SU1744676A1 - Волоконно-оптический преобразователь - Google Patents

Abstract

Использование: в волоконно-оптических системах сбора, передачи и обработки информации. Сущность изобретени : 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.

Description

Изобрет ние относитс  к измерительной технике, а именно к устройствам, предназначенным дл  преобразовани  части оптического сигнала в волоконно-оптических системах сбора, передачи и обработки информации.

Известно устройство дл  преобразовани  части распростран ющегос  по волоконно-оптической системе оптического излучени  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 вводитс  во входной оптический канал, а затем попадает в выходной оптический канал, причем часть излучени , вытекающего на стыке между световодами входного и выходного каналов, фиксируетс 

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

К недостаткам известного устройства относ тс  существенные потери излучени , обусловленные несогласованностью апертур волоконных световодов, наличием рассто ни  между торцами световодов, а также потери излучени , обусловленные неполной фиксацией вытекающего на стыке оптиче (Л

С

xj

4

Os

l О

ского излучени  с помощью фоточувствительного элемента.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому волоконно-оптическому преобразователю  вл етс  волоконно-оптический преобразователь (ВОП) входного оптического канала в выходной оптический канал с фотоприемным устройством и фоточувствительным элементом, состо щий из одного волоконного световода (ВС), небольшой участок которого помещалс  в специальный желоб в стекл нной трубке и фиксировалс  там с помощью кле . Желоб изготовлен таким образом , что расположенный в нем участок ВС изогнут так, что его ось составл ла определенный угол с осью неизогнутой части ВС. Перед изгибом В С, где наблюдалось вытекание излучени , вплотную к изгибу ВС, в стекл нной трубке располагалс  фоточувствительный элемент фотоприемного устройства с электрическим выходным каналом, с помощью которого вытекающее из изгиба ВС оптическое излучение преобразовывалось в электрический сигнал.

Известный ВОП позвол ет выводить часть излучени  в нескольких местах вдоль одного и того же В С, благодар  чему он широко используетс  в волоконно-оптических распределительных системах. Необходимо отметить, что известный ВОП нечувствителен к электромагнитным наводкам , имеет высокое быстродействие, обусловленное высокой скоростью распространени  света, и может использоватьс  в агрессивных средах.

Однако известный ВОП имеет р д существенных недостатков, основным из которых  вл етс  наличие потерь оптического излучени  на изгибе В С из-за различи  углов выхода оптического излучени  из изгиба по отношению к оси неизогнутой части ВС и непопадани  части вытекающего из изгиба излучени  на фоточувствительный элемент фотоприемного устройства. Другой причиной потерь мощности оптического излучени  и, соответственно , ухудшени  чувствительности ВОП,  вл етс  наличие участка стекл нной трубки между чувствительным к вытекающему из изгиба ВС оптическому излучению фоточувствительным элементом фотопри- чемного устройства и непосредственно изгибом ВС. Выход щее из изгиба излучение частично рассеиваетс  и поглощаетс  стеклом , что приводит к ослаблению оптического сигнала с фотоприемного устройства. Потери оптической мощности вызывают ограничение количества ВОП, расположенных на одном ВС, н-еобходимость

использовани  мощных источников излучени  и, как следствие, сужение функциональных возможностей и области применени  ВОП известной конструкции.

Цель изобретени  -уменьшение потерь

мощности оптического излучени  и повышение чувствительности.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в волоконно-оптическом преобразователе

0 (ВОП), содержащем соосно расположенные входной и выходной оптические каналы, выполненные из волоконных световодов, фотоприемноеустройствос фоточувствительным 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 соотношени  размеров диаметров D и d световедущих жил обоих световодов (см. ВС2 и ВС 3 на фиг. 1) ВОП

5 может использоватьс  дл  различных целей . При выполнении услови  d«D, вытекание излучени  на стыке ВС в направлении распространени  излучени  по волоконно- оптическому тракту практически нет и фото0 чувствительна  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 наблюдаетс  несогласованность апертур ВС и вытекание оптического излучени , вследствие чего фоточувствительна  поверхность регистрирует оптическое излучение , вытекающее на стыке двух светово0 ДОР при прохождении излучени  по волоконно-оптическому тракту в направлении первоначального распространени  излучени . Следовательно, выбира  соотношени  диаметров d и D световьду5 щих жил ВС 2 и ВС 3, можно использовать сигнал электрического выходного канала в качестве сигнала опорного канала дл  определени  протекающей по волоконно-оптическому тракту оптической мощности, так и дл  регистрации излучени , отраженного от

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

Из сопоставлени  известного (прототипа ) и предлагаемого технических решений следует, что предлагаемое изобретение обеспечивает расширение функциональных возможностей и области применени  ВОП путем уменьшени  потерь мощности оптического излучени  и повышени  чувстви- тел ьн ости.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого ВОП; на фиг.2 - представлена схема экспериментальной установки с ВОП, используемым дл  исследовани  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 кле ) светоподвод щий ВС 1 и све- тоотвод щий ВС 2. Их торцы соединены внутри корпуса 1 друг с другом (например, посредством склейки) и расположены соос- но. Светоподвод щий ВС 2 имеет диаметр световедущей жилы d меньший, чем диаметр световедущей жилы D светоотвод ще- го ВСЗ. Фоточувствительна  поверхность 4 имеет в центре круглее отверстие, ди метр которого равен диаметру световедущей жи- лы d ВС 2. В отверстии расположен светоподвод щий ВС 2. Фоточувствительна  поверхность 4 фотоприемного устройства имеет диаметр не меньше диаметра D све- тоотвод щего ВС 3, обращена в сторону от торца ВС 3 и находитс  в контакте с ним, Фоточувствительна  поверхность 4 установлена перпендикул рно оптической оси ВС 3 и закреплена в корпусе (например, при помощи кле ) или может быть выполнена в виде фоточувствительного сло , нанесенного на ту поверхность торца светоотвод ще- го ВС 3, котора  остаетс  свободной после стыковки (например, путем склеивани ) све- топодвод щего ВС 2 и светоотвод щегоВС

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

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Распростран ющеес  по светоподвод - щему ВС 2 оптические излучение, выход  из его торца, вводитс  в торец светоотвод щего ВС 3, а остальна  его часть попадает на фоточувствительную поверхность 4. Электрические сигналы с помощью электрических контактов 5 поступают в цепь предусилите- л  (на фиг. не показан). В данном ВОП распростран ющеес  по светоподвод щему ВС 2 оптическое излучение перераспредел етс  между выходным оптическим каналом (ВС 3) и фоточувствительной поверхностью 4 фотоприемного устройства, представл ющей собой электрический выходной канал. ,

В случае выполнени  соотношени  d« D дл  диаметров светоподвод щего и светоотвод щего ВС, потери оптический интенсивности ВОП равны

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

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

И - интенсивность излучени  на выходе ВСЗ;

la - интенсивность излучени , поступающего в выходной электрический канал.

Потери оптической мощности дл  данного ВОП, обусловленные непараллельностью плоскостей, стыкуемых ВС (когда эти поверхности неперпендикул рны ос м све- товодных волокон), относительно невелики, а потери, св занные с несогласованностью апертур ВС 2 и ВС 3, практически не имеют места. При выполнении соотношени  (1) ВОП можно использовать в качестве устройства дл  исследовани  параметров жидких сред. Эта возможность провер лась с помощью экспериментальной установки (см фиг. 2).

Экспериментальна  установка содержит источник излучени  - лазер Л, модул тор М, узел ввода Ув - дл  оптического сопр жени  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, подвод щего излучение к кювете 2, использовалс  волоконно- оптический тракт, составленный из ВС А и ВС Б, а в качестве сигнального электрического канала - фоточувствительна  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 фиксировалс  в кювете 2 так, чтобы напротив торца на рас- сто нии X располагалась внутренн   зеркальна  стенка кюветы 2 (коэффициент отражени  от зеркальной стенки ), отражалось обратно в ВС Б и фиксировалось фоточувствительной пластинкой 1 с по- мощью предусилител  5 и вольтметра 6.

В приведенном датчике торцового типа дл  измерени  показател  преломлени  жидкости изменение интенсивности происходит преимущественно вследствие изме- нени  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 преломлени  све- товедущей жилы ВС Б, оболочки ВС Б и исследуемой среды соответственно.

Использу  схему фиг. 2 дл  измерени  показател  преломлени  растворов сахара с концентраци ми от 0,1 до 1,0 % и со значени ми показателей преломлени  растворов сахара от 1,3318 до 1,3330, соответствен нечувствительность датчика к изменению показател  преломлени  растворов сахара Д п, измер ема  величина которого составл ла ломлени  Пх

d Iг2

-.-з

10 показател  пре

dn 2K-X2tf(rr1-n2)

nx.

(3)

В случае гц-п2 10 мкм, мкм и измерени  I с погрешностью пор дка минимально регистрируемые величины dnx . Выбира  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 состо нии окружающей торец ВС 6 среды.

Таким образом, комбиниру  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 применени  ВОП, на их основе создавать новые типы волоконно-оптических систем сбора, передачи и обработки оптической информации.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Волоконно-оптический преобразователь , содержащий соосно расположенные входной и выходной оптические каналы, выполненные из волоконных световодов, фотоприемноеустройствос фоточувствительным элементом и электрическим выходным каналом, отличающийс  тем, что, с целью уменьшени  потерь мощности оптического излучени  и повышени  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

   S/

   Г7

   /

   i

   л

   X1

    

   /

   Фиг.1

   Л

   Фаг t