Волоконно-оптический преобразователь Советский патент 1992 года по МПК G02B6/24 

Изобретяние относится к измерительной технике, а именно к устройствам, предназначенным для преобразования части оптического сигнала в волоконно-оптических системах сбора, передачи и обработки информации.

Известно устройство для преобразования части распространяющегося по волоконно-оптической системе оптического излучения в электрический сигнал.

Известное устройство содержит расположенные соосно входной и выходной оптические каналы, выполненные из волоконных световодов, и фотоприемное устройство с фоточувствительным элементом и электрическим выходным каналом, который расположен непосредственно у места стыковки волоконных световодов. Оптическое излучение от источника вводится во входной оптический канал, а затем попадает в выходной оптический канал, причем часть излучения, вытекающего на стыке между световодами входного и выходного каналов, фиксируется

фотоприемным устройством с фоточувствительным элементом и электрическим выход- ным каналом. Следовательно, часть оптического излучения, распространяющегося по волоконно-оптическому тракту, фиксируется фотоприемным устройством с фоточувствительным элементом и электрическим выходным каналом, т. е. преобразовывается в электрический сигнал. По величине этого сигнала (при фиксированном положении входного и выходного каналов и фоточувствительного элемента относительно друг друга) можно судить о мощности излучения, протекающего по волоконно-оптическому тракту.

К недостаткам известного устройства относятся существенные потери излучения, обусловленные несогласованностью апертур волоконных световодов, наличием расстояния между торцами световодов, а также потери излучения, обусловленные неполной фиксацией вытекающего на стыке оптиче(Л

С

xj

4

Os

l О

ского излучения с помощью фоточувствительного элемента.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому волоконно-оптическому преобразователю является волоконно-оптический преобразователь (ВОП) входного оптического канала в выходной оптический канал с фотоприемным устройством и фоточувствительным элементом, состоящий из одного волоконного световода (ВС), небольшой участок которого помещался в специальный желоб в стеклянной трубке и фиксировался там с помощью клея. Желоб изготовлен таким образом, что расположенный в нем участок ВС изогнут так, что его ось составляла определенный угол с осью неизогнутой части ВС. Перед изгибом В С, где наблюдалось вытекание излучения, вплотную к изгибу ВС, в стеклянной трубке располагался фоточувствительный элемент фотоприемного устройства с электрическим выходным каналом, с помощью которого вытекающее из изгиба ВС оптическое излучение преобразовывалось в электрический сигнал.

Известный ВОП позволяет выводить часть излучения в нескольких местах вдоль одного и того же В С, благодаря чему он широко используется в волоконно-оптических распределительных системах. Необходимо отметить, что известный ВОП нечувствителен к электромагнитным наводкам, имеет высокое быстродействие, обусловленное высокой скоростью распространения света, и может использоваться в агрессивных средах.

Однако известный ВОП имеет ряд существенных недостатков, основным из которых является наличие потерь оптического излучения на изгибе В С из-за различия углов выхода оптического излучения из изгиба по отношению к оси неизогнутой части ВС и непопадания части вытекающего из изгиба излучения на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства. Другой причиной потерь мощности оптического излучения и, соответственно, ухудшения чувствительности ВОП, является наличие участка стеклянной трубки между чувствительным к вытекающему из изгиба ВС оптическому излучению фоточувствительным элементом фотопри- чемного устройства и непосредственно изгибом ВС. Выходящее из изгиба излучение частично рассеивается и поглощается стеклом, что приводит к ослаблению оптического сигнала с фотоприемного устройства. Потери оптической мощности вызывают ограничение количества ВОП, расположенных на одном ВС, н-еобходимость

использования мощных источников излучения и, как следствие, сужение функциональных возможностей и области применения ВОП известной конструкции.

Цель изобретения -уменьшение потерь

мощности оптического излучения и повышение чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что в волоконно-оптическом преобразователе

0 (ВОП), содержащем соосно расположенные входной и выходной оптические каналы, выполненные из волоконных световодов, фотоприемноеустройствосфоточувствительным элементом и электри5 ческим выходным каналом, волоконный световод выходного оптического канала выполнен диаметром D световедущей жилы, большим диаметра d световедущей жилы волоконного световода входного

0 оптического канала. Фоточувствительный элемент фотоприемного устройства выполнен в виде плоской фоточувствительной поверхности с круглым отверстием в центре с диаметром, равным диаметру световедущей

5 жилы входного оптического канала, в отверстии установлен волоконный световод входного оптического канала, плоскость торца которого совмещена с плоскостью фоточувствительной поверхности и с плоскостью

0 торца волоконного световода выходного оптического канала.

В зависимости от соотношения размеров диаметров D и d световедущих жил обоих световодов (см. ВС2 и ВС 3 на фиг. 1) ВОП

5 может использоваться для различных целей. При выполнении условия d«D, вытекание излучения на стыке ВС в направлении распространения излучения по волоконно- оптическому тракту практически нет и фото0 чувствительная поверхность регистрирует оптическое излучение, отраженное от торца волоконного световода выходного оптического канала. В случае соизмеримости диаметров световедущих жил ВС 2 и ВС 3, т. е.

5 при наблюдается несогласованность апертур ВС и вытекание оптического излучения, вследствие чего фоточувствительная поверхность регистрирует оптическое излучение, вытекающее на стыке двух светово0 ДОР при прохождении излучения по волоконно-оптическому тракту в направлении первоначального распространения излучения. Следовательно, выбирая соотношения диаметров d и D световьду5 щих жил ВС 2 и ВС 3, можно использовать сигнал электрического выходного канала в качестве сигнала опорного канала для определения протекающей по волоконно-оптическому тракту оптической мощности, так и для регистрации излучения, отраженного от

торца ВС 3 выходного оптического канала. Задаваясь определенным соотношением диаметров d и D световедущих жил, можно создавать многофункциональные ВОП, в которых электрический выходной канал может быть использован как опорный канал для определения величины оптической мощности, протекающей по волоконно-оптическому тракту, в то время как по мощности оптического излучения, отраженного от вы- ходного торца ВС выходного оптического канала, можно судить о физических параметрах окружающей торец ВС среды.

Из сопоставления известного (прототипа) и предлагаемого технических решений следует, что предлагаемое изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей и области применения ВОП путем уменьшения потерь мощности оптического излучения и повышения чувстви- тел ьн ости.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого ВОП; на фиг.2 - представлена схема экспериментальной установки с ВОП, используемым для исследования параметров жидких сред.

Устройство содержит (см. фиг. 1) корпус 1, входной оптический канал 2, выходной оптический канал 3, фоточувствительную поверхность 4 фоточувствительного элемента с электрическими контактами 5 и предуси- литель (на фиг. 1 не показан).

Корпус 1 выполнен, например, в виде полой трубки. В противоположных торцах корпуса 1 закреплены (например, с по- мощью клея) светоподводящий ВС 1 и све- тоотводящий ВС 2. Их торцы соединены внутри корпуса 1 друг с другом (например, посредством склейки) и расположены соос- но. Светоподводящий ВС 2 имеет диаметр световедущей жилы d меньший, чем диаметр световедущей жилы D светоотводяще- го ВСЗ. Фоточувствительная поверхность 4 имеет в центре круглее отверстие, дияметр которого равен диаметру световедущей жи- лы d ВС 2. В отверстии расположен светоподводящий ВС 2. Фоточувствительная поверхность 4 фотоприемного устройства имеет диаметр не меньше диаметра D све- тоотводящего ВС 3, обращена в сторону от торца ВС 3 и находится в контакте с ним, Фоточувствительная поверхность 4 установлена перпендикулярно оптической оси ВС 3 и закреплена в корпусе (например, при помощи клея) или может быть выполнена в виде фоточувствительного слоя, нанесенного на ту поверхность торца светоотводяще- го ВС 3, которая остается свободной после стыковки (например, путем склеивания) све- топодводящего ВС 2 и светоотводящегоВС

3. Электрические контакты 5 фоточувствительной поверхности 4 выведены из корпуса 1 (например, со стороны светоотводящего ВСЗ).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Распространяющееся по светоподводя- щему ВС 2 оптические излучение, выходя из его торца, вводится в торец светоотводящего ВС 3, а остальная его часть попадает на фоточувствительную поверхность 4. Электрические сигналы с помощью электрических контактов 5 поступают в цепь предусилите- ля (на фиг. не показан). В данном ВОП распространяющееся по светоподводящему ВС 2 оптическое излучение перераспределяется между выходным оптическим каналом (ВС 3) и фоточувствительной поверхностью 4 фотоприемного устройства, представляющей собой электрический выходной канал. ,

В случае выполнения соотношения d« D для диаметров светоподводящего и светоотводящего ВС, потери оптический интенсивности ВОП равны

A-10log(l0/li+l2),(1)

где lo - интенсивность излучения на выходе ВС 2 в отсутствие ВОП;

И - интенсивность излучения на выходе ВСЗ;

la - интенсивность излучения, поступающего в выходной электрический канал.

Потери оптической мощности для данного ВОП, обусловленные непараллельностью плоскостей, стыкуемых ВС (когда эти поверхности неперпендикулярны осям све- товодных волокон), относительно невелики, а потери, связанные с несогласованностью апертур ВС 2 и ВС 3, практически не имеют места. При выполнении соотношения (1) ВОП можно использовать в качестве устройства для исследования параметров жидких сред. Эта возможность проверялась с помощью экспериментальной установки (см фиг. 2).

Экспериментальная установка содержит источник излучения - лазер Л, модулятор М, узел ввода Ув - для оптического сопряжения с выходным торцом ВС А(мно- гомодовым кварцевым ВС с диаметром световедущей жилы мкм; длиной 1 м). ВС А состыкован с ВС Б(многомодовым световодом с диаметром мкм и длиной 0,5 м). В качестве канала, подводящего излучение к кювете 2, использовался волоконно- оптический тракт, составленный из ВС А и ВС Б, а в качестве сигнального электрического канала - фоточувствительная поверхность 1 с электрическими контактами 4

предусилителем электрических сигналов 5 и вольтметром 6. Излучение по ВС А проходило от лазера Л через ВС Б и до его выходного торца, который герметично фиксировался в кювете 2 так, чтобы напротив торца на рас- стоянии X располагалась внутренняя зеркальная стенка кюветы 2 (коэффициент отражения от зеркальной стенки ), отражалось обратно в ВС Б и фиксировалось фоточувствительной пластинкой 1 с по- мощью предусилителя 5 и вольтметра 6.

В приведенном датчике торцового типа для измерения показателя преломления жидкости изменение интенсивности происходит преимущественно вследствие изме- нения расходимости светового пучка а , причем результат можно определить по формуле:

г, f 2л (2)

4 К-Х nf(n1-n5)

где т, па, Пх показатели преломления све- товедущей жилы ВС Б, оболочки ВС Б и исследуемой среды соответственно.

Используя схему фиг. 2 для измерения показателя преломления растворов сахара с концентрациями от 0,1 до 1,0 % и со значениями показателей преломления растворов сахара от 1,3318 до 1,3330, соответствен нечувствительность датчика к изменению показателя преломления растворов сахара Д п, измеряемая величина которого составляла ломления Пх

d Iг2

-.-з

10 показателя пре

dn 2K-X2tf(rr1-n2)

nx.

(3)

В случае гц-п2 10 мкм, мкм и измерения I с погрешностью порядка минимально регистрируемые величины dnx . Выбирая диаметры d и D световедущих жил ВС А и ВС Б близкими по величине, можно использовать сигналы электрического выходного канала при про-

0

5

0

л

5

5

0 5

хождении оптического импульса от источника в качестве опорного сигнала, а этот же импульс, отраженный назад в ВС Б, регистрировать также с помощью электрического выходного канала и судить по его величине о состоянии окружающей торец ВС 6 среды.

Таким образом, комбинируя несколько описанных выше ВОП, можно создавать многоточечные волоконно-оптические системы сбора, передачи и обработки информации.

Согласно приведенным данным можно сделать вывод, что с помощью предлагаемого устройства можно расширить область применения ВОП, на их основе создавать новые типы волоконно-оптических систем сбора, передачи и обработки оптической информации.

Формула изобретения

Волоконно-оптический преобразователь, содержащий соосно расположенные входной и выходной оптические каналы, выполненные из волоконных световодов, фотоприемноеустройствосфоточувствительным элементом и электрическим выходным каналом, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь мощности оптического излучения и повышения чувствительности, волоконный световод выходного оптического канала выполнен с диаметром световедущей жилы, большим диаметра световедущей жилы волоконного световода входного оптического канала, фоточувствительный элемент фотоприемного устройства выполнен в виде плоской фоточувствительной поверхности с круглым отверстием в центре с диаметром, равным диаметру световедущей жилы входного оптического канала, в отверстии установлен волоконный световод входного оптического канала, плоскость торца которого совмещена с плоскостью фоточувствительной поверхности и с плоскостью торца волоконного световода выходного оптического канала.

S

Использование: в волоконно-оптических системах сбора, передачи и обработки информации. Сущность изобретения: преобразователь содержит входной и выходной световоды и фотоприемник, выполненный в виде плоской фоточувстви- гельной площадки с круглым отверстием, в котором установлен входной световод, торец которого совмещен с плоскостью фоточувствительной поверхности и с торцом выходного световода, при этом диаметр све- товедущей жилы выходного световода больше диаметра световедущей жилы входного световода.2 ил.

S/

Г7

/

i

л

X1

я

/

Фиг.1

Л

Фаг t