Волоконно-оптический преобразователь

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)5 6 02 В 6/24

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ:ГКНТ СССР.1 1 ч 2

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4720640/10 (22) 24,07.89 (46) 30,06.92. Бюл. М 24 (71) Специализированное конструкторское бюро с опытным производством Отдела теплофизики АН УЗССР (72) Н. В. Дашевец, С. А. Хуршудян и Л, M.

Емельянова (53) 535.813(088.8) (56) Austral Electron. Eng., 1985, М 12, р, 41 — 44.

Proc. Conf. Europ. Commun, Opt., Cannes, 1982, р, 345-347, Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, предназначенным для преобразования части оптического сигнала в волоконно-оптиче-. ских 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 излуче- ние 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

„„SU „„1744676A1 (54) ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛ Ь (57) Использование: в волоконно-оптических системах сбора, передачи и обработки информации. Сущность изобретения: преобразователь содержит входной и выходной световоды и фотоприемник, выполненный в виде плоской фоточувствительной площадки с круглым отверстием, в котором установлен входной световод, торец которого совмещен с плоскостью фоточувствительной поверхности и с торцом выходного световода, при этом диаметр световедущей жилы выходного световода больше диаметра световедущей жилы входного световода, 2 ил. фотоприемным устройством с фоточувствительным элементом и электрическим выходным 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 оптиче1744676

10

20

30

55 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 BC изогнут так, что его ось составляла определенный угол с осью неизогнутой части ВС.

Перед изгибом ВС, 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 BOll позволяет выводить часть излучения в нескольких местах вдоль одного и того же ВС, 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 ВС из-за различия углов выхода оптичсского 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 емного 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, необходимость 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 (ВОП), содержащем соосно расположенные, входной и выходной оптические каналы, выполненные из волоконных световодов, фотоприемное устройство с фоточувствительным элементом и электрическим выходным каналом, волоконный световод выходного оптического канала выполнен диаметром О световедущей жилы, большим диаметра d 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.

В зависимости от соотношения размеров диаметров О и d световедущих жил обоих световодов(см. ВС2 и BC 3 на фиг,1) ВОП может использоваться для различных целей. При выполнении условия d«D, вытекание излучения на стыке BC в направлении распространения излучения по волоконнооптическому тракту практически нет и фоточувствительная 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. при Ф0 наблюдается несогласованность апертур ВС и вытекание оптического излучения, вследствие чего фоточувствительная поверхность регистрирует оптическое излучение, вытекающее на стыке двух световодов при прохождении излучения по волоконно-оптическому тракту в направлении первоначального распространения излучения. Следовательно, выбирая соотношения диаметров d u D световьдущих 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

1744676

55 торца ВС 3 выходного оптического канала.

Задаваясь определенным соотношением диаметров d и О 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 выходного 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 BOll путем уменьшения потерь мощности оптического излучения и повышения чувствительности.

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 по верхность 4 фоточувствительного элемента с электрическими контактами 5 и предусилитель-(на фиг. 1 не показан).

Корпус 1 выполнен, например, в виде полой трубки. В противоположных торцах корпуса 1 закреплены (например, с помощью клея) светоподводящий BC 1 и светоотводящий ВС 2. Их торцы соединены внутри корпуса 1 друг с другом (например, посредством склейки) и расположены соосно. Светоподводящий BC 2 имеет диаметр световедущей жилы d меньший, чем диаметр световедущей жилы 0 светоотводящего 8C 3. Фоточувствительная поверхность 4 имеет в центре круглое отверстие, диаметр которого равен диаметру световедущей жилы d ВС 2, В отверстии расположен светоподводящий BC 2. Фоточувствительная поверхность 4 фотоприемного устройства имеет диаметр не меньше диаметра 0 светоотводящего ВС 3, обращена в сторону от торца BC 3 и находится в контакте с ним, Фоточувствительная поверхность 4 установлена перпендикулярно оптической оси

В С 3 и закреплена в корпусе (например, при помощи клея) или может быть выполнена в виде фоточувствительного слоя, нанесенного на ту поверхность торца светоотводящего ВС 3, которая остается свободной после стыковки (например, путем склеивания) светоподводящего ВС 2 и светоотводящего ВС

3. Электрические контакты 5 фоточувствительной поверхности 4 выведены из корпуса

1 (например, со стороны светоотводящего

ВС 3).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Распространяющееся по светоподводящему ВС 2 оптические излучение, выходя из его торца, вводится в торец светоотводящего BC 3, а остальная его часть попадает на фоточувствительную поверхность 4. Электрические сигналы с помощью электрических контактов 5 поступают в цепь предусилителя (на фиг, не показан). В данном ВОП распространяющееся по светоподводящему

BC 2 оптическое излучение перераспределяется между выходным оптическим каналом (B C 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

А=10!09(1о/ l1+ 12) (1) где 4 — интенсивность излучения на выходе

ВС 2 в отсутствие ВОП;

Ip — интенсивность излучения на выходе

ВС3;

lz — интенсивность излучения, поступающего в выходной электрический канал.

Потери оптической мощности для данного ВОП, обусловленные непараллельностью плоскостей, стыкуемых BC (когда эти поверхности неперпендикулярны осям световодных 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 Y, — для оптического сопряжения с выходным торцом ВС А(многомодовым кварцевым BC с диаметром световедущей жилы d =50 мкм; длиной 1 м). BC

А состыкован с ВС Б(многомодовым световодом с диаметром D=400 мкм и длиной 0,5 м), B качестве канала, подводящего иэлучение к кювете 2, использовался волоконнооптический тракт, составленный из BC А и

BC Б, а в качестве сигнального электрического канала — фоточувствительная поверхность 1 с электрическими контактами 4.

1744676

55 предусилителем электрических сигналов 5 и вольтметром 6, Излучение по ВС А проходило от лазера Л через BC Б и до его выходного торца, который герметично фиксировался в кювете 2 так, чтобы напротив торца на рас- 5 стоянии Х располагалась внутренняя зеркальная стенка кюветы 2 (коэффициент отражения от зеркальной стенки К=1), отражалось обратно в ВС Б и фиксировалось фоточувствительной пластинкой 1 с по- 10 мощью предусилителя 5 и вольтметра 6.

В приведенном датчике торцового типа для измерения показателя преломления жидкости изменение интенсивности происходит преимущественно вследствие изме- 15 нения расходимости светового пучка а, причем результат можно определить по формуле: гг „г х

1). (2) 20

4 КХ п1.(п1 — n5) где п1, nz, п,— показатели преломления световедущей жилы ВС Б, оболочки ВС Б и исследуемой среды соответственно, 25

Используя схему фиг. 2 для измерения показателя преломления растворов сахара с концентрациями от 0,1 до 1,0 и со значениями показателей преломления раство- . ров сахара от 1,3318 до 1,3330, 30 соответственно,чувствительность датчика к изменению показателя преломления pacrsopoe сахара Л и, измеряемая величина которого составляла 10 показателя преломления пх 35

Лг nх ° (3) гК- Х h1(n — n5) В случае п1 — и =10 D=400 мкм, Х=50 мкм и измерения с погрешностью порядка 40

10 минимально регистрируемые величины dn„= 10, Выбирая диаметры d u D световедущих жил ВС А и ВС Б близкими по величине, можно использовать сигналы электрического выходного канала при про- 45 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 информа- . ции, 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, фотоприемное устройство с фоточувствительным элементом и электрическим выходным каналом, о т л и ч а ю щ-и йс я 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.

1744676

Составитель Н.Дашевец

Редактор М.Недолуженко Техред М,Моргентал Корректор В.Гирняк

Заказ 2197 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101