Оптические аттенюаторы волоконно-оптическихпреобразователей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Крупкина Т.Ю., Пивкин А.Г. ОПТИЧЕСКИЕ АТТЕНЮАТОРЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

При финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования и науки РФ

Разработана классификация оптических аттенюаторов волоконно-оптических преобразователей (ВОП) с учетом новых предложенных авторами отражательных аттенюаторов, позволяющих реализовать дифференциальное управление световым потоком в зоне преобразования оптического сигнала. Определены наиболее эффективные с точки зрения обеспечения высоких метрологических характеристик, простоты и технологичности изготовления отражательные аттенюаторы (ОА) для ВОП космической техники.

Управление световым потоком оптического канала ВОП осуществляется посредством управляющих элементов и устройств и управляемых параметров оптического канала, в качестве которых в каждом конкретном случае выступают или специально вводимые в конструкцию оптического канала устройства управления, или изменяемые в процессе измерения параметры среды распространения оптического сигнала.

В соответствии с общепринятой терминологией устройства, управляющие распределением параметров светового потока в пространстве и изменением пространственно-временного спектра излучения, называются модуляторами; устройства, управляющие направлением распространения потока излучения, - дефлекторами; устройства для фиксированного или ступенчатого изменения мощности светового потока - аттенюаторами [1].

В ВОП управляющие устройства используются для внесения информации о контролируемой величине в световую волну. Как известно, подобная операция называется модуляцией. Поэтому дефлекторы и аттенюаторы с достаточной точностью можно отнести к модуляторам. Но исторически сложилось так, что в оптоэлектронике под модуляторами чаще всего понимают устройства, управляющие световым потоком под действием электрического поля. В ВОП это исключено из-за отсутствия токоведущих цепей в зоне измерения, а большинство способов управления световым потоком связано с тем или иным механическим воздействием на элементы оптического канала. Поэтому деление устройств управления на три группы, приведенное выше, более оправдано.

Основную группу управляющих устройств составляют оптико-механические устройства, в которых в результате механического движения (вращения, возвратно-поступательного или углового перемещения) управляющего элемента осуществляется модуляция интенсивности светового потока в соответствии с законом изменения контролируемого параметра.

Группа оптико-механических модуляторов представлена в основном различного рода линзами и набором линз, перемещающимися в соответствии с законом изменения измеряемой физической величины или между излучающим торцом подводящего оптического волокна (ОВ) и приемным торцом отводящего ОВ, или относительно общего торца ОВ в сочетании с тем или иным дефлектором.

Оптико-механические дефлекторы обеспечивают отклонение потока излучения с помощью перемещающихся или вращающихся зеркал, оптических призм, пирамид, клиньев. Отклонение потока осуществляется в двух взаимно перпендикулярных плоскостях или таким образом, что луч движется вдоль окружности, центр которой совпадает с осью вращения.

Оптические аттенюаторы предназначены для внесения в оптический канал заданного оптического затухания.

Действие аттенюаторов основывается на изменении оптических потерь в результате механического воздействия на оптическое волокно или механического перемещения элементов - аттенюаторов. Они характеризуются начальными оптическими потерями, динамическим диапазоном, устойчивостью параметров к внешним воздействиям.

Эффективность управления световым потоком в оптическом канале оценивается по следующим критериям: глубине модуляции оптического сигнала, значению вносимых потерь, чувствительности к управляющему сигналу, эффективности преобразования оптического сигнала, инерционности, технологичности изготовления, работоспособности в жестких условиях эксплуатации на протяжении всего срока службы с заданной точностью преобразования.

Максимальная глубина модуляции интенсивности штах определяется выражением:

\im - /0| при im < h,

i = ---------

max j

i0

= Vm - Io| при Im > Io ,

max

m

где I0, I - интенсивность света на выходе оптического канала без приложенного воздействия и при приложении максимального воздействия.

Для сигнала меньше максимального глубина модуляции такова: при I <I ,

|I -10

, 0 m = -

|I -1o\

Im при I > I

I0

где I - интенсивность света при соответствующем уровне сигнала.

Максимальная глубина модуляции является важным критерием качества, так как от нее зависит отношение сигнал/шум на приемнике излучения, называемое также контрастным отношением. При обработке оптических сигналов контраст должен быть 20...100, т. е. не хуже 10 дБ.

Глубина модуляции непосредственным образом связана с вносимыми элементами и устройствами управления потерями. Если интенсивность света на входе средства управления равна 1±, то вносимые им потери Ь определяются следующим образом:

- при -т > 10 ,

Ь = 1 - -т -,

ь = ! - -0 при -т ^ -0 •

-■

Большие глубину модуляции и вносимые потери интенсивности оптического сигнала имеют, в первую очередь, аттенюаторы. Это объясняется тем, что в сравнении с другими типами управляющих устройств в

аттенюаторах существенно меньше неинформативные потери, обусловленные потерями светового потока на границах раздела сред.

Механические аттенюаторы по способу введения затухания можно разделить на три типа:

- устройства, оптические потери которых обусловлены изменением взаимного положения излучающих торцов передающих и приемных торцов отводящих волокон (рисунок 1, а, б, в);

- устройства, в которых оптические потери вносятся без разрыва ОВ за счет изменения их геометрии или внутренних упругих деформаций и напряжений или структурных изменений ОВ или окружающей среды (локальные изменения показателя преломления или рельефа поверхности материала, изменение способности среды рассеивать свет) (рисунок 1, з, к, л);

- устройства, оптические потери в которых создаются в результате введения между излучающими торцами подводящих ОВ и приемными торцами отводящих ОВ дополнительных элементов с переменным профилем конструкции, переменным коэффициентом поглощения или переменным коэффициентом отражения (рисунок 1, г, е, д, ж).

Первые два типа механических аттенюаторов существенно снижают надежность ВОП, так как предполагают те или иные механические воздействия на оптические волокна. Поэтому их применение в ВОП датчиков , которые будут использоваться в жестких условиях космоса, представляется нецелесообразным. Многочисленные вибрационные нагрузки, ударные воздействия, характерные изделиям космической техники могут привести к быстрому разрушению оптических волокон, если они не будут жестко закреплены [1].

В этом случае предпочтение отдается ВОП с аттенюаторами третьего типа, в которых в основном исключены механические воздействия на ОВ.

К третьему типу оптических аттенюаторов относятся:

- предельные аттенюаторы: шторки, непрозрачные экраны, инерционные массы, имеющие переменный

профиль конструкции;

- поглощающие фильтры и среды с переменным коэффициентом поглощения;

- отражательные аттенюаторы с переменным коэффициентом отражения поверхности, (причем ОА с переменным коэффициентом отражения предлагаются и, соответственно, рассматриваются впервые).

Основной проблемой создания ВОП является низкая чувствительность преобразования оптического сигнала, обусловленная большими потерями светового потока при вводе оптического излучения в ОВ. Поэтому использование поглощающих фильтров и сред, резко снижающих чувствительность преобразования также нецелесообразно.

Рисунок 1 - Классификация оптических аттенюаторов волоконно-оптических преобразователей по способу внесения затухания

Таким образом, при создании ВОП следует использовать предельные и отражательные аттенюаторы. Принцип действия предельных аттенюаторов основан на перекрытии части светового потока, идущего от ПОВ к ООВ. В данном случае неинформативные потери светового потока минимальные, так как имеется возможность расположить ООВ относительно ПОВ и аттенюатора таким образом, чтобы на них попадал максимально прошедший световой поток. Данное условие требует точной юстировки конструкции ВОП, что снижает технологичность конструкции, и это можно отнести к недостатку предельных аттенюаторов. Кроме того, оптические волокна необходимо располагать с двух сторон относительно аттенюатора.

Данные недостатки можно устранить, используя отражательные аттенюаторы. Отражательные аттенюаторы являются разновидностью предельных аттенюаторов. Они представляют собой шторки, непрозрачные экраны, поверхность которых обращена к общему торцу ОВ и имеет поглощающую и отражающую части прямоугольной или круглой формы. Принцип их действия основан на поглощении части светового потока поглощающей поверхностью аттенюатора и на отражении части светового потока отражающей поверхностью аттенюатора в направлении к ООВ. В этом случае ПОВ и ООВ располагаются с одной стороны относительно аттенюатора, что уменьшает требования юстировки, упрощает сборку конструкции ВОП.

Дифференциальное управление световым потоком в ВОП непосредственно в зоне измерения позволяет значительно повысить точность измерения [2]. В частности использование ОА в ВОП позволяет существенно снизить влияние на точность измерения неинформативных параметров внешней среды, изгибов ВОК, изменения мощности излучения источников излучения (ИИ) и чувствительности приемников излучения (ПИ).

При использовании отражательных аттенюаторов необходимо решить вопросы выбора количества ПОВ и ООВ, оптимального взаимного расположения ПОВ и ООВ относительно аттенюатора, оптимальной формы отражающей поверхности аттенюатора. Перечисленные параметры существенным образом влияют на ряд метрологических характеристик ВОП: величину вносимого затухания, чувствительность преобразования, глубину модуляции оптического сигнала, линейность выходной характеристики. На рисунке 2 приведены возможные варианты конструктивного исполнения ОА.

С точки зрения технологичности изготовления ВОК наиболее предпочтителен вариант из шести ООВ и одного ПОВ. При этом ПОВ располагается в центре приемного торца ВОК, обеспечивая, тем самым, симметричность конструкции кабеля. ООВ необходимо поделить между двумя измерительными каналами: по три на каждый, расположив их друг над другом (см. рисунок 2).

В данной статье была подробна представлена классификация оптических аттенюаторов волоконнооптических преобразователей, основное внимание уделено дифференциальным аттенюаторам с отражающей поверхностью. Следует отметить основное достоинство всех перечисленных аттенюаторов в возможности дифференциального измерения измеряемой информации, которое обеспечивается:

1) схемой компоновки ООВ за счет деления волокон на две группы, относящиеся к двум измерительным каналам;

2) конструкцией дифференциальных аттенюаторов.

Кроме того, технология изготовления прямоугольной формы отражающей поверхности (горизонтальной полоски) аттенюатора по сравнению со всеми остальными значительно проще. Следует также добавить к достоинствам данного аттенюатора простоту юстировки его и волокон. Поэтому данный вариант исполнения дифференциального аттенюатора с отражающей поверхностью выбран для разрабатываемого датчика.

Рисунок 2 - Выбор оптимальной формы отражающей поверхности аттенюатора, количества ООВ, взаимного расположения аттенюатора и подводящих и отводящих оптических волокон

ЛИТЕРАТУРА

1 Бадеева Е.А., Мещеряков В.А., Мурашкина Т. И. Волоконно-оптические датчики давления аттеню-аторного типа для летательных аппаратов//Датчики и системы. - 2 0 02.

2 Мурашкина Т. И. Теория, расчет и проектирование волоконно-оптических измерительных приборов и систем / Учебное пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1999. - 133 с.

3 Коняхин И. А., Панков Э. Д. Трехкоординатные оптические и оптико-электронные угломеры: Спра-

вочник. - М.: Недра, 1991.- 224с.

4 Патлах А. Л. Влияние изгибов на параметры волоконных световодов // Светотехника. - 198 6. - №

4. - С. 8-10.

5 Световодные датчики / Б. А. Красюк, О. Г. Семенов, А. Г. Шереметьев и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 256 с.

А-А

А-А