волокну,—
разделительный фильтр. Оба типа фильтров — это практически
одно и то же устройство, которое может выполнять функции
как объединения оптических сигналов с различной длиной волны,
так и разделения этих сигналов. В основе структуры оптиче-
ского фильтра может быть многослойный диэлектрик, дифрак-
ционная решетка, призма и др. Здесь поясним работу фильтров
на примере первых двух структур. Практически же нашли при-
менение только фильтры на основе многослойного диэлектрика.
115

Стержневые линзы
/ х Полупрозрачная
V пленка
Волокно
Полупрозрачная ^Многослойный
пленка p/tf. диэлектрик
Рис 4 13 Оптический соединитель-разделитель на основе многослойного ди-
электрика
4.4.1. Фильтры на основе многослойного диэлектрика. В мно-
гослойных диэлектриках сравнительно свободно (благодаря
многослойной структуре) можно выбрать волновую зону про-
зрачности и ширину этой зоны, что облегчает проектирование
фильтров. В отличие от фильтров на дифракционных решетках,
о которых будет сказано ниже, многослойные диэлектрические
обладают малыми потерями, но имеют низкую избирательность,
так как прозрачны в широком диапазоне волн, а добиться су-
жения полосы затруднительно. В настоящее время разработаны
подобные фильтры с твердым покрытием, у которых в каче-
стве основного материала используются SiO2 и ТЮя, повышаю-
щие надежность фильтра. На рис. 4.13 представлена схема
фильтра двустороннего действия (соединительный и раздели-
тельный). Конструктивно — это многослойная диэлектрическая
структура, зажатая с обеих сторон двумя стержневыми линзами
длиной Р/4. Торцевые поверхности линз покрыты поглощающей
пленкой диэлектрика. Оптические оси линз и волокон смещены
относительно друг друга. В большинстве случаев эти фильтры
имеют следующие характеристики: число волн 2.. .5, прямые
потери 2.. .5 дБ, переходное затухание 20.. .40 дБ, интервалы
между длинами волн 30.. .100 нм.
4.4.2. Фильтры на основе дифракционной решетки. В этих
фильтрах используется зависимость угла дифракции луча, про-
ходящего через дифракционную решетку отражательного типа,
от длины волны. Следовательно, размещая оптические волокна
в местах образования светового пятна, соответствующих раз-
личной длине волны, можно добиться разделения световых волн
по длине. На рис. 4.14 приведен пример такого фильтра. К од-
Волокно СтержнеВая линза
-Дифракционная
решетка
Рис 4 14 Оптический соединитепь разветвитель типа дифракционной решетки
116

ному из торцов стержневой линзы длиной Р/4 приклеена отра-
жательная дифракционная решетка. Разделительные свойства
фильтра определяются избирательностью дифракционной ре-
шетки по длине волны и диаметром сердечника входных и вы-
ходных оптических волокон. Ширина полосы пропускания про-
порциональна диаметру сердечника, поэтому для ее расширения
используются входные и выходные оптические волокна боль-
шего диаметра.
В том случае, когда в качестве входного применяется GI-bo-
локно с диаметром сердечника 60 мкм, а в качестве выход-
ного— SI-волокно с диаметром сердечника 100 мкм, полоса про-
зрачности получается около 20 нм, а прямые потери 4 дБ.
4.5. МОДУЛЯТОРЫ
В применяемых оптических модуляторах используется в ос-
новном электрооптический или акустооптический эффект. Элек-
трооптические модуляторы отличаются высоким быстродей-
ствием, но для них характерна нестабильность. Акустооптиче-
ские, в частности ультразвуковые, модуляторы отличаются
высокой стабильностью, а также простотой в эксплуатации, что
и определило их преимущественное применение.
4.5.1. Электрооптические модуляторы интенсивности и фазы
света. Типичным материалом для таких модуляторов служит
ниобат лития LiNbO3 — кристалл сегнетоэлектрика, обладаю-
щего электрооптическим эффектом: в нем коэффициент прелом-
ления изменяется в зависимости от приложенного электриче-
ского напряжения и от ориентации оптических осей кристалла
х, у, z (рис. 4.15). Вдоль осей на кристалле делают срезы. Све-
товая волна передается в направлении оси х. Свет, поляризо-
ванный в направлении оси у, называется обыкновенным лучом,
а в направлении оси z,— необыкновенным. Для каждого из них
Анализатор
LINbO,
Яггл^ри-затор
Рис. 4.15. Модулятор интенсивности света на основе электрооптического эф-
фекта
117

коэффициент преломления кристалла яо«2,28 и яе«2,24 соот-
ветственно. Если в направлении оси г приложить электрическое
напряжение Uo, то при толщине кристалла d коэффициенты
преломления вдоль осей у и z для обыкновенного и необыкно-
венного луча
пу = по—Ди0, Дл0=-^-г13По-у-;
пг = пе—&пе, Ал, = -^- г33п3е^у-.
Здесь Гц и г3з — электрооптические постоянные.
Если выбрать максимальное электрическое напряжение, ог-
раниченное напряжением пробоя кристалла (около 10 кВ/мм),
то Дпе«1,6- Ю-3.
Поскольку ось поляризатора со стороны входа в модулятор
развернута относительно оси г на 45°, на кристалл падает ли-
нейно поляризованный свет с плоскостью поляризации под
углом 45° к оси z. В точке л:=0 падающий свет разделяется на
составляющие: обыкновенный луч (у) и необыкновенный луч
(z). Если считать, что каждая из них распространяется в кри-
сталле независимо, то получим для напряженности электриче-
ского поля этих составляющих следующие выражения:
Ey(t, х) = -^-со5(сог-ф!,);
V2
Ez(t, x) = —^—cos((ot—Фг).
л/г
Здесь (fy = kotiyX; <$г = копгх, где &о = 2яД, а пу и пг получаются
из формулы D.6). Следовательно, разность фаз между этими
двумя составляющими будет
Аф = фй—ф2 = k0 (лв—пе) х + —- kQn3erc —р- х, гс — г33—
-Ш'- D8>
При этом результирующее электрическое поле световых волн
внутри кристалла показывает, что свет обычно приобретает кру-
говую поляризацию. Если на выходе модулятора разместить
анализатор, плоскость поляризации которого ортогональна пло-
скости поляризации поляризатора на входе модулятора, то при
длине кристалла / выходная мощность светокристалла будет лы-
ражаться следующей формулой:
/о==дЬт2^ = -|-[1-со5(ф0+я-^)], D.9)
118

где
Фо = К (по—nt) I; Un = -М-; D.10)
Un— это напряжение, необходимое для изменения фазовой раз-
ности Дф на л и называемое полуволновым напряжением.
Если предположить, что прикладываемое напряжение ?/<> со-
стоит из постоянного напряжения смещения Ub и переменного
модулирующего напряжения (/msin«W, а значение С/ь выбрано
так, что <fo + nUb/Un = n/2, то формула D.9) преобразуется:
D.11)
При Um < 1!я получается, что модулированная интенсив-
ность света пропорциональна напряжению модуляции.
Один из недостатков электрооптических модуляторов заклю-
чается в зависимости разности п0—пе для среды с двойным лу-
чепреломлением от окружающей температуры, что требует опти-
мальной температурной компенсации. Обычно она достигается
последовательным включением двух модуляторов с ортогональ-
ными оптическими осями кристаллов или введением между
двумя кристаллами полуволновой пластины, компенсирующей
изменение разности п0—пе.
Если позади кристалла модулятора интенсивности убрать
анализатор поляризации, то получится модулятор фазы света.
В оптических измерениях при обнаружении очень слабого света
гетеродинным методом часто используют для улучшения отно-
шения сигнал — шум фазовую модуляцию опорного луча опти-
мальной частотой и последующее фазовое детектирование этой
частоты. Ниже приведены характеристики некоторых имею-
щихся в продаже модуляторов интенсивности и фазы света:
Модулятор Модулятор фазы
интенсивности
Кристалл KD*P ADP
Апертура, мм 06 4X30
Длина кристалла, мм ... 2X18 65
Полуволновое напряжение,
В (длина волны 633 им) . 1200 85
Ослабление света 100 : 1 —
Емкость, пФ 10 40
В модуляторе интенсивности с приведенными характеристи-
ками осуществляется температурная компенсация с помощью
двух кристаллов; оптическая схема с одним трактом. В модуля-
торе фазы, благодаря оптической схеме с трехкратным про-
хождением луча, снижается необходимое электрическое напря-
жение.
119

Рис. 4.16. Модулятор интенсивности света на основе акустоотического
эффекта
4,5.2. Акустооптические модуляторы интенсивности света.
Акустооптическим эффектом называется изменение коэффици-
ента преломления вещества под воздействием ультразвука. Ти-
пичные материалы — тяжелое оптическое стекло (флинтглас),
диоксид теллура (ТеО2), молибданат свинца (РЬМоО4) и др.
Ультразвуковые колебания возбуждаются в кристалле с по-
мощью преобразователя, например пьезоэлектрика ЫЫЬОз, при-
крепленного к торцу кристалла, и передаются вдоль оси г, фор-
мируя внутри кристалла фазовую дифракционную решетку
(рис. 4.16). Ее период (длина волны колебаний) при частоте
колебаний f и скорости их распространения v выражается как
A=v/f. Например, для стекла и = 3,Ь 103 м/с при / = 40 МГц пе-
риод Л«;78 мкм. Свет, падающий на эту фазовую дифракцион-
ную решетку под небольшим углом к оси у, дифрагирует. При
этом может быть дифракция Рамана — Пата, или брэгговская,
или занимающая промежуточное положение. Если длина волны
Л ультразвука сравнительно велика, а протяженность L ее взаи-
модействия со светом мала, т. е. когда соблюдается условие
L<A2/Bn'K), имеет место дифракция Рамана — Ната, при кото-
рой угол между дифрагированными лучами различных поряд-
ков и осью у
в = ± тк/А,
D.12)
где т — порядок дифракции (целое число).
При этом, если принимать дифрагированный луч какого-
либо одного порядка и модулировать ультразвук по мощности,
то дифрагированный свет будет модулирован по интенсивности
с частотой модуляции ультразвука. На практике чаще всего ис-
120

пользуется дифрагированный луч порядка ±1. Однако теоре-
тически максимальная эффективность такой дифракции дости-
гает 33,9%, что, конечно, мало.
При условии L~^>A2lBnk) дифрагирует только луч, падаю-
щий под определенным углом. Это брэгговская дифракция,
а угол падения, при котором она возникает, называется углом
Брэгга и вычисляется по следующей формуле:
0B=2e = sirr1 —. D.13)
Л
При этом интенсивность дифрагированного луча
/! = ^oSin , D.14)
Л
где Ал — переменная составляющая коэффициента преломления
дифракционной решетки.
Можно спроектировать устройство так, чтобы Дл/-/Х=1/2, и
тем самым сделать эффективность дифракции^ 100 %.
Ширина полосы модуляции определяется шириной полосы ча-
стот света, обусловливающей разброс угла Брэгга, и шириной
полосы частот ультразвуковое преобразователя, а также вре-
менем пересечения ультразвуковой волны световым лучом. Для
расширения полосы модуляции можно повысить центральную
частоту ультразвука и к тому же уменьшить диаметр входного
светового луча. Например, для кристалла РЬМоС>4 при цен-
тральной частоте 80 МГц, диаметре луча 150 мкм время им-
пульсного отклика 26 не. Однако если еще уменьшить диаметр
луча, то снизится коэффициент дифракции. Образцы характе-
ристик ультразвуковых оптических модуляторов, имеющихся
в продаже, приведены ниже:
Ультразвуковая среда. . . Тяжелое оптиче- Диоксид теллура
ское стекло (флинт- (ТеО2)
глас)
Длина световой волны,
мкм 0,4 ... 1,5 0,4 ... 1,2
Центральная частота
ультразвука, МГц . . 40 150
Полоса модуляции, МГц 0 ... 7 0 ... 30
Диаметр светового луча,
мм 1,5 0,3
Угол Брэгга, мрад.... 1...3 3...7
Максимальная эффектив-
ность дифракции, % . . 85 85
Время импульсного от-
клика, не 50 (при диаметре 12 (при диаметре
светового луча. светового луча
0,3 мм) 0,07 мм)
Потребляемая мощность,
Вт 2,5 0,5
Ослабление света . . . 1000 : 1 1000 : 1
121

4.6. УСТРОЙСТВА ДЛЯ СДВИГА ЧАСТОТЫ СВЕТА
В технике волоконно-оптических датчиков широко исполь-
зуется метод гетеродинного обнаружения, основанный на интер-
ференции принимаемого оптического сигнала и опорного свето-
вого луча. Во многих подобных случаях желательно устройство,
которое бы обеспечивало необходимый сдвиг частоты опорного
луча. Например, при измерении лазером скорости объекта по
методу Доплера с помощью сдвига частоты опорного луча
можно различать положительный и отрицательный частотный
сдвиг лазерного оптического сигнала, т. е. определять направ-
ление движения.
Для небольшого сдвига частоты, например на 1 кГц, один
из простых способов — использование отражения от колеблюще-
гося зеркала или вращающего тела, но если требуется частот-
ный сдвиг, например, выше 1 МГц, то этот способ не подходит.
Ниже описываются приборы, позволяющие осуществлять такой
значительный сдвиг электрическим способом.
4.6.1. Устройство для сдвига частоты на основе ультразвуко-
вого модулятора. С помощью ультразвукового модулятора, опи-
санного в предыдущем параграфе, можно осуществлять частот-
ный сдвиг. В этом модуляторе (см. рис. 4.16), благодаря упру-
гой ультразвуковой волне, коэффициент преломления изменя-
ется в соответствии с формулой
n(z, t) = no +An sin (Ш—kz), D.15)
где Q — угловая частота ультразвуковых колебаний; k — по-
стоянная дифракционной решетки.
Если световая волна падает почти перпендикулярно ультра-
звуковой волне, то она распространяется в направлении оси у,
воспринимая фазовую модуляцию. Это описывается следующей
формулой:
Е(у, z, t) = EQsmUt — [n0 + \sm(Qt—kz)]-^-y\. D.16)
Воспользовавшись функциями Бесселя, эту формулу можно
привести к виду
Е(у, г, *) = ?„?/и( —^-AnZ.)sin[(«o + mQ)f-
т
_(i,+^L,)]. DЛ7,
Такая ситуация соответствует условиям дифракции Ра-
мана — Ната. При этом возникает множество дифракционных
волн с частотой ы + mQ, т. е. сдвиг кратен частоте ультразву-
ковых колебаний. Это позволяет определять сдвиг Доплера, ко-
122

торый возникает от взаимодействия световой волны с проходя-
щей в кристалле упругой волной ультразвука. Таким образом,
если световая волна падает на набегающую упругую волну, по-
лучается положительный частотный сдвиг, а если на убегающую
упругую волну,— отрицательный частотный сдвиг. При стоячей
упругой волне (результат взаимодействия набегающей и убе-
гающей волн) получается как положительный, так и отрица-
тельный частотный сдвиг.
Подобное устройство для сдвига частоты удобно тем, что
в нем можно использовать без переделки имеющиеся в продаже
ультразвуковые модуляторы. На базе рыночных изделий легко
получить сдвиг на 40, 80 и 250 МГц. Обычно эти устройства ис-
пользуются в режиме, близком к условиям дифракции Брэгга,
когда дифракционный свет выше второго порядка очень слаб,
причем соотношение мощности луча нулевого и первого порядка
зависит от мощности ультразвуковой волны.
4.6.2. Устройство для сдвига частоты на основе электроопти-
ческого модулятора. В п. 4.5.1 описывался модулятор фазы
света, работающий на основе электрооптического эффекта.
Обычно фазовый модулятор имеет на выходе свет из многих со-
ставляющих, сдвинутых по частоте, причем сдвиг кратен ча-
стоте модуляции. Известен способ, называемый фазовым, при
котором выделяется составляющая только одной частоты, что
осуществляется с помощью пилообразной формы модулирую-
щей волны. Этот способ широко используется в области сверх-
высоких частот, но публикаций о таких попытках относительно
объемных приборов в оптическом диапазоне не было: предпо-
читают экспериментировать с тонкопленочными оптическими
волноводами. Поэтому здесь вкратце остановимся на принципе
работы приборов в оптическом диапазоне.
Необыкновенный луч
Рис. 4.17. Устройство частотного сдвига
на основе электрооптического эффекта
Рис. 4.18. Характер напряже-
ния, используемого при фазо-
вом методе сдвига частоты
123

Выбрав направление осей кристалла ниобата лития
(LiNbCb) так, как показано на рис. 4.17, с помощью электродов
на верхней и нижней поверхности кристалла можно прикла-
дывать вдоль оси z электрическое напряжение. Поскольку при
этом вдоль оси г значительно изменяется коэффициент прелом-
ления, необыкновенный луч падает на кристалл так, что его ли-
нейная поляризация совпадает с осью z. Напряженность элек-
трического поля света, проходящего через кристалл, описыва-
ется следующим выражением:
?@ = ?osinM + \j>(/)]. D-18)
При этом, если функция ^(t) возрастает линейно (рис.
4.18,а), т. е.
1,(9 = *?/(*) = «»!*, D.19)
и если в формулу D.18) подставить выражение D.19), то
Е (/) = Ео sin (at + (OjO = Ев sin [(со + со,) /], D.20)
из чего следует, что происходит сдвиг частоты.
Однако на практике использование напряжения, изменяю-
щегося по закону D.19), не имеет смысла и применяется на-
пряжение пилообразной формы (рис. 4.18,6). Основная про-
блема в этом случае — обеспечение максимальной крутизны
среза пилообразного напряжения, чтобы исключить многочис-
ленные высокочастотные составляющие.
4.7. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ
До сих пор рассматривались оптические элементы, которые
применяются при создании волоконно-оптических систем изме-
рения. В любом случае это были объемные приборы. При их
комбинировании необходимо согласование оптических осей, и
одна из обычных проблем — стабильность оптической оси. Эту
проблему в значительной степени можно решить путем инте-
грации приборов.
Интегральной оптической схемой считается устройство, в ко-
тором на одной подложке компонуется несколько оптических
элементов. Следовательно, используя для системы обработки
оптических сигналов (необходимой в волоконно-оптических
датчиках) тонкопленочную волноводную технику и интеграль-
ную технологию, т. е. создавая волноводные оптические си-
стемы, можно повысить стабильность параметров датчиков.
Кроме того, если в волноводе, созданном на поверхности пла-
стины, под воздействием внешних факторов (механических, тем-
пературных и др.) будет изменяться фаза или интенсивность
света, то волновод может служить чувствительной частью дат-
чика. Устройство, в котором тонкопленочный волновод исполь-
зуется в этом качестве, называется волноводным датчиком.
124

В настоящее время волноводные оптические системы и волно-
водные датчики находятся на стадии исследования, а значит,
это изделие ближайшего будущего. Здесь же в отличие от опи-
санных ранее оптических изделий объемного типа рассматрива-
ются волноводные элементы, пригодные для интеграции,
а также особенности их реализации.
Принцип распространения света в тонкопленочной волновод-
ной системе совпадает с таковым для оптического волокна, т. е.
световая волна, попавшая в волновод, распространяется в нем
благодаря тому, что коэффициент преломления волноводной
среды несколько выше коэффициента преломления окружающей
среды. Типичные материалы подложки — стекло, кристалл сег-
нетоэлектрика, например ниобата лития (LiNbO3), полупровод-
ник, например арсенид галлия (GaAs), и др. Волноводы бы-
вают двухмерные (полосковые) и трехмерные (канальные),
а для производства их широко используется разнообразная тон-
копленочная технология и техника точной обработки. Обычно
волновод для одномодовой передачи имеет толщину около
1 мкм, а ширину приблизительно 4 мкм.
4.7.1. Распределители и собиратели световой мощности. Эти
устройства соответствуют объемным приборам — расщепите-
лям луча. Одним из самых фундаментальных устройств с та-
кими функциями является одномодовое Y-образное волновод-
ное сочленение (рис. 4.19,а). Ширина волновода для работы та-
кого устройства со светом на длине волны 0,633 мкм от
Не — Ne-лазера составляет 3.. .4 мкм, а вносимые потери уст-
ройства как распределителя мощности при угле разветвления
0=1° — примерно 1 дБ. При использовании же этого устройства
в качестве собирателя мощности необходимо учитывать силь-
ную взаимную зависимость вводимых световых волн по фазе.
Конструкция такого волноводного разветвителя проста, но даже
незначительные неточности изготовления приводят к ощутимым
изменениям в соотношении мощности на выходе его гьпеч.
Аналогичные функции распределения мощности выполняет и
направленный соединитель (рис. 4.19,6). Он состоит из двух
канальных волноводов шириной 3 мкм, расположенных на рас-
стоянии g — З мкм друг от друга. Вследствие близости волново-
дов между ними возникает взаимосвязь. При этом мощность из
одного волновода постепенно передается в другой волновод. Для
полной передачи мощности требуется длина участка связи 1С =
= 2. ..3 мм. Если длину участка связи уменьшить вдвое (/с/2), то
передается 50 % мощности, а устройство работает как делитель
мощности по типу 3 дБ-ответвителя. Малейшие неточности в из-
готовлении приводят к изменению соотношения в делении мощ-
ности. Однако после изготовления можно регулировать это со-
отношение, вводя диэлектрическую нагрузку. Степень связи
определяется длиной участка связи, поэтому наблюдается
125

а)
Рис. 4.19. Волноводные распреде- Рис. 4.20. Волноводный поляриза-
лители и собиратели световой тор с металлическим покрытием
мощности: а — тройник; б — на-
правленный ответаитель
сильная зависимость связи от длины волны, что сужает реаль-
ную световую полосу до 50... 100 А. В разветвителе, описанном
перед этим, распределенная оптическая связь не оказывает
влияния на ширину полосы и последняя определяется лишь
дисперсией длины волны волноводной моды, поэтому состав-
ляет около 1000 А.
4.7.2. Поляризаторы. Как показано на рис. 4.20, поляризатор
можно создать Нанесением металлического покрытия на волно-
вод. Например, если на одномодовый стеклянный волновод, из-
готовленный путем ионного замещения, нанести покрытие из
алюминия на длине 5 мм, то потери передачи для моды ТЕ0
составят 2.. .3 дБ, а для моды ТМ0 — 20.. .30 дБ. Обычно свето-
вая волна, проходящая через одномодовое оптическое волокно,
имеет круговую поляризацию, но если ее подать на поляриза-
тор, то на выходе устройства поляризация станет линейной и
только с горизонтальной составляющей поля. Вносимые потери
такого поляризатора — несколько децибел, еще меньше у поля-
ризатора, представленного на рис. 4.21. Здесь волновод получен
диффузией титана в анизотропном оптическом кристалле
Рис. 4.21. Волноводный поляризатор Рис. 4.22. Расщепитель мод ТЕ и
на основе анизотропного оптиче- ТМ на основе двухмодового волно-
ского кристалла вода
126

Рис. 4.23. Вращатель плоскости поля- Рис. 4.24. Интерферометр Маха-
ризации (преобразователь мод ТЕ/ТМ) Цендера
1ЛЫЮз. На волновод напыляется пленка Nb2O3 в качестве на-
грузки. При соотношении коэффициентов преломления п0
(волна ТЕ)>яс (покрытие) >пе (волна ТМ) получается поля-
ризатор с пропусканием волны ТЕ и некоторым просачиванием
волны ТМ.
4.7.3. Расщепитель поляризованных световых лучей. В опти-
ческой системе датчика, работающего на модах ТЕ и ТМ с при-
менением оптического волокна, сдхраняющего поляризацию, не-
обходим элемент, который бы повышал эффективность исполь-
зования света, т. е. расщепитель поляризованных лучей. Обычно
расщепитель мод формируется на основе волновода на пластине
с двойным лучепреломлением (например, волновода, изготов-
ленного диффузией Ti, на кристалле LiNbO3), который имеет
разные характеристики передачи моды ТЕ и моды ТМ. На
рис. 4.22 приведен пример такого двухмодового расщепителя.
Если в нем длину L участка связи волновода выбрать кратной
нечетному числу интервалов взаимодействия для моды ТМ и
четному числу интервалов взаимодействия для моды ТЕ, то он
будет расщеплять эти моды. Однако на практике регулировка
длины L затруднительна.
4.7.4. Вращатели плоскости поляризации. Функции полувол-
новой пластины, поворачивающей плоскость поляризации свето-
вой волны на 90°, и четвертьволновой пластины, превращающей
свет с линейной поляризацией в свет с круговой поляризацией,
можно осуществить с помощью элемента преобразования мод
ТЕ/ТМ. На рис. 4.23 представлена конструкция такого эле-
мента, выполненного на пластине из кристалла LiNbO3 (х-срез,
распространение волны вдоль оси у). Для того чтобы согласо-
вать по фазе моду ТЕ и моду ТМ на длине волны 0,6 мкм и
обеспечить связь обеих мод, вращая главную ось распределе-
ния коэффициента преломления кристалла, на канальный вол-
новод наносятся пленочные электроды гребенчатой формы с ша-
гом зубцов приблизительно 7 мкм. При такой конструкции про-
исходит почти 100%-ное преобразование мод, но этому типу
127

преобразователя свойственна сильная зависимость от длины
волны, поэтому рабочая ширина полосы составляет около 7 А
Следовательно, далеко не просто изготовить подобный преобра-
зователь, обеспечивающий полное согласование фаз на задан-
ной длине волны света. Однако если ко входу или выходу пре-
образователя мод присоединить регулятор фазы, то получится
элемент интегральной оптической схемы, позволяющий свободно
регулировать положение плоскости поляризации.
4.7.5. Интерферометры. Обычно интерферометры объемного
типа используются для обнаружения мельчайших изменений
в оптическом сигнале. При этом незначительнейшая разница
в оптическом пути для двух лучей фиксируется интерферомет-
ром в виде изменения выходного сигнала. Если такой интерфе-
рометр выполнить по интегральной технологии, то повысится его
стабильность. На рис. 4.24 приведена структура интерферометра
Маха — Цендера, в которой используется два Y-образных вол-
новодных сочленения. Оба плеча делаются одинаковыми по
длине. Входной оптический сигнал с помощью первого Y-образ-
ного волновода разделяется на две части, и на выходе появля-
ется максимальный оптический сигнал, если волны этих разде-
ленных частей совпадают по фазе во втором Y-образном волно-
водном сочленении. Однако если в одном из плеч изменяется
фаза проходящего в нем светового сигнала, то выходной сигнал
уменьшается. Если сделать так, чтобы изменение фазы проис-
ходило только в одном плече при воздействии на него темпе-
ратуры, давления и других физических факторов, то можно
получить высокочувствительный датчик.
Интерферометры, подобные вышеописанному, благодаря ин-
тегральной технологии, обладают повышенной (по сравнению
с объемными приборами) вибро- и термоустойчивостью н очень
дешевы.
4.7.6. Модуляторы интенсивности света. Модуляторы, управ-
ляемые электрически. Если в одном из плеч вышеописанного
интерферометра Маха — Цендера сделать электроды и, прикла-
дывая напряжение высокой частоты, изменять в соответствии
с ним фазу световой волны, то
интенсивность выходного све-
тового сигнала такого интер-
ферометра будет модулиро-
ваться этой высокой частотой.
На рис. 4.25 показана схема
модулятора световой интен-
Рис 4 25 Модулятор интенсивности
света интерференционного типа на
волноводных тройниках
128

сивности, работающего на основе электрооптического эффекта.
В качестве подложки используется кристалл ЫЫЬОз со срезом
по оси z. Если возбудить моду ТМ, то в нижнем и верхнем
плече, благодаря составляющим напряженности электрического
поля Е2 и —Е2, произойдет фазовый сдвиг соответственно Дф и
—Аф, т. е. разница между фазами световых сигналов разных
плеч будет 2Дф. Таким образом, этот модулятор работает по
двухтактной схеме и имеет хорошую эффективность. Если обо-
значить Un напряжение, дающее сдвиг на половину волны, а
U — приложенное напряжение, то разность фаз выразится сле-
дующей формулой:
2АФ = я?//г/я. D.21)
Например, при Х=0,633 мкм, длине электродов 5 мм и рас-
стоянии между электродами 10 мкм получается напряжение
полуволны ?/„ = 6 В. Если даже в данном модуляторе, выпол-
ненном на основе интерферометра с волноводными тройниками,
вследствие погрешности изготовления входная мощность не раз-
делится между плечами поровну, то все равно нетрудно полу-
чить при низком напряжении большое A0 дБ и более) затуха-
ние света. При ширине волноводов 3.. .4 мкм и угле разветвле-
ния 0я*1° потери рассеяния в точке разветвления не превышают
1 дБ. Модулятор, представленный на рис. 4.25, работает только
с модой ТМ, однако, изменив форму электродов и разместив их
так, чтобы возбуждалось электрическое поле вдоль оси у,
можно обеспечить одновременно и модуляцию моды ТЕ, т. е.
создать модулятор интенсивности света, работающий незави-
симо от плоскости поляризации входной световой волны.
Модуляторы, управляемые ультразвуком. Модулятор интен-
сивности в интегральном исполнении, управляемый ультразву-
ком, аналогичен по функциям объемному прибору. В этом слу-
чае, как показано на рис. 4.26, с помощью встречно-штыревой
системы электродов возбуждаются поверхностные акустические
Поверхностная
акустическая
болна
Падающий,
свет
Встречно-
штыреВые
электроды
Дифрагированный
свет (со+(о,)
Прошедший
свет
Волновод
Генератор радиочастоты щ
Рис 4 26 Модулятор интенсивности света и частотный сдвигатель на
поверхностных акустических волнах
129

волны, благодаря которым возникает дифракция света в волно-
воде. Для возбуждения поверхностных акустических волн необ-
ходим пьезоэлектрический материал в качестве преобразова-
теля. Так, для светового волновода на кварцевом стекле это
напыленная тонкая пьезоэлектрическая пленка (например,
ZnO), на которой формируются встречно-штыревые электроды
антенны. Однако использование пьезоэлектрической пластины,
например, из LiNbO3, где канальный волновод создается диффу-
зией Ti, существенно упрощает изготовление, благодаря превос-
ходным акустическим и оптическим свойствам этого кристалла.
Именно такой модулятор показан на рис. 4.26. Встречно-шты-
ревая система состоит из трех пар штырей длной 2 мм (ширина
фронта поверхностной акустической волны) с шагом 20 мкм.
При этом на частоте модуляции 300 МГц при входной высоко-
частотной мощности около 80 мВт получается коэффициент
дифракции не менее 70 %.
4.7.7. Модуляторы фазы света. Как показано на рис. 4.27,
с помощью электродов на канальном волноводе в пластине
LiNbC>3 можно изменять фазу света по принципу, описанному
выше, и при такой же ориентации кристалла и напряжении 6 В
получить фазовый сдвиг около л/2.
4.7.8. Устройства частотного сдвига. Устройство фазового
типа. По тому же принципу, что и объемный прибор в п. 4.6.2,
можно создать устройство сдвига частоты, используя модулятор
фазы, показанный на рис. 4.27, и подавая на его электроды
пилообразное напряжение. Эта структура проста и может воз-
буждаться низким напряжением, однако имеет и определенные
недостатки, а именно: если форма пилообразного напряжения
отличается от оптимальной, то возникают также частотные
сдвиги на более высоких гармониках. Кроме того, из-за слож-
ности формирования пилообразного напряжения с крутым сре-
зом получаемый сдвиг частоты невелик (в настоящее время до-
стигает нескольких десятков мегагерц).
Устройство на поверхностных акустических волнах. В уль-
тразвуковом модуляторе, представленном на рис. 4.26, дифра-
гированный свет первого порядка подвергается частотному
сдвигу только частотой ультразвука. Поскольку поверхностные
акустические волны можно возбуждать на частотах около
Y-срез кристалла Рис- 4.27. Интегральный модулятор
ниобата лития фазы света и частотный сдвигатель
130

ЗдБ- ответвитель
О О О О С"?1
Фотодиод
?и
Чувствительное
кольцо
Поляризатор Ti:LlNbOj  оптического волокна
Рис. 4.28. Оптическая интегральная схема для волоконно-оптического гиро-
скопа
Рис. 4.29. Структура оптической интегральной схемы для лазерного допле-
ровского измерителя скорости
1 ГГц, то по сравнению с фазовым методом здесь можно полу-
чить большой частотный сдвиг.
4.7.9. Оптическая ИС для волоконно-оптических гироскопов.
О схемах, где все необходимые элементы оптической системы
волоконно-оптического датчика были бы интегрированы на од-
ной подложке, пока еще не сообщалось в печати. Здесь рас-
смотрим общую оптическую ИС, которая является частью воло-
конно-оптического гироскопа (рис. 4.28). Канальные волноводы,
выполненные на кристалле LiNbO3 диффузией Ti, связаны че-
рез два направленных ЗдБ-ответвителя и комбинируются с по-
ляризатором и элементом сдвига фазы. Лазерный диод и фото-
диод являются навесными элементами. Кроме того, к схеме
131

требуется присоединить оптическое волокно. Необходимо учи-
тывать, что во всех этих соединениях могут возникать отражен-
ные волны, которые плохо влияют на характеристики гироскопа.
4.7.10. Оптическая И С для волоконно-оптического лазерного
доплеровского измерителя скорости. Разработан лазерный
доплеровский измеритель скорости, в котором оптическое во-
локно используется для приема и передачи светового сигнала
или как зонд. Оптическая система измерителя содержит раз-
личные элементы, которые можно интегрировать в одной опти-
ческой ИС. Общая схема такой ИС приведена на рис. 4.29. Она
выполнена на подложке LiNbO3 с х-срезом и с распростране-
нием волны вдоль оси z по волноводам шириной 4 мкм, сформи-
рованным диффузией Ti. В схеме комбинируются волноводные
сочленения для разделения и соединения световых лучей по
мощности (последнее сопровождается интерференцией), элемент
фазового типа для сдвига частоты, расщепитель мод, преобра-
зователь мод и другие оптические элементы. К схеме присоеди-
няется оптическое волокно, сохраняющее поляризацию. Если
множество подобных оптических элементов интегрировать на
одной подложке, то получится устройство не только малогаба-
ритное, но и виброустойчивое.
4.8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выше были рассмотрены элементы оптических схем, необ-
ходимые для создания волоконно-оптических датчиков. За по-
следние годы улучшилось качество элементов, во многом облег-
чилась задача комбинирования оптических систем для волокон-
но-оптических датчиков. Более того, многие из этих элементов
уже появились в продаже. Однако расширение функциональных
возможностей оптических систем сопровождается увеличением
числа элементов, что приводит к появлению таких проблем, как
сопряжение оптических осей и стабильность характеристик. Для
крепления оптических элементов разрабатываются различные
клеи на основе смол, применяются связующие, мгновенно за-
твердевающие при ультрафиолетовом облучении. Однако необ-
ходимо всегда учитывать сдвиг оптических осей вследствие сжа-
тия и расширения из-за колебаний температуры, влажности
и т. д. Интеграция элементов в виде тонких пленок на одной
подложке позволит решить многие из подобных проблем. Буду-
щее— безусловно за интегральными приборами.

Глава пятая
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ С ВОЛОКНОМ
В КАЧЕСТВЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
5.1. ВВЕДЕНИЕ
В гл. 2—4 были рассмотрены оптические волокна, источники
и приемники света, элементы оптических схем, необходимые
для создания волоконно-оптических датчиков. Как отмечалось
в гл. 1, волоконно-оптические датчики по характеру использо-
вания оптического волокна, делятся на два типа: 1) в которых
волокно служит только для передачи сигналов; 2) в которых
волокно является собственно чувствительным элементом. В дан-
ной главе описываются волоконно-оптические датчики первого
типа, интенсивно исследуемые и разрабатываемые в настоящее
время. Эти датчики чувствительны к температуре, давлению,
вибрации, электрическому и магнитному полю, скорости, со-
ставу газа, уровню жидкости и т. д. Многие из них постепенно
находят практическое применение.
Вначале описываются способы структурирования волоконно-
оптических датчиков, затем принцип их работы, особенности
проектирования, способы увеличения отношения сигнал — шум,
компенсации дрейфа. Далее на базе классификации парамет-
ров света (интенсивность, поляризация, частота, фаза), подвер-
гаемых модуляции, рассматриваются типовые структуры дат-
чиков и их характеристики. В заключение кратко описывается
область применения.
5.2. БАЗОВАЯ ТЕХНИКА
5.2.1. Принцип устройства. Волоконно-оптические датчики,
в которых оптическое волокно служит линией для распростра-
нения света (табл. 5.1), можно разделить на датчики с опти-
ческим преобразователем и датчики с оптическим зондом.
Датчики с оптическим преобразователем (рис. 5.1, а) пред-
ставляют собой систему, содержащую какой-либо оптический
материал или чувствительный к механическому воздействию
оптический элемент, преобразующие изменение параметров
внешней среды в изменение параметров светового луча. Преоб-
разователь помещен между торцами передающего и приемного
оптического волокна. Применяются главным образом много-
модовые волокна и пучки волокон. В качестве источника света
здесь чаще всего используются светодиоды с малыми шумами,
а в качестве детектора света — pin-фотодиоды, обладающие
133

Таблица 5.1. Характеристики волоконно-оптических датчиков
с волокном в качестве линии передачи
Измеряемая физическая
величина, объект, явление
Электрический ток, на-
пряженность магнит-
ного поля
Электрическое напряже-
ние, напряженность
электрического поля
Температура
Смещение, деформация,
давление
Колебания
Скорость
Скорость потока
Уровень
Качество поверхности
Радиоактивное излуче-
ние
Изображение
Концентрация газа
Прочее
Модулируемый
параметр света
Поляризация
Поляризация
Интенсивность
Интенсивность
Спектр
Поляризация
Фаза
Интенсивность
Поляризация
Интенсивность
Частота
Интенсивность
»
»
»
»
Частота
Интенсивность
Принцип действия, используемое
физическое явление
Эффект Фарадея, эффект Котто-
на — Мутона
Эффект Поккельса, эффект Кер-
ра, электрогироскопический
эффект
Эффект Франца — Келдыша,
электролюминесценция
Прерывание оптического пути
непрозрачной заслонкой, из-
менение коэффициента про-
зрачности полупроводника, из-
менение постоянной рассеяния
света в жидком кристалле, лю-
минесценция
Тепловое излучение тел, в том
числе излучение черного тела
Изменение коэффициента двои*
ного лучепреломления
Изменение передаточной харак-
теристики резонатора Фабри—
Перо
Изменение интенсивности отра-
женного света, эффект пьезо-
поглощения, прерывание опти-
ческого пути непрозрачной за-
слонкой, изменение постоян-
ной рассеяния света в жидком
кристалле
Фотоупругость
Смещение спектра
Эффект Доплера
Прерывание оптического пути,
поглощение света
Изменение коэффициента отра-
жения твердым телом, дифрак-
ция света
Радиационная люминесценция
Передача изображения волокон-
ным пучком
Смещение спектра поглощения
молекул
Рамановское рассеяние
Поглощение и рассеяние жид-
костями, частицами
134

а)
Источник
света 1
Ответвитель
1 -я *
I /\ '
' ' | ! Оптическое
*¦— |—' волокно
I
г 1 |
| Источник | ^/
I света 2 I
I J
Измеряемый
объект
Чувствительный
оптический
преобразо-
вательный
элемент
Ответвитель
"VI-
-I-
^г
Световой
детектор 1
Оптическое i I
волокно ' I
ч
| Световой I
 детектор 2 [
6)
Световой
детектор
Направленный
ответвитель
I
/
\zn
Оптическое
волокно
| Источник
\_J
Измеряемый
объект
Рис. 5 1 Схемы датчиков с оптическим преобразователем (а) и оптическим
зондом» (б)
термостабильными характеристиками. Датчики этой системы
обычно просты по конструкции и, как правило, высоконадежны.
Схема датчика с зондом из оптического волокна приведена
на рис. 5.1,6. Здесь световая информация, излучаемая, отра-
женная или рассеянная объектом измерения, выделяется с по-
мощью сенсорной головки, состоящей из соответствующего
объектива и оптического волокна, и поступает в световой детек-
тор. Используются разнообразные оптические волокна (одно-
модовые, многомодовые), а также волоконные пучки. В каче-
стве источника света в зависимости от типа датчика применя-
ется лазер или светодиод. Волоконно-оптические датчики этого
типа отличаются высокой чувствительностью и обычно приме-
няются в области бесконтактных измерений.
5.2.2. Принцип действия. Для световой волны, распростра-
няющейся в виде синусоидального колебания, вектор напряжен-
ности электрического поля можно описать следующей фор-
мулой:
E = Asin(o)i + t)- E.1)
Из этой формулы следует, что измеряемым объектом может
модулироваться интенсивность света |А|2, его поляризация
(направление вектора А), частота а>, фаза if и любой из этих
видов модуляции может применяться в волоконно-оптическом
датчике.
135

Эффекты, связанные с модуляцией интенсивности. I. Погло-
щение света. Характеристики поглощения света веществом за-
висят от свойств и размеров измеряемого объекта, и для дат-
чика можно использовать их изменение, например: темпера-
турную зависимость граничной длины световой волны спектра
поглощения у полупроводников (датчик температуры); эффект
Франца — Келдыша (датчик электрического поля), эффект
пьезопоглощения (датчик давления), изменение спектра моле-
кулярного поглощения (газовый датчик) и т. д.
2. Отражение. В датчиках используется изменение интенсив-
ности света, отраженного от диафрагмы (датчик давления),
жидкого кристалла (датчик давления, температуры), жидкости
(датчик уровня жидкости, датчик жидкости) и т. д.
3. Люминесценция. Здесь используются явления, при кото-
рых происходит светоизлучение в результате приема различных
корпускулярных лучей, химического или физического воздей-
ствия. Это, например, такие явления, как термолюминесценция
(датчик температуры излучения черного тела), электролюми-
несценция (датчик электрического напряжения), радиоактив-
ная люминесценция (радиационный датчик) и т. д.
4. Другие эффекты. Кроме перечисленных явлений исполь-
зуются дифракция света (датчики чистоты обработки поверх-
ности), испускание веществом обыкновенного луча (темпера-
турный датчик) и т. д.
Эффекты, связанные с модуляцией поляризованного луча.
1. Эффект Фарадея (датчики электрического тока, магнитного
поля). Если при передаче линейно поляризованной световой
волны в ферромагнетике действует магнитное поле, вектор на-
пряженности которого совпадает с направлением распростра-
нения света или противоположен ему, то плоскость поляризации
светового луча будет поворачиваться. Это явление, называемое
эффектом Фарадея,— следствие анизотропии преломляющих
свойств среды для световых волн с правой и левой круговой
поляризацией, которая возникает под воздействием магнитного
поля. При этом знак угла поворота плоскости поляризации не
зависит от направления распространения света (по вектору на-
пряженности магнитного поля или против него).
2. Эффект Поккельса (датчики электрического напряжения,
напряженности электрического поля). Если подавать на кри-
сталл, например, пьезоэлектрика, электрическое напряжение, то
коэффициент преломления в нем изменяется пропорционально
напряженности электрического поля. Это явление называется
эффектом Поккельса или электрооптическим эффектом первого
порядка.
3. Эффект фотоупругости (датчики давления, колебаний,
звукового давления). При деформации упругого тела изменя-
ется коэффициент преломления этого тела и проявляются свой-
136

ства двойного лучепреломления. Это эффект фотоупругости.
Эффект Поккельса наблюдается только в пьезоэлектрических
кристаллах, а эффект фотоупругости — во всех веществах.
4. Другие эффекты. Наряду с эффектом Фарадея, обуслов-
ленным магнитным полем, известен аналогичный эффект по
отношению к электрическому полю. Это явление называется элек-
трогироскопическим эффектом (в основе датчика электриче-
ского поля). Суть его в том, что плоскость поляризации вра-
щается под воздействием электрического поля. Этот эффект на-
блюдается в а-кварце, в монокристалле Bi^GeCbo- Кроме того,
известен эффект Керра, при котором коэффициент преломления
вещества изменяется пропорционально второй степени напря-
женности электрического поля (датчик электрического поля),
эффект Коттона — Мутона, когда коэффициент преломления из-
меняется пропорционально второй степени напряженности маг-
нитного поля, и др.
Эффекты, связанные с модуляцией частоты. 1. Эффект Доп-
лера (датчики скорости, вибрации, потока). Если осветить дви-
жущийся объект лучом лазера, то частота света, рассеиваемого
объектом, будет иметь сдвиг относительно частоты падающего
на него света. Это явление известно как эффект Доплера.
2. Рамановское рассеяние (газовый датчик). Если осветить
вещество интенсивным светом, то можно наблюдать появление
дополнительных световых волн с частотой выше и ниже частоты
исходного света. Это явление связано с колебаниями молекул
вещества и может быть использовано для измерения концентра-
ции газов, загрязненности атмосферы.
3. Фотолюминесценция (температурный датчик). Если осве-
щать полупроводник светом с длиной волны более короткой,
чем на краю основного спектра поглощения света, то свет по-
глощается и возбуждает электроны валентной зоны. Электроны
рекомбинируют с дырками зоны, и излучается свет с длиной
волны, зависящей от ширины запрещенной зоны. Это явление
называется фотолюминесценцией. Ширина запрещенной зоны,
в свою очередь, зависит от температуры, поэтому по длине
волны излученного света можно измерять температуру.
Эффекты, связанные с модуляцией фазы. Если волновые
фронты двух когерентных световых лучей накладываются друг
на друга, то при суммировании интенсивности лучей могут по-
лучаться различные (в зависимости от распределения фаз и
интенсивности обеих световых волн) интерференционные кар-
тины. Следовательно, изучая интерференционную картину, мо-
жно измерять нужную величину. Для этой цели используются
различные интерферометры, в том числе и на оптических волок-
нах (более подробно см. в гл. 6).
5.2.3. Пути улушения работы. Отношение сигнал — шум для
измеряемого сигнала. Отношение сигнал — шум для измеряе-
137

мого волоконно-оптическим датчиком реального сигнала выра-
жается следующей формулой:
S/N = wMS°P° E.2)
¦y/BeMi+xS0P0 + 4x77/?t) В + W«
где числитель — это информационная, а знаменатель — шумо-
вая составляющая сигнала; первый член знаменателя обозна-
чает дробовой шум светового детектора, второй член — тепло-
вые шумы сопротивления нагрузки, а третий (Nex) — другие,
так называемые избыточные шумы; т — глубина модуляции
интенсивности света в оптическом датчике; М — коэффициент
усиления светового детектора; So — чувствительность светового
детектора, А/Вт; Ро — мощность принимаемого света, Вт; х —
коэффициент шума светового детектора; х= 1,380 -103Дж/К —
постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура, К; Rl —
сопротивление нагрузки светового детектора, Ом; В — частот-
ная полоса детекторной системы, Гц.
Способы улучшения отношения сигнал — шум. На основа-
нии формулы E.2) и рис. 5.2 можно определить пути улучше-
ния отношения сигнал — шум для измеряемого сигнала.
1. Увеличение глубины модуляции. Применяются оптиче-
ские материалы с повышенной чувствительностью. Кроме того,
оптимизируется конструкция самого датчика и его светочув-
ствительной части.
2. Увеличение мощности принимаемого света. Наряду с оп-
тимальным выбором источника света и оптического волокна
принимаются меры по снижению потерь в соединении источ-
ника света с оптическим волокном, а также вносимых потерь
светочувствительной части, различных элементов оптической
схемы, оптических разъемов и т. д.
3. Оптимизация светового детектора. Выбирается световой
детектор с наибольшей чувствительностью именно к тем свето-
вым волнам, которые излучаются используемым источником
света.
Среди лавинных фотодиодов и фотоумножителей выбира-
ются те, которые обладают большим коэффициентом усиления
и меньшим уровнем избыточных шумов.
4. Уменьшение уровня избыточных шумов (Nex)- К избыточ-
ным относятся собственные шумы источника света (особенно
лазеров), шумы, обусловленные внешними повреждениями оп-
тического волокна, флюктуациями потерь на стыке волокна со
светочувствительной частью (обычно называемыми дрейфом)
и т. д. Ниже будут рассмотрены типичные меры противодей-
ствия избыточным шумам.
Избыточные шумы в датчике с лазером в качестве источ-
ника света состоят из шумов обратного света, амплитудных
шумов лазера, фазовых, спектральных шумов и т. д. Шумы
138

• Флюктуации потерь
в соединении источник
света — оптическое волокно
• флюктуации глубины модуляции
из-за внешних факторов
(температура, влажность и др.)
Источник
света
Оптический
соединитель
\\\
• Случайное
преобразование мод
• Спектральные шумы
• Флюктуации потерь
в соединении оптическое
волокно — световой детектор
It
ttt
• Шумы
обратного света
Элемент
оптической
схемы
Оптически
чувствительный
элемент
1
Оптическое 1
волокно 1
t
Световой
детектор
Усилитель,
процессор
сигнала
• 'Флюктуации вносимых
• Собственные шумы источника света потерь оптического
• Флюктуации выходной мощности соединителя и элемента
• Измерение длины волны оптической схемы «Флюктуации
вносимых потерь
• Флюктуации потерь
передачи по оптическому
волокну
И
• Избыточные шумы
• Флюктуации
чувствительности
\\
•Шумы электронной
схемы
•Дрейф сигнала
• Индукционные шумы
Рис 5.2. Составляющие и причины шумов волоконно-оптических датчиков
l) Опорное
напряжение
Дифференциальный
усилитель
р/л-фотодиод
Управляющий
сигнал
[*""~>! Лазер <^Изл
б) Опорное
напряжение
Дифференциальный
усилитель
лучение
р/л-фотодиод
Резонатор
Фабри —Перо
Управляющий
ток
Ток смещения
Излучение
Рис. 5.3. Методы снижения амплитудных (а) и фазовых (б) шумов полупроводникового лазера

обратного света возникают, когда часть излучения возвраща-
ется в резонатор лазера. Эти лучи могут отражаться от торцов
оптического волокна, от различных элементов оптической схемы,
появляться в результате рассеяния Рэлея внутри волокна
и т. д. Особенно это характерно для полупроводниковых лазе-
ров, обладающих по сравнению с газовыми лазерами высоким
коэффициентом усиления. Поэтому даже при очень слабом от-
ражении света (мощностью, составляющей 10~5...10~6 мощно-
сти лазера) возникают значительные шумы, а интенсивность
и частота излучения лазера становятся нестабильными. Шумы
отражения уменьшают, применяя оптическое волокно с отполи-
рованным наискось передним (у лазера) торцом или вставляя
между лазером и оптическим волокном оптический изолятор,
описанный в гл. 4.
В датчиках, представляющих собой комбинацию лазерного
источника света и многомодового оптического волокна, вслед-
ствие случайного преобразования мод в волокне на его излу-
чающей торцевой поверхности могут возникать временные
флюктуации спектра, т. е. спектральные шумы. Чтобы пол-
ностью избавиться от таких шумов, применяют одномодовое
оптическое волокно.
В заключение кратко рассмотрим амплитудные и фазовые
шумы лазера. Излучаемому лазером свету присущи временные
флюктуации амплитуды, фазы и частоты напряженности элек-
трического поля. При этом в силу корпускулярности электро-
нов и фотонов возникает так называемый дробовой шум, а есте-
ственное излучение носит случайный характер — это так на-
зываемые квантовые шумы. Напряженность электрического
поля лазерного луча с учетом квантовых шумов выражается
как
E(t) = lA0 + AN(t)]eila''+^m, E.3)
где AN(t) и ty(t) —колебания амплитуды и фазы.
Амплитудные шумы можно уменьшить, если, как это пока-
зано на рис. 5.3, а, часть излучаемого лазером света детекти-
ровать, например, с помощью pin-фотодиода, а полученной раз-
ностью выходного и опорного напряжения воздействовать че-
рез цепь обратной связи на ток возбуждения лазера и таким
образом стабилизировать интенсивность излучения. На
рис. 5.3, б поясняется способ уменьшения фазовых шумов. По-
средством интерферометра Фабри — Перо изменение частоты
колебаний лазера преобразуется в изменение интенсивности из-
лучения, и если этим сигналом интерферометра с помощью об-
ратной связи воздействовать на ток возбуждения лазера, то
можно уменьшить уровень фазовых шумов.
Способы, компенсации дрейфа. Вследствие колебаний интен-
сивности излучения источника света, потерь в оптических разъ-
140

емах, потерь связи различных частей датчика, а также потерь
передачи по оптическому волокну возникает так называемый
дрейф выходного сигнала датчика и увеличивается ошибка из-
мерения. Ниже рассматриваются некоторые способы компенса-
ции дрейфа.
1. Преобразование переменного тока в постоянный
(рис. 5.4, а). Этот способ применим только в тех случаях,
когда измеряемый сигнал представляет собой переменный ток.
Мощность света, воспринимаемого детектором,
Р = Р0A+т), E.4)
где Ро — среднее значение мощности.
Теперь, отделив электрическими методами переменную со-
ставляющую выходного сигнала детектора, пропорциональную
Рот, от постоянной составляющей, пропорциональной Ро, мо-
жно измерить глубину модуляции т как величину, не завися-
щую от Ро, и тем самым повысить точность измерения.
2. Способ обратной связи (рис. 5.4, б). При этом способе
постоянная составляющая выходного сигнала светового прием-
ника сравнивается с предварительно установленным опорным
напряжением и разностный сигнал применяется для обратной
связи в процессе регулировки тока возбуждения светоизлучаю-
щего элемента, но только здесь — с целью стабилизации значе-
ния Ро. Схема проста, но обладает узким динамическим диапа-
зоном, и, кроме того, возникает проблема с колебаниями спек-
тра излучения из-за регулировки тока возбуждения. Этот спо-
соб применяется при работе с сигналом только переменного
тока.
3. Способ двух выходных световых лучей (рис. 5.4, в). Этот
способ применим только для датчиков, работающих с поляри-
зованным светом. Мощность выходного сигнала детектора, вос-
принимающего световые лучи с поляризацией (Р) и (S),
P<s> = po(i+m); Р<Р> = Р0A — щ). E.5)
В блоке обработки вычисляется отношение (Р(р>—
—P<S))/(P(P) + P(S)), и выходное напряжение Uout после обра-
ботки сигналов становится пропорциональным т и не зависит
от значения Ро. Этот способ рекомендуется использовать, когда
измеряемой величиной является сигнал постоянного тока.
4. Метод двух длин волн (рис. 5.4, г). В светочувствитель-
ную часть датчика поочередно или одновременно подается све-
товой сигнал с длиной волны Х\, интенсивность которого моду-
лируется измеряемым объектом, и с длиной волны %2, интен-
сивность которого не модулируется; затем определяется
отношение электрических напряжений, соответствующих выход-
ным сигналам детектора. Этот метод аналогичен предыдущему
и также удобен для измерения сигналов постоянного тока.
141

я)
to
Светодиод
Схема
возбуждения
светодиода
. ZN» Предварительный
^' усилитель
б)
Фотодиод1"
Светодиод
Г!!"
Усилитель
Низкочастотный
фильтр
Рис 5 4 Способы компенсации
дрейфа датчика а — преобра-
зование «переменный ток —
постоянный ток», б — метод
обратной связи, в—метод
двух выходных световых лу-
чей, г—метод двух длин волн
Усилитель|
постоянного
тока
Делитель
IW
Схема
возбуждения
светодиода
Усилитель
сигнала
ошибки
Напряжение
установки тока
возбуждения светодиода
Преобразователь
эффективного
значения сигнала
Выходной сигнал
постоянного тока
Выходной сигнал
переменного тока
Предварительный
усилитель
в)
Фотодиод
Поляризующий Четвертьволновая
материал пластина
Усилитель
постоянного
Усилитель
Низкочастотный
фильтр
Преобразователь
эффективного
значения сигнала
Выходной сигнал
постоянного тока
Выходной сигнал
переменного тока
Анализатор
Схема
возбуждения
светодиода
Предварительный
и главный
усилитель
П редварительный
и главный
усилитель
V
л
/ ч
Операционная
схема
(разность)
Операционная
схема
(сумма)
Выходной сигнал
постоянного тока
Делитель
П реобразователь
"f* эффективного
значения сигнала
Выходной сигнал
переменного тока
_ _
Оптическое волокно
Ч^
ч*
Чувствительный
элемент
Блок обработки и
индикации сигнала
выходной сигнал

5.3. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ИЗМЕНЕНИЯ
ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТА
5.3.1. Температурные датчики. Датчики на основе теплового
излучения. Вещество при температуре Г>0 К вследствие теп-
ловых колебаний атомов и молекул испускает энергию тепло-
вого излучения. Энергия теплового излучения W\ на длине
волны X, испускаемая черным телом при температуре Т, выра-
жается формулой Планка (в единицах Вт-м~3-ср-')
Wx = el*'5 {ехр [с2/(ХТ)) -1}, E.6)
где С] и с2 — постоянные коэффициенты.
На рис. 5.5 показана зависимость этой энергии от длины
волны при различной температуре тела. Из рисунка видно, что
по мере повышения температуры энергия излучения увеличи-
вается, а длина волны А™, на которой излучение максимально,
уменьшается. Суммарная энергия излучения (в ваттах на квад-
ратный метр) получается путем интегрирования вышеприведен-
ного выражения по всем длинам волн:
E.7)
Больц-
где сг= 5,7 • 10~8 Вт-м~2-К~4 — постоянная Стефана
мана.
Между Хт и Т существует зависимость ,-
ХтТ = 2,9-10-3 м-К. E.8)
Из формул E.6) и E.7) на фиксированной длине "Km или
в диапазоне волн можно определить температуру. Однако
энергия теплового излучения любого тела зависит от вещества
и состояния поверхности тела, поэтому для отличия этой энер-
Рис 5.5. Связь температуры абсолютно черного тела и интенсивности излу-
чения
144

Полупрозрачное
зеркало .
\ Оптический сканер понт роллер
ООлоионно-оптический жгулг\, ^ , оптического
Воздушная
продубма
волоконно-
оптический
ЗОН)'
Шагобый
дбигатель
Фильтр
Филшр ^ринза
KpeniHue6auL_h!\.
фотодиод
сканера
пШ
?f Центральный
'процессор
Сляб Волопонно- Воздушной
оптический лр'одубка
зонд
\ Автоматическое
Усилитель у„ра(ление усилением
Рис. 5.6. Пример использования волоконно-оптического радиационного тер-
мометра в черной металлургии
гии от энергии излучения черного тела вводится коэффициент
е, характеризующий излучательную способность. Например,
для полированной поверхности алюминия е = 0,06, для полиро-
ванной поверхности стекла б ~0,95. Чтобы уменьшить погреш-
ность измерения, возникающую из-за неравенства е единице,
обычно пользуются методом двух цветов. При этом измеряется
интенсивность излучения на двух длинах волн, входящих
в спектр излучения, и по их соотношению определяется темпе-
ратура. Преимущество способа — возможность бесконтактного
измерения высоких температур.
В зависимости от диапазона измеряемых температур вы-
бираются световые детекторы и оптические волокна. Обычно
для температур выше 600 °С в качестве детектора применя-
ются кремниевые элементы, а для температур ниже 600 °С —
элементы на основе германия, соединения PbS и т. д. Диапа-
зон прозрачности оптического волокна из кварцевого стекла
0,4... 2,0 мкм, поэтому область измеряемых температур для
волоконно-оптического измерителя излучения простирается при-
мерно от 400 до 2000 °С. При измерении более низких темпе-
ратур необходима разработка оптических волокон, прозрачных
для инфракрасных лучей с длиной волны 2 мкм и более.
На рис. 5.6 представлена структура волоконно-оптического
измерителя температуры через излучение, предназначенного
для слежения за непрерывным процессом литья в черной ме-
таллургии. Свет, излучаемый горячей отливкой, воспринима-
ется термостойкими кварцевыми стержнями светового детек-
тора, расположенными в ряд, и посылается с помощью волокон
в твердой оболочке к измерительному окошку. Здесь произво-
дится сканирование каждого волокна, связанного со стерж-
нями светового детектора, и далее сигнал обрабатывается по
методу двух цветов. Таким образом производится контроль и
наблюдение за распределением температуры в. изделии.
1,45

а)
Сбетодиод 1
Т,
К.(Т)
Сбетодиод 2
5)
Опорная тру5ка
волокно , \ , Волокно
Полупроводник
S)
. Х^0,88тм
к' ^ \г=1,Пмкм
_Ц II Термочув-
ствительный
оптический
rt элемент
разъемы
Логарисрмическии
преоЪразобшпель
Схема
квантования Уй"" !
и запоминаний
Рис. 5.7. Температурный датчик на основе поглощения света полупровод-
ником
Датчик на основе поглощения света полупроводником. На
рис. 5.7 приведена структура и поясняется принцип действия
температурного датчика, работа которого базируется на опти-
ческих свойствах полупроводников типа GaAs, CdTe и т. д.
Полупроводник имеет граничную длину волны %g спектра опти-
ческого поглощения (рис. 5.7, а), и для света с более короткой
длиной волны, чем Xg, поглощение усиливается, причем по
мере роста температуры граничная длина волны Xg отодвига-
ется в сторону более длинных волн (примерно 3 А/К). Если
полупроводниковый кристалл зажать между приемным и пере-
дающим оптическими волокнами (рис. 5.7, б) и подать на него
146

луч от источника света, имеющего спектр излучения в окрест-
ности указанной границы спектра поглощения, то интенсив-
ность света, проходящего через светочувствительную часть дат-
чика, с повышением температуры будет падать. Таким обра-
зом, по выходному сигналу детектора можно мерить темпера-
туру. Для снижения погрешности измерения, обусловленной
колебаниями потерь в оптических соединителях, потерь пере-
дачи и другими факторами, можно воспользоваться двухволно-
вым методом, описанным в п. 5.2.3.
Структурная схема датчика приведена на рис. 5.7, в. Ис-
пользуя в качестве термочувствительного материала GaAs,
в качестве источника оптического сигнала AlGaAs-светодиод
(Л,! =0,87 мкм), а источника опорного света — InGaAsP-свето-
диод (Я,2=1,3 мкм), можно измерять температуру в интервале
30...300 °С с погрешностью ±0,5 °С и временем отклика
около 2 с. В данном устройстве используется многомодовое оп-
тическое волокно с тефлоновой оболочкой. Подобный датчик
нашел практическое применение для измерения температуры
проводов линии электропередачи и температуры обмотки вы-
соковольтного трансформатора в рабочем режиме. "
Датчик на основе флюоресценции. Светочувствительная
часть температурного датчика, работающего на основе флюо-
ресцентного излучения, и его структурная схема приведены на
рис. 5.8, а, б.
На торец оптического волокна светочувствительной части на-
несено флюоресцентное вещество [(Gdo.ggEuo.oihOjS]. Флюо-
ресцентное излучение, возникающее под воздействием ультра-
фиолетовых лучей, проводимых оптическим волокном, принима-
ется этим же волокном (см. рис. 5.8, в). Для спектральных со-
ставляющих флюоресцентного излучения характерно изменение
по кривой р (при А,=510 нм), т. е. сильная зависимость от тем-
пературы, и по кривой а (при Я. = 630 нм), т. е. слабая зависи-
мость от температуры, а температурный сигнал выявляется пу-
тем вычисления отношения соответствующих значений интен-
сивности р/а (метод двух длин волн). Сообщается, что область
измерения таким температурным датчиком простирается от
—50 до +200 °С с погрешностью ±0,1 °С и временем отклика
не более 1 с.
Кроме вышеописанного, известны температурные датчики,
работающие на основе температурной зависимости коэффици-
ента отражения для светового луча в жидком кристалле,
а также датчики, в которых используется изменение спектра
прозрачности из-за температурной зависимости длины волны
перескока в резонаторе Фабри — Перо.
5.3.2. Датчики механических величин. Датчик давления с от-
ражательной диафрагмой. На рис. 5.9, а представлена струк-
тура датчика давления, в котором используется изменение диа-
147

«)
Волоконно-
оптический
кайель
Поддерживающая металлическая ЬстаЬт
Втулка /\ i Гайка
Пластмассовое
предохранительное
'Волокно ~~"~ кольцо
Часть разъема (убеличено)
Флюоресцентное
бещестбо
*)
Сердечник из диоксида кремния
Волоконно-
оптический
кабель
Смола PFA Кремниевая смола
Постоянное
запоминающее
устройство
Линза
Цифровой,
выходной
сигнал
Расщепитель
лучей
Аналоговый
Ьыходной
сигнал
Цифроаналогобый.
' преоЬразоЬатель
Сбетодшодмый
индикатор
Микрокомпьютер
Аналого-цифровой
преобразователь
Чувствительная
часто У ' 1 1-^-—
Инфракрасный
фильтр Предварительный усилитель^ СбетоВой детектор
Рис 5 8 Температурный датчик на основе люминесцентного излучения
фрагмой условий отражения света. Волоконно-оптический жгут
состоит из передающих и принимающих волокон. Свет, вводи-
мый в передающие волокна, отражается диафрагмой. При этом
коэффициент связи между передающими и принимающими во-
локнами изменяется в соответствии с положением диафрагмы,
которое, в свою очередь, зависит от давления. На рис. 5.9, б
показана зависимость интенсивности принимаемого света от
размещения приемных и передающих оптических волокон
в жгуте и от зазора между торцом жгута и диафрагмой. Дат-
чик давления используется в диапазоне, где зависимость ин-
тенсивности света от зазора сравнительно линейна. Опублико-
ваны сведения о датчике давления, в котором используется
148

Е
| -100 0 100 200 300 о
^ Измеряемая температура, °С
жгут диаметром 1,8 мм из
100 оптических волокон и
диафрагма из нержавею-
щей стали толщиной 15мкм.
Этим датчиком измеря-
ются давления до 2,7 X
X Ю4 Па. Подобные дат-
чики применяются для из-
мерения давления жидких
сред, например давления
крови.
Конструкцию датчика
давления такого типа можно
несколько усовершенство-
вать и тем самым повысить
точность измерения. На
диафрагму наносится фото-
люминесцентный материал,
обеспечивающий излучение
опорного света, а измере-
ние производится по методу
двух длин волн.
Датчик сдвига и коле-
баний с зондом из волокон-
ного жгута. Для измерения
сдвига и колебаний физиче-
ских тел можно воспользо-
ваться тем же принципом, что и в вышеописанном датчике дав-
ления с отражательной диафрагмой. Принцип действия датчика
сдвига и колебаний поясняется на рис. 5.10. При измерениях
сдвига до 100 мкм в области рабочих температур от —75 до
150 °С получена линейность ±5% и максимальная разрешаю-
щая способность 0,014 мкм. Как датчик колебаний такая кон-
струкция обеспечивает измерение в частотном диапазоне от по-
стоянного тока до 200 кГц. Достоинство подобных датчиков —
бесконтактный метод измерения.
Датчик давления с жидкокристаллическим зондом. На
рис. 5.11 приведена схема датчика давления, в котором исполь-
зуется влияние давления на коэффициент рассеяния света жид-
ким кристаллом. Применяя композиционный жидкий кристалл,
состоящий на одну треть из холерестического кристалла и на
две трети из нематического, можно измерять с хорошей линей-
ной характеристикой давление до 4 • 10* Па. Недостаток таких
датчиков — сильная зависимость выходного сигнала от темпе-
ратуры, поэтому необходима температурная компенсация.
Датчик ускорения на основе инерции плоской пружины. На
рис. 5.12 представлена структурная схема датчика ускорения
149

')
5)
.Диаурагт
Рис. 5 9. Датчик давления
с отражательной диафрагмой
Падающий. Передающее Волокно
свет
Выходящий,
свет
Приемное
Волокно
Измеряемый,
объект
Зазор
Рис. 5.10. Датчик сдвига и колебаний с зондом из пучка волокон
Жидкий кристалл
Лазер
Расщепитель луча Волокно
_р- I L
лГл - /у
//
Светово)
Рис. 5.11, Датчик давления с волоконным пробником и жидким кристаллом
на его торце
150

Рис 5 12. Датчик ускорения
колебаний с инерционной си-
стемой на плоской пружине
контактного типа, работающего на основе механической инер-
ции. В чувствительной части датчика установлены круглая пло-
ская пружина и груз. Это инерционная система. При частоте
колебаний измеряемого объекта, достаточно низкой по сравне-
нию с собственной частотой инерционной системы, получается,
что сдвиг заслоняющей свет пластины, прикрепленной к грузу,
пропорционален ускорению объекта. Если в стационарном по-
ложении установить край этой световой заслонки примерно по
середине сечения луча, выходящего из микролинзы, то интен-
сивность проходящего света будет пропорциональна ускорению.
Например, при выборе собственной частоты инерционной си-
стемы 3 кГц можно измерять ускорение от 0,1 до 40g с точ-
ностью ±5%. Подобные датчики ускорения уже нашли при-
менение.
Корпус
Рис. 5.13. Датчик звукового давления на основе осевого смещения волокон
151

Датчик звукового давления на основе осевого смещения во-
локон. В случае соединения двух оптических волокон с незна-
чительным зазором потери передачи будут резко увеличиваться
при осевом сдвиге этих волокон. На рис. 5.13, а представлена
структурная схема датчика звукового давления (гидрофона),
в котором используется зависимость потерь от осевого смеще-
ния. Если к одному из оптических волокон прикрепить груз, то
в силу упругости волокна получится механическая инерцион-
ная система. При "частоте звука выше собственной частоты fr
инерционной системы груз неподвижен, поэтому осевое смеще-
ние волокна равно сдвигу держателя оптического волокна.
А поскольку сдвиг пропорционален звуковому давлению, по-
следнее можно измерять по интенсивности проходящего света.
При многомодовом волокне с диаметром сердечника 63 мкм,
грузе 9 мг (fr=30 Гц) минимальное измеряемое звуковое дав-
ление 6-Ю3 мкПа G5 дБ относительно 1 мкПа при Ро=
= 100 мкВт, В=1 Гц). Если на торец оптического волокна диа-
метром D напылить равномерно расположенные непрозрачные
полоски (решетку) шириной d (рис. 5.13, б), то чувствитель-
ность детектора возрастет в Did раз. Современная технология
позволяет легко сформировать решетку из полосок по не-
скольку микрон шириной. Например, при Z) = 63 мкм благо-
даря этой решетке можно увеличить чувствительность в 10.
20 раз. Разработан также датчик звукового давления, в ко-
тором вместо колебаний самого оптического волокна использу-
Рис 5 14 Газовый датчик
162

ется колебание решетчатой световой заслонки в зазоре между
двумя оптическими волокнами.
5.3.3. Датчики концентрации химических веществ. Датчик
концентрации газа. На рис. 5.14 представлена структурная
схема газового датчика Свет, излучаемый лазером или свето-
диодом, поступает в сосуд с измеряемым газом через многомо-
довое оптическое волокно. Из проходящих через газ световых
волн будут поглощаться только те, которые входят в спектр по-
глощения этого газа. Таким образом, подавая (также с по-
мощью многомодового оптического волокна) выходящий из со-
суда с газом свет на световой детектор, можно определять род
газа и измерять его концентрацию. На рис. 5.15 показаны ра-
бочие спектральные области светоизлучающих приборов на ос-
нове AlGaAs, InGaAsP и светоприемных приборов на основе
Si, Ge, а также спектр молекулярного поглощения для основ-
ных видов газов.
Подобные газовые датчики можно использовать для дистан-
ционного наблюдения за степенью загрязнения атмосферы (га-
зами N2O2, NH3, CH4 и др.) и за концентрацией горючих газов
(СН4, С3Н8 и др.). Например, реализована система наблюде-
ния за концентрацией газа СН4 на расстоянии более 20 км.
Рис 5 15 Спектральные области, перекрываемые различными полупроводни-
ковыми светоизлучающими н светоприемными приборами, характеристики
поглощения кварцевого оптического волокна и спектр поглощения для ос-
новных газов
153

Рис. 5.16. Принцип действия (а) и структура (б) датчика насыщенности
крови кислородом
НЬ — гемоглобин
Для повышения точности измерений здесь также можно при-
менять метод двух длин волн.
Датчик насыщенности крови кислородом. Измерение насы-
щенности крови кислородом необходимо при исследованиях и
лечении болезней систем кровообращения и дыхания. Как сле-
дует из рис. 5.16, а, гемоглобин красных кровяных телец имеет
различный характер изменения коэффициента отражения в за-
висимости от степени насыщенности кислородом для световых
волн различной длины. Например, в диапазоне 620 ... 650 нм
зависимость сильная, а для волн 800...850 нм — слабая. На
рис. 5.16, б приведена структурная схема датчика, работаю-
щего именно на этом принципе. Здесь используется кабель из
оптических волокон, имеющий три ветви: две для двух источ-
ников света на светодиодах, различающихся длиной волны из-
лучения, а одна — для светоприемного pm-фотодиода. Датчик
обеспечивает точное измерение насыщенности кислородом, бла-
годаря тому что вычисляется отношение выходных электриче-
ских сигналов, полученных на двух длинах световых волн.
На основе этого же принципа можно измерить концентра-
цию кристаллического вещества, введенного в кровь (напри-
мер, зеленого индоцианина), или такие параметры, как рН,
рОг, рСО2 и т. п.
5.3.4. Оптоэлектрические переключатели. Прерыватель (опт-
рон). Если световой луч проходит через какое-либо физическое
тело, то возможно прерывание или отражение луча. На этих
явлениях основана работа волоконно-оптических прерывателей
(рис. 5.17). В продаже уже имеются различные прерыватели со
скоростью реакции примерно 0,5 мс, интервалом срабатывания
около 30 мкм и дистанцией срабатывания в несколько десят-
ков миллиметров. Волоконно-оптические прерыватели имеют
простую конструкцию и при соответствующих схемах обработки
154

Рис. 5 17 Прерыватель про-
свечивающего (а) и отражаю-
щего (б) типа
Оптические волокна
со стержневыми
линзами диа< Щели
Рис. 5.18. Кодер угла поворота
сигнала, характеристиках светоизлучающих и светоприемных
приборов находят весьма широкое применение, например для
счета изделий, последовательного контроля, маркировки, обна-
ружения дефектов, для систем безопасности. Кроме того, на
базе волоконно-оптических прерывателей разработаны уровне-
меры для нефти и химических продуктов, дискретные измери-
тели температуры, кодеры и другие устройства.
Кодер. Кодер, выполненный на основе волоконно-оптиче-
ского прерывателя, можно эффективно использовать для уст-
ройств считывания с перфокарт и с перфоленты. Волоконно-
оптический кодер, показанный на рис. 5.18, применяется, на-
пример, для цифрового кодирования линейного перемещения и
угла поворота оси вращения в системах контроля роботов и
станков с цифровым управлением. На этом же принципе
можно создать конструкцию волоконно-оптического измерителя
направления и скорости ветра.
5.3.5. Датчики изображения. Лучевод для передачи изобра-
жения. Оптические волокна, передающие изображение (точнее,
информацию о двухмерном изображении),— так называемые
лучеводы для передачи изображения — применяются для опти-
ческих измерений. Лучевод представляет собой кабель из мно-
жества оптических волокон или конструкцию из множества
сердечников с общей оболочкой (рис. 5.19). В любом случае
диаметр лучевода изображения — в пределах 10 мм. При этом
в многосердечниковом лучеводе диаметр каждого сердечника
составляет 4... 12 мкм, а в лучеводе типа многожильного ка-
беля каждое оптическое волокно имеет диаметр 14...30 мкм,
поэтому плотность элементов изображения в первом выше.
Разработан, например, высокоапертурный многосердечниковый
лучевод изображения, в котором апертура МЛ = 0,4, диаметр
сердечника 5,8 мкм, а плотность изображения — 35000 элемен-
155

Сердечник
Оболочка
Сердечники
Оболочка из смолы
Рис. 5.19. Лучевод изображения: а — общая схема; б — многосердечникового
типа; в — пучкового типа
тов на квадратный миллиметр. Что касается возможной длины
лучеводов, то многосердечниковые обычно достигают 100 м,
а многожильные — 5... 10 м.
Индикатор. Устройство, включающее в себя лучевод изо-
бражения с объективами на обоих концах, а также в зависимо-
сти от цели применения — осветительное оптическое волокно,
называется волоконно-оптическим индикатором. Подобные уст-
ройства удобны для исследований в медицине и для систем
Монитор
Печь
Телевизионная
камера
Рис. 5.20. Система наблюдения за высокотемпературной Печью: а — элек-
тронно-лучевая; б — светолучевая (волоконно-оптическая)
156

контроля в промышленности. Особенно важно применение во-
локонно-оптических индикаторов в качестве датчиков изобра-
жения там, где затруднительно введение телевизионной ка-
меры и невозможно нахождение обслуживающего персонала
или роботов (например, некоторые участки, цехи и оборудова-
ние атомных электростанций, заводов металлургической и га-
зовой промышленности). На рис. 5.20 поясняется применение
подобного датчика для наблюдения за процессами в печи.
В стене печи оборудуется маленькое (диаметром около 20 мм)
окошко, в которое вводится лучевод изображения. К наруж-
ному концу лучевода, на достаточно безопасном расстоянии от
печи присоединяется камера промышленного телевидения.
5.4. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА
В настоящем параграфе описываются датчики, в которых
используется модуляция измеряемым объектом поляризации
света. Типичные примеры — датчик магнитного поля на основе
эффекта Фарадея, датчик электрического поля на основе эф-
фекта Поккельса, датчик давления на основе эффекта фотоуп-
ругости.
5.4.1. Датчик магнитного поля. Эффект Фарадея. Этот эф-
фект заключается в том, что под воздействием магнитного
поля, вектор напряженности которого совпадает с направле-
нием света, наблюдается поворот плоскости поляризации света,
проходящего через вещество. Угол фарадеевского вращения cpF
при напряженности магнитного поля Н, длине светового пути
в веществе L выражается как
if P=VrHL. E.9)
Здесь величина Vr, называемая постоянной Верде, характери-
зует активность эффекта Фарадея для данного вещества.
На рис. 5.21 приведена структурная схема датчика магнит-
ного поля. Световые лучи передаются от источника света
Свето излучающее
устройство
Светодиод
Магниточувствительная
оптическая часть
Выходной
сигнал
Дели-
тель
Усилитель
переменного
тока
Усилитель
постоянного
тока
Светоприемное
устройство
Поляризатор
Свето детектор
Элемент
Фарадея
Многомодовое
оптическое волокно
Рис. 5.21. Датчик магнитного поля на основе эффекта Фарадея
157

(обычно светодиода) в светочувствительную часть датчика
с помощью многомодового оптического волокна. В чувствитель-
ной части световая волна с линейной поляризацией попадает
через поляризатор в элемент Фарадея, где под воздействием
магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации.
Значение угла поворота ifw преобразуется анализатором в зна-
чение интенсивности света, и далее свет передается оптическим
волокном в светоприемное устройство. При этом, если устано-
вить угол между поляризатором и анализатором 45°, то свето-
вая мощность на поверхности детектора (обычно /ия-фото-
диода)
P = P0(l+sin(pF), E.10)
где Ро — мощность света при отсутствии магнитного поля.
Как видно из формулы, магнитное поле можно измерять по
электрическому сигналу детектора. Для компенсации дрейфа
измеряемого сигнала при переменном магнитном поле исполь-
зуется преобразование «переменный ток — постоянный ток»,
а при постоянном поле — метод двух выходных световых лучей
(см. рис. 5.21).
Материалы для элемента Фарадея. Характеристики мате-
риалов с эффектом Фарадея приведены в табл. 5.2. Среди них
на практике особенно важны диамагнитные материалы, такие,
как свинцовое стекло, Bii2Ge02o(BGO), Bii2Si02o(BSO) и дру-
гие, отличающиеся слабой температурной зависимостью харак-
теристик, а также ферромагнитные: (Tbo,i9Yo,8iKFe5Oi2—в виде
объемных монокристаллов, (YSmLuCaK(FeGeMOi2— в виде
тонких эпитаксиальных пленок и другие, для которых харак-
терна температурная стабильность свойств.
Рассмотрим основные моменты, связанные с проектирова-
нием датчиков, в которых применяются оптически активные' и
ферромагнитные материалы. В оптически активных веществах,
наподобие диамагнетиков BGO, BSO и других, поворот плоско-
сти поляризации происходит за счет не только эффекта Фара-
дея, но и оптической активности. Поэтому угол поворота <р бу-
дет выражаться суммой:
<p = VrHL + QAL, E.11)
где 0а — оптическая активность.
В ферромагнитных материалах вследствие высокой намаг-
ниченности насыщения AnMs эффект Фарадея проявляется
1 В оптически активных материалах вследствие различия коэффициента
преломления для света с левой и правой круговой поляризацией возникает
эффект, подобный эффекту Фарадея. Если луч, прошедший сквозь такое ве-
щество, отражается и проходит сквозь вещество еще раз, то в результате
плоскость поляризации луча возвращается в исходное положение.
158

Таблица 5.2. Основные характеристики типичных
материалов с эффектом Фарадея
Материал
Структура
иная
см)
о й<П
ческая
иость,
мм
**°
с ? ¦
о" :
вол-
VI
я *
I S
s .
Температурная
стабильность
постоянной Верде
Свинцовое стекло
As4Ss-CTeiuio
ZnSe
Bi12SiO20
Bij2GeO20
Д и а м
Аморфная
»
Кристал-
лическая
(кубиче-
ская)
То же
»
а г н е
0,04
0,10
0,21
0,10
0,188
тики
—
—
10,5
9,6
0,85
0,90
0,82
0,87
0,85
±0,5 %
(—25 ... 100 °С)
±1 %
(—10 ... 80 °С)
±1 %
B0 ... 120 °С)
±1 %
(—13 ... 85 °С)
±1,5 %
(—25 ... 85 °С)
Парамагнетики
Стекло FR-5
Аморфная
0,11
0,85
±15 %
(—25 ... 85 °С)
Ферромагнетики
YIG
(Tbo,leYo,8i )Fe6O12
(YSmLuCaK(FeGeNO12
Кристал-
лическая
(кубиче-
ская)
То же
»
9,0
15,6
49
—
—
—
1,30
1,15
0,83
±8 %
(—25 ... 85 °С)
±1,5 %
(—20 ... 120 °С)
±0,5 %
(—20 ... 80 °С)
сильнее. Тогда в зависимости от соотношения между напря-
женностью внешнего магнитного поля и намагниченностью на-
сыщения угол поворота определяется следующим образом:
E.12)
где i|)s — угол поворота при Н = 4пМа.
Следовательно, при проектировании датчиков магнитного
поля на основе вышеописанных материалов можно воспользо-
ваться формулой E.10), подставив в нее выражение <р по фор-
муле E.11) или <ff по формуле E.12).
159

а)
Входящий сбет
Стекло SF-6
5)
Н\
волокно Поляризатор ]
болото,
подбодящее
сбет
Выходящий сбет
Стержнебая
(TbY)lQ линза Поляризатор/анализатор
- I гЧ ТРУ*™)
Анализатор Зеркало
Элемент Фарадея
Оси С
Рис 5 22. Магниточувствительная оптическая часть датчика: а — с объеди-
нением оптических элементов; б — с многократным отражением; в — отража-
тельного типа на основе магнитострикции
Преимуществом датчиков на диамагнитных материалах
обычно считается возможность измерения ими напряженности
магнитного поля в широком диапазоне — от десятков до не-
скольких тысяч ампер на метр. Ферромагнитные же материалы
при более высокой напряженности магнитного поля в силу
свойства магнитного насыщения имеют нелинейные характери-
стики, но зато датчики на их основе малогабаритны.
Датчик с объединением оптических элементов. На
рис. 5.22, а представлена чувствительная часть датчика магнит-
ного поля, у которого в качестве материала для элемента
Фарадея используется свинцовое стекло. На стекле непосред-
ственно изготовляется поляризатор и анализатор многослой-
ного типа (диэлектрические пленки БЮг/ТЮг). Благодаря кон-
структивному объединению этих элементов повышается на-
дежность датчика и снижается его себестоимость. В качестве
источника света используется светодиод (А,=0,85 мкм), свето-
вого детектора—pm-фотодиод. Оптическое волокно — много-
модовое из кварцевого стекла с диаметром сердечника 100 мкм.
Датчик с длиной оптического пути 20 мм позволяет измерять
напряженность магнитного поля 80...4000 А/м A0...500 Э)
с нелинейностью не хуже ±0,25% и при отношении сигнал —
шум не менее 40 дБ (В=1 кГц). Температурная погрешность
±0,5 % в диапазоне от —25 до 86 °С.
Датчик с многократным отражением. Этот датчик представ-
160

лен на рис. 5.22, б. В нем вращение Фарадея происходит на-
ряду с многократным отражением входящего в свинцовое сте-
кло светового луча. При этом луч, отражаясь от верхней и
нижней поверхности стекла, не изменяет поляризацию. Для бо-
лее полного отражения на эти поверхности напыляется много-
слойная пленка со свойствами четвертьволновой пластины.
Одно из преимуществ такого датчика — удлинение действи-
тельного оптического пути, а следовательно, и увеличение глу-
бины модуляции интенсивности магнитным полем. При исполь-
зовании для передачи света многомодового оптического
волокна, для приема — жгута из оптических волокон, а в каче-
стве источника света — светодиода на основе AlGaAs мини-
мальная измеряемая напряженность магнитного поля 400 А/м
(«5 Э), диапазон измерений 0... 40 000 А/м @...500 Э), ли-
нейность ±1%. Неравномерность частотной характеристики
±3 дБ в полосе от 3 до 750 Гц.
Датчик на основе ферромагнитного материала. В ходе ис-
следования состава кристаллов разработан термостабильный
монокристалл железоиттриевого граната (Tbo,i9Yo,8iKFe5Oi2,
который оказался весьма подходящим для датчика магнитного
поля. На рис. 5.22, в представлена структура такого датчика
с магниточувствительной частью отражательного типа. В ка-
честве источника света используется светодиод на основе
InGaAsP (^=1,3 мкм), а поляризатора и анализатора света —
термостабильный, механически прочный рутил. Чувствитель-
ность датчика составляет 10 % изменения интенсивности света
на каждые 8000 А/м (к* 100 Э). Колебания амплитуды выход-
ного сигнала ±1,5 % при температуре от —20 до 120 °С.
5.4.2. Датчики электрического поля. Эффект Поккельса и
структура датчика на его основе. Среди кристаллов имеются
такие, в которых одному направлению распространения света
соответствуют две моды с линейной поляризацией. В этих кри-
сталлах коэффициент преломления для направления поляриза-
ции каждой моды (для главных осей) изменяется пропорцио-
нально напряженности приложенного электрического поля.
Это явление называется эффектом Поккельса или, иначе, элек-
трооптическим эффектом первого порядка. При этом обычно
в отношении поляризации и коэффициента преломления иссле-
дуются цилиндрические образцы. Здесь же рассмотрим элемент
Поккельса в виде кубического кристалла и при условии дей-
ствия электрического поля вдоль оси Хз кристалла. Выражения
для векторов поляризации вдоль главных осей, а также для со-
ответствующих коэффициентов преломления имеют следующий
вид:
161

E.13)
E.14)
Рис. 5.23. Датчик на основе эффекта Поккельса
162
где п0 — коэффициент преломления при отсутствии электриче-
ского поля; Y4i — электрооптический коэффициент (тензор);
Еъ — напряженность приложенного электрического поля.
Из формул видно, что благодаря приложенному электриче-
скому полю для коэффициентов возникает двойное преломле-

ние (п\ и tin), а связанное с этим изменение коэффициентов
пропорционально п\уц\Е%.
На рис. 5.23, а представлена общая схема датчика электри-
ческого поля с продольной модуляцией (с вектором напряжен-
ности электрического поля, параллельным направлению пере-
дачи световой волны), а на рис. 5.23, б — схема с поперечной
модуляцией (вектор напряженности перпендикулярен направ-
лению передачи). На рис. 5.23, в показано изменение состоя-
ния поляризации в датчике. Поляризаторы при обоих видах
модуляции расположены так, чтобы плоскость поляризации
входящей линейно поляризованной световой волны была под
углом 45° по отношению к двум главным осям элемента Пок-
кельса. Если на элемент Поккельса воздействовать электриче-
ским полем, то на выходной торцевой поверхности элемента
между составляющими напряженности вдоль двух главных
осей появится разность фаз 6. Например, для элемента Пок-
кельса с продольной модуляцией в кубическом кристалле, свет
в который подается со стороны поверхности @01), с учетом
формул E.14) получается
б = -^- nly41E3L = п -%?-. E.15)
Здесь % — длина волны света; Un = X/BnlY-n)— полуволновое
электрическое напряжение, при котором 6 = я; L — длина опти-
ческого пути элемента; Uex = EzL— приложенное электрическое
напряжение.
Если между модами света с линейной поляризацией возни-
кает разность фаз б, то световая волна на выходе элемента
Поккельса, как показано на рис. 5.23, в, имеет круговую поля-
ризацию. Расположенная после элемента Поккельса четверть-
волновая пластина преобразует входящие в нее световые волны
с круговой поляризацией в световые волны с линейной поляри-
зацией, т. е. осуществляет оптическое смещение первого рода.
С выхода четвертьволновой пластины свет поступает на анали-
затор, которым модуляция по поляризации преобразуется в мо-
дуляцию по интенсивности. При этом световая мощность оце-
нивается световым детектором и выражается как
P = P0(l+sinn-^y E.16)
где Ро — мощность света при отсутствии электрического поля.
Исходя из этой формулы, по измеренному значению свето-
вой мощности можно определить приложенное напряжение Uex-
Материалы для элемента Поккельса. Чувствительность дат-
чика электрического поля тем выше, чем больше электрооптиче-
ский коэффициент материала для элемента Поккельса. В табл.
5.3 представлены характеристики ряда таких материалов.
163

Таблица 5.3. Электрооптический коэффициент первого порядка
и показатель преломления для типичных материалов
с эффектом Поккельса
Кристалл
ZnTe
ZnSe
P-ZnS
GaAs
GaP
Bi4Ge3012
Bi4Si30]2
CdTe
Bi40Ga2O63
Bi12Ti020
Bi]2Ge02n
Bi12SiO20
LiNbO3
LiTaO3
Сим-
метрия
43m
?•0
3m
3m
Электрооптический коэффициент
Обозначение
iff»
V41
V4I
¦v<s>
ПЗ
€> = <№
ig'
ig}
Численное
значение,
Х10~10см/В
4,55
2,0
1,1 ... 2,0
0,27 ... 1,2
1,06
0,95
0,54
6,8
4,81
2,8
3,1
4,35
8,6
30,8
28
3,4
7
7
30,3
20
Длина волны,
мкм
0,5 ... 0,6
0,5 . . 0,6
0,6
1,0 ... 1,8
0,5 ... 0,6
0,631
0,631
1,06
0,63
0,579
0,85
0,87
0,50 . . . 0,65
0,50 . . . 0,65
Показатель
преломления
«0=3,1
(К = 0,57 мкм)
л0 = 2,66
(А, = 0,5 мкм)
п0 = 2,364
п0 = 3,42
(к = 1,25 мкм)
/г„= 3,315
(X = 0,6 мкм)
«0=2,11
п0 = 2,60
па = 2,25
п0 = 2,67
п0 = 2,41
п0 = 2,45
п0 = 2,286
пе — 2,200
(к = 0,633 мкм)
яо= 2,176
пе = 2,180
(К = 0,633 мкм)
Примечание. (S) — постоянное растяжение; (Т) — постоянное давле-
ние.
164

Практически используемые материалы с эффектом Поккельса
можно разделить на оксидные монокристаллы тригональной си-
стемы [LiNbO3(LNO), ЫТаОз(ЬТО) и др.], полупроводниковые
химические соединения кубической системы (ZnS, ZnTe и др.)
и оксидные монокристаллы кубической системы (BGO, BSO
и др.). Датчики на материалах тригональной системы с коэффи-
циентом 7зз обладают высокой чувствительностью, но вслед-
ствие температурной зависимости коэффициента естественного
двойного лучепреломления кристалла нуждаются в температур-
ной компенсации, обычно достигаемой высокоточной обработкой
кристалла. Полупроводниковые химические соединения кубиче-
ской структуры при высокой температуре имеют низкое удельное
сопротивление, поэтому датчики обладают низкой чувствитель-
ностью. Оксидные монокристаллы кубической системы не имеют
естественного двойного лучепреломления и обладают высоким
сопротивлением, а следовательно, высокой чувствительностью,
что делает их наиболее пригодным материалом для элементов
Поккельса.
Датчик на кристалле кубической системы. На рис. 5.24, а
приведена структура датчика электрического поля с продоль-
ной модуляцией на кристалле BGO или BSO и подачей света
на поверхность @01) кристалла* В этих монокристаллах, как
кубических системах, относящихся, к тому же, к точечной
группе симметрии B3), наблюдается не только эффект Пок-
кельса, но и сильные признаки оптической активности. По-
этому, чтобы не допустить снижения чувствительности, об-
условленного оптической активностью, необходимо обеспечить
длину L оптического пути в элементе не менее 2 мм. Полувол-
новое напряжение для датчиков на кристаллах BGO и BSO
получается соответственно 9,8 кВ (L=I мм, \=0,85 мкм) и
6,6 кВ (L = 2 мм, Х=0,87 мкм). Используя в качестве источ-
ника света GaAlAs-световод, светоприемника — кремниевый
pin-фотодиод, а поляризатора и анализатора — тонкопленоч-
ный расщепитель поляризованных лучей, даже в BGO- и BSO-
датчиках можно добиться нелинейности измерений выходного
а)
Рис. 5.24. Магниточувствительная часть датчика: а — со схемой продольной
модуляции на кристалле кубической системы; б — со схемой поперечной мо-
дуляции на кристалле тригональной системы
165

напряжения не более 0,5 % при входном измеряемом напряже-
нии от нескольких вольт до 300 В. Температурная нестабиль-
ность выходного сигнала не превышает ±0,5% для BGO-дат-
чика и ±3% Для BSO-датчика в диапазоне от —10 до -85 °С.
Оба типа датчика нашли применение.
Датчик на кристаллах тригональной системы. На
рис. 5.24, б приведена структура оптического датчика отража-
тельного типа для измерения напряженности электрического
поля. Свет входит через поверхность @01) кристалла LNO,
распространяется вдоль оси <001>. Электрическое напряже-
ние прикладывается вдоль оси <100>. Разность фаз, возника-
ющая при этом между двумя световыми модами с линейной
поляризацией, выражается как
6 = -Т-ЛоТ22-у-^, E.17)
где d — толщина элемента Поккельса в направлении приложе-
ния электрического поля.
В такой конструкции при L=10 mm, d = 2 мм и Uex = 50 В
отношение сигнал — шум равно 50 дБ, частотная полоса В =
= 10 кГц и погрешность выходного напряжения не более ± 1 °/о
(при изменении входного напряжения от 0 до 200 В). Однако,
чтобы погрешнрсть не увеличивалась в температурном диапа-
зоне от —20 до 120 °С, приходится подстраивать осевое откло-
нение выходного луча и угол его расширения в пределах 0,1°
и тем самым ограничивать влияние естественного двойного
лучепреломления, свойственного кристаллу LNO.
5.4.3. Датчики давления и ускорения. Датчик давления. Под
действием давления в фотоупругих материалах возникает двой-
ное лучепреломление. Структура датчика, в котором использу-
ется это явление, представлена на рис. 5.25, а. Давление на
фотоупругий элемент приводит к тому, что входящий в него
линейно поляризованный свет на выходе имеет уже круговую
поляризацию. Следовательно, световая мощность, измеряемая
с помощью светового детектора, выражается подобно формуле
E.16) как
р = Ро Л -f sin л —^—^, E.18)
где Т — измеряемое давление; Тя—полуволновое давление.
- Эффект фотоупругости присущ всем материалам, но здесь
будут рассмотрены датчики на основе некристаллических мате-
риалов, обладающих высокой фотоупругостью. Для таких ма-
териалов полуволновое давление
ТЯ = ЩСЦ. E.19)
Параметр С называется постоянной фотоупругости
(табл. 5.4) и определяется коэффициентами преломления
166

Рис. 5.25. Датчики давления (а) и ускорения (б) на основе эффекта фото-
упругости
Таблица 5.4. Постоянная фотоупругости
типичных некристаллических материалов
Материал
Плавленый кварц
Стекло
Плексиглас
Эпоксидная смола
DAP
Бакелит
Целлулоид
Фенолят
С, х10"ци'/Н
0,37
0,65
1,1
5,2
3,8
5,7
1,4
5,3
X, мкм
0,63
0,82
0,55
1 3
среды, оптической деформации и упругости: С = По(Рп —
— Ри) (Sn—S12), где Ptj и Si, — соответственно коэффициент
оптической деформации и коэффициент упругости вещества.
Для фотоупругого элемента датчика выбирается материал
без естественного двойного лучепреломления, без остаточного
напряжения давления и с хорошей температурной характеристи-
кой. Кроме того, требуется равномерная передача измеряемого
давления от принимающей его поверхности на фотоупругий
167

элемент. При использовании волокна с центральной длиной
волны 0,82 мкм и фотоупругого элемента из пирекс-стекла
с оптической длиной пути L = 0,6 см получается Тп — 2,1 • 107 Па.
Диапазон измерений 10я... 106 Па. Теоретический минималь-
ный уровень измеряемого давления 5,4 Па (Pq — 0,38 мкВт, В —
= 1 Гц). Для компенсации дрейфа можно воспользоваться ме-
тодом двух оптических выходов.
Датчик ускорения. На рис. 5.25, б приведена структурная
схема датчика ускорения, работающего по тому же принципу,
что и датчик давления. Здесь также груз прикреплен непосред-
ственно к фотоупругому элементу. При колебаниях на фотоуп-
ругий элемент действует сила, пропорциональная произведе-
нию массы груза на ускорение, что приводит к двойному луче-
преломлению. Если к фотоупругому элементу из эпоксидной
смолы прикрепить груз 25 г, го можно мерить ускорения
0,i...30g с точностью ±1 % для колебаний с частотой
0 .. 3 кГц. Если же массу груза увеличить до 280 г, то мини-
мальное измеряемое ускорение будет 0,01g (при отношении сиг-
нал— шум 40 дБ), а частотная полоса 6 = 500 Гц.
5.5. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ СДВИГА ЧАСТОТЫ СВЕТА
С помощью датчиков на основе сдвига частоты света опре-
деляется изменение частоты света, обусловленное объектом из-
мерения. Измерение производится высокоточными методами
светового гетеродинирования (интерферируют две световые
волны разной частоты, а сигнал разностной частоты детекти-
руется) и спектрального анализа. Типичным образцом датчика
на основе сдвига частоты света может служить лазерный доп-
леровский волоконно-оптический измеритель скорости, а по-
этому именно он и рассматривается в данном параграфе.
5.5.1. Принцип действия и основная схема. При освещении
движущегося тела лучом лазера рассеиваемый телом свет при-
обретает сдвиг по частоте (эффект Доплера). Частотный сдвиг
выражается следующей формулой:
fD^ ks-kov t E.20)
где k0 и ks — волновые векторы падающего и рассеянного света;
v — вектор скорости движущегося тела
Датчик, в котором используется эффект Доплера, а для
зонда с лазерным излучателем и для зонда детектора рассеян-
ного света применяется оптическое волокно, называется лазер-
ным доплеровским волоконно-оптическим измерителем скоро-
сти. В зависимости от структуры<оптической системы такие
датчики можно разделить на два вида: с опорным светом и диф-
ференциальные (рис. 5.26).
168

Рис. 5.26. Лазерный доплеровский измеритель скорости
В лазерном доплеровском измерителе скорости (LDV —
Laser Doppler Velocimeter) с опорным светом лазерный луч ос-
вещает измеряемый объект через волоконно-оптический зонд.
Этим же зондом принимается свет обратного рассеяния. Частот-
ный сдвиг света в результате эффекта Доплера
E.21)
где К — длина волны лазера; 6 — угол между лазерным лучом
и вектором скорости объекта.
Измеряемый сигнал, имеющий частоту Доплера, получается
путем гетеродинного обнаружения световым детектором лучей
рассеяния и опорного света, пришедшего в детектор в резуль-
тате френелевского отражения от торца зонда.
В лазерном доплеровском измерителе скорости дифференци-
ального типа измеряемый объект освещается посредством
169

волоконно-оптических зондов 1 и 2 (рис. 5.26), а рассеянный
свет, получивший в результате взаимодействия с объектом по-
ложительный и отрицательный, но равный сдвиг частоты, прини-
мается волоконно-оптическим зондом 3. В детекторе путем ге-
теродинирования этих световых лучей получается доплеровский
сигнал измерителя. Частота биений, возникающая в результате
гетеродинного обнаружения,
fb=—j-sin — , E.22)
где 6 —угол между двумя лазерными лучами.
После измерения fb можно по формуле E.22) определить
скорость и.
Как видно из формул E.21) и E.22), сдвиг частоты зависит
от угла освещения @, 6) измеряемого объекта лучом лазера,
а следовательно, требуется точная настройка оптической си-
стемы. Необходимо также учитывать, что в данных измерителях
скорости используется явление рассеяния лазерного светового
луча измеряемым объектом, поэтому чувствительность обнару-
жения твердого тела зависит от его цвета, степени глянца, чи-
стоты обработки поверхности, температуры и других факторов,
а сыпучего тела — от размеров зерен, их формы, цвета и т. д.
5.5.2. Влияние' степени когерентности источника света на
чувствительность обнаружения. Лазерные доплеровские изме-
рители по сути являются интерферометрами, поэтому их чув-
ствительность обнаружения в большой мере зависит от степени
когерентности лазерного источника света. Спектр мощности
<ib> сигнала биений, получаемого световым детектором при
использовании лазера с одномодовыми продольными колеба-
ниями и шириной спектральной линии Av, выражается как
<tb>~exp(—2nAv|Trf|), E.23)
где td—временной интервал (задержка) между двумя лучами,
проходящими от источника света к световому детектору (на-
пример, в лазерном доплеровском измерителе скорости это опор-
ный и сигнальный лучи интерферометра).
Устройства, в которых источником света является лазер
с многомодовыми продольными колебаниями, обладают низкой
чувствительностью обнаружения, поскольку обычно возникают
сигналы биений для каждой поперечной моды, различные по
фазе. При одинаковой ширине линий спектра излучения каждой
продольной моды Av и частотном интервале между смежными
продольными модами Аы спектр мощности сигналов биений
170

Здесь N — число продольных мод; А — нормированная выход-
ная мощность /г-й продольной моды.
Понятно, что при Дсот = 2тя (т — целое число) сигналы бие-
ний для каждой моды будут иметь одинаковые фазы и эта фор-
мула превратится в предыдущую, а именно <t6) ~ ехр (—2пА\ X
X | Xd 1), т. е. в этом случае можно получить такую же чувстви-
тельность обнаружения, как и с лазером одномодовых колеба-
ний. На рис. 5.27 показана зависимость мощности сигнала бие-
ний от разности l\—h оптической длины пути для лучей (эта
разность равна т^с, где с — скорость света внутри оптического
волокна) в лазерном доплеровском измерителе скорости диффе-
ренциального типа (аргоновый лазер с 45 модами излучения).
Можно видеть, что чувствительность обнаружения периодически
резко возрастает.
5.5.3. Измеритель скорости твердых тел. Лазерный допле-
ровский измеритель скорости, который показан на рис. 5.26, уже
применялся на практике. В нем источник света — гелий-неоно-
вый лазер (излучаемая мощность 2... 25 мВт, ^ = 632,8 нм), оп-
тическое волокно из кварцевого стекла GI, световой детектор —
кремниевый лавинный фотодиод. Кроме того, в частотном ана-
лизаторе сигналов биений используется система слежения за
частотой. На конце каждого волоконно-оптического пробника
имеется оптимально спроектированная линза, позволяющая
уменьшить погрешность измерений. Диапазон измерений опре-
деляется в основном углом освещения ('0, 6) и частотной поло-
сой процессора сигнала. В данном случае диапазон измеряемых
скоростей от 1 до 200 м/мин, а точность измерений ±0,2 %.
Лазерный доплеровский измеритель скорости широко при-
меняется как датчик скорости потока продукции, датчик си-
стемы управления на различных предприятиях черной и цвет-
ной металлургии, по производству бумаги, пленки и т. д. На
рис. 5.28, а приведена система с датчиком скорости для линии
проката черных металлов. Путем измерения скорости до и после
прохождения прокатного стана определяется с высокой точ-
Рис. 5 27. Зависимость ампли-
туды сигнала биений от разности
оптической длины пути для двух
лучей в волоконно-оптическом
лазерном доплеровском измери-
теле скорости
Аргоновый лазер, Af=45, Po=0,I Вт (на
зонд), одномодовое волокно, v
= 9,8 м/с
171

Рис. 5.28. Лазерный доплеровский измеритель скорости твердого тела
ностью коэффициент сжатия изделия. Кроме того, с помощью
лазерного доплеровского измерителя скорости можно опреде-
лять длину металлического листа или трубы, интегрируя сигнал
скорости по времени (рис. 5.28, б).
5.5.4. Измеритель микроколебаний. Лазерный доплеровский
измеритель скорости можно применять и для измерения ампли-
туды микроколебаний, например менее 0,8 мкм для твердых тел,
колеблющихся с частотой 120 Гц. Можно, в частности, как по-
казано на рис. 5.29, непосредственно наблюдать характер
распространения поверхностной акустической волны (ПАВ).
В ПАВ-элементе на кристалле ЫЫЬОз при частоте 34 МГц на-
блюдали минимальные1 смещения поверхности 3-10~2 А.
1 Если твердое тело колеблется по закону u = uosinut, то его мгновен-
ная скорость v=du/dt=UoQ cos Qt, т. е пропорциональна частоте колебаний.
Следовательно, увеличивая частоту й, можно измерять мизерные ампли-
туды «о-
172

Рис. 5.29. Лазерный доплеровский измеритель скорости микросмещений по-
верхностной акустической волны
5.5.5. Измеритель скорости сыпучих или жидких тел. Такие
особенности волоконно-оптического лазерного доплеровского из-
мерителя скорости, как мизерный диаметр волокна и отсутствие
электрического воздействия на организм, позволили разрабо-
тать на его основе установку для измерения скорости артери-
ального потока крови (рис. 5.30). В оптической системе форми-
руется сигнальный луч рассеянного красными тельцами света.
Посредством ультразвуковой модуляции света формируется
опорный луч, сдвинутый по частоте относительно лазерного на
fB, что позволяет не только измерять скорость, но и определять
направление потока крови. При этом частота биений fb (сигнал
биений, обнаруживаемый методом гетеродинирования с по-
мощью лавинного фотодиода) с учетом формулы E.21) опреде-
ляется как
E.25)
Диапазон измерения скорости потока крови данной установ-
кой от 4 см/с до 10 м/с с точностью ±5 %, пространственное
разрешение 100 мкм. Имеются сообщения о результатах изме-
рения потоков крови в артериях бедра собаки. Кроме того, раз-
работан лазерный доплеровский измеритель скорости с мощным
аргоновым лазером в качестве источника света (мощность
173

а)
Расщепитель луча
Зеркало
Рис. 5.30. Установка для измерения скорости потока крови на основе лазер-
ного доплеровского измерителя скорости (а) и конструкции наконечника во-
локонно-оптического катетера (б)
излучения 2 Вт, Я = 514,5 нм), позволяющий измерять скорость
очень слабых газовых потоков. Разработаны также малогаба-
оитные. легкие . пплтпярияы* .i'&щет&(г 1ЮIу{ЦЯ№&ЯНШовые ла-
зеры, поэтому в ближайшем будущем можно ожидать более ши-
рокого применения лазерных доплеровских волоконно-оптиче-
ских измерителей скорости.
174

5.6. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
Говоря о преимуществах волоконно-оптических датчиков, не-
обходимо отметить, что с их появлением расширились возмож-
ности измерений, а также повысилось их качество.
5.6.1. Энергетика. Преимущество использования волоконно-
оптических датчиков в энергетике обеспечивается их высокими
электро- и теплоизоляционными характеристиками, безынерци-
онностью, малыми габаритами, массой и т. д. На основе таких
датчиков, а именно лучеводов изображения, созданы системы
наблюдения внутри топок тепловых электростанций, устройства
для измерения температуры проводов линий передачи и внутри
трансформаторов, для контроля за количеством масла в масло-
наполненном кабеле, измерители скорости ветра и определители
его направления в системах наблюдения за атмосферными яв-
лениями, оптические трансформаторы напряжения, работающие
на эффекте Поккельса, и оптические трансформаторы тока, ра-
ботающие на эффекте Фарадея.
5.6.2. Промышленность. В металлургии, химической и нефте-
перерабатывающей отраслях зачастую датчики работают в не-
благоприятных условиях: повышенные или пониженные темпе-
ратуры, агрессивные среды, сильные электрические и магнитные
поля, взрывоопасная атмосфера. Именно здесь волоконно-опти-
ческие датчики с их бесконтактностью и дистанционностью из-
мерений, а также стойкостью к окружающей среде имеют осо-
бое преимущество. В цветной и черной металлургии уже нашли
применение лазерные доплеровские измерители скорости, луче-
вые термометры, лучеводы изображения, сканирующие дефек-
тоскопы поверхности металла и т. д. В нефтеперерабатывающей
промышленности используются, например, волоконно-оптиче-
ские датчики утечки. На рис. 5.31 представлена схематически
система измерений и управления с использованием волоконно-
оптических датчиков и локальной сети на оптических волокнах,
связывающей имеющиеся на предприятии ЭВМ и обеспечиваю-
щей быстрый обмен информацией.
В современном машиностроении по мере автоматизации про-
изводства и повышения точности обработки возрастают требо-
вания к точности и скорости измерений. Преимущества приме-
нения в этой отрасли волоконно-оптических датчиков перед дат-
чиками других типов следующие: бесконтактность и дистанци-
онность измерений, безындуктивность и высокая пространствен-
ная разрешающая способность. Здесь нашли применение такие
датчики, как фотопрерыватели, кодеры, измерители смещения
на основе многожильного волоконно-оптического кабеля, инер-
ционные измерители ускорения и т. д.
5.6.3. Медицина. Высокая пространственная разрешающая
способность при измерениях с лазером, безындуктивность,
175

Датчи!
давлен!
химическая и биологическая стойкость, гибкость и малый диа-
метр оптического волокна стимулировали разработку воло-
конно-оптических датчиков специально для медицины и биоло-
гических исследований. Уже применяются датчики насыщенно-
сти крови кислородом, датчики рН, лазерный доплеровский из-
меритель скорости потока крови, фотокардиограф и измеритель
давления крови.
5.7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В этой главе рассмотрены датчики с использованием опти-
ческого волокна для передачи сигнала. Поскольку в большин-
стве случаев они включают в себя многомодовые оптические во-
176
Рис. 5.31. Система измерений и управления с локальной вычислительной
сетью на оптических волокнах

локна, светоизлучающие диоды и элементы оптических схем,
технология изготовления и эксплуатация которых уже утверди-
лась, то характеристики датчика определяются в основном
свойствами материала и конструкцией чувствительной части.
Датчики этой системы уже нашли широкое применение в силу
очевидных преимуществ перед традиционными датчиками. Одна
из существенных, но решаемых проблем — уменьшение стои-
мости изготовления.
Глава шестая
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ С ВОЛОКНОМ
В КАЧЕСТВЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
6.1. ВВЕДЕНИЕ
В предыдущей главе речь шла о датчиках с оптическим во-
локном в качестве линии передачи. В данной главе описаны дат-
чики с оптическим волокном в качестве самого чувствительного
элемента. Прежде всего вкратце рассмотрены функции воло-
конно-оптических чувствительных элементов и практические
структуры датчиков на их основе. Вслед за этим представлены
принцип работы и конкретные примеры датчиков типа интерфе-
рометра, на основе изменения потерь, датчики распределения
(последовательного и параллельного типа). Среди этих датчи-
ков наибольшее внимание уделено интерферометрическим, на
базе которых могут быть созданы высокочувствительные си-
стемы измерения звуковых волн, магнитного поля, температуры
и т. д. Волоконно-оптический гироскоп также относится к дат-
чикам типа интерферометра, но он будет рассмотрен отдельно,
в гл. 7.
На основе изменения фазы распространяющейся по оптиче-
скому волокну световой волны можно создать волоконно-опти-
ческий интерферометр для высокоточных измерений различных
величин: давления, температуры, напряженности магнитного и
электрического поля, электрического тока и напряжения, рас-
хода вещества и др. На основе изменения потерь на микроизги-
бах волокна можно создать датчик давления и другие, а дат-
чики, реагирующие на изменение потерь передачи, могут слу-
жить для измерения параметров радиоактивного излучения.
В последнее время ведутся разработки датчиков распределения
на основе оптического измерения коэффициента отражения пу-
тем наблюдения за формой отраженного сигнала (метод
OTDR —Optical Time Domain Reflectometry).
177

6.2. ФУНКЦИИ И СТРУКТУРЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Для работы волоконно-оптического чувствительного эле-
мента датчика можно использовать изменение фазы распро-
страняющейся по оптическому волокну волны, поляризации,
угла вращения плоскости поляризации, изменение потерь, явле-
ние рассеяния света под воздействием внешних факторов.
Об основных функциях и характеристиках чувствительного
элемента уже говорилось в гл. 2. Классификация систем чув-
ствительных элементов на оптическом волокне приведена на
рис. 6.1. На рис. 6.1, а представлена схема интерферометра с оп-
тическим трактом, реализованным на одномодовом волокне либо
на волокне с сохранением поляризации. Как уже отмечалось
в гл. 2, в одномодовом оптическом волокне распространяется
только мода НЕц, являющаяся основной. Эта мода прибли-
женно может считаться линейно поляризованной, причем рас-
пределение интенсивности в поперечном сечении луча подчиня-
ется закону Гаусса, что позволяет сравнительно просто до-
биться устойчивой интерференции. В действительности же
в обычном многомодовом оптическом волокне возможно распро-
странение двух мод НЕц с ортогональной поляризацией. При
этом в силу неидеально круглой формы поперечного сечения оп-
тического волокна между модами возникает разность фаз, в ре-
зультате чего выходящий из оптического волокна свет обычно
становится эллиптически поляризованным.
Рис. 6.1 Обобщенные схемы и объекты измерений датчиков с волоконно-
оптическим чувствительным элементом, работающим на основе изменения
фазы (а), вращения плоскости поляризации (б), изменения потерь (в), рас-
сеяния (г)
178

В интерферометре при таких условиях интерференционные
полосы оказываются размытыми, поэтому необходим ввод поля-
ризатора или использование оптического волокна с сохранением
поляризации. Кроме того, в датчиках типа интерферометра, как
правило, требуется принимать меры против дрейфа нуля, изме-
нения масштабного коэффициента, ухудшения линейности. Ин-
терференционное измерение — измерение расстояний в длинах
световых волн или времени в периодах световой волны—обычно
гарантирует высокую чувствительность. Использование оптиче-
ского волокна в виде кольца со множеством витков увеличивает
протяженность связи с измеряемым объектом и позволяет тем
самым еще больше повысить чувствительность датчика. При из-
мерении фазы достигнута чувствительность 10~6 рад/ГГц. Име-
ются публикации о датчиках этой системы, чувствительность ко-
торых сравнима с чувствительностью датчиков других систем
или превышает ее (табл. 6.1).
В датчиках типа интерферометра используются различные
функциональные возможности оптического волокна (рис. 6.2).
Наиболее типичными измеряемыми величинами являются тем-
пература, длина, давление. В соответствии с их колебаниями из-
меняется длина и коэффициент преломления оптического во-
локна, а в результате изменяется и фаза распространяющегося
в нем света. Измеряемые величины, отмеченные в крайней пра-
вой части рис. 6.2, преобразуются в любую из указанных трех
величин, например, с помощью нанесенного на оптическое во-
локно соответствующего покрытия. Предложены амперметры на
оптическом волокне с алюминиевым покрытием, акселерометр
со сжатием (или растяжением) оптического волокна от переме-
щения груза, измерители напряженности магнитного поля или
электрического тока и напряженности электрического поля или
Рис. 6.2. Функциональные возможности волоконно-оптического чувствитель-
ного элемента, работающего на основе изменения фазы света
179

Таблица 6.1. Характеристики датчиков с оптическим волокном в качестве чувствительного элемента
Тип датчика
Кольцевой ин-
терферометр
Кольцевой ин-
терферометр
Фабри — Перо
Интерферометр
Маха — Цен-
дера
Интерферометр
Маха — Цен-
дер а
Интерферометр
Майкельсона
Интерферометр
Фабри — Перо
Измеряемая физическая
величина, объект
измерения
Угол вращения
Электрический ток
Угол вращения
Гидроакустические вол-
ны
Температура
Электрический ток, на-
пряженность магнит-
ного поля
Электрический ток
Ускорение
Поглощение света газом
Электрическое напря-
жение, напряжен-
ность электрического
поля
Деформация
Скорость потока крови
Электрический ток, на-
пряженность магнит-
ного поля
Гидроакустические вол-
ны
Температура
Скорость потока
Спектр источника света
Используемое физи
ческое явление,
свойство
Эффект Саньяка
Эффект Фа радея
Эффект Саньяка
Фотоупругость
Тепловое сжатие и
растяжение
Магнитострикция
Эффект Джоуля
Механическое сжа-
тие и растяжение
Тепловое излучение
вследствие погло-
щения
Электрострикция
Изменение фазы све-
та вследствие де-
формации волокна
Эффект Доплера
Магнитострикция
Фотоупругость
Тепловое сжатие и
растяжение
Колебания тела в по-
токе
Волновая фильтра-
ция
Детектируемая
физическая вели
чина, явление
Интенсивность
(фаза) интер-
ферирующего
света
Резонанс
Интенсивность
(фаза) интер-
ферирующего
света
Интенсивность
(фаза) интерфе-
рирующего света
Частота биений
Интенсивность
(фаза) интерфери-
рующего света
Многократная
интерференция
То же
Частота колеба-
ний
Интенсивность
пропускаемого
света
Параметры и особен-
ности
0,02°/ч
Скрученное волокно
«1°/ч
1 100 рад/(атм-м
ж 100 рад/(м К)
Минимальная чувст-
вительность
Ю-8 А/м2
«10 мкА
1000 рад/g, I MKg
50-10-" для NOjj
«2,3-10 рад/(В-м)
Хорошая частотная
характеристика
10 ... 103 м/с
«Ю"8 А/м2
Высокая чувстви-
тельность
Не требуется опор-
ное напряжение
То же
Высокая разрешаю-
щая способность
Тип волокна
Одномодовое
Одномодовое
Многомодовое,
одномодовое
Одномодовое
Одномодовое
с сохранением
поляризации

Продолжение табл. 6.1
Тип датчика
Интерферометр
с поляризован-
ными модами
Межмодовый
интерферометр
Интерферометр
на двухсердеч-
никовом волок-
не
Датчик на ос-
нове вращения
плоскости по-
ляризации
Датчик на ос-
нове изменения
потерь
Датчик распре-
деления после-
довательного
типа
Датчик распре-
деления парал-
лельного типа
Измеряемая физическая
величина, объект
измерения
Температура
Гидроакустические вол-
ны
Электрический ток, на-
пряженность магнит-
ного поля
Температура
Скорость потока
Кручение
Смещение
Температура
Электрический ток, на-
пряженность магнит-
ного поля
Гидроакустические вол-
ны
Концентрация газа
Доза радиоактивного
излучения
Распределение темпера-
туры
То же
Температура, деформа-
ция волокна
Электрический ток, на-
пряженность магнит-
ного поля
Колебания, темпера-
тура
Используемое физиче-
ское явление, свойство
Тепловое сжатие и
растяжение
Фотоупругость
Магнитострикция
Тепловое сжатие и
растяжение
Колебания тела
в потоке
Изменение постоян-
ной передачи
Эффект Фарадея
Потери на микроиз-
гибах
Поглощение волн
Формирование цент-
ра окрашивания
Рэлеевское рассея-
ние
Рамановское рассея-
ние
Потери на микроиз-
гибах
Эффект Фарадея
Детектируемая
физическая вели-
чина, явление
Интенсивность
интерферирую-
щего света
Интерференция
между модами
Многомодовая
интерференция
Интенсивность
интерферирую-
щего света
Вращение пло-
скости поляри-
зации
Интенсивность
пропускаемого
света
OTDR
OTDR Рамана
OTDR
POTDR
Параметры и особен-
ности
Конструкция на од-
ном оптическом
волокне
Чувствительность
несколько десят-
ков микрометров
Скрученное волокно
Метод поисковой ка-
тушки
« 100 мПа
0,01 ... 1 Мрад
«100 м
«200 м
Сплав с запомина-
нием формы
Многоотводная кон-
струкция
Многоступенчатый
некогерентный ин-
терферометр
Метод мультинесу-
щих с разверткой
частоты источника
света
Некогерентная моду-
ляция интенсив-
ности с распреде-
лением во времени
Тип волокна
С сохранением
поляризации
Двухмодовое
Многомодовое
С двойным
сердечником
Одномодовое
С сохранением
поляризации
Многомодовое
Одномодовое
Многомодовое
Жидкий сер-
дечник
Многомодовое
То же
Одномодовое
Одномодовое
То же
Многомодовое

электрического напряжения — с покрытием оптического волокна
соответственно из магнитострикционного и электрострикцион-
ного материала или с оптическим волокном, намотанным на ци-
линдр из этих материалов. Кроме того, возможны различные
другие конструкции подобных датчиков на бптическом волокне.
На рис. 6.1, б представлена схема датчика, в котором ис-
пользуется вращение плоскости поляризации. По сути он соот-
ветствует измерителю тока или напряженности магнитного поля
на эффекте Фарадея. Показанный на рис. 6.1, в чувствительный
элемент на основе изменения потерь исследуется с точки зрения
применения его в датчике давления, концентрации газа и радио-
активного излучения. На рис. 6.1, г представлена схема датчика
распределения, измеряющего коэффициент отражения методом
наблюдения за формой отраженного сигнала (OTDR). Этот ме-
тод был разработан с целью обнаружения мест разрыва оптиче-
ского волокна в линии связи и определения потерь вдоль опти-
ческого волокна. Он предусматривает измерение очень слабого
света обратного рэлеевского рассеяния в системе с высоким от-
ношением сигнал — шум. В последнее время исследуются струк-
туры датчиков, работающих на этом принципе, для измерения
распределения таких величин, как температура, давление и др.
Таблица 6.1 дает представление о направлениях исследований
датчиков указанных типов.
6.3. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ
6.3.1. Структуры волоконно-оптических интерферометров и
шумовые факторы. Перед описанием конкретных датчиков рас-
смотрим принципы структурирования волоконно-оптических ин-
терферометров, свойственные этим устройствам шумы и меры
борьбы с ними.
Структуры. На рис. 6.3 представлены основные структуры
волоконно-оптических интерферометров, в частности на рис. 6.3,
а и б — структуры, особенно важные для волоконно-оптических
гироскопов. Они образуют единую систему. Обе эти структуры
будут еще раз рассмотрены в гл. 7. В интерферометрах Маха —
Цендера и Майкельсона одни концы двух одномодовых оптиче-
ских волокон предназначены для чувствительного элемента,
другие — для опорного сигнала. В отличие от них интерферо-
метры Фабри — Перо и интерферометры с поляризованными мо-
дами выполнены лишь на одном оптическом волокне и разрабо-
таны с учетом использования тех или иных особенностей во-
локна.
Формирование выходного сигнала. В структурах интерферо-
метров, за исключением интерферометров Фабри — Перо, интен-
сивность интерференции Р\ и Рч при интенсивности двух свето-
вых волн 1\ и h (на рис. 6.3, е это световые волны с ортогональ-
ной поляризацией) выражается следующим образом:
184

Рис. 6.3. Схемы волоконно-оптических интерферометров: а — кольцевого;
б — кольцевого Фабри — Перо; в — Маха — Цендера; г — Майкельсона; д —
Фабри — Перо; е—с поляризованными модами
F.1)
F.2)
В этих формулах у — показатель, называемый степенью ко-
герентности интерференции. Он является функцией произведе-
ния ширины Д/ спектральной линии источника света и разности
Л/ длин двух оптических путей:
у (Л/Л/) < 1 F.3)
и при Д/Д/ = 0 получается равным единице.
При изменении разности фаз гр между световыми волнами
желательно для повышения чувствительности (т. е. увеличения
крутизны изменения выходных сигналов Р\ и Р2), чтобы Л/Д/—>-
->0. Для заданной величины Af возможно найти значение Л/,
при котором показатель y окажется равным е~\ и эта длина Л/
называется длиной когерентности (когерентным расстоянием)
источника света. Для обычного гелий-неонового лазера, одномо-
дового полупроводникового лазера и гелий-неонового лазера
с одной модой длина когерентности составляет соответственно
несколько десятков сантиметров, около 10 м и около 1 км. Та-
ким образом, источник света необходимо выбирать в соответ-
ствии со структурой интерферометра. Кроме того, из формул
F.1) и F.2) следует, что при I\ = h чувствительность к измене-
нию фазы оптимальна.
Заметим, что в формулах F.1) и F.2) для двух интерферен-
ционных выходных сигналов Pi и Рг знаки при cos ^ противо-
положны. Это точно соблюдается, если направленный ответ-
витель, объединяющий два световых луча, или расщепитель
поляризованных лучей не имеет потерь. Обычно свет с интенсив-
185

Выходной
сигнал
Состадляющт
8 (разового дрейдя
Рис. 6 4. Установка рабочей точки
в интерферометре
ностью I\+h передается по двум
оптическим путям полностью,
что является хорошей иллюстра-
цией закона сохранения энергии.
В этом можно убедиться при бо-
\ Входной <разобый лее строгом (с использованием
сигналfs закона Стокса) анализе харак-
теристик отражения в расщепи-
теле лучей или направленном ответвителе.
Коэффициент шума и меры по его снижению. Разность фаз г|з
между двумя световыми волнами можно представить в виде
фазы входного сигнала tys и дрейфа ^ в низкочастотной обла-
сти, вызванного в основном колебаниями температуры:
F.4)
Обычно трудно устранить влияние колебаний температуры,
поэтому в качестве сигнала, используемого в волоконно-опти-
ческом интерферометрическом датчике, принимается только пе-
ременная составляющая, расположенная выше частотной по-
лосы температурного дрейфа. Разумеется, это ограничение не-
приемлемо при создании датчика температуры и не подходит
также для оптической системы с волокном опорного сигнала.
В таких случаях применяется интерферометр на одном оптиче-
ском волокне (рис. 6.3, вне).
На рис. 6.4 приведены кривые зависимости интенсивности
выходного сигнала от фаз \ps и г|5<г. Понятно, что, за исключением
случая применения для термометра, фаза г)з<г определяет рабо-
чую точку для фазы ifs. В частности, рабочую точку необходимо
устанавливать в точке А на рисунке, где, например, значение
dP/dtys максимально. Кроме того, при колебаниях интенсивно-
сти 1Х и /2 [см. формулу F.1)] изменяется масштаб оси ординат
на рис. 6.4, т. е. возникают колебания масштабного коэффици-
ента датчика. К тому же, как видно из рисунка, при входном
сигнале (фаза if>s) большой амплитуды выходной сигнал оказы-
вается нелинейным, что создает определенную проблему. Таким
образом, при создании волоконно-оптического датчика типа ин-
терферометра прежде всего должны быть учтены дрейф нуля,
колебания масштабного коэффициента и нелинейность.
Меры против этих нежелательных факторов различны для
методов светового гомодинирования и гетеродинирования. При
методе светового гомодинирования предусматривается равен-
ство частот двух интерферирующих световых волн и получение
186

выходного сигнала, определяемого формулами F.1) и F.2).
В противоположность этому, если в один из оптических путей
ввести частотный сдвигатель и установить между световыми вол-
нами частотную разность Дю, то в соответствии с формулой
F.1) получается электрический сигнал переменного тока с фа-
зовой модуляцией, т. е.
Р = h + /. + Y л/lJt cos (Aat +$* + Ю- F-5)
Фазовым детектированием этого сигнала можно получить
^<H-ips, что и отвечает сути метода светового гетеродинирова-
ния. Как видно из табл. 6.2, в первом методе отмеченные три
Таблица 6.2. Методы формирования выходного сигнала
интерферометра
Метод
Световое гомодини-
рование:
активное
пассивное
Световое гетеродини-
рование
Световое квазигете-
родинирование
Особенности
Для компенсации дрейфа це-
лесообразно применение фа-
зовращателя (для стабили-
зации масштабного коэффи-
циента и расширения дина-
мического диапазона прини-
маются специальные меры)
Выходные сигналы, соответст-
вующие sin 0 и cos 6, под-
вергаются аналоговой обра-
ботке
Требуется ограничение часто-
ты сигнала
Допускается работа со свето-
вой волной произвольной
формы
Целесообразно применение
частотного сдвигателя, на-
пример акустооптического
модулятора
Частотный сдвигатель не тре-
буется. С помощью фазового
или частотного модулятора
производится оптимальная
обработка сигнала для вы-
деления несущей
Общая характеристика
Одинаковая частота
двух интерферирую-
щих световых волн; вы-
ходной сигнал форми-
руется посредством
прямой амплитудной
модуляции
Формируется сигнал,
пропорциональный
разности частот Дсо
двух интерферирую-
щих световых волн, по-
средством фазовой мо-
дуляции несущей
с частотой Аш
Стабильность выход-
ного сигнала обеспе-
чивается электрон-
ными схемами фазово-
го детектирования
187

Рис. 6.5. Интерферометры гомодинный с активной стабилизацией (а) и ге-
теродинный (б)
проблемы решаются усовершенствованием оптической системы,
а во втором — в основном усовершенствованием электроники
с целью более полного использования техники фазового детек-
тирования. Однако акустооптический модулятор, с технической
точки зрения наиболее приемлемый в настоящее время для
сдвига частоты, еще не избавлен от таких недостатков, как срав-
нительно большая потребляемая мощность (около 2 Вт) и боль-
шая девиация частоты (примерно 100 МГц). Но в последнее
время проводятся исследования по созданию частотного сдви-
гателя на новых принципах, а также разрабатывается метод оп-
тического квазигетеродинирования — с выдачей выходного сиг-
нала без применения частотного сдвигателя.
На рис. 6.5, а представлена наиболее общая схема интерфе-
рометра с гомодинированием. В этой структуре составляющая
дрейфа ipd компенсируется с помощью волоконно-оптического
фазового модулятора. Здесь с помощью дифференциального уси-
лителя из выходного сигнала интерферометра устраняется со-
ставляющая /i + /2 постоянного тока [см. формулы F.1) и F.2)],
а низкочастотная составляющая подается по цепи обратной
связи и тем самым рабочая точка устанавливается в точке А
(см. рис. 6.4). Даже при такой модификации системы все же
остаются две из трех указанных выше проблем. Поэтому необ-
ходимо с помощью отслеживания сигналов 1\ и /2 ввести проце-
дуру деления выходного сигнала или компенсировать колебания
188

мощности источника света, контролируя ее посредством оптиче-
ского волокна с сохранением поляризации. Эти проблемы могут
быть решены и введением так называемого нулевого метода
(рассматривается ниже). При структуре на рис 6.5, а уже про-
изводятся измерения разности фаз порядка 10~6 рад/Гц.
Ниже описываются на конкретных примерах оптические си-
стемы в соответствии с их классификацией по структуре интер-
ферометра, а также методы решения в них вышеуказанных про-
блем с приведением полученных характеристик. Необходимо от-
метить, как следует и из табл. 6.1, что представленные здесь
структуры интерферометров не ограничиваются измерением рас-
сматриваемых величин, а носят универсальный характер. Осо-
бенно большой взаимозаменяемостью отличаются интерферо-
метры Маха — Цендера и Майкельсона, которые применяются
на практике, но до сих пор являются предметом исследований.
6.3.2. Интерферометр Маха—Цендера. Структура с гомодини-
рованием и частотной модуляцией излучения полупроводнико-
вого лазера. При получении сигнала методом годоодинирования
меры по устранению указанных трех шумовых факторов каса-
ются в основном оптической системы. При этом в один из опти-
ческих путей вводится фазовый модулятор света и посредством
его осуществляется обратная связь для изменения выходного
интерференционного сигнала. Тогда даже при появлении вход-
ного сигнала выходной сигнал Р определяется точкой А (см.
рис. 6.4): точка А соответствует нулевому выходному сигналу,
так как эта схема соответствует дифференциальной системе на
рис. 6.5, а. В результате выходной сигнал не только не подвер-
гается влиянию колебаний 1\ и /г, но и улучшается его линей-
ность Однако для этого требуется хорошая частотная характе-
ристика и линейность самого фазового модулятора.
Рассмотрим структуру, в которой реализован метод гомоди-
Рис. 6.6. Интерферометр с гомодинированием и прямой частотной модуля
цией излучения полупроводникового лазера
189

нирования с использованием прямой частотной модуляции излу-
чения полупроводникового лазера без применения фазового мо-
дулятора (рис. 6.6). Частота излучения одномодового полупро-
водникового лазера обычно пропорциональна изменению и'нжек-
ционного тока А/. При заданной разности Д/ оптической длины
пути изменение частоты источника света в светоприемнике пре-
образуется в изменение фазы. При этом получается следующая
зависимость:
дб = -^- Дсоо = -^- Ш, F.6)
с с
где k — постоянная, определяемая типом полупроводникового
лазера и равная приблизительно 1 ГГц/мА.
Как видно из формулы F.6), изменением инжекционного
тока можно компенсировать изменение фазы сигнала. На ток,
инжектируемый в полупроводниковый лазер (рис. 6.6), накла-
дывается ток частотой со A МГц), большей, чем частоты в по-
лосе сигнала. Обратная связь организуется так, чтобы состав-
ляющая этой частоты в выходном сигнале светоприемника, об-
наруживаемая с помощью двойного балансного смесителя, была
равной нулю. Это приводит к тому, что рабочая точка устанав-
ливается в точке В (см. рис. 6.4). В результате составляющая
Ра в выходном сигнале Р при постоянной г) выражается сле-
дующей формулой:
Рш«Л(лM1п(г|3Н-%), F-7)
поэтому в точке В (начало отсчета ij^ + ^s) составляющая Рш =
= 0.
Как следует из формулы F.7), значение Рш в точке В наи-
более чувствительно к изменению суммы ^d + ifs. В этом случае,
как видно из рис. 6.5, а, нет необходимости избавляться от по-
стоянной составляющей выходного сигнала интерференционной
системы, а следовательно (см. рис. 6.6), требуется только один
светоприемник и тем самым упрощается оптическая система'.
В схеме на рис. 6.6 сигнал температурного дрейфа, имеющий
большую амплитуду по сравнению с выходным сигналом, пере-
дается по цепи обратной связи на фазовый модулятор света, вы-
полненный из пьезоэлемента.
Оптическая система, представленная на рис. 6.6, содержит
одномодовое волокно длиной Эми одномодовый полупроводни-
ковый лазер со скрытой гетероструктурой («Хитати», HLP-3400
с интервалом когерентности около 10 м). При >Д/ = 7,5 см посто-
1 Строго говоря, в силу модуляции, а также неоптимальной интенсивно-
сти полупроводникового лазера возникает некоторый дрейф, правда, вне диа-
пазона сигнала. При необходимости устранения дрейфа достаточно устано-
вить рабочую точку по тому же принципу, что и в основной оптической си-
стеме на рис. 6.5, а.
190

7 В 9
Составляющая постоянного тока
на Выходе сВетоприемного устройства
Рис. 6.7. Результаты измерений акустической волны в воде с помощью си-
стемы, представленной на рис. 6.6
Рис. 6 9. Теоретические ог-
раничения чувствительности
волоконно-оптического гид-
рофона
Волокно с пластиковой оболоч-
кой
янная k оказалась равной 1 ГГц/мА. На рис. 6.7 приведены ре-
зультаты применения этой системы в гидроакустических изме-
рениях. Верхняя кривая (рис. 6.7, а) — сигнал генератора зву-
ковой волны частотой 40 кГц, а нижняя кривая — изменение А/,
т. е. выходной сигнал датчика. Чувствительность составила при-
мерно 10~5 рад/Гц1/2. Здесь амплитуда на нижней кривой 0,5 мА
соответствует изменению фазы в пределах 0,79 рад.
На рис. 6.7, б приведена кривая эффективных значений вы-
ходного сигнала в случае принудительных колебаний интенсив-
191

ности света, достигающего светоприемника. Кривая подтверж-
дает, что с помощью нулевого метода обеспечивается устойчи-
вость масштабного коэффициента. Кроме того, на рис. 6.8 пояс-
няется стабилизация составляющей дрейфа путем подачи ее на
полупроводниковый лазер по цепи обратной связи (с учетом ха-
рактеристики прямой частотной модуляции излучения полупро-
водникового лазера). Из рисунка можно заметить, что для
этого рода датчиков большую проблему составляет температур-
ный дрейф и, следовательно, требуется принимать меры по его
устранению.
Рассмотренная выше характеристика прямой частотной мо-
дуляции излучения светодиодов довольно часто используется
для разработки датчиков, и ведутся исследования по расшире-
нию области ее применения.
Гидрофон на волоконно-оптическом интерферометре. В пре-
дыдущей рубрике приводился пример гидроакустических изме-
рений. Но с тех пор как началось изучение волоконно-оптиче-
ских датчиков интерферометрического типа, измерение гидро-
акустических колебаний исследовалось многими специалистами.
Их привлекало то, что посредством оптического волокна в виде
кольца со многими витками можно добиться весьма высокой
чувствительности, а различными способами намотки витков —
требуемой характеристики направленности.
Изменение фазы распространяющегося света в зависимости
от звукового давления различно для разных материалов покры-
тия оптического волокна и его толщины. Дело в том, что мате-
риалы покрытия имеют разный модуль Юнга и коэффициент
Пуассона, в результате разными оказываются и изменения по-
казателя преломления, определяемые изменением длины во-
локна и его фотоупругостью. Хорошим материалом для покры-
тия оптического волокна считается полиэтилен, нейлон, хайтрел
и другие, позволяющие получать чувствительность примерно
100 рад/(атм-м). На рис. 6.9 приведены расчетные значения
предела чувствительности (граница дробового шума светопри-
емника) интерферометра с гомодинированием (см. рис. 6.5).
Видно, что вследствие удлинения волокна достигнута чувстви-
тельность, значительно более высокая, чем у известного высоко-
чувствительного гидрофона Н56. К тому же чувствительность
волоконно-оптического гидрофона увеличивается нелинейно
в зависимости от длины волокна, что связано с потерями в нем.
На рис. 6.10 приведены характеристики гидрофона на воло-
конно-оптическом интерферометре. Использовалось кольцо диа-
метром 2,5 см из оптического волокна. Подробно исследовались
материалы покрытия, способы их нанесения и влияние на чув-
ствительность. В результате выяснилось, что металлическое по-
крытие делает волокно нечувствительным к звуковому давле-
нию, а имеются и такие покрытия, которые снижают чувстви-
192

Рис. 6.10. Частотная характеристика (а) и диаграмма направленности (б)
гидрофона на волоконно-оптическом интерферометре
тельность волокна к температуре. Эти покрытия могут ока-
заться полезными для волокон, соединяющих чувствительную
часть гидрофона и его блок обработки сигнала. На рис. 6.11
приведены некоторые результаты исследований.
Кроме того, изучается структура, определяющая градиент
звукового давления при некотором смещении в пространстве
двух оптических волокон, и процедура детектирования ультра-
звуковых колебаний частотой 500 кГц и выше.
Следует отметить, что аналогичным образом можно изме-
рять и атмосферные акустические колебания.
Другие типы датчиков на интерферометре Маха—Цендера.
На рис. 6.12 показан спектрофон,
выполненный как датчик на ин-
терферометре Маха — Цендера.
Это устройство для измерения
поглощения света газообразными
веществами. При воздействии на
газ в ячейке (в катушке) светом,
интенсивность которого модули-
рована с помощью прерывателя,
,§ 0 10 W ВО 80 100 120 ПО
^ Толщина покрытия, мкм
Рис. 6.11. Зависимость чувствительно-
сти волокна к звуковому давлению от
материала покрытия
193

Рис. 6.12. Волоконно-оптический спектрофон
газ вследствие поглощения света нагревается и расширяется,
а значит, расширяется и ячейка. Это изменение объема ячейки
измеряется с помощью высокочувствительного волоконно-опти-
ческого интерферометра. На рис. 6.12, а показана оптическая
система, а на рис. 6.12, б —кривая частотного изменения выход-
ного сигнала при поглощении света смесью воздуха с метаном.
Частота прерывателя 75 Гц. Длина волокна 9,2 м, диаметр ка-
тушки 2,5 см. Лазер — гелий-неоновый. В случае применения,
например, аргонового лазера с излучением мощностью 500 мВт
и длиной волны 496,5 нм можно измерять поглощение света га-
зом NO2 концентрацией вплоть до 50 частей на миллион.
Исследовался высокочувствительный акселерометр, на основе
интерферометра Маха —Цендера, измеряющий сжатие и рас-
ширение стержня из упругого материала с намотанным на него
оптическим волокном и прикрепленным грузом, испытывающим
ускорение. Сообщается, что чувствительность подобного акселе-
рометра 1000 рад/g и разрешающая способность примерно
1 MKg, что позволяет измерять ускорения порядка 100 g. Кроме
того, создан амперметр с использованием джоулева тепла при
протекании электрического тока по оптическому волокну с алю-
миниевым покрытием. Устройство имеет чувствительность при-
близительно 5- 10~6 А на 1 м волокна при частоте тока 10 Гц.
Нанесением на оптическое волокно покрытия из электрострик-
ционного материала можно аналогичным образом создать из-
меритель электрического поля. При покрытии, например, поли-
винилиденфторидом PVF2 удалось достичь чувствительности
примерно 4 рад/В на 1 м оптического волокна. На рис. 6.13, а
приведена схема определения динамической характеристики тен-
зометра, содержащего стальную трубку с протянутым внутри
нее одномодовым оптическим волокном. На рис. 6.13, б сплош-
ной кривой показана характеристика, которая получена при
194

Рис. 6.13. Структура волоконно-оптического измерителя деформации (а) и
результаты измерения динамического отклика (б)
компенсации дрейфа низкой частоты с помощью регулятора
фазы (ПКФА — первичный кристалл фосфорно-кислого аммо-
ния) световой волны. Выходной сигнал обычного тензодатчика
показан на этом же рисунке штриховой линией, которая хорошо
согласуется с кривой для волоконно-оптического датчика.
Вышеприведенные структуры иллюстрируют, насколько ши-
роко исследуется применение интерферометра Маха — Цендера.
6.3.3. Интерферометр Майкельсона. Волоконно-оптический
интерферометр Майкельсона также исследуется весьма активно.
В частности, лазерный доплеровский измеритель скорости, опи-
санный в гл. 5, в принципе может рассматриваться как датчик
на интерферометре Майкельсона.
На рис. 6.14, а представлена схема измерителя магнитного
поля постоянного тока, построенная на основе указанных иссле-
195

Рис. 6.14. Измеритель напряженности магнитного поля на основе интерфе-
рометра Майкельсона (а), характеристика магнитострикционного эффекта
для никеля (б), результаты измерений магнитного поля постоянного н низ-
кочастотного Фока (а)
Частотная полоса сигнала 1,45 Гц
дований, с зеркалами, напыленными на торцы одномодового оп-
тического волокна. Пьезоэлектрический преобразователь, как и
в интерферометре Маха — Цендера, предназначен для компен-
196

сации температурного дрейфа. Оптическое волокно чувствитель-
ной части датчика введено в никелевый цилиндр. Никель — маг-
нитострикционный материал. В магнитном поле цилиндр претер-
певает деформацию, в результате чего изменяется длина опти-
ческого волокна и его коэффициент преломления, что, в свою
очередь, приводит к модуляции фазы. Известны и другие по-
добные структуры интерферометров Майкельсона, например
с намоткой волокна на цилиндр из магнитострикционного мате-
риала, с нанесением на поверхность волокна магнитострикцион-
ного покрытия. Достигнутая в этих интерферометрах чувстви-
тельность составляет 4-10~7 А/м E • 10~9 Э) на 1 м длины оп-
тического волокна.
Обычно магнитострикционный материал обладает нелиней-
ными свойствами, поэтому при подаче калибровочного сигнала
переменного тока (см. рис. 6.14, а) реакция материала, а вернее,
изменение амплитуды этого сигнала, как видно из рис. 6.14,6,
зависит от магнитного поля постоянного смещения. Следова-
тельно, если, например, установить постоянное смещение в точке
А (рис. 6.14, б), то можно определить напряженность магнит-
ного поля постоянного тока или тока низкой частоты по изме-
нению амплитуды калибровочного сигнала переменного тока. На
рис. 6.14, в поясняется детектирование напряженности низкоча-
стотного магнитного поля. В качестве калибровочного подается
сигнал с частотой 285 Гц. Как уже отмечалось, измерение по-
стоянного тока с помощью обычного волоконно-оптического ин-
терферометрического датчика затруднено из-за температурного
дрейфа, но в интерферометре Майкельсона удачно использу-
ется нелинейность магнитострикционного материала, и эта проб-
лема здесь решена.
Сообщений о подобных измерителях магнитного поля и об
амперметрах с использованием магнитострикционных материа-
лов достаточно много. Судя по ним, ведутся исследования ме-
тода компенсации гистерезиса, связи между методом нанесения
покрытия и чувствительностью, по изготовлению длинных (на-
пример, 2 км и более) оптических волокон с никелевым по-
крытием.
6.3.4. Интерферометр Фабри — Перо. Структура и принцип
работы. Как показано на рис. 6.15, а, установив друг против
друга полупрозрачные зеркала, можно создать резонатор света
с фазовой характеристикой, которая резко изменяется при про-
хождении света между зеркалами А и В туда и обратно (рис.
6.15, б). При изменении фазы, кратном 2я, наступает резонанс.
Тогда при частоте источника света со диапазон фазового враще-
ния 0 = 2со//с, поэтому одну и ту же резонансную характеристику
можно получить, изменяя как /, так и со. Частотный интервал fr
называется свободной областью спектра, А/г — половинной ши-
риной резонансной кривой:
197

")
F.10)
как видно из формулы, тоже определяется коэффициентом отра-
жения R.
Как правило, чувствительность выходного сигнала к измене-
нию фазы входного света у интерферометра Фабри — Перо
в F раз больше, чем у обычного.
Если каким-либо образом удлинить резонаторы, то увели-
чится диапазон 0 и, следовательно, чувствительность структуры
к колебаниям / (например, под воздействием температуры или
давления). При этом значение Д/> уменьшится и тем самым по-
высится разрешающая способность по частоте. Однако, созда-
вая интерферометр со структурой по рис. 6.15 из отдельных оп-
тических деталей, необходимо придать определенную кривизну
полупрозрачным зеркалам ввиду дифракции световой волны, по-
этому удлинение резонатора затруднительно и удорожает ин-
терферометр. С целью устранения этих недостатков разработан
волоконно-оптический интерферометр Фабри — Перо с непо-
средственным напылением на торцы одномодового оптического
волокна полупрозрачного зеркального покрытия с высоким ко-
эффициентом отражения.
Для измерения волоконно-оптическим интерферометром Фаб-
ри — Перо акустических или механических колебаний необхо-
димо устанавливать рабочую точку, оптимизирующую чувстви-
тельность к сигналу переменного тока, айалогично тому как и
198
где R — коэффициент отражения полупрозрачного зеркала по
интенсивности света.
Показатель качества (finesse) резонатора
Рис. 6.15. Основная структура (а) и выходная характеристика (б) интер-
ферометра Фабри — Перо

Рис. 6.16. Выходной сигнал
интерферометра Фабри — Перо
в зависимости от температуры
для других структур интерферометров, — методом постоянного
тока (см. рис. 6.5, с) либо методом переменного тока (см. рис.
6.6). Однако, как следует из рис. 6.15, при повышении чувстви-
тельности интерферометра ограничивается его динамический диа-
пазон и для определенных случаев необходим нулевой метод.
Волоконно-оптический интерферометр Фабри — Перо, в сущно-
сти, может быть выполнен на одном оптическом волокне и при-
годен для измерения температуры без опорного волокна. Выход-
ной сигнал (рис. 6.16) позволяет путем подсчета импульсов
представить изменение температуры в цифровой форме. В дан-
ном примере получается 100 имп/(м-К).
Обычно принцип действия волоконно-оптического интерферо-
метра как температурного датчика заключается в зависимости
длины или коэффициента преломления оптического волокна от
температуры, и в этом направлении ведутся теоретические и
экспериментальные исследования. Уже известно, что для квар-
цевого оптического волокна без покрытия достигнута чувстви-
тельность около 100 рад/(м-К), а покрытие из кремния или
некоторых других материалов заметно повышает эту чувстви-
тельность. Изучаются такие материалы — способы нанесения по-
крытия из них на оптическое волокно, которые бы делали ин-
терферометр нечувствительным к колебаниям температуры. Во-
локонно-оптический интерферометр Фабри—Перо исследуется и
как температурный датчик для медицины. Изучаются методы
повышения чувствительности гидрофона на этом интерферо-
метре, проводятся теоретические исследования характеристик
интерферометра с учетом ширины спектра источника питания.
При источнике света с шириной спектра А/ общая ширина резо-
нансной кривой всей системы по половинному уровню будет
С учетом потерь в оптическом волокне показатель качества
резонатора F является функцией длины волокна. Известно, что
из-за толщины многослойных электрических пленок, наносимых
на торцы оптического волокна (полупрозрачные зеркала), отра-
женные от них лучи не полностью совпадают по фазе в волокне,
что снижает качество резонатора. Снижение можно несколько
уменьшить, придав торцам волокна форму линзы перед нанесе-
нием покрытия.
199

Рис. 6.17. Измерение скорости потока на основе интерферометра Фабри -
Перо
На рис. 6.17, а представлена структура волоконно-оптиче-
ского интерферометра Фабри — Перо для измерения скорости
потока. Обычно помещенный в поток предмет типа шнура ко-
леблется, причем с частотой, пропорциональной скорости потока
(это объясняется попеременным возникновением вихрей по обе
стороны предмета). Эту частоту можно обнаружить по выход-
ному сигналу интерферометра. На рис. 6.17, б приведены ре-
зультаты измерений. В представленной структуре на одном
конце оптического волокна зеркало, а на другом — полупро-
зрачное зеркало. Таким образом, интерферометр Фабри—Перо
здесь является интерферометром отражательного типа. В соот-
ветствии с этим для обнаружения колебаний можно использо-
200

Рис. 6.18. Прямое измерение формы спектра излучения лазерного диода t по-
мощью интерферометра Фабри — Перо
вать многомодовое оптическое волокно (интерференцию между
модами).
Прямое измерение формы спектра излучения полупроводни-
кового лазера. На рис. 6.18 представлена система, разработан-
ная для прямого измерения формы спектра излучения лазер-
ного диода, необходимой при его использовании в качестве
источника света. Здесь волоконно-оптический интерферометр
Фабри — Перо работает как частотный фильтр с очень узкой
полосой пропускания. За счет использования в нем оптического
волокна с сохранением поляризации (длиной 1,1м) получена по-
ловинная ширина резонансной кривой AfT=l,5 МГц. Резонанс-
ная частота интерферометра модулируется частотой со с по-
мощью фазового модулятора (путем удлинения оптического во-
локна), и на экране осциллографа индицируется форма спектра
лазерного диода. Здесь температурный дрейф компенсируется
путем извлечения с помощью двойного балансного смесителя со-
ставляющей ш, подачи ее как сигнала обратной связи на фазо-
вый модулятор и обращения в нуль низкочастотной составляю-
щей. Это аналогично установке рабочей точки по методу пере-
менного тока, используемому в структуре на рис. 6.6. При обыч-
ном одномодовом волокне в силу некоторой степени двойного
лучепреломления на резонасной кривой появляются два резо-
нансных пика, различающихся по частоте. Эту проблему можно
решить, возбуждая только одну поляризованную моду посред-
ством оптического волокна с сохранением поляризации.
На рис. 6.19, а показан спектр излучения полупроводнико-
вого лазера, работающего без нагрузки, а на рис. 6.19, б — су-
женный спектр при наличии обратного луча. Ширина спектра
в каждом из этих случаев соответственно 17 и 2 МГц. Сообща-
ется также об аналогичной системе, в которой используется ин-
201

Рис. 6 19 Результаты измерения
формы спектра излучения одномодо-
вого полупроводникового лазера
терферометр Фабри — Перо на кольцевом резонаторе (см.
рис. 6.3, б).
6.3.5. Интерферометр с межмодовой интерференцией и ин-
терферометр с двухсердечниковым волокном. Здесь рассматри-
ваются два интерферометра: на основе интерференции между
двумя модами с ортогональной поляризацией в одном оптиче-
ском волокне и со специальным оптическим волокном, имеющим
два одномодовых сердечника (оптическое волокно с двойным
сердечником).
На рис. 6.20, а приведена структура интерферометра с меж-
модовой интерференцией. Падающий свет с линейной поляри-
зацией посредством четвертьволновой пластины превращается
в свет с круговой поляризацией, и тем самым в оптическом во-
локне с сохранением поляризации равномерно возбуждаются
моды с ортогональной поляризацией. Если при этом на выход-
ном конце волокна установить расщепитель поляризованных
волн (призму Волластона) с наклоном его оси по отношению
Рис. 6.20. Измерение температуры интерферометром с межмодовой интер-
ференцией
202

к осям поляризации под углом 45°, то значения выходных сиг-
налов Pi и Рг будут определяться формулами F.1) и F.2). Раз-
ность фаз между световыми волнами выражается как Др/, где
ДР — разность между постоянными распространения двух све-
товых волн, / — длина волокна. При изменении / и Др изменя-
ется и выходной интерференционный сигнал, т. е. интерферо-
метр функционирует как датчик. В данном случае Др меньше
постоянной распространения р моды НЕП на несколько поряд-
ков, а это снижает чувствительность датчика.
На рис. 6.20, б показаны изменения выходного сигнала в за-
висимости от температуры. Чувствительность в этом случае
1,66 рад/(м-К), в то время как при обычном оптическом во-
локне— приблизительно 100 рад/(м-К). На основе этого интер-
ферометра разработаны ь исследуются также датчики давле-
ния, датчики магнитного поля и электрического тока с исполь-
зованием магнитострикционных материалов.
Для датчиков применяется оптическое волокно с двумя одно-
модовыми сердечниками. При этом в датчике кручения, напри-
мер, используется разность фаз света в обоих сердечниках, воз-
никающая при кручении волокна. Разрабатывается датчик,
в котором из-за разности постоянных распространения (обуслов-
ленной различием размеров сердечников или их коэффициентов
преломления) под воздействием температуры или других фак-
торов возникает разность фаз. Наконец, примером интерферо-
метрического датчика на одном оптическом волокне может слу-
жить датчик температуры, в котором используется интерферен-
ция между двумя распространяющимися в волокне модами:
одна из них основная, а другая — следующего порядка.
6.3.6. Метод компенсации пассивного типа и метод светового
квазигетеродинирования. Метод компенсации пассивного типа.
Рассмотренные до этого датчики являются интерферометрами
с гомодинированием, причем интерферометрами активного типа,
для которых характерна установка рабочей точки по отноше-
нию к сигналу, т. е. компенсация дрейфа (за исключением дат-
чика температуры) путем организации обратной связи через фа-
зовый модулятор световой волны. Здесь будут представлены
также интерферометры с гомодинированием, но с повышением
чувствительности к сигналу без активного механизма фазовой
компенсации в оптической системе.
Предложен способ обработки выходного сигнала, при кото-
ром для сигнала с заданной частотой независимо от характера
дрейфа получается чувствительность, ограниченная лишь ам-
плитудой дрейфа. На рис. 6.21, а и б представлены соответ-
ственно оптическая система и схема аналоговой обработки для
способа измерений, независимого от влияния любого дрейфа пе-
ременного тока. В разработанной системе используются специ-
альные волоконно-оптические ответвители с тремя входами и
203

Р«с. 6.21. Интерферометр с активной стабилизацией, выполненный на воло-
конно-оптических ответвителях 3X3
тремя выходами. При этом выходные сигналы светоприемников
2 и 3 можно представить в следующем виде:
F.11)
F.12)
где fii, B2, В% — постоянные, определимые мощностью источника
света, эффективностью связи в ответвителе и т. д.
Поскольку величина В\ является составляющей постоянного
тока выходного интерференционного сигнала, то, устранив ее
с помощью соответствующей электронной схемы, можно полу-
чить (по схеме на рис. 6.21, б) выходной сигнал, пропорцио-
нальный фазе входного сигнала. Однако при этом остаются ко-
лебания мощности источника света, дрейф из-за флюктуации
поляризованной волны в оптическом волокне, поэтому целесо-
образно использовать оптическое волокно с сохранением поля-
ризации. На рис. 6.21, в показаны входной и выходные сигналы
системы, в том числе выходные сигналы перед обработкой, со-
держащие паразитную модуляцию (фединг). Предельная чув-
ствительность составила 3-10~6 рад/Гц1/2.
204

Метод светового квазигетеродинирования. Как уже было от-
мечено выше, при создании в оптической системе частотного
сдвигателя можно получить выходной сигнал гетеродинирова-
ния, выражаемый формулой F.4). В этом случае, используя со-
ответствующие электронные схемы, можно устранить дрейф, ко-
лебания масштабного коэффициента и причины ухудшения
линейности. Однако наиболее часто используемый в качестве
частотного сдвигателя акустооптический модулятор не избав-
ляет от указанных проблем.
В связи с этим исследовалось получение выходного сигнала
гетеродинированием на произвольной несущей частоте посред-
ством более простой и дешевой структуры, т. е. метод светового
квазигетеродинирования. Если при фазе входного сигнала if> на
выходе интерферометра получить сигналы в виде sin -ф и cos if,
умножить их соответственно на cos Ы и sin со/ (со — оптималь-
ная несущая частота) и сложить, то получим выражение, опре-
деляющее гетеродинированный сигнал:
sin г|> cos at + cos ip sin со* — sin (to* + г|з).
Это один из принципов данной системы. Предложены раз-
личные способы извлечения составляющих cos if и sin i|j и спо-
собы умножения на sin at и cos со/. Создана и процедура, ана-
логичная фазовому методу, описанному в гл. 4. При обычном
методе гетеродинирования в оптический путь вводят сдвигатель
частоты в качестве фазового модулятора, управляемого пилооб-
разным напряжением. В противоположность этому имеется ме-
тод, при котором не требуется устройство сдвига частоты, а ис-
пользуется характеристика прямой модуляции излучения полу-
проводникового лазера.
Из приведенной выше тригонометрической формулы ясно,
что колебания амплитуд cos ф и sin ф при гетеродинировании
дают фазовую ошибку выходного сигнала. Кроме того, даже
при фазовом методе для устранения нежелательных частотных
составляющих требуется очень точное соответствие амплитуды
пилообразного напряжения фазовому сдвигу 2я, что представ-
ляет определенную трудность. Следовательно, в идеальном слу-
чае надо бы измерить и скомпенсировать колебания этих пара-
метров, но их различение с сигналом довольно сложно, что и
затрудняет компенсацию.
На рис. 6.22 приведена структурная схема одной из про-
цедур, позволяющих решить эту проблему. Здесь используется
прямая модуляция излучения полупроводникового лазера в ин-
терферометре с разностью длины оптических путей (см.
п. 6.3.2). Как показано на рис. 6.22, для получения этой разно-
сти используется разность фазовых постоянных между двумя
поляризованными модами оптического волокна с сохранением
поляризации. Если полупроводниковый лазер возбуждать током
205

Рис. 6.22. Структура датчика со световым квазигетеродинированием и авто-
матической стабилизацией сигнала возбуждения
/о —ток инжекциц; /dc — постоянная составляющая тока инжекции
четырехступенчатой формы (рис. 6.23, а), так, чтобы на каждой
ступеньке происходил фазовый сдвиг на л/2, то получается вы-
ходной интерференционный сигнал (рис. 6.23, б), у которого ос-
новная составляющая выражается как cos (ш^-г-л^) (рис. 6.23, в).
Этот метод можно рассматривать как видоизмененный фазо-
вый, а указанная форма инжекционного тока позволяет компен-
сировать дрейф, обусловленный колебаниями характеристики
прямой частотной модуляции лазерного излучения [см. k в фор-
муле F.6)]. А именно, блок / (см. рис. 6.22) выделяет любую
из составляющих (четырех ступеней) тока и подает по цепи об-
ратной связи на фазовый модулятор таким образом, чтобы она
оказалась равной нулю. Так разделяются колебания параметров
и сам сигнал. Затем при выделении блоком // составляющей
с частотой 2<о формируется приращение инжекционного тока
206

Рис. 6.23. Временные диа-
граммы для схемы на
рис. 6.22
Рис. 6.24. Характеристика
эффекта Фарадея в оптиче-
ском одномодовом волокне,
улучшенная с помощью его
скручивания
в виде «положительного» шага Д/х> и, благодаря подаче этого
сигнала в цепь обратной связи (рис. 6.22), осуществляется ком-
пенсация дрейфа. Здесь достаточно, чтобы используемый фазо-
вый модулятор работал в частотной полосе дрейфа, и от него
не требуется широкого динамического диапазона или линейно-
сти. На рис. 6.23, г показан выходной сигнал для эксперимен-
тальной системы, в которой возбуждение лазера производилось
током указанной выше формы. Видно, что при этом получается
фазовый сдвиг колебаний несущей частоты.
6.3.7. Датчик магнитного поля на эффекте Фарадея. Оптиче-
ское волокно может служить также элементом Фарадея, напри-
мер волокно из кварца с постоянной Верде У«0,015'7А.
Если изготовить кольцо из множества витков оптического во-
локна и намотать на это кольцо провод (см., например, рис.
6.25), то, пропустив электрический ток, можно получить датчик
тока или магнитного поля, обладающий высокой чувствитель-
ностью. При этом угол вращения плоскости поляризации
<f = VNfNiI,
F.13)
где / — электрический ток; Nf — число витков кольца из опти-
ческого волокна; Ni — число пересечений электрического тока
с витками волокна.
207

Рис. 6.25. Волоконно-оптический амперметр на основе эффекта Фарадея
М, — зеркало; Р — поляризатор; S — расщепитель луча; LD — лазерный диод; D — све-
топриемное устройство
Обычным одномодовым волокнам свойственно двойное луче-
преломление, обусловленное некоторой эллиптичностью попе-
речного сечения. Это заметно снижает линейность зависимости
угла вращения плоскости поляризации при эффекте Фарадея,
в связи с чем предлагается скручивание оптического волокна.
Благодаря скручиванию ослабляется двойное лучепреломление.
В сущности, это уменьшение связи между волнами с левой и
правой круговой поляризацией при имеющейся разности фазо-
вых постоянных для них. В результате можно добиться хоро-
шей линейности характеристики эффекта Фарадея, как это по-
казано на рис. 6.24. Здесь оптическое волокно подвергалось
скручиванию 124 рад/м; диаметр кольца 8 см; N/ = 55, N,= 1250.
Угол вращения плоскости поляризации определялся по интен-
сивности света, пропускаемого поляризатором.
На рис. 6.25, а представлена система для измерения электри-
ческого тока. Здесь введена обратная связь, позволяющая ней-
трализовать эффект Фарадея для выходной световой волны, и
208

по сигналу обратной связи определяется значение тока. При
этом компенсирующее вращение плоскости поляризации вход-
ной волны производится благодаря части оптической системы,
возбуждающей световую волну в волокне, а также прямой ча-
стотной модуляции излучения полупроводникового лазера. На
рис. 6.25, б вверху показано изменение входного электрического
тока, а внизу — изменение инжекционного тока полупроводни-
кового лазера, т. е. выходной сигнал датчика.
Исследована также структура, не подверженная влиянию
двойного лучепреломления в оптическом волокне. На ее основе
спроектирован амперметр с повышенной линейностью и удач-
ным использованием двойного лучепреломления в волокне с со-
хранением поляризации.
6.4. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПОТЕРЬ
6.4.1. Датчик с микроизгибами волокна. На рис. 6.26, а пред-
ставлен общий вид датчика (гидрофона), в котором использу-
ется эффект изменения потерь передачи — потерь на микроизги-
бах. Эти потери возникают вследствие периодического изгибания
волокна под влиянием внешних факторов. В гидрофоне ко-
лебания мембраны от звуковой волны вызывают изменение ам-
плитуды изгибов благодаря механизму соединения. На рис.
6.26, б приведена характеристика чувствительности, подтверж-
дающая возможность обнаружения звукового давления около
0,1 Па (частотная полоса сигнала 1 Гц). Однако при периоди-
ческом боковом давлении на волокно и колебаниях его оси
между модами с разной постоянной распространения происхо-
дит обмен энергией (преобразование мод) в соответствии с пе-
риодом этих колебаний. В данном случае используется преобра-
зование мод между канализируемыми и излучаемыми свето-
выми волнами.
Рис 6.26. Гидрофон с использованием изменения потерь на микроизгибах
209

Проведены теоретические и экспериментальные исследования
механизма возникновения потерь на микроизгибах волокна.
В результате установлено, что многомодовое волокно с квадра-
тичным распределением коэффициента преломления обладает
повышенной чувствительностью к потерям на микроизгибах.
Кроме того, изучается возможность применения настоящего во-
локонно-оптического датчика в качестве тензометра. Предприни-
мались попытки измерять деформацию по изменению потерь на
микроизгибах, вызываемых механическим напряжением, при-
кладываемым вдоль двух вытянутых скрученных волокон.
6.4.2. Датчик с использованием утечки волны. Если с по-
мощью термического вытягивания оптического волокна довести
Рис. 6.27. Измеритель
концентрации метана на
основе поглощения утеч-
ки световой волны
210

Рис. 6.28. Характеристика потерь оптиче-
ского волокна с добавками таллия или
сурьмы при облучении изотопом 60Со
диаметр какого-то участка его до
нескольких микрометров, то от-
сюда канализируемая мода излу-
чается наружу. Если в этой части
волокна окажется вещество, погло-
щающее свет, то резко изменится
интенсивность распространяюще-
гося в волокне света; на основе
этого и можно построить датчик.
На рис. 6.27, а представлена схема измерителя концентрации ме-
тана, работающая по этому принципу. На рис. 6.27, б показан
характер изменения мощности распространяющегося по волокну
света при различной концентрации метана. В датчике этого типа
требуется специальное крепление тонкой части волокна.
6.4.3. Датчик радиоактивного излучения. При воздействии
на оптическое волокно радиоактивного излучения потери во-
локна обычно увеличиваются. В области связи эти потери
необходимо снижать до возможного минимума. С этой целью
исследовались материалы покрытия и сердечника оптических во-
локон. В результате признан оптимальным материалом для сер-
дечника чистый оксид кремния (БЮг). В оптических же волок-
нах с сердечником, содержащим железо, медь, кобальт, а также
добавки бора или фтора (для снижения коэффициента преломле-
ния), под воздействием гамма-лучей и нейтронного пучка по-
тери увеличиваются по сравнению с волокнами, не содержа-
щими этих материалов. Однако одновременно проявляется и так
называемый эффект фотоотбеливания — устранение энергией
света дефектов оптического волокна, вызываемых действием ра-
диоактивных лучей. В результате нарушается линейность зави-
симости потерь в оптическом волокне от дозы излучения. Для
оптических волокон, содержащих таллий и сурьму, эта зависи-
мость получается линейной (рис. 6.28). В подобных датчиках
можно использовать также явление флюоресценции, возникаю-
щей под действием радиоактивного излучения.
6.5. ДАТЧИКИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
Вообще говоря, оптическое волокно как линия передачи ин-
формации одномерно. С учетом этого разрабатываются проце-
дуры измерений распределения физической величины вдоль оп-
тического волокна. Одна из таких процедур — оптическое изме-
211

Зремя (расстояние)
Рис 6.29 Измерение коэффициента отражения путем наблюдения за формой
отраженного сигнала
рение коэффициента отражения путем наблюдения за формой
отраженного сигнала — выполняется посредством датчика рас-
пределения последовательного типа. Другая процедура — прост-
ранственное измерение — реализуется с помощью датчика рас-
пределения параллельного типа (со множеством оптических чув-
ствительных элементов, размещенных вдоль оптического во-
локна как линии передачи).
6.5.1. Датчик распределения последовательного типа, На
рис. 6.29 представлена схема оптической системы (OTDR), пред-
назначенной для измерения коэффициента отражения путем на-
212

блюдения за формой отраженного светового сигнала. В оптиче-
ское волокно подается свет лазера с высокой выходной мощ-
ностью и коротким импульсом излучения, и затем измеряются
параметры обратного рассеяния Рэлея, а также отражения Фре-
неля, происходящих в стыках и местах разрыва оптического во-
локна. Путем обработки с интегрированием повторяющихся им-
пульсов (для повышения отношения сигнал — шум) были полу-
чены результаты, представленные на рис. 6.29, б. Здесь на оси
абсцисс отложено время, соответствующее расстоянию вдоль оп-
тического волокна. По характеру отраженного света можно оп-
ределить потери в волокне и выявить места стыка и разрыва.
При рэлеевском рассеянии мощность обратного света выра-
жается следующей формулой:
р (о=4- u*Sa* ехр (-^ -у-)' (б-14)
где vg—скорость распространения импульса в оптическом во-
локне; ая — коэффициент рассеяния Рэлея; а — средние потери
оптического волокна; S — доля света обратного рассеяния Рэ-
лея; для многомодового оптического волокна с однородным сер-
дечником при коэффициентах преломления сердечника и обо-
лочки соответственно ni и n<i
S = AZ±,, F.15)
Понятно, что в формуле F.14) величина vgt/2 соответствует
расстоянию вдоль оптического волокна (рис. 6.29, б).
Оптическое измерение коэффициента отражения методом на-
блюдения за формой отраженного сигнала впервые было ис-
пользовано в измерителе распределения температур — датчике
на оптическом волокне с жидким сердечником. Обычно коэффи-
циент рэлеевского рассеяния жидкости подвержен более силь-
ной температурной зависимости по сравнению с коэффициентом
для твердого тела. Именно поэтому испытывались системы из-
мерения температуры на основе оптического волокна с жидким
сердечником из гексахлорбутадиена. На рис. 6.30 приведено
распределение температур в зависимости от aR, измеренное этой
системой. Жидкость отличается сильной температурной зависи-
мостью коэффициента преломления, что приводит к измене-
нию 5 [см. формулу F.15)], а температурные изменения, связан-
ные с ur, влияют на P(t) с противоположным этому изменению
знаком. Это влияние устраняется, если из передаваемого волок-
ном света измерять только долю его с малой числовой апер-
турой.
На рис. 6.31 представлено распределение температур, полу-
ченное оптическим измерением коэффициента отражения с на-
213

Рис. 6.30. Характеристики темпера-
турного датчика распределения по-
следовательного типа (система
OTDR) на основе волокна с жид-
ким сердечником
Рис. 6.31. Характеристики темпера-
турного датчика распределения по-
следовательного типа (система
OTDR) с использованием антисток-
совского света при обратном рама-
новском рассеянии в кварцевом во-
локне
блюдением за формой отраженного сигнала. В подобном случае
измеряется рамановское рассеяние в оптическом волокне. При
направлении в волокно света большой мощности с определенной
частотой вследствие тепловых колебаний молекул SiO2 струк-
туры возникает так называемый стоксовский свет с частотой, на
13 ТГц меньшей, и антистоксовский (в противоположном на-
правлении) свет с частотой, на 13 ТГц большей. Последний об-
ладает сравнительно сильной температурной зависимостью даже
в обычном оптическом волокне из SiCb. Поэтому, вычислив от-
ношение мощности антистоксовского и стоксовского света,
можно на этой основе создать измеритель температурного рас-
пределения. Заслуживает внимания то, что можно использовать
обычное оптическое волокно.
Появились сообщения о предупредительном датчике темпе-
ратуры и датчике магнитного поля — соответственно на основе
механизма возникновения потерь от микроизгибов (с помощью
элементов из сплава с запоминанием формы, размещенных
вдоль оптического волокна) и на основе эффекта Фарадея.
6.5.2. Датчик распределения параллельного типа. Исследу-
ются различные структуры со множеством датчиков, размещен-
ных вдоль оптического волокна. На рис. 6.32 показана одна из
подобных структур, построенная на основе интерферометров.
Здесь каждый чувствительный элемент представляет собой ин-
терферометр Маха — Цендера с определенной разностью опти-
ческих путей (/i, h и т. д.) между двумя ответвителями. Если
при этом интервал когерентности источника света достаточно
мал даже по сравнению с минимальным из значений /, товта-
214

Рис. 6.32. Структура датчика рас-
пределения параллельного типа на
базе интерферометра с низкокогерент-
ным источником света
ких интерферометрах сиг-
налы интерференции не обна-
руживаются. Однако при уста-
новке на выходе линии пере-
дачи еще по одному интерфе-
рометру с разностью оптиче-
ских путей (Li = /i, L2=h и
т. д.) в соответствующих све-
топриемниках возникает сиг-
нал интерференции. Напри-
мер, сигнал в светоприемнике
1 соответствует чувствитель-
Рис. 6.33. Датчик распределения параллельного (многоточечного) типа на
основе модуляции интенсивности с разделением во времени: а — с приемно-
передающим волокном; б — с приемным и передающим волокнами
215

ному элементу с разностью оптических путей 1\, которая ком-
пенсируется еще и разностью Lx. В результате выходные сиг-
налы каждого чувствительного элемента можно различить и из-
мерить с помощью светоприемника, включенного на выходе со-
ответствующих добавочных интерферометров. Однако в этом
случае флюктуации фазы источника света (они зависят от
ширины спектра) в силу разности оптических путей приводят
к появлению на выходе амплитудных шумов, что ухудшает
отношение сигнал — шум измерительной системы. Это обстоя-
тельство также является объектом исследования.
На рис. 6.33 представлены схемы волоконно-оптических дат-
чиков параллельного (многоточечного) типа с модуляцией ин-
тенсивности лазерного луча в чувствительных элементах и
опросом датчиков с разделением во времени.
6.6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выше рассмотрены структуры датчиков с оптическим волок-
ном в качестве чувствительного элемента. Весьма высокой чув-
ствительностью отличаются датчики интерферометрического
типа, которые исследуются наиболее активно. При создании
этих датчиков необходимо предусматривать меры по стабили-
зации выходного сигнала. Это достигается преимущественно об-
работкой сигнала, но в то же время и усовершенствованием са-
мих волокон. Внедряются, в частности, оптические волокна с со-
хранением поляризации, волокна, нечувствительные к колеба-
ниям температуры, давлению и т. д. Успешно разрабатываются
специальные оптические волокна, например с жидким сердечни-
ком, с двойным сердечником и др. В дальнейшем можно ожи-
дать появления новых оптических волокон, реализующих раз-
личные идеи.
Одна из особенностей интерферометрических датчиков —
удачное использование характеристик полупроводникового ла-
зера. К подобным датчикам относится и волоконно-оптический
гироскоп, который исследуется весьма активно; среди прочих
волоконно-оптических датчиков интерферометрического типа на
него возлагаются особые надежды (более подробно описан
в гл. 7).
Датчики распределения, разработанные на основе особенно-
стей оптических волокон как линий передачи информации,
также имеют большие перспективы.

Глава седьмая
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ
7.1. ВВЕДЕНИЕ
Волоконно-оптические гироскопы на основе интерферометров
с кольцом из оптического волокна привлекают внимание как
системы, в которых отсутствуют какие-либо подвижные детали.
Они активно исследуются во многих странах мира. В настоя-
щей главе сначала рассматривается эффект Санъяка, лежащий
в основе принципа работы этих гироскопов, затем сравниваются
схемы трех оптических гироскопов: кольцевого лазерного, воло-
конно-оптического и гироскопа пассивного типа с кольцевым ре-
зонатором. Вслед за этим рассматриваются теоретические пре-
делы возможностей волоконно-оптических гироскопов, шумовые
факторы и меры их подавления, примеры достижения высоких
характеристик. В частности, для разрешающей способности и
устойчивости нулевой точки достигнуты значения 0,02°/ч, что
сравнимо с характеристиками высококачественного гироскопа
для самолета. В конце главы затрагиваются тенденции иссле-
дований системы пассивного типа с кольцевым резонатором.
Как уже сказано в гл. 6, волоконно-оптические датчики ин-
терферометрического типа отличаются высокой чувствительно-
стью и уже исследовано множество структур, предназначенных
для измерения различных физических величин. Наибольшее
внимание исследователей и разработчиков привлекают волокон-
но-оптические гироскопы.
Гироскоп выполняет функции детектора угловой скорости
в инерциальном пространстве и по праву может называться
абсолютным тахометром, являясь структурным элементом инер-
циальной навигационной системы, обрабатывающей информа-
цию о местонахождении самолета или судна с целью выведения
его на курс. В состав этой системы обычно входит три гиро-
скопа— для измерения скорости вращения вокруг трех ортого-
нальных осей, три акселерометра — для определения скорости
и расстояния в направлении трех осей и компьютер — для обра-
ботки выходных сигналов этих приборов. К самолетным гиро-
скопам предъявляются очень высокие требования: разрешаю-
щая способность и дрейф нуля 0,01°/ч, динамический диапазон
6 порядков, высокая стабильность A0~5) масштабного коэффи-
циента преобразования угла поворота в выходной сигнал. До
сих пор применялись в основном механические гироскопы, рабо-
тающие на основе эффекта удержания оси вращения тела
в одном направлении инерциального пространства (закон
217

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 до-
стоинств, основные из которых: отсутствие подвижных деталей
и, следовательно, устойчивость к ускорению; простота конструк-
ции; короткое время запуска; высокая чувствительность; высо-
кая линейность характеристик; низкая потребляемая мощность;
высокая надежность.
Кроме того, возможно снижение стоимости волоконно-опти-
ческих 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.
7.2. ЭФФЕКТ САНЬЯКА
Принцип действия оптического гироскопа основан на эф-
фекте Саньяка. По круговому оптическому пути, как показано
на рис. 7.1, 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 расще-
пителе по завершении пути нет фазового сдвига. Однако, когда
оптическая система вращается в инерциальном пространстве
с угловой скоростью Q, между световыми волнами возникает
разность фаз. Это явление и называется эффектом Саньяка.
Рис. 7.1. Принцип возникновения
эффекта Саньяка
218
Рис. 7.2. Эффект Саньяка при
оптическом пути произвольной
формы

Пусть коэффициент преломления на оптическом пути я=1.
При радиусе оптического пути а время достижения расщепи-
теля лучей светом, движущимся по часовой стрелке, выража-
ется как
tr = Bna + aQtr)/c, G.1)
в противоположном направлении —
t, = Bm—aQt,)/c, G.2)
где с — скорость света.
Из формул G.1) и G.2) разность времени распространения
двух световых волн с учетом c»aQ
Д* = tr—t[ = -^-Q = -^-Q. G.3)
с2 с2
Это означает, что появляется разность длины оптических
путей
М = -^- Q G.4)
с
или, иначе говоря, разность фаз
д^ = _!^_й. G.5)
с
Здесь S — площадь, окаймленная оптическим путем; k — волно-
вое число.
Формула G.5) вытекает из формулы G.3) при допущении,
что п=\ и оптический путь имеет круговую форму. Обычно для
произвольной формы оптического пути (рис. 7.2) и произволь-
ного коэффициента преломления разность во времени распро-
странения по оптическому пути, обусловленная эффектом Сань-
яка, выражается следующей формулой:
д^_2_фпгA— ajvdr, G.6)
с2
где v — вектор скорости вращения; йт — вектор элементарного
перемещения по оптическому пути; аа — так называемый коэф-
фициент увлечения (drag coefficient).
Рассмотрим среду с коэффициентом преломления п, движу-
щуюся относительно некоторого инерциального пространства
со скоростью vm. Скорость света «ь распространяющегося
в том же направлении, что и среда, при наблюдении из инер-
циального пространства, выражается следующим образом:
v1 = cln + advm. G.7)
Здесь a<j<l. Если инерциальное пространство заменить ваку-
умом (га=1), то V\=c и a<j = O.
219

Однако в данном случае движение среды относительно инер-
циального пространства равномерно и прямолинейно, поэтому
At = O. С другой стороны, для этого случая
$vdr=0, G.8)
поэтому
ad=l— Cln\ G.9)
где С — постоянная.
При я=1 получается a,j = 0 и, значит, С=1, а следовательно,
At = -^-fvdr. G.10)
При вращательном движении rotv = 2Q, поэтому с помощью
теоремы Стокса выводится следующая формула, идентичная
формуле G.3):
A^-|-JrotvdS = -^-Q. G.11)
С С
Таким образом, формула G.5), получаемая из формулы
G.3), является основной для эффекта Саньяка, не зависящей
от формы оптического пути, положения центра вращения и
коэффициента преломления. Все эти фундаментальные фор-
мулы подтверждены и более строгим анализом, чем по общей
теории относительности.
7.3. СИСТЕМЫ ОПТИЧЕСКИХ ГИРОСКОПОВ
Эффект Саньяка был открыт в 1913 г., но на практике сте-
пень проявления его оказалась весьма низкой и необходим был
ряд идей для реализации эффекта в гироскопе. Например,
когда в 1925 г. Майкельсон и Гале измеряли скорость враще-
ния Земли A5°/ч) на основе этого эффекта, повысить точность
измерений удалось за счет изменения интенсивности интерфе-
ренционного света. Для этого была увеличена оптическая петля
(до размеров 613x339 м), что соответствует увеличению S
в формуле G.5).
На рис. 7.3 приведены общие схемы систем, разработанных
для решения этой проблемы. Кольцевой лазерный гироскоп
(рис. 7.3, а) отличается высокой частотой световой волны — до
нескольких сотен терагерц. Волоконно-оптический гироскоп на
рис. 7.3, б имеет высокую чувствительность, благодаря исполь-
зованию длинного одномодового оптического волокна с низкими
потерями. В оптическом гироскопе пассивного типа с кольцевым
резонатором (рис. 7.3, в) используется острая резонансная ха-
рактеристика резонатора.
7.3.1. Кольцевой лазерный гироскоп. Кольцевой лазерный ги-
роскоп изготовляется подобно газовому лазеру: в кварцевом
блоке путем расплавления создается полость (канал) в форме
220

Рис. 7.3. Структуры гироскопов на эффекте Саньяка
в>г и ш^ — частота генерации света с правым и левым вращением; т —время, необхо-
димое, для однократного прохождения светом кольцевого оптического пути; topsR — пол-
ный спектральный диапазон
треугольника и заполняется смесью гелия и неона. Длина
волны генерируемого лазером излучения 632,8 нм. Обычно ча-
стота генерации изменяется в зависимости от длины лазерного
резонатора. И в данном случае частоты двух генерируемых
световых волн, распространяющихся в противоположных на-
правлениях по треугольному оптическому пути (рис. 7.3,а),
неодинаковы из-за разности оптической длины AL [см. формулу
G.4)]. Поэтому можно использовать для измерений частоту
биений обеих генерируемых световых волн, а именно
А/ =
45
kL
Q.
G.12)
Здесь L — общая длина оптического пути.,в кольцевом резона-
торе) к— длина волны генерации в состоянии покоя.
221

Иначе говоря, измерив Д/, можно определить угловую ско-
рость относительно инерциального пространства. Поскольку,
как уже отмечалось, частота света составляет несколько сотен
терагерц, даже ее незначительные изменения позволяют, изме-
рять разность частот. Если выходным сигналом служит частота,
пропорциональная угловой скорости, то подсчетом выходных
волн можно определить приращение угла поворота в цифровой
форме, что обеспечивает высокую точность информации, пода-
ваемой в навигационное вычислительное устройство. Измерение
частоты возможно в широком динамическом диапазоне, а сле-
довательно, и динамический диапазон кольцевого лазерного
гироскопа вполне можно расширить и сделать достаточным для
инерциальной навигационной системы. В этом большое преиму-
щество данных гироскопов.
Исследование кольцевых лазерных гироскопов началось
в 60-х годах. К настоящему времени достигнута разрешающая
способность и стабильность нулевой точки примерно 0,001°/ч.
В последнее время кольцевые лазерные гироскопы применяются
в инерциальной системе отсчета не только в самолетах «Боинг»
757/767, но и в аэробусах А310. В Японии опубликованы сооб-
щения об измерении ими угловой скорости 0,01°/ч.
Таким образом, кольцевой лазерный гироскоп достиг уже
стадии практического применения, но тем не менее остается
ряд нерешенных проблем:
1. Нелинейность выходного сигнала при малой угловой ско-
рости (влияние синхронизма).
2. Дрейф выходного сигнала из-за газовых потоков в лазере.
3. Изменение длины оптического пути под воздействием
теплового расширения, давления и механических деформаций.
Из этих проблем самой важной является первая. При малых
угловых скоростях уменьшается разность частот генерируемых
световых волн, а это приводит к синхронизму (Д/ = 0) и невоз-
можности обнаружения вращения. (Типичный порог обнаруже-
ния при этом 10°/ч.) Зона нечувствительности, обусловленная
синхронизмом, показана на рис. 7.3, а штриховыми линиями.
Указанная выше разрешающая способность обнаружения
0,001°/ч обеспечивается при подавлении явления синхронизма
путем приведения всей системы к микроколебаниям (метод
Дейза). Но нелинейность при незначительном повороте все же
остается. Кроме того, это означает, что не используется такое
преимущество оптического гироскопа, как его неподвижность.
В кольцевом лазерном гироскопе возникает явление синхро-
низма, так как это активная конструкция и сама оптическая
катушка для обнаружения вращения входит в состав лазерного
генератора. Напротив, в интерферометре Саньяка, представлен-
ном на рис. 7.1, вышеупомянутое явление не возникает, по-
скольку это пассивная конструкция, при которой световой ис-
222

точник находится вне чувствительной петли. Основное внимание
здесь уделяется оптическому волокну, снижению потерь в нем.
7.3.2. Волоконно-оптические гироскопы. Принцип работы.
На рис. 7.4 приведена оптическая схема волоконно-оптического
гироскопа. По сути это интерферометр Саньяка (см. рис. 7.1),
в котором круговой оптический контур заменен на катушку из
длинного одномодового оптического волокна. Часть схемы, об-
веденная штриховой линией, необходима для повышения ста-
бильности нулевой точки. Более подробно функции этой части
схемы описываются в § 7.5. Таким образом, разность фаз между
двумя световыми волнами, обусловленная эффектом Саньяка,
с учетом формулы G.5) выражается как
G.13)
где N — число витков в катушке из волокна; L — длина во-
локна; а — радиус катушки.
Следует обратить внимание на то, что в основные формулы
книги не входит коэффициент преломления света в волокне.
Как уже говорилось в гл. 2, благодаря совершенствованию
технологии производства выпускается волокно с очень низкими
потерями. Однако, чтобы не повредить волокно, намотка про-
изводится на катушку радиусом несколько сантиметров. При
этом не наблюдается сколько-нибудь заметного увеличения по-
терь. Можно создать сравнительно малогабаритный и высоко-
чувствительный интерферометр Саньяка с катушкой неболь-
шого радиуса B... 5 см), намотав на нее волокно большой
длины (от нескольких сотен метров до нескольких километров).
Сформировав оптимальную оптическую систему, можно изме-
рять с высокой точностью изменения фазы (в инерциальной
навигации — порядка 10~6рад), а затем из формулы G.13) опре-
223
Рис. 7.4. Схема волоконно-оптического гироскопа

делять круговую скорость. Все это и составляет, собственно
говоря, принцип работы волоконно-оптического гироскопа.
Поскольку данный волоконно-оптический гироскоп — пассив-
ного типа, в нем отсутствуют такие проблемы, характерные для
кольцевых лазерных гироскопов, как явление синхронизма.
Кроме того, благодаря использованию полупроводникового ис-
точника света, а в будущем — оптических ИС, можно ожидать
уменьшения габаритов, энергопотребления и повышения надеж-
ности гироскопа. С 1976 г. (В. Вали США, университет штата
Юта) изучение этого гироскопа значительно продвинулось.
Пределы обнаружения угловой скорости. В основной опти-
ческой системе на рис. 7.4 в состоянии покоя оптические пути
для света в обоих направлениях обхода будут одинаковы по
длине, а поскольку сигнал на выходе светоприемника изменя-
ется пропорционально 1 + cos Aof>, то гироскоп нечувствителен
к очень малым поворотам. Считается, что в системе с оптималь-
ной чувствительностью теоретические пределы обнаружения
угловой скорости связаны с дробовым шумом светоприемника.
Анализ показывает, что для оптического волокна с потерями
а существует определенная длина, позволяющая оптимизиро-
вать пределы обнаружения при дробовом шуме:
?Опт = 8,7/а. G.14)
чЮ
Рис 7.5. Чувствительность волоконно-оптического гироскопа при дробовом
шуме светоприемника'
а — при оптимальной длине волокна
Мощность лазера 1 мВт; радиус волоконного кольца 15 см; частотная полоса 1 кГц,
чувствительность светоприемника 0,5 А/Вт;
б — при разной длине световой волны
Потери в волокне 2 дБ/км (Х=0,85 мкм), 0,83 дБ/км A,06 мкм), 0,37 дБ/км A,3 мкм),
0,18 д/км A,55 мкм) Мощность входящего света 1 мВт
224

Результаты расчета при типичных значениях параметров
приведены на рис. 7.5, а. Для оптического волокна с потерями
2 дБ/км пределы обнаружения примерно К)-8 рад/с @,001°/ч).
Это как раз значения, применимые в инерциальной навигации.
На рис. 7.5,6 показано, что благодаря увеличению радиуса ка-
тушки с оптическим волокном, а также использованию света
с длиной волны 1,55 мкм, на которой потери в оптическом во-
локне очень низки, возможно создание измерителя оборотов
в инерциальном пространстве с чрезвычайно малым дрейфом.
Это позволяет применять измеритель не только в навигации,
но и в геофизике.
В реальных волоконно-оптических гироскопах возможности
всегда ограничены шумовыми факторами (см. § 7.4 и 7.5).
7.3.3. Оптический гироскоп с кольцевым резонатором пас-
сивного типа. Повысить чувствительность гироскопа на эффекте
Саньяка можно с помощью кольцевого оптического резонатора,
используя для этого полупрозрачное зеркало с высоким коэф-
фициентом отражения (см. рис. 7.3, в). Резонатор представляет
собой интерферометр Фабри—Перо (см. гл. 6) в форме кольца.
При этом выходной сигнал светоприемника резко реагирует
на изменение фазы ют при однократном прохождении световой
волной кольцевого оптического пути. Следовательно, можно
создать высокочувствительный датчик, например, измеряющий
смещение резонансного пика, обусловленное поворотом. Дру-
гими словами, можно уменьшить длину волокна чувствитель-
ного кольца, а если гироскоп среднего класса, то вполне можно
использовать даже одновитковое волоконное кольцо, соединен-
ное с оптической интегральной схемой.
В подобной структуре гироскопа для получения острой резо-
нансной характеристики требуется световой источник с высокой
когерентностью излучения, в то время как в волоконно-оптиче-
ском гироскопе, описанном ранее (см. рис. 7.3,6), для улучше-
ния характеристик требуется, наоборот, световой источнике низ-
кой когерентностью, но об этом более подробно в § 7.6.
7.4. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Принципиальная оптическая схема волоконно-оптического
i ироскопа приведена на рис. 7.4, но, как уже отмечалось, эта
гхема не обнаруживает малых поворотов гироскопа, так как
и ней входной интерференционный сигнал изменяется в соот-
нетствии со значением соэДф. Для решения этой проблемы,
т. е. для повышения чувствительности гироскопа, предлагаются
различные методы: смещения разности фаз, фазовой модуля-
ции, изменения частоты и светового гетеродинирования.
7.4.1. Смещение разности фаз. Если между двумя световыми
волнами, идущими по кольцу навстречу друг другу, установить
225

Рис. 7.6. Волоконно-оптический гироскоп гомодинвой системы с разделением
оптических путей
смещение разности фаз в л/2 рад, то изменение выходного ин-
терференционного сигнала относительно разности фаз Д\|) све-
товых волн в соответствии с эффектом Саньяка будет пропор-
ционально sin Дя|з, что означает повышение чувствительности.
Однако для высокоточных гироскопов инерциальной навигации
требуется обнаружение очень малых (порядка Ю рад) изме-
нений фазы и поскольку смещение я/2 рад уже велико, то воз-
никает проблема стабилизации этого смещения.
Для общего представления рассмотрим пример гироскопа
со смещением фазовой разности. Экспериментальная система,
работающая по гомодинному методу с разделением оптических
путей (рис. 7.6, с), впервые была успешно применена в Японии
для обнаружения вращения. Верхняя часть гироскопа представ-
ляет собой катушку диаметром 60 см, намотанную из оптиче-
ского волокна длиной 300 мм, а нижняя часть — интерферометр.
Все это размещено на вращающемся столе, удобном для экспе-
риментов с гироскопом. На рис. 7.6, б приведены результаты
измерений. Разрешающая способность гироскопа составляла
0,057с A980 г.).
Метод смещения фазовой разности исследовался в различ-
ных научных учреждениях. При этом в университете штата Юта
и в Исследовательской лаборатории ВМС США применялся
невзаимный фазовращатель; в Массачусетском технологическом
институте использовались волны с ортогональной поляризацией;
в Токийском университете применялся метод нулевых биений
при разделении оптических путей; в фирме «Фудзицу» исполь-
зовался ответвитель из анизотропного кристалла.
226

1976 г
Предложение ун-т штата Юта A976 г )
Проектирование системы A977 г )
Повышение чувствительности
Анализ шумовых факторов A977 г )
Меры подавлении шумов
Расширение динамического диапазона
и стабилизация масштабного коэффициента
Метод изменения частоты
Массачусетский технологический ин т и др
Метод светового гетеродин
Токийский ун т A982 г.
Методы миниатюризации
и интеграции
Микрооптика A979 г )
"Дуглас',SEL (метод
изменения частоты) и др
Токийский ун т
NEC (световое
гетеродин ирование)
Интеграция оптических схем
NEC (метод изменения
частоты!, 1984 г
ирования
и др
I
\
I
i
I
1984 г
Стабилизация нулевой точки
и повышение
разрешающей способности
Преобразование частоты
SEL A983 г ), 1%
Метод светового
гетеродин ирования
(стабилизация опорной фазы)
Токийский ун т, NEC A984 г )
I L^
±
Методы миниатюризации
и интеграции
Полное внедрение оптического
волокна A982 гJ
Стаффордский ун т,
"Томсон ЦСФ", NRL, NTT,
"Телефункен '
Интеграция оптических схем
A982 г) "Томсон ЦСФ',
STL, SEL и др
Микрооптика "Сумию денко"
и др
Исследование частотных сдвигателей на световых волноводах
и оптических волокнах Гамбургский примышленный ин т
Сгаффордскии ун г и др
Метод фазовой модуляции Массачусетский технологический ин т,
"Томсон ЦСФ и др
Стабилизация нулевой точки
и повышение разрешающей способности
Метод фазовой модуляции
Стаффордский ун т, ин т Макса Планка и др
Повышение чувствительности до 0,02D/4
A982 г } Стаффордский ун т
Г'
Расширение динамического диапазона
и стабилизация масштабного коэффициента
Метод формирования
опорного сигнала
A983 г )
"Телефункен' ,
"Сумию денко" и др
К ваз иг етерод и н и ы й
метод A984 г )
Дортмундскии ун т,
Стаффордский ун-т,
ун т Киото и др
Рис 7 7 Этапы и направления исследований волоконно-оптических гироскопов

Прежде чем приступить к рассмотрению методов фазовой
модуляции, изменения частоты и светового гетеродинирования,
необходимо перечислить основные этапы и направления иссле-
дований с применением названных методов. Об этом дает пред-
ставление схема на рис. 7.7.
7.4.2. Фазовая модуляция. Общая схема оптической системы
гироскопа с фазовой модуляцией приведена на/рис. 7.8. Фазо-
вый модулятор присоединен к концу волокна, используемого
в качестве чувствительного элемента (в центре основной опти-
ческой системы, рис. 7.4). Это — важная особенность данного
метода. Модуляция световых волн, идущих по часовой стрелке
и против нее, зависит от их взаимной синхронизации. Состав-
ляющая Uo основной гармоники в выходном сигнале, получен-
ном в результате интерференции двух световых волн, выража-
ется следующей формулой:
G0 = /CJi (л) sin Ачр,
где К — постоянная; J\ — функция Бесселя;
Tj = 2ф sin nf0T.
G.15)
G.16)
В последней формуле fo и ср соответственно модулирующая
частота и глубина модуляции, а Т — время распространения
световой волны в оптическом волокне, иначе говоря, эта фор-
мула выражает временное различие в фазовой модуляции све-
Выходной сигнал
Рис. 7.8. Волоконно-оптический гироскоп с фазовой модуляцией
228

товых волн, идущих в противоположных направлениях. При
ti = 1,8 функция /i (r\) имеет максимальное значение. В гиро-
скопе на рис. 7.8, благодаря детектированию основной гармо-
ники световой волны, выходной сигнал пропорционален sin Aip,
т. е. чувствительность повышенная. Используемый в модовом
фильтре поляризатор необходим для обеспечения нормальной
работы гироскопа, о чем более подробно будет сказано в § 7.5.
В этой системе, как следует из формул G.15) и G.16), мас-
штабный коэффициент будет изменяться в зависимости от глу-
бины модуляции <р. При использовании поляризатора колеба-
ния состояния поляризованной волны в оптическом волокне вы-
зывают колебания и выходного сигнала оптического приемника,
а это, в свою очередь, приводит к изменениям масштабного
коэффициента. Если, кроме того, состояние поляризации волны
в оптическом волокне колеблется из-за фазового модулятора и
по-прежнему используется поляризатор, то интенсивность вы-
ходного сигнала модулируется с частотой /о и возникает дрейф
нуля. Для решения этой проблемы желательно, чтобы
'•-ST- G17)
где п — эквивалентный коэффициент преломления; L — длина
волокна.
Данная система характеризуется повышенной разрешающей
способностью и стабильностью нулевой точки. В различных ин-
формационных источниках сообщается об экспериментальных
системах с такими же характеристиками.
Метод фазовой модуляции исследовался в институте Макса
Планка, в фирмах «АЕГ-Телефункен», «Симменс» (ФРГ), «Том-
сон ЦСФ» (Франция) и в Стаффордском университете (США).
Была получена разрешающая способность до 0,0227ч при ин-
тервале интегрирования 1 с. Дрейф нуля — до 0,02°/ч при ин-
тервале интегрирования 30 мин. При этом достижение стабиль-
ности масштабного коэффициента и широкого динамического
диапазона было связано с определенными трудностями
(см. § 7.5).
7.4.3. Изменение частоты. Как сказано выше, при методе
фазовой модуляции труднодостижим широкий динамический
диапазон и стабильность масштабного коэффициента. Одно из
технических решений этой проблемы — включение в оптическую
систему фазового сдвигателя световой волны с большим дина-
мическим диапазоном и хорошими линейными характеристи-
ками и применение нулевого метода (гомодинирования). Все
это сводится к изменению частоты. На рис. 7.9 приведена струк-
тура гироскопа, который спроектирован С. Эзекиелем и дру-
гими на базе метода изменения частоты. В данной системе
между световыми лучами с левым и правым вращением плос-
229

Рис. 7.9. Волоконно-оптический гироскоп с изменением частоты
кости поляризации благодаря частотному сдвигателю (акусто-
оптическому модулятору — АОМ) возникает частотная разность
Дш = 2я (f\—/2). При этом в светоприемнике возникает разность
фаз Д\|э, пропорциональная частотной разности:
д,|,= _^д@1 G.18)
с
что позволяет реализовать здесь нулевой метод, т. е. компенси-
ровать разность фаз, обусловленную эффектом Саньяка.
Для этого регулируется частота /ь С учетом формул G.13)
и G.18) получается
G.19)
т. е. изменение частоты возбуждения АОМ должно быть про-
порционально угловой скорости Q.
Формула G.19) напоминает формулу G.12) для кольцевых
лазерных гироскопов. Значит, подсчетом Д/ можно определить
угловое положение. При этом достигается широкий динамиче-
ский диапазон. К тому же в отличие от метода фазовой моду-
ляции в выражение масштабного коэффициента не входит глу-
бина модуляции и мощность источника света, а следовательно,
сравнительно легко добиться стабильности работы такого дат-
чика.
230

Когда гироскоп находится в состоянии покоя, то между
световыми волнами, распространяющимися в волокне в проти-
воположных направлениях, имеется смещение частотной раз-
ности До)ь и при колебаниях центральной частоты источника
света и длины оптического волокна возникает дрейф сигнала
(см. § 7.5). Кроме того, иногда частота возбуждения АОМ до-
стигает примерно 100 МГц, т. е. становится больше того зна-
чения Д/, которое компенсирует так называемое входное вра-
щение и определяется из формулы G.19). Поэтому, как пока-
зано на рис. 7.9, используя два АОМ, добиваются Дсоь = 0. А для
ликвидации фазового изменения, обусловленного эффектом
Саньяка, оставляется только минимальная необходимая частот-
ная разность Af.
Поскольку в этом случае на участке между двумя АОМ све-
товые лучи с левым и правым вращением плоскости поляриза-
ции сохраняют большую частотную разность (около 200 МГц),
то дрейф, возникающий вследствие изменения длины оптиче-
ского пути (изменение длины, в свою очередь, вызвано темпе-
ратурными отклонениями и механическими колебаниями этой
части гироскопа), не оказывает влияния на характеристики
метода фазовой модуляции. Поэтому проводится поиск опти-
мального размещения АОМ и улучшаются характеристики ча-
стотного сдвигателя (см. § 7.6).
Чувствительность гироскопа со схемой на рис. 7.9 повыша-
ется так же, как описано в п. 7.4.2, с помощью электронно-
оптического фазового модулятора (ЭОМ), и в целом данную
систему можно считать улучшенным вариантом системы с фа-
зовой модуляцией. Практически, если исключить АОМ, гиро-
скопы на рис. 7.8 и 7.9 структурно одинаковы.
Метод изменения частоты исследовался в Массачусетском
технологическом институте и ряде других научных учреждений.
Был достигнут динамический диапазон в шесть порядков.
В качестве недостатка метода отмечалась зависимость масш-
табного коэффициента от коэффициента преломления волокна.
7.4.4. Световое гетеродинирование. При методах, описанных
выше, частота световых волн с левым и правым вращением
плоскости поляризации при входе светового детектора всегда
одинакова, т. е. это методы гомодинного детектирования. Рас-
смотрим структуры интерферометров для гироскопов с гетеро-
динным детектированием. При этом, как показано в гл. 6, раз-
ность фаз между двумя световыми волнами проявляется как
фаза электрического сигнала разностной частоты и легко из-
меряется электрическим фазометром, что также допускает при-
менение нулевого метода.
Существует много вариантов применения светового гетеро-
динирования в волоконно-оптическом гироскопе. Здесь предла-
гается один из них, разработанный автором главы.
231

Рис. 7.10. Оптическая система волоконного гироскопа со световым гетероди-
нированием
Структура оптической системы гироскопа со световым гете-
родинированием представлена на рис. 7.10. Световой луч раз-
деляется с помощью дифракционной решетки на два луча
с очень маленьким углом расхождения (около 10 мрад). Эти
лучи, пройдя оптическое волокно в противоположных направ-
лениях, подаются на АОМ. Угол дифракции АОМ такой же, как
и у дифракционной решетки, вследствие чего АОМ здесь ис-
пользуется не только как частотный сдвигатель, но и как на-
правленный ответвитель, а светоприемное устройство выдает
сигнал разностной частоты. В данной оптической системе воз-
можно разделение световых лучей, двигающихся в противопо-
ложных направлениях, но вследствие чрезвычайно малого угла
дифракции эти лучи взаимодействуют и дрейф, обусловленный
колебаниями среды, ослабляется. Кроме того, обычно при раз-
ности длины оптических путей возникает дрейф выходного сиг-
нала вследствие частотного отклонения излучения источника,
но в данной структуре эта разность очень мала. К тому же
между лучами частотная разность отсутствует, а значит, про-
блем с частотным смещением (см. п. 7.4.3) здесь тоже нет.
На рис. 7.11 приведена электронная схема измерителя фазы
выходного сигнала в структуре на рис. 7.10 по нулевому методу.
232

Рис. 7.11. Схема измерителя фазы выходного сигнала для волоконно-оптиче-
ского гироскопа со световым гетеродинированием
Точная временная задержка Та обеспечивается прибором на
зарядовых связях (ПЗС). Для этой схемы справедливо
G.20)
(N — целое число), т. е. здесь получается частотное изменение
Af2 электрического сигнала, пропорциональное угловой скорости
Q, как и в гироскопе типа RLG или волоконно-оптическом гиро-
скопе с изменением частоты, что очень удобно для практиче-
ской реализации устройства.
Что касается характеристик этой системы, а также сопутст-
вующих проблем, то они будут рассмотрены в § 7.6.
Метод светового гетеродинирования исследовался в Токий-
ском университете, фирмах «Рокуэлл Интернейшнл», «Мартин-
Мариэтта> (США) и др. В частности, в Токийском универси-
тете были достигнуты разрешающая способность 5°/ч и дина-
мический диапазон в 5 порядков.
7.5. ШУМОВЫЕ ФАКТОРЫ
И МЕТОДЫ ИХ УСТРАНЕНИЯ
В предыдущем параграфе рассматривались методы повыше-
ния чувствительности волоконно-оптических гироскопов. Однако
реализация этих методов еще не обеспечивает высокой стабиль-
ности и чувствительности, необходимо учитывать шумовые фак-
торы и принимать меры по их устранению.
7.5.1. Основные оптические системы с повышенной стабиль-
ностью. Для достижения высокой стабильности необходимо,
233

чтобы внешние возмущения, воспринимаемые световыми лу-
чами, движущимися в противоположных направлениях, были
совершенно одинаковыми, т. е. не проявлялись бы на выходе.
От гироскопов инерциальной навигации требуется стабильность
0,01 .. .0,001°/ч при высокой разрешающей способности (при-
мерно 10~6 рад). В идеале должно быть так: световые лучи,
движущиеся в противоположных направленииях,— одномодо-
вые, проходят одинаковый по длине оптический путь и сохра-
няют, поляризацию.
В основной оптической системе, показанной на рис. 7.4, при
использовании светоприемника 1 свет дважды отражается рас-
щепителем луча и, кроме того, дважды проходит сквозь него.
При этом условие одинаковой длины оптического пути выпол-
няется не совсем точно и вследствие температурных колебаний
характеристик расщепителя луча на выходе возникает дрейф.
При использовании светоприемника 2 происходит то же самое.
Чтобы световые лучи, введенные в оптическое волокно и излу-
чаемые волокном, проходили одинаковый оптический путь, объ-
единялись и разъединялись в одной и той же точке расщепи-
теля луча, а также имели бы одинаковую моду, необходимо
между расщепителями луча установить пространственный
фильтр. В этом фильтре желательно использовать одномодовое
оптическое волокно — то же, что и для чувствительной катушки.
В оптических системах гироскопа с фазовой модуляцией и ги-
роскопа с изменением частоты (см. рис. 7.8, 7.9) подобных
проблем нет.
Обычно в одномодовом оптическом волокне возможно рас-
пространение двух независимых мод с ортогональной поляри-
зацией. Но поскольку оптические волокна обладают не совсем
строгой осевой симметрией, фазовые постоянные этих двух мод
различны. Однако между модами двух поляризаций происходит
обмен энергией, характеристики которого изменяются под внеш-
ним воздействием, поэтому излученный волокном свет обычно
приобретает круговую поляризацию с неустойчивыми парамет-
рами. Все это приводит к дрейфу выходного сигнала.
Если же на оптическом пути поместить, как это показано
в обведенной штриховой линией части на рис. 7.4, поляризаци-
онную пластину, т. е. пустить на оптический путь интерферо-
метра световую волну с единственной поляризацией и в излу-
чаемом свете выделить только составляющую с такой же поля-
ризацией, то передаточная функция кольцевого оптического
пути (оптического волокна) для лучей с противоположным на-
правлением движения будет одинакова и тем самым проблема
решена. Но и в этом случае остаются колебания мощ-
ности света, достигшего светоприемника, поэтому необходимо
принять еще меры по стабилизации масштабного коэффици-
ента (Особенно это важно при фазовой модуляции, где непри-
234

емлем нулевой метод.) Одна из таких мер—введение деполяри-
затора, который компенсирует колебания поляризации в опти-
ческом волокне и делает состояние поляризации произвольным,
или введение оптического волокна, сохраняющего поляризацию.
В гироскопах с изменением частоты или со световым гетероди-
нированием эффективное решение проблемы, как уже говори-
лось ранее,— нулевой метод.
Для устранения дрейфа, обусловленного колебаниями поля-
ризации в оптическом волокне, требуется поляризатор с очень
большим затуханием (около 90 дБ), но это требование смягча-
ется при использовании оптического волокна с сохранением
поляризации и источника света с низкой когерентностью. В оп-
тическом волокне с сохранением поляризации из-за разности
фазовых постоянных ДЛ5. мод с ортогональной поляризацией
возникает разность длины оптического пути для этих мод,
Таблица 7.1. Шумовые факторы в волоконно-оптических
гироскопах
Шумовой фактор
Рекомендуемые меры по снижению шума
Колебания поляризации в оптическом
волокне, например преобразование
линейной поляризации в круговую
в одномодовом волокне
Разность длины оптических путей для
световых волн, идущих в противопо-
ложных направлениях, при динами-
ческой нестабильности спектра ис-
точника света
Разность частот волн, идущих по во-
локну в противоположных направле-
ниях, при колебаниях температуры
Неравномерность распределения тем-
пературы вдоль волокна
Изменение фазы выходного сигнала
из-за эффекта Фарадея в волокне
под воздействием колебаний магнит-
ного поля Земли
Колебания (в расщепителе луча) отно-
шения интенсивности прямого и об-
ратного луча вследствие оптического
эффекта Керра
Интерференция прямого луча и луча
обратного рассеяния Рэлея
Включение на выходе волокна анали-
затора, для того чтобы выделить со-
ставляющую поляризации одного
направления
Стабилизация спектра источника света
Использование двух акустооптических
модуляторов или модуляция прямо-
угольными импульсами
Намотка оптического волокна, при ко-
торой распределение температуры
симметрично относительно середины
катушки
Магнитное экранирование и использо-
вание волокна с сохранением поля-
ризации
Модуляция излучаемого света прямо-
угольными импульсами со скважно-
стью 50 %; использование широко-
полосного источника света
Фазовая модуляция световой волны;
импульсная частотная модуляция
лазерного излучения; использование
слабоинтерферирующего источника
235

Рис. 7.12. Основные шумовые факторы в чувствительном крльце из оптиче-
ского волокна
поэтому использование источника с низкой когерентностью излу-
чения делает невозможным интерференцию между модами.
Аналогичного эффекта можно добиться и при использовании
деполяризатора.
7.5.2. Дрейф. В табл. 7.1 приведены причины дрейфа в воло-
конно-оптическом гироскопе, а рис. 7.12 поясняет это на конк-
ретном примере. В системах, где возникает разность длины
оптических путей для лучей, движущихся в противоположных
направлениях, наблюдается дрейф выходного сигнала, пропор-
циональный температурным колебаниям частоты источника
света и самой длины оптических путей.
При разности частот Ашь между световыми волнами, темпе-
ратурных колебаниях длины L волокна и его группового коэф-
фициента преломления N дрейф будет выражаться как
dty _ AoatnL /I dN . 1 dL \ ,- „n
dt ~~ с \ N dT L dT )' '
Если частотный сдвиг типичного АОМ около 100 МГц, то
при оптическом волокне длиной 1 км только от колебаний тем-
пературы в пределах 0,01 °С возникает дрейф, соизмеримый
со скоростью вращения земного шара. Следовательно, при ме-
тодах изменения частоты и светового гетеродинирования необ-
ходимо, чтобы Д(оь=0.
Поскольку время распространения световой волны в волокне
конечно (примерно 5 мкс/км), дрейф выходного сигнала возни-
кает и при колебаниях средней температуры вдоль волокна (см.
рис. 7.12). Экспериментальные данные приведены на рис. 7.13.
Чувствительный элемент гироскопа выполнен в виде катушки
из оптического волокна. Внутри и снаружи катушки можно
устанавливать произвольную разность температур. Дрейф про-
236

Рис. 7.13. Дрейф в волоконно-оптическом гироскопе, обусловленный колеба-
ниями температурного распределения в чувствительном кольце из оптиче-
ского волокна
порционален производной по времени от разности температур.
При распределении температур, симметричном относительно
середины катушки, колебания температуры не сказываются на
выходном сигнале, поэтому один из способов предупреждения
дрейфа — оптимальная намотка оптического волокна.
Кроме того, отмечено, что под влиянием магнитного поля
Земли оптическое волокно уподобляется элементу Фарадея, но
Рис. 7.14. Дрейф в волоконно-оптиче-
ском гироскопе, обусловленный эффек-
том Фарадея
Рис 7.15. Зависимость дрей-
фа, обусловленного эффектом
Фарадея в магнитном поле
Земли, от коэффициента двой-
ного лучепреломления в скру-
ченном волокне длиной 1000 м
237

вследствие некоторой осевой асимметрии оно работает как за-
медлитель, в результате чего возникает дрейф, соизмеримый
со скоростью вращения Земли. На рис. 7.14 показан дрейф, вы-
званный эффектом Фарадея при воздействии на гироскоп маг-
нитного поля, в 100 раз более сильного, чем магнитное поле
Земли. Экспериментально проверено, что для ликвидации этого
дрейфа кроме магнитного экранирования катушки из оптиче-
ского волокна эффективно также использование волокна с со-
хранением поляризации, которое затрудняет вращение плоско-
сти поляризации, обусловленное эффектом Фарадея.
Результаты проведенного эксперимента представлены на
рис. 7.15. В качестве исследуемого образца была взята конст-
рукция со скрученным оптическим волокном. При намотке обыч-
ного одномодового волокна возникает двойное лучепреломление
(коэффициент Др), поэтому благодаря скручиванию эта конст-
рукция работает как замедлитель. Используя волокно с доста-
точно большим коэффициентом Др* (около 5000 рад/м), можно
уменьшить дрейф. Результаты аналогичного анализа показы-
вают, что при спектре мощности W света в скрученном волокне
дрейф выразится как
b$ = J&-J2SW~, G.22)
др
где ?0— угол Фарадея на единицу длины волокна; S — пло-
щадь, охватываемая витком катушки.
Из формулы видно, что устранением скручивания можно
уменьшить дрейф, обусловленный эффектом Фарадея. Умень-
шить этот дрейф можно и посредством так называемого поля-
ризующего оптического волокна с большой разницей в коэффи-
циентах затухания между ортогонально поляризованными мо-
дами или оптического волокна, пропускающего свет с единст-
венной поляризацией.
Дрейф возникает также вследствие эффекта Керра, при ко-
тором коэффициент преломления изменяется пропорционально
интенсивности распространяющегося в оптическом волокне
света. Поскольку соотношение интенсивности лучей, движу-
щихся в противоположных направлениях, 1:2, то при колеба-
ниях коэффициента разделения расщепителя луча (работаю-
щего со светом обоих направлений) возникает дрейф выходного
сигнала, соизмеримый со скоростью вращения Земли. Резуль-
таты эксперимента с этим эффектом приведены на рис. 7.16.
Мерой противодействия служила модуляция интенсивности
света импульсами со скважностью 50 %• При этом происходит
взаимная компенсация влияния обеих световых волн. Кроме
того, можно использовать источник света с широким спектром.
7.5.3. Факторы, ограничивающие разрешающую способ-
ность. Среди факторов, ограничивающих кратковременную раз-
238

Рис. 7.16. Дрейф, обусловленный опти-
ческим эффектом Керра
решающую способность, наибо-
лее сильное влияние оказывает
обратное рассеяние по оптиче-
скому пути. Свет отражения
Френеля от поверхностей элемен-
тов оптической системы или свет
обратного рассеяния Рэлея, на-
пример, в самом оптическом во-
локне интерферирует со светом
сигнала, что приводит к возник-
новению множества шумов. Для
борьбы с ними предлагаются модуляция фазы .световой волны,
импульсные методы, а также метод, при котором используется
источник света с широким спектром и низкой когерентностью,
ухудшающий интерференцию из-за большой разности длины
оптического пути для света обратного рассеяния Рэлея и света
сигнала. (Таким источником может служить многомодовый по-
лупроводниковый лазер или суперлюминесцентный диод.)
Шумы выходного сигнала гироскопа можно выразить сле-
дующей формулой:
G.23)
где осо — потери рассеяния Рэлея в оптическом волокне; Рд —
доля светового рассеяния Рэлея, распространяющаяся в обрат-
ном направлении; Afs—ширина спектра источника света.
На рис. 7.17 представлены результаты эксперимента, пока-
зывающие, как по мере расширения спектра излучения повы-
шается разрешающая способность волоконно-оптического гиро-
Ряс. 7.17» Уменьшение шумов рэлеевского рассеяния посредством расширения
спектра светового источника
239

скопа. Имеются также более тонкие исследования в отношении
рассеяния Рэлея.
Таким образом, в волоконно-оптических гироскопах умень-
шение когерентности источника света эффективно для снижения
не только шумов рассеяния Рэлея, но и шумов эффекта Керра.
Более того, подобные источники света, как отмечалось в п. 7.5.1,
смягчают требования к коэффициенту подавления поляриза-
тора.
7.6. ХАРАКТЕРИСТИКИ И МЕТОДЫ ИХ УЛУЧШЕНИЯ
В настоящее время разработаны экспериментальные си-
стемы, в которых приняты меры по повышению чувствитель-
ности и по снижению шумов. В этих системах, работающих по
методу фазовой модуляции, изменения частоты и светового ге-
теродинирования, достигнута разрешающая способность, позво-
ляющая измерять скорости, равные или меньшие скорости соб-
ственного вращения Земли A5°/ч = 7,3-10~5 рад/с). Особенно
велики достижения в системах с фазовой модуляцией, у кото-
рых разрешающая способность и дрейф примерно 0,02°/ч, что
приемлемо для инерциальной навигации.
Исследуется возможность реализации гироскопов с исполь-
зованием технологии микрооптики, функциональных волокон-
ных и волноводных элементов (см. рис. 7.7). Уже выпускаются
волоконно-оптические гироскопы с разрешающей способностью
Г/ч. Кроме того, углубляется изучение систем, пригодных для
инерциальной навигации.
7.6.1. Система с фазовой модуляцией. На рис. 7.18 представ-
лена оптическая система гироскопа, разработанная в Стаф-
фордском университете, на одномодовом оптическом волокне,
Рис. 7.18. Волоконно-оптический гироскоп с фазовой модуляцией, выполнен-
ный на волоконных функциональных элементах
240

Рис. 7.19. Разрешающая способность (а) и характеристика стабилизации ну-
левой точки (б) волоконно-оптического гироскопа (р^ис. 7.18)
подвергнутом в некоторых местах специальной обработке,
а именно: регулятор поляризационного типа (см. гл. 2), на-
правленный ответвитель, поляризатор, фазовый модулятор и
другие — функциональные элементы на оптическом волокне,
полученные путем его обработки. Радиус кольца из оптиче-
ского волокна 7 см, длина волокна 580 м. Эта система полно-
стью удовлетворяет трем условиям, перечисленным в п. 7.5.1.
Таким образом, в гироскопе устранено отражение от поверх-
ностей различных элементов оптической системы. К тому же
использование многомодового полупроводникового лазера в ка-
честве источника света снижает когерентность системы и тем
самым уменьшает шумы, обусловленные рассеянием Рэлея.
Уменьшению этих шумов способствует и то, что система выпол-
нена по принципу фазовой модуляции. В гироскопе, показан-
ном на рис. 7.18, достигается разрешающая способность
0,022°/ч (рис. 7.19, а). При этом время интегрирования состав-
ляет 1 с. Путем специальной намотки оптического волокна ос-
лабляется влияние температурных колебаний, а с применением
магнитного экрана и многомодового полупроводникового ла-
зера снижается дрейф, обусловленный эффектом Керра, и
уменьшаются колебания нулевой точки (рис. 7.19,6, 0,02°/ч
при времени интегрирования 30 с). Однако компенсация коле-
баний поляризации в оптическом волокне, похоже, недоста-
точна, во всяком случае экспериментальные данные о стабиль-
ности масштабного коэффициента не приведены.
Для уменьшения колебаний поляризации предложена фазо-
вая модуляция выходного сигнала с использованием основной
волны и второй гармоники, а также метод, при котором изме-
241

Рис. 7.20. Гироскоп со световым квазигетеродинированием
ряются гармоники выходного сигнала светоприемника и состав-
ляющая постоянного тока, затем выделяется расчетным путем
флюктуационная составляющая масштабного коэффициента.
Пробуют также вводить в систему оптическое волокно с со-
хранением поляризации, выполнять фазовый модулятор с на-
правленными ответвителями, а остальные элементы — в виде
волноводных устройств. Эксперименты с такими гироскопами
дают разрешающую способность от 0,02 до нескольких граду-
сов в час (время интегрирования 1 с). Для повышения разре-
шающей способности и уменьшения дрейфа нуля эффективно
также использование суперлюминесцентного диода, обладаю-
щего низкой когерентностью (ширина волнового спектра коге-
рентности 20 мкм).
На рис. 7.20, а представлена система, в которой сигнал воз-
буждения фазового модулятора формируется путем интегриро-
вания пилообразного напряжения и на выходе получа-
ется сигнал квазигетеродинирования. На рис. 7.20, б показано
изменение фазы электрического сигнала переменного тока при
вращении гироскопа. Имеются и другие попытки реализации
квазигетеродинного светового метода на основе фазовой моду-
242

ляции. Например, система комбинируется со схемой обработки
фазы (см. рис. 7.11), что позволяет расширить динамический
диапазон и стабилизировать масштабный коэффициент, т. е.
скомпенсировать недостатки метода фазовой модуляции. Однако
в этой системе, как уже отмечалось в гл. 6, требуется точная
установка параметров формы модулирующего сигнала и трудно
добиться технических характеристик, удовлетворяющих инерци-
альную навигацию. Путем манипуляций с формой модулирую-
щего сигнала практически реализуется нулевой метод, но при
этом возникает проблема со стабилизацией нулевой точки.
В любом случае система с фазовой модуляцией превосходит
другие системы по разрешающей способности и стабильности
нулевой точки и к тому же относительно проста. Поэтому рас-
ширяются работы по миниатюризации этой системы путем соз-
дания волоконных и волноводных функциональных оптических
элементов, приборов интегральной оптики. В частности, запад-
ногерманская фирма SEL уже выпускает гироскопы с разре-
шающей способностью около 15°/ч и линейностью в пределах
1 %, где для фазового модулятора используются волноводные
оптические элементы. Длина волокна 100 м, радиус чувстви-
тельности катушки из оптического волокна около 3,5 см, габа-
риты 80X80X25 мм, масса 200 г.
7.6.2. Системы с изменением частоты. На рис. 7.21, а пред-
ставлена структура волоконно-оптического гироскопа с измене-
нием частоты, разработанного западногерманской фирмой SEL.
В нем два опорных генератора с частотой fL и fH, с помощью
которых устанавливается разность фаз л, которая коммутиру-
ется с частотой /с. Все это позволяет увеличить чувствитель-
ность. В частности, в стационарном режиме частота / возбуж-
дения АОМ1 равна (^+/н)/2, т. е. при коммутации между /я
и fL выходной сигнал интерферометра не изменяется. В режиме
с установившейся частотой f составляющая fc на выходе интер-
ферометра отсутствует, что может быть основой для обратной
связи для генератора, управляемого напряжением. При враще-
нии гироскопа частота / отклоняется от значения (/^+/н)/2 и
в соответствии с установившейся разностью можно определить
по формуле G.19) скорость этого вращения.
В данной системе эффективно снижаются шумы, поскольку
частота fc определяется как величина, обратная периоду рас-
пространения световой волны по катушке с оптическим волок-
ном, а частота света сигнала и света обратного рассеяния Рэ-
лея обычно различается только как /н—/ь- Динамический диа-
пазон, как видно на рис. 7.21,6, простирается на шесть поряд-
ков, что является особенностью метода изменения частоты.
Если расстояние от модуляторов АО Ml и АОМ2 до расщепи-
теля луча неодинаково, возникает дрейф нуля, как в гироскопе
на рис. 7.9. Из-за этого стабильность нулевой точки ухудша-
243

Рис. 7.21. Волоконно-оптический гироскоп с изменением частоты и комму-
тацией частот
ется до стабильности в системе с фазовой модуляцией. Тем не
менее эти изделия уже выпускаются (с дрейфом около 3°/ч).
В них длина оптического волокна 1 км, радиус катушки 5 см.
Угловое смещение на каждый отсчет частоты выходного сиг-
нала составляет 2,95 с.
Метод изменения частоты структурно базируется на методе
фазовой модуляции. Считается, что он позволяет повысить раз-
решающую способность и стабильность нулевой точки. При этом
основные сложности связаны с частотным сдвигателем. Если
244

Кольцо из оптического
волокна
Рис. 7.22. Волоконно-оптический гироскоп с изменением частоты и сдвига-
тели фазового типа на интегральной схеме
в качестве его используется АОМ, то возникают две проблемы —
увеличение габаритов оптической системы при росте мощности
возбуждения и отраженного света, а также повышение частоты
возбуждения. Наряду с АОМ исследуются частотные сдвига-
тели в виде волоконно-оптических функциональных элементов
и световых волноводов. Кроме того, интегрируются два АОМ и
объектив на подложке из LiNbO3. Проектируются также си-
стемы с частотным сдвигом, полученным на основе фазового
метода, как это описано в гл. 4 и 6.
На рис. 7.22 представлена общая структура фазовой си-
стемы, выполненной на базе интегральной схемы. Фазовый
модулятор волноводного типа имеет хорошие частотные харак-
теристики, поэтому возможно возбуждение пилообразным напря-
жением и реализация фазовой системы. При этом, если ампли-
туда пилообразного напряжения возбуждения строго соответ-
ствует 2л, то высшие гармоники не возникают и получается
идеальный частотный сдвигатель. Для инерциальной навигаци-
онной системы это условие должно выполняться очень строго.
Французская фирма «Томсон ЦСФ» разработала автоматиче-
скую регулировку амплитуды с помощью цифроаналогового
преобразователя, который обеспечивает требуемую пилообраз-
ную форму напряжения с фронтом из микроступеней. Частота
его определяется как Д/ из формулы G.19), и при синхронной
с цифроаналоговым преобразователем обратной связи здесь
обеспечивается нулевой метод, а изменение тактовой частоты
информирует об угловой скорости гироскопа. В этой системе
не требуется большого сдвига частоты и можно обойтись лишь
одним частотным сдвигателем. Разработан подобный гироскоп
с дрейфом нуля 0,Зо/ч и динамическим диапазоном в 7 по-
рядков.
7.6.3. Система со световым гетеродинированием. Здесь при-
водятся результаты экспериментов с волоконно-оптическими
гироскопами, работающими по принципу светового гетеродини-
245

Рис. 7.23. Обнаружение вращения волоконным гироскопом со световым гете-
родинированием (рис. 7.10, 7.11)
рования (см. рис. 7.10 и 7.11). Система на рис. 7.10 включает
в себя катушку радиусом 15 см из оптического одномодового
волокна длиной 2000 м, отдельные оптические приборы и одно-
модовый полупроводниковый лазер. В ней используется прямая
частотная модуляция излучения полупроводникового лазера,
что приводит к дополнительным шумам. Для снижения коге-
рентности увеличивается ширина спектра излучения. На рис. 7.17
приведены характеристики шумов. Расширение спектра позво-
ляет повысить разрешающую способность примерно в 20 раз.
Поскольку из-за обратного света спектр полупроводникового
лазера нестабилен, в систему вводится изолятор.
На рис. 7.23, а поясняется работа данной системы. По вер-
тикальной оси откладывается изменение частоты, которое про-
порционально угловой скорости, причем один отсчет соответст-
вует угловому сдвигу 4" (при 10-кратном усилении 0,4" на 1 от-
246

счет). Скорость вращения земного шара 0,0042°/с> кратковре-
менная разрешающая способность 5°/ч. На рис. 7.23, б приве-
дена характеристика передачи (вход—выход). Скорость 1Г/ч
соответствует фазовой разности 180°. Линейность характери-
стики улучшена благодаря применению нулевого метода. Верх-
няя граница обнаружения вращения, определяемая электрон-
ной схемой, составляет 100°/с, динамический диапазон экспери-
ментальной системы 5 порядков.
Из-за тепловых колебаний скорости звука в АОМ системы
возникает заметный дрейф нуля, в связи с чем продолжаются
исследования способов отслеживания звуковой скорости в АОМ.
Данную систему, используя двухмерные световые волно-
воды и дифракционные решетки, можно реализовать в виде ин-
тегральной схемы.
7.7. ГИРОСКОПЫ ПАССИВНОГО ТИПА
С КОЛЬЦЕВЫМ РЕЗОНАТОРОМ
7.7.1. Принцип обнаружения вращения. Гироскоп пассив-
ного типа с кольцевым резонатором, благодаря высокому коэф-
фициенту качества резонатора (/^«fsr/Ao), где cof?r — полный
спектральный диапазон) и острому пику резонансной характе-
ристики, обладает резкой реакцией на изменение резонансной
частоты, обусловленное эффектом Саньяка, а значит, и высо-
кой чувствительностью, к тому же при сравнительно малой
длине оптического пути. Высокий коэффициент качества резо-
натора предполагает высокий коэффициент отражения полу-
прозрачного зеркала (например, около 95 %), малые потери на
кольцевом оптическом пути, а также высокую когерентность
источника света, и тем большую, чем уже резонансный спектр.
Таким образом, если в волоконно-оптическом гироскопе, опи-
санном в предыдущем параграфе, для повышения разрешаю-
щей способности требовалось снизить когерентность источника
света, то здесь совсем наоборот.
Проводились эксперименты с резонаторами на основе зер-
кал, а затем начались фундаментальные исследования резона-
торов на основе оптических волокон и световых волноводов.
На рис. 7.24, а представлена оптическая система гироскопа
с кольцевым резонатором. Здесь вместо полупрозрачного зер-
кала (см. структуру на рис. 7.3, в) используется волоконно-оп-
тический ответвитель, а в качестве кольцевого резонатора —
го же одномодовое оптическое волокно. Определяемая угловая
скорость соответствует разности резонансных частот, измеряе-
мых для световых волн, распространяющихся в противополож-
ных направлениях. В данной оптической системе использован
нулевой метод, при котором изменение резонансной частоты,
обусловленное эффектом Саньяка, сопровождается изменением
247

s)
Рис. 7.24. Волоконно-оптический гироскоп пассивного типа с кольцевым ре-
зонатором
FPM — модулятор; PSD — детектор разности фаз; S — расщепитель луча; VCO — гене-
ратор, управляемый напряжением; PD — фазовый детектор
частоты возбуждения АОМ. Здесь, так же как в волоконно-оп-
тических гироскопах с изменением частоты, в гироскопе со све-
товым гетеродинированием и в кольцевых лазерных гироскопах,
на выходе получается электрический сигнал с частотой, про-
порциональной угловой скорости гироскопа.
Шумы в гироскопе с данной структурой определяются в пер-
вую очередь шириной спектра световой волны, а также обрат-
ным рассеянием Рэлея в оптическом волокне, эффектом Керра,
колебаниями поляризации на оптическом пути и т. д. В системе
на рис. 7.24, а с целью уменьшения шумов рассеяния Рэлея во-
локонно-оптический фазовый модулятор FPM2 выполнен так,
что при фазовой модуляции подавляется частотная составляю-
щая светового сигнала, идущая по часовой стрелке, а состав-
ляющая, обусловленная интерференцией между световым сиг-
налом и светом обратного рассеяния Рэлея, оказывается за
пределами частотной полосы сигнала. В результате, как видно
248

из рис. 7.24,6, достигается кратковременная разрешающая спо-
собность примерно 0,5°/ч (время интегрирования 1 с). Коэффи-
циент качества резонатора 140. Однако для достижения высо-
кой кратковременной разрешающей способности необходимо
дальнейшее снижение дрейфа, а значит, более подробное иссле-
дование ранее упомянутых шумовых факторов.
7.7.2. Шумовые факторы и методы снжения дрейфа. Ши-
рина спектра источника света. В данной системе одним из важ-
нейших факторов, влияющих на ее технические характеристики,
является когерентность источника света или ширина спектра
его излучения. Резонансный пик волоконно-оптического резона-
тора такого, например, как на рис. 7.24, можно сузить (заост-
рить) уменьшением коэффициента связи направленного ответ-
вителя (для схемы на рис. 7.3, в — повышением коэффициента
отражения полупрозрачного зеркала) и резким снижением по-
терь ответвителя и оптического волокна. Коэффициент каче-
ства резонатора при этом достигает 500. Однако даже если
с трудом удается сузить резонансный пик самого резонатора,
то при большой ширине спектра источника света все равно
остается проблема сужения резонансной характеристики всего
гироскопа.
На рис. 7.25 приведены результаты расчета пределов обна-
ружения вращения, определяемых дробовым шумом светопри-
Рис. 7.25. Чувствительность волоконно-оптического гироскопа пассивного
типа с кольцевым резонатором в зависимости от ширины спектра излучения
светового источника
А/ — ширина спектра; ас — потери в направленном ответвителе,; длина волны 0,8 мкм;
потери передачи 4 дБ/км; коэффициент отражения направленного ответвителя 0,95;
коэффициент квантового выхода светоприемника 0,8; мощность источника света 1 мВт;
частотная полоса сигнала 1 Гц; радиус резонатора 10 см
249

емника. В качестве параметра выбрана ширина спектра источ-
ника света по уровню половинной мощности. По мере увеличе-
ния длины волокна полный спектральный диапазон уменьша-
ется. Кроме того, увеличивается изменение фазы, обусловлен-
ное эффектом Саньяка {см. формулу G.13)], а это расширяет
пределы обнаружения параметров вращения. Однако при чрез-
мерном увеличении длины волокна ширина резонансного пика
всей системы ограничивается шириной спектра источника света,
а из-за увеличения потерь в оптическом волноводе уменьшается
мощность света, достигающего светоприемника, т. е. ухудша-
ются характеристики системы. Следовательно, как и в гиро-
скопе, описанном в п. 7.3.2, здесь существует оптимальная длина
оптического волокна. В соответствии с требованиями к систе-
мам инерциальной навигации должны измеряться скорости
вращения порядка 10~7 рад/с, поэтому ширина спектра источ-
ника света на уровне половинной мощности должна быть при-
близительно 50 кГц.
У обычных полупроводниковых лазеров ширина спектра
около 10 МГц, поэтому для реализации высококачественного
гироскопа необходимо ее уменьшить. Особенно это важно в об-
ласти связи, и в лабораторных образцах уже получена ширина
в несколько десятков килогерц. Можно ожидать, что будут соз-
даны полупроводниковые лазеры для гироскопов этой системы.
Оптимальная длина оптического волокна для гироскопа на
рис. 7.24 при снижении потерь в кольцевом резонаторе умень-
шается. По сравнению с волоконно-оптическими гироскопами
других типов данная система обходится более коротким волок-
ном и длину его можно еще уменьшить, снизив потери в коль-
цевом резонаторе.
Свет обратного рассеяния Рэлея. Рассеяние Рэлея в опти-
ческом волноводе вносит значительную долю в шумы волокон-
но-оптического гироскопа. Аналогичная картина наблюдается и
в данной системе. Однако в ней не применяются низкокогерент-
ные источники света, поэтому методы ограничения шумов, при-
годные для волоконно-оптических гироскопов, здесь просто не
подходят.
Результаты исследований показали, что наряду с основным
оптическим сигналом существует еще один оптический сигнал,
обусловленный обратным рассеянием Рэлея, распространяю-
щийся по кольцевому резонатору в обратную сторону и тоже
достигающий светоприемника. Эти сигналы интерферируют.
Было установлено, что для интерференционного сигнала и сиг-
нала, обусловленного рэлеевским рассеянием, получается почти
такая же резонансная характеристика, как и для основного
сигнала. В системе, приведенной на рис. 7.24, в основном ска-
зывается влияние первой из этих двух составляющих, хотя вто-
рая тоже ухудшает характеристики гироскопа.
250

Z(m-i)rt 2mn 1(т+1)ж
Шорот (разы
на каждый Виток, резонатора
2{т-1)к 2т% 1(п+1)л
Поворот разы
на каждый Виток резонатора
Рис. 7.26 Резонансные характеристики при обратном рэлеевском рассеянии
для неподвижной (а) и вращающейся (б) системы
's н IВ~~ интенсивность света сигнала и рассеяния
На рис. 7.26 представлена резонансная характеристика для
второй составляющей, измеренная, когда система неподвижна
и когда вращается. Из рис. 7.26, б видно, что при вращении ре-
зонансный пик раздваивается. Поскольку свет рассеяния рас-
пространяется в обратную сторону по отношению к свету сиг-
нала, порождающему это рассеяние, то оба сигнала вследствие
эффекта Саньяка приобретают фазовый сдвиг с противополож-
ными знаками, что и приводит к раздвоению резонансного пика.
Резонансный пик для основного сигнала сдвигается в резуль-
тате эффекта Саньяка в то же положение, что и пик для света
обратного рассеяния Рэлея. На рис. 7.26, б приведены также
результаты теоретического анализа при параметрах реальной
системы (штриховая кривая). Эти результаты хорошо согла-
суются с данными эксперимента.
Обычно в рассматриваемой системе выходным сигналом
гироскопа служит сдвиг резонансного пика для светового сиг-
нала. Например, в устройстве FPM1 (см. рис. 7.24) длина резо-
натора модулируется частотой /т, а чтобы в выходном сигнале
светоприемника не было составляющей с частотой fm, устрой-
ства FPM1 и А0М2 охвачены обратной связью. При модуля-
ции длины резонатора в центре резонансного пика на выходе
отсутствуют гармоники 2fm, 3/m и т. д. Следовательно, если, как
показано на рис. 7.26, при вращении свет обратного рассеяния
Рэлея приводит к двугорбой характеристике, то не различить,
251

Рис 7 27 Ухудшение линейно-
сти характеристик гироскопа
вследствие разделения резо-
нансных пиков из-за обрат-
ного рассеяния Рэлея
|е| —коэффициент линейности;
Д8 — угол вращения фазы,, расчет
выполнен для оптической системы
на рис 7 24 при коэффициенте от-
ражения ответвителя 0,95, ширине
спектра источника света 5 кГц,
длине волны 0,8 мкм, потерях рэ-
леевского рассеяния в волокне
3 дБ/км, радиусе резонатора 10 см,
длине волокна 31 м
какой резонансный пик принадлежит самому сигналу, а зна-
чит, ухудшается линейность характеристик гироскопа. Как
видно из рис. 7.27, ухудшение составляет 1 %, а это уже проб-
лема. Один из реальных методов ее решения — модуляция
с разной частотой световых волн, движущихся в противополож-
ных направлениях, затем выделение каждой составляющей на
выходе светоприемника. По крайней мере, уже имеются про-
екты подобных систем.
Эффект Керра. Теоретически доказано, что эффект Керра
в оптическом волокне рассматриваемой системы приводит
к значительному дрейфу нулевой точки. Поскольку здесь не-
возможно применять источник света с низкой когерентностью,
как это делалось в волоконно-оптическом гироскопе, то прибе-
гают к модуляции мощности источника света прямоугольными
импульсами со скважностью 50 %. Однако частота этой моду-
ляции должна быть кратной частоте циркуляции света в резо-
наторе, иначе не будет полного совпадения множества распро-
страняющихся в резонаторе световых лучей, т. е. резонанса, и
в результате прямоугольная форма модуляции, наоборот, будет
мешать уменьшению искажений и дрейфа выходного сигнала
гироскопа.
Колебания состояния поляризации в оптических системах.
Обычно ответвитель и кольцо выполняются из одномодового
оптического волокна, а поскольку оно непременно имеет асим-
метричную относительно оси характеристику и, значит, рабо-
тает как замедлитель, то для распространяющейся в нем све-
товой волны условия поляризации изменяются. Как показывает
анализ с рассмотрением одной точки резонатора, в каждом
цикле распространения световой волны состояние поляризации
252

в этой точке повторяется для каждого луча. Таким образом,
подобных состояний два. Они называются фиксированными
состояниями поляризации кольцевого оптического резонатора.
Обычно эти два фиксированных состояния поляризации ука-
зывают на независимое, т. е. ортогональное, распространение
света и определяют отдельные резонансные характеристики.
Следовательно, когда кольцевой оптический резонатор возбуж-
дается при произвольном состоянии поляризации, то, поскольку
это состояние поляризации линейно связано с указанными орто-
гональными фиксированными состояниями, получаются резо-
нансные пики с высотой, пропорциональной линейным коэффи-
циентам. А поскольку при одном цикле распространения по
волоконно-оптическому кольцу фазовые сдвиги обеих световых
волн обычно различны, то, как показано на рис. 7.28, а, эти ре-
зонансные пики не совпадают. Здесь фиксированные состояния
поляризации для света с противоположным направлением
одинаковы, поэтому смещение резонансных пиков для них тоже
одинаково. Однако исходные условия поляризации для света,
распространяющегося в противоположных направлениях, раз-
личны, поэтому отношение pi: рг обычно для этих световых волн
тоже разное.
В практически используемых гироскопах резонансный пик
определяется в каком-либо одном из фиксированных состояний
поляризации, а существование других резонансных двугорбых
(из-за рассеяния Рэлея) характеристик снижает точность обна-
ружения пика. При этом необходимо с помощью регуляторов
поляризации сделать одинаковыми фиксированное состояние
поляризации резонатора и состояние поляризации входной волны
(рис. 7.28, б). Обычно в волоконно-оптических гироскопах про-
блема, связанная с поляризацией, решается с помощью одного
Рис. 7.28. Двойной резонанс из-за двух фиксированных состояний поляри-
зации (а) и оптическая система для получения единственного резонансного
пика (б)
LD — лазерный диод, D — светопрнемное устройство, PC — регулятор состояния поля-
ризации
253

поляризатора, в гироскопах же с кольцевым резонатором реше-
ние этой проблемы затруднено. Кроме того, в реальных высо-
коточных гироскопах с кольцевым резонатором, отслеживаю-
щих изменения фазы порядка 10~б рад, требуемую точность
регулировки состояния поляризации практически невозможно
получить. Поэтому необходимо использование оптических воло-
кон с сохранением поляризации и возбуждение моды только
с единственной поляризацией.
Для создания таких условий возбуждения нужно, устанав-
ливая волоконно-оптический поляризатор (см. гл. 2) в отводе
ответвителя или используя ответвитель с определенной поляри-
зационной характеристикой, сделать так, чтобы для моды с един-
ственной поляризацией не формировался резонатор. А учиты-
вая возбуждение паразитных мод (из-за связи между поляри-
зованными модами в оптическом волокне с сохранением по-
ляризации), желательно создать для кольцевого резонатора
поляризующее волокно или оптическое волокно, пропускающее
свет с единственной поляризацией.
7.8. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотрен принцип действия оптических гироскопов, в том
числе волоконно-оптических и гироскопов пассивного типа
с кольцевым резонатором.
Описание волоконно-оптических гироскопов дано с учетом
влияния различных шумовых факторов. Благодаря методу фа-
зовой модуляции достигнута разрешающая способность и ста-
бильность нулевой точки в соответствии с требованиями инер-
циальной навигации. С помощью метода изменения частоты и
светового гетеродинирования реализован широкий динамиче-
ский диапазон (от пяти до девяти порядков) и стабильный
масштабный коэффициент. Волоконно-оптические гироскопы на-
ходят широкое применение. Быстрыми темпами ведется разра-
ботка различных приборов на микрооптической технологии, во-
локонно-оптических функциональных элементах, оптических
волноводных элементах. К настоящему времени такие гиро-
скопы среднего класса уже имеются в продаже. Кроме того,
предлагаются методы улучшения характеристик гироскопов
с частотной модуляцией, работающих главным образом на ос-
нове гомодинирования, активизируется их практическое изуче-
ние.
В отличие от волоконно-оптических гироскопов, где для
улучшения характеристик требуется источник света низкой ко-
герентности, в оптических гироскопах пассивного типа с коль-
цевым резонатором необходим источник света с высокой коге-
рентностью. Поэтому влияние шумовых факторов в этих систе-
мах различно и требуется тщательный учет шумов резонансной
254

системы. В будущем можно ожидать такого же интенсивного
исследования этих гироскопов, как в свое время и волоконно-
оптических. Уже реализованы резонаторы на оптическом во-
локне, обладающие очень высокой добротностью, быстро сужа-
ется спектр полупроводниковых лазеров. В сравнении с воло-
конно-оптическими гироскопами чувствительное кольцо из
оптического волокна меньше по размеру, поэтому системы
с кольцевым резонатором довольно перспективны.
Волоконно-оптические гироскопы отличаются от прежних
отсутствием механических систем, что делает их пригодными
не только в навигации, но и в других областях, например для
контроля движения бура при бурении нефтяных скважин.
Кроме того, если увеличить диаметр кольца из оптического
волокна, удлинить интервал интегрирования выходного сигнала,
то можно повысить чувствительность, что позволит использо-
вать гироскоп для прогноза погоды, измерения флюктуации
собственного вращения Земли и т. д.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие научного редактора перевода 3
Предисловие авторов 4
Глава первая. ОБЩИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ ФОН РАЗВИТИЯ 6
1.1. Введение 8
1.2. Становление оптоэлектроники и появление оптических волокон —
1.3. Классификация волоконно-оптических датчиков и примеры их
применения 17
1.4. Краткая история исследовний и разработок 18
1.5. Заключение 24
Глаза вторая. ОПТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА ДЛЯ ДАТЧИКОВ .... 26
2.1. Введение —
2.2. Структура. Моды —
2.3. Классификация 30
2.4. Характеристики. Физические свойства 39
2.5. Элементы волоконной оптики 50
2.6. Заключение 57
Глава третья. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ И СВЕТОПРИЕМНЫЕ ПРИ-
БОРЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ 57
3.1. Введение —
3.2. Типы и принцип действия светоизлучающих приборов ... 58
3.3. Светодиоды 66
3.4. Газовые лазеры 70
3.5. Полупроводниковые лазеры 73
3.6. Светоприемные приборы 97
3.7. Заключение 106
Глава четвертая. ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ДЛЯ ДАТЧИКОВ . ... 108
4.1. Введение —
4.2. Оптические элементы . : —
4.3. Изоляторы 113
4.4. Соединительные и разделительные фильтры 115
4.5. Модуляторы 117
4.6. Устройства для сдвига частоты света 122
255

4.7. Интегральные оптические схемы Ш
4.8. Заключение 13У
Глава пятая. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ С ВОЛОКНОМ
В КАЧЕСТВЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ Ш
5 1. Введение —
5.2. Базовая техника -
5.3. Датчики на основе изменения интенсивности света 144
5.4. Датчики на основе поляризации света 157
5.5. Датчики на основе сдвига частоты света 168
5.6. Области применения 17В
5.7. Заключение 176
Глава шестая. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ С ВОЛОКНОМ
В КАЧЕСТВЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА 177
6.1. Введение —
6.2. Функции и структуры волоконно-оптических чувствительных
элементов 178
6.3. Датчики на основе интерференции 184
6.4. Датчики на основе изменения потерь 209
6.5. Датчики распределения 211
6 6. Заключение 216
Глава седьмая. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ГИРОСКОПЫ . ... 217
7.1. Введение —
7.2. Эффект Саньяка 218
7.3. Системы оптических гироскопов 220
7.4. Методы повышения чувствительности 226
7.5. Шумовые факторы и методы их устранения 233
7.6. Характеристики и методы их улучшения , 240
7.7. Гироскопы пассивного типа с кольцевым резонатором . . . 247
7.8. Заключение 254
Производственное издание
Окоси Такамори, Окамото Кацунари, Оцу Мотоити,
Нисихара Хироси, Кюма Кадзуо, Хататэ Кадзуо
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
Научный редактор Г. М Вапнэ
Редактор С. С. Полигнотова
Художник переплета А. Г. Угнич
Художественный редактор Т. Ю. Теплицкая
Технический редактор И. А. Минеева
Корректор Н. Д. Быкова
ИБ № 2895
Сдано в набор 30.05.90. Подписано в печать 08.10.90. Формат 60X88'/i6- Бумага
офсетная № 1 Гарнитура литературная. Офсетная печать Уел печ. л. 15,68. Усл.
кр-отт 15,68 Уч-изд л 16,76. Тираж 14 000 экз. Заказ № 872. Цена 1 р1 60 к
Энергоатомиздат. Ленинградское отделение.
191065, Ленинград, Д-65, Марсово поле, 1.
Ленинградская типография № 4 ордена Трудового Красного Знамени Ленинградского
объединения «Техническая книга» им. Евгении Соколовой Государственного комитета
СССР по печати 191126, Ленинград, Социалистическая ул., 14.