5 Оптоволоконная система связи и управления
В ИВПКМ волоконная оптика используется не только в качестве оптоволоконных датчиков, но и образует оптоволоконную систему связи и управления, по которой с помощью лазерного излучения по волновым световодам передается информация от датчиков различных типов к микропроцессорам, команды от микропроцессоров к исполнительным компонентам ИВПКМ (актюаторам), обеспечивающим самодиагнозирование и адаптацию ИВПКМ.
Оптические волокна в составе ИВПКМ являются элементами адаптивной системы, обеспечивающей не только контроль деформаций, разрушений, вибраций, но и их компенсирование соответствующим изменением характеристик ИВПКМ исполнительными конформными компонентами – актюаторами до требуемого уровня.
Волоконные световоды имеют сложную внутреннюю структуру. Их действие основано на способности лучей свет, многократно отражаясь на границе раздела двух сред, распростроняться по ним на большое расстояние, даже в том случае, когда волокна изогнуты самым произвольным образом.
Для получения оптических волокон с высоким светопропусканием применяют особо чистые стекла (свинцовосиликатное, барийсиликатное, натрийкальцийсиликатное и другие) с заданным значением показателя преломления. [4]
Основным элементом волоконной оптики является световод – световедущая жила с высоким показателем преломления, причем диаметр световедущей жилы (19-20 мкм) в несколько раз превышает длину волны проходящего света (видимая область λ= 0,4-0,76 мкм). В этом случае закономерности распространения света через световоды описываются законами геометрической оптики.
Действие оптического волокна основано на многократном полном внутреннем отражении захваченного светового луча на границе двух сред с высоким и более низким показателем преломления. Полностью отражаются только те лучи, которые падают на границу раздела под достаточно малыми углами (предельный угол, под которым происходит полное внутреннее отражение луча, называется апертурным). Основными оптическими характеристиками световодов являются светопропускание, спектральная область пропускания, апертура.
Волоконно-оптические элементы обеспечивают низкие «шумовые» характеристики, передачу светового сигнала с усилением в широкой спектральной области (для УФ до λ= 0,2-0,3 мкм, в дальний ИК до λ= 10,6 мкм).
Если диаметр световедущей жилы соизмерим с длинной волны проходящего света и характеристический параметр R≤2,4, то для волокна выполняется условие отсечки мод (типов колебаний) высшего порядка и распространяется только мода низшего порядка. В этом случае обеспечивается малая дисперсия сигнала, что является одним из основных условий использования оптических волокон в системе связи и управления (внутриобъектной) ИВПКМ. В одномодовых оптических волокнах диаметром 50 мкм сердцевина диаметром 5 мкм имеет несколько больший показатель преломления, чем в оболочке, что обеспечивает нерасходящееся распределение (дисперсию) световой волны внутри волокна. Диаметр сердцевины настолько мал, что распространяются, не покидая волновода, колебания (моды) только одного вида, идущие под минимальным углом к оси.
В многомодовых волокнах со светонесущей сердцевиной диаметром 50-500 мкм одновременно могут распространятся световые лучи, идущие под разными углами к оси световода.
В одножильных световодах без оболочки с осесиметричной формой поперечного сечения с непрерывно уменьшающимся показателем преломления (в сердцевине наряду с SiO2 присутствует некоторое количество двуокиси германия, что приводит к повышению показателя преломления и меньшей скорости распространения света) от центра к периферии волокна по параболическому закону лучи распространяются по синусоидальной кривой.
Такие световоды с дифракционными решетками на поверхности используются в качестве датчиков, для ввода и вывода информации в системах ИВПКМ (датчик – микропроцессора – актюатор).
В производстве оптических волокон потребление оптически прозрачных полимеров в 1,5 раза превышают потребление кварца. В полимерных оптических волокнах используют теплостойкие термотропные ЖК ароматические полиэфиры (возможность пайки, технологичность), ПММА, ПС, оптически прозрачные фторопласты, полифторакрилаты (флюрет, фторин), их дейтерированные аналоги (светопропускание более 95% в интервале λ 500-2000 нм, плотность 1,67-1,84 г/см2, σ+ 25-35 МПа, показатель преломления 1,20-1,34).
Полимерные оптические волокна (ПОВ, «степ-волокна» со ступенчатым профилем изменения показателя преломления и градиентные) имеют по сравнению с силикатными меньшую стоимость, массу. При диаметре около 1 мм упрощаются операции по соединению их с другими элементами оптоволоконной системы ( коннекторами и др.), изготовленными из полимеров. ПОВ с сердечником из ПММА и оболочкой из полифторакрилатов разных типов производит Инженерный центр полимерного оптического волокна (Тверь). В ПОВ с полым сердечником при нулевой дисперсии оптического сигнала 99% светового потока проходит по воздуху и оптические характеристики не зависят от типа полимера. Для регистрации сигналов от тензодатчиков эффективны ПОВ с двумя сердечниками.
Активные волоконные элементы (изготовляются из неодимсодержащих стекол) используют в волоконных лазерах в качестве усилителей излучения.
Ключевую роль в передаче информации в волоконно-оптических системах играют лазеры и светоизлучающие диоды, посылающие импульсы света по оптоволокну. Высокая несущая частота лазерного излучения позволяет передавать информацию в широкой полосе частот со скоростью в сто тысяч раз большей, чем скорость систем радиосвязи.
Лазер (оптический квантовый генератор, Light Amplification by Stimulated Emissin of Radiation, усиление света при помощи индуцированного излучения) - источник оптического (УФ, видимого, ИК) когерентного (одинакового по фазе) монохроматического (одной длины волны) излучения, характеризующегося высокой направленностью и большой плотностью энергии (от микроватта рубиновый лазер, λ=0,69 мкм, импульс 0,5 мДж; азотный лазер, λ =0,34 мкм, импульс 0,5 мДж, до 1015 Вт, Ливермор, США).
Молекулы или атомы рабочего вещества (в газовых лазерах – Hе-Cd, CO24, ионы Аr, Не-Nе; в жидкостных - растворы органических красителей) возбуждают, а затем создают условия для их одновременного возвращение в исходное состояние. При этом испускается импульс, мощность которого значительно выше, чем у исходного воздействия. Рабочее вещество(главный элемент лазера) – активная среда, для образования которой используют: воздействие света нелазерных источников, электрический разряд в газах, химические реакции, бомбардировку электронным пучком и другие методы «накачки». Активная среда расположена между зеркалами, образующими оптический резонатор.
В волоконнооптической системе ИВПКМ в качестве излучателей, источников светового сигнала используют миниатюрные твердотельные полупроводниковые (инжекционные) лазеры, в которых активными средами являются диэлектрические кристаллы, стекла с ионами Cr, Nd, полупроводники на основе арсенида галлия As3Ga5 (чаще всего), теллурида кадмия, фосфида галлия Ga2(HPO3)3, излучающие диоды и светоизлучающие диоды (светодиоды), в качестве приемников оптического излучения – фотодиоды, лавинные диоды, фототранзистеры (рис. 5.1).
На стыках между отдельными фрагментами световодов часть света отражается в обратном направлении. Особенно вредно отраженный луч действует на лазеры, нарушая в них процесс генерации и ухудшая их характеристики. Проблему решают, устанавливая перед лазерами магнитооптические вентили, которые пропускают свет в прямом направлении, но почти полностью гасят его в обратном. Такой вентиль представляет из себя поляризатор и помещенную за ним магнитооптическую пленку, поворачивающую плоскость поляризации проходящего света на 45°. Прямой луч проникает через вентиль без помех, а у отраженного при повторном движении через пленку плоскость поляризации поворачивается еще на 45°, так что поляризатор его не пропустит.
Другая важная задача, которую решают пленки в волоконной оптике - коммутация световых пучков, то есть переадресация луча из одного световода в другой. Для этого используют дифракцию - отклонение луча света при прохождении сквозь дифракционную решетку, которая представляет собой систему полосовых доменов, возникающая на пленке под действием магнитного поля. Меняя напряженность поля, нетрудно увеличить или уменьшить период решетки, а значит и угол отклонения луча. Если же изменить ориентацию поля ( например, с вертикальной на горизонтальную), можно изменить плоскость отклонения луча (отклонить в почти любом направлении).
Рисунок 5.1 Схемы излучателей (А, 1-твердотельный полупроводниковый инжекционный лазер, 2-светодиод) и приемников оптического излучения (Б, 3-фотодиод, 4-лавинный диод,
5-фототранзистор), используемых в оптоволоконной системе передачи информации
и управления ИВПКМ.
Используют и коммуникаторы с магнитооптическими управляемыми транспарантами - специально обработанными пленками на которых сформированы сравнительно крупные ячейки - домены и нанесены тончайшие проводники, чтобы можно было импульсами тока переводить эти ячейки из прозрачного в непрозрачное состояние и наоборот. Подавая на транспарант нужный набор импульсов, можно за миллионные доли секунды формировать на нем мозаичное изображение (как на спортивных табло). В транспарантах на основе бистабильных доменов ячейки переключаются за миллиардные доли секунды. Благодаря «памяти» магнитооптических пленок картинка может сохраняться даже при отключении питания. [5]
Обычные лазеры слишком велики, чтобы встраивать их в микросхему. Нанопровода из оксида цинка, сульфида кадмия имеют диаметр около 100 нм, что резко снижает размеры лазеров. Наноразмеры имеют нанолазеры на основе нанотрубок.
Методами молекулярной сборки изготавливают полупроводниковые нанолазеры, имеющие вид башен с диаметром основания 0,001мм (многослойная структура из нескольких десятков плоских чередующихся нанослоёв из арсенида алюминия и арсенида галлия).
Разработана технология выращивания кадмий - сульфидных нанопроводников различной длины и толщины, технология изготовления наноскопического цифрового триггера, наноэлектронных транзисторов, нанопроводниковых лазеров, которые могут быть использованы для передачи информации внутри микросхем, для изготовления наноэлектронных чипов.