Изобретение относится к оптоэлек- тронике и электроизмерительной технике и может быть использовано при измерении (исследовании) постоянных и переменных электрических полей как в неограниченных, так и в ограничен- ных (замкнутых) пространствах газообразных и жидких сред.
Цель изобретения - повышение чувствительности и линейности показаний, а также технологичности устройства.
На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - конструкция интегрально-оптического элемента; на фиг.З - принцип функционирования интегрально-оптического элемента; на фиг.4 и.5 - варианты технологической реализации интегрально-оптического элемента; на иг.6 - пример реализации блока сумарно-разностной обработки.
Устройство содержит источник 1 света (полупроводниковый лазерный диод), волоконный световод 2, интегрально- оптический элемент 3 (типа направенного ответвителя с предельно сильной связью), волоконные световоды 4 5, детектор 6 излучения с фотоприемниками (фотодиодами) 7 и 8, блоком 9 суммарно-разностной обработки и схемой 10 деления, индикатор 11. Вход интегрально-оптического элемента 3 через волоконный световод 2 соединен с выходом источника 1 света. Входы фотоприемнико в 6 и 7 детектора 6 излучения через волоконные световоды 4 и 5 подключены к выходам интегрально-оптического элемента 3. Входы блока 9 суммарно-разностной обработки детектора 6 излучения соеди.нейы с выходами фотоприемников 7 и 8, а его выходы подключены к соответствующим входам схемы 10 деления, выход которой соединен со входом индикатора 11.
Интегрально-оптический элемент 3 (типа направленного ответвителя с предельно сильной связью) состоит из подложки 12, в которой технологическими методами сформированы одномодо- вые полосковые входные 13 и 14 и выходные 15 и 16 световоды, два Y-раз- ветвителя одномодовых световодов и включенный между ними двухмодовый по- лосковый световод 17, в пределах которого материал обладает линейным электрооптическим эффектом.
Устройство работает следующим образом.
173712
Работу устройства можно пояснить с помощью фиг.1-3, При помещении интегрально-оптического элемента 3 в исследуемое поле, двухмодовый полос, ковый световод 17 должен быть ориентирован перпендикулярно вектору напряженности Е поля (фиг.1). Поток излучения, испускаемого источником 1 Света, по волоконному световоду 2
JO поступает на вход интегрально-оптического элемента 3, т.е. в одномодо- вый полосковый световод 13, в котором распространяется в виде основной волны Н, Эта волна падает из светово15 да 13 через входной Y-разветвитель в двухмодовый полосковый световод 17 и возбуждает распространяющиеся в нем моды Н и Hg, коэффициенты фаз /J и р,, которых различны и по разному из20 меняются под действием внешнего электрического поля, В выходном Y-развет- вителе эти моды преобразуются обратно в моду Н одномодовых световодов 15 и 16 (световод 14 также участвует в
25 преобразовании волн, уменьшая потери на излучение и отражение). Распространение мощностей волн Н в световодах 15 и 16 определяется соотношением фаз мод HI и Н,j в сечении, где
30 световоды разветвляются (выходном У-разветвителе). Это соотношение зависит от напряженности Ед внешнего электрического поля. С выходов одномодовых полосковых световодов 15 и 16
перераспределенный свет по волоконным световодам 4 и 5 подводится к фотоприемникам 7 и 8 детектора 6 излучения, сигналы которых поступают на вход блока 9 суммарно-разно.стной обработки. Выходной сигнал блока 9 подается на вход схемы 10 деления, с выхода которой сигнал поступает на вход Индикатора 11, показания которого являются, при определенных услоВИЯХ, приводимых ниже, пропорциональными напряжённости . Введение в детектор 6 блока 9 суммарно-разностной обра ботки сигналов фотоприемников 7 и 8 и схемы 10 деления позволяет устранить влияние колебаний мощности источника 1 света на показания . индикатора 11 устройства измерения, повысить чувствительность и линейность устройства.
55
Поясним принцип действия интегрально-оптического элемента 3, являющегося в устройстве измерения датчиком напряженности ,
Представим действительное распределение поля моды Н в дальнейшей зоне световодов 13 и 14 в виде двух волн с амплитудами, равными половине паданлдей (фиг.З). Эти волны будут в фазе в световоде 1.3 и в противофазе в световоде 14 (считаем, что в дальнейшей зоне связь между световодами 13 и 14 исчезающе мала). По мере распространения волн к началу Y-развет- вителя, появлению и возрастанию свя- зи между световодами 13 и 14 (световоды сближаются), эти волны плавно преобразуются в собственные волны связанной системы световодов: син- фазную Hj; и противофазную Н . Когда световоды 13 и 14 соединяются, волны Н( и Е преобразуются в структуры полей мод двухмодового световода 17, т.е.. соответств.енно в Н и Н . По пу ти распространения в световоде 17 имеет место интерференция мод.
Распределение мощностей волн Н в выходных световодах 15 и 16 определяется соотношением фаз мод Н и Н в выходном сечении cвveтoвoдa 17 Амплитуды электрических полей мод в световодах 15 и 16 соответственно равны:
и.и. )
и eos ,-(.гШ ,
13
и,, 1и,,(е- -е- ) iU ,i, Ф11.Ф1 ,-КФ.Ф.)/2
где - амплитуда волн в дальней зоне световода 13;
Ф /,1+2 Lfc и Ф. /ijl+2 ч р - набеги фаз соответственно волн Не и Н и Н и Hj до дальней зоны выходных световодов 15 и 16 (входной и выходной Y-разветвители считаем одинаковыми).
Для устранения влияния изменений мощности излучения источника 1 света на показания индикатора 11, повьшгения чувствительности и линейности устройства для измерения напряженности электрического поля целесообразно использовать суммарно-разностную обработку сигналов с выходов фотоприемников 7 и 8 (схема такой обработки приведена на фиг.7), а затем взять соотношение суммарного и разностного
сигналов. Для этого в исходном режиме отсутствия измеряемого поля (при E(j 0) необходимо обеспечить равное деление мощности света в выходных световодах 15 и 16, что достигается при
ф- ф.
20
11 2
т.е. при соответствующем выборе длины двухмодового световода 17, равной
1 )
Здесь и в последующем индексом о обозначены величины исходного режима, т.е. при ЕО 0.
При Ер О появляется дополнительная относительная разность фаз и можно записать:
-FT
Ф, - Фг - +й .
(2)
25 7.
30
35
1)
40
Так как напряженность Е внешнего поля практически не влияет на связь между световодами, то
ДФ ( il|i,-d/jpl kJ(dN,-AN)«/, (3)
где kp - волновое число в вакууме; 4N и дН - изменения под действием
напряженности Ер внешнего поля эффективных показателей преломления мод Н и Н, т.е. замедления волн.
Показания I индикатора 11 устройства для измерения напряженности поля суммарно-разностной обработке сигналов фотоприемников и последующем взятии их соотношения равны аФ:
-
(4)
Определим зависимость йФ от Е, для чего воспользуемся дисперсионными характеристиками Н-волн симметричного двумерного световода в обобщенных параметрах:
V
(т-1)Л +2arctg
где m 1,2,3... b ,-nj
2
13 (6)
n - показатель преломления полосковых световодов; - показатель преломления подложки, причем , но ().
d - ширина двухмодового световода 1 7 .
Следовательно, влияние Е на дФ определяется изменениями в поле показателей п и п. преломления световодов и подложки, а именно разностью изменений. Поэтому конструкция ин- .тегрально-оптического элемента 3 должна быть такой, чтобы вызванное напряженностью E(j внешнего поля изменение показателя п преломления подложки было бы незначительным, в оптимальном случае равным нулю. Предельный случай достигается, если мате- риап .двухмодового полоскового свето- водс i обладает электрооптическим эффектом5 а материал подложки 12 - нет.
С целью повышения чувствительности устройства при использовании подложки из сегнетсэлектрика необходимо области поверу -юсти подложки 12, прилегающие к i оазветвителям и полосковому светоьоду 17 на величину проникновения полей волн в подложку, покрыть пленкой металла. Это позволяет в значительной мере локализовать воздействие напряж лчносги Е внешнего поля областью двухмодового полоскового световода 17. При этом приращение получит только коэффициент преломления световодов: п dn -0.
Из формулы (6) следует, что
4b
(n,e - Пае )dN - (NIC П20 )ДП,
1о
т.е.
.ы..ь(„,.+ „„)а--:-51«-1р ,
(,П,р Ujo }
причем
ли . 57 и П1 „
Ь --/d V --/ --Vo .
c/VоdVоnjo - п|„
173716
Учитывая эти соотношения, получим:
1 1 cJb , П10 Vo
.o k,i (--- ----) ----,---5 N, - N10 7
+ и n.
n,o - Пго -1
(7)
причем первое слагаемое в квадратных скобках существенно больше второго.
При линейном электрооптическом эффекте, имеем:
4п.
I
о
(8)
где г-. - электрооптический коэффициент.
Подстановка (8) в (7) показывает, что имеет место прямая пропорциональность между показаниями индикатора 11 и напряженностью измеряемого электрического поля:
25
I КЕ
о
(9)
где коэффициент К чувствительности устройства равен
kol
Г N., I П ,0 - П
-N- Л (ь„- ь,, )vj.(io
10
i
5
0
5
0
Пример. В качестве подложки используют монокристаллическую пластину сегмейтоэлектрика LiNbO-,У-срез. На оптически полированную, соответственно подготовленную поверхность подложки 12 (фиг.4), покрытую слоем фоторезиста (электронорезиста, так как ширина одномодовых полосковых световодов 13-16 составляет 2-3 мкм, что лежит на пределе возможностей фотолитографии, целесообразно ориентироваться на электронолитографию) с окнами соответствующей конфигурации, т.е. фоторезистивный (электро- норезистивный) контактной маской, в вакууме напыляют пленку титана расчетной толщины (приблизительно 300 А). После удаления с поверхности подложки 12 фоторезистивной (электроноре- зистивной) маски на поверхности остаются полоски 18 пленки титана, ориентированные вдоль оси X кристалла (фиг.4). Проводят диффузию титана в
55
LiNbO,
например, при 1000 С в течение 4 ч, в атмосфере очищенного кислорода, получая полосковые световоды 13-17. После плавного и медленного охлаждения подложки до комнатной тем
пературы, поверхность подложки со сформированными световодами металли- зуют, например, путем напыления в вакууме пленки алюминия толщиной около
2000 А, Проводят вторую фотолитографию (электронолитографию) удаляя металлическую пленку непосредственно над полосковыми световодами 13-17 и с площадей поверхности подложки за пределами прилегающих к световоду 17 и Y-разветвителям зон, куда проникают поля мод световодов, в результате чего получают интегрально-оптический элемент 3 (фиг.1), состоящий из подложки 12 со световодами 13-17, на поверхности которого имеется металлическая пленка 19 (фиг.5), необходимая для выполнения сделанного при выводе формул (9) и (10) допущения , т.е. подложка не обладает электрооп- тическим эффектом, а двухмодовый световод - обладает.
Ф. ормула изобретения
тора.
2. Устройство по П.1, отличающееся тем, что, с целью
1. Устройство для измерения напряженности электрического поля, содержащее интегрально-оптический элемент типа направленного ответвителя на
подложке, вход ко.торого через первый 30 повышения чувствительности устрой- волоконный световод соединен с выходом ства, подложка выполнена из сегне- источника света, а выходы - через вто- тоэлектрика, а ее поверхность с обе- рой и третий волоконные световоды - их сторон двухмодового полоскового подключены ко входам соответственно световода металлизирована.
fO
20
73718
первого и второго фотоприемников детектора излучения, выход которого подключен ко входу индикатора, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и линейности показаний, .а также технологичности устройства, интегрально-оптический элемент выполнен в виде схемы, содержа1дей одномодовые полосковые входные и выходные световоды, соответственно входной и выходной Y-раз- ветвители одномодовых световодов и сформированный между ними двухмодовый полосковый световод, материал кото- 15 рого обладает линейным электрооптическим эффектом, а в детектор излучения введены блок суммарно-разностной обработки и схема деления, при этом входы блока суммарно-разностной обработки соединены соответственно с выходами первого и второго фотоприемников, а выходы блока суммарно-разностной обработки подключены к соответствующим входам схемы деления,выход которой подключен к входу индика25
тора.
2. Устройство по П.1, отличающееся тем, что, с целью
Изобретение относится к области оптоэлектроники и электроизмерительной техники. Целью .изобретения является повышение чувствительности, линейности и технологичности устройства. При этом в устройстве, содержащем источник света, соединенный волоконным световодом с интегрально- оптическим элементом, соединенным, в свою очередь, двумя волоконными световодами соответственно с двумя фотоприемниками детектора, и индикатор, подключенный к выходу детектора, интегрально-оптический элемент выполнен в виде направленного ответвителя с предельно сильной связью, а в детектор для .обработки сигналов фотоприемников введены блок суммарно- разно.стной обработки и схема деления. 1 з.п. ф-лы, 6 ил. (Л оо оо 
kJl
в
фиёЛ
L.
I
фие.2
13
(
фие. З
фие.
/J
c
7
Т7 J9 Г9 J5 16 / / / /
(fue.5
Редактор А.Ревин
Составитель А.Трушин Те xp eд м.Ходаним
Заказ 2418/40 Тираж 730Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР
по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4
u(lu,.,l lur,l ).
U-dUjsl -i-IUTen
+
1
Фие.6
Корректор А.Обручар
| Устройство для измерения напряженности электрического поля | 1982 |
|
SU1101746A1 |
| Печь для непрерывного получения сернистого натрия | 1921 |
|
SU1A1 |
