3.4.Методы оптической рефлектометрии

Измерение оптического пути распространения света в ВС – один из основных принципов построения ВОД. При этом воздействие физической величины преобразуется в линейное перемещение либо используется зависимость постоянной распространения света в ВС от внешних условий.

Фаза распространяющегося излучения [27] J=2p n1/l связана с оптическим путем n1l, который зависит от показателя преломления n1 сердцевины и длины l ВС. Все измеряемые величины, под действием которых могут изменяться показатель преломления n1 сердцевины или ее длина l, будут вызывать, следовательно, сдвиг фаз.

Чувствительность кварцевых ВС к температуре

DJ /D Т=100 рад / (м _5._0К).

В случае импульсного излучения изменение оптического пути эквивалентно временной задержке момента приема сигнала. В [28,29] было достигнуто пространственное разрешение порядка 10 мкм в ВС при непосредственном измерении времени распространения коротких лазерных импульсов по волоконнооптическому тракту. Однако при этом использовалось уникальное оптоэлектронное оборудование пикосекундного диапазона, широкое применение которого нереально на сегодняшний день.

В [27,30] реализованы ВОД физических параметров на основе измерения относительного удлинения ВС посредством полупроводникового инжекционного лазера (ИЛ) с высокочастотной модуляцией мощ

ности излучения. Интенсивность излучения ИЛ модулируется гармоническим колебанием с высокой частотой f. Разность фаз двух продетектированных радиочастотных сигналов (опорного непосредственно

от лазера и измерительного с выхода ВС) однозначно соответствует оптической длине тракта в диапазоне от p до+p. При этом специальные требования к источнику излучения (высокая степень когерентности и стабильность) не предъявляются.

Экспериментальная установка, реализующая описанный метод оптической рефлектометрии, изображена на рис.13 [27].

Лазер на GaAlAs помещался в широкополосный высокочастотный держатель, что позволяло осуществлять прямую глубокую модуляцию излучения лазера в диапазоне частот до 1 ГГц. Для обеспечения высокой эффективности накачки ИЛ имеет смысл использовать реактивные резонансные согласующие цепи.

Излучение лазера попадало в оптическую систему, образованную полупрозрачным зеркалом Пз и микрообъективами М1... М3_0.

Рис.13. Экспериментальная установка для исследования ВОД температуры методом рефлектометрии

В измерительном плече интерферометра помещался ВС. В качестве приемников излучения использовались лавинные фотодиоды ЛФД 2 А, сигнал которых регистрировался стробоскопическим осциллографом и измерителем разности фаз ФК2 29 с погрешностью измерения+0,1 угл.рад.

Разность фаз опорного и измерительного сигналов

DJ _0=_02p_0f(tоп _0 tизм_0) _0+DJо =(2pf/C)(lоп_0nоп lизм)+DJо_0.

Дополнительная разность фаз DJо связана с задержкой сигнала в фотодиодах и зависит от типа и конструкции фотоприемников, коэффициента лавинного умножения и, следовательно, от напряжения обратного смещения. На практике важна не абсолютная величина D Jо, а ее стабильность. Причем последняя должна лежать в пределах погрешности измерителя разности фаз. Это позволяет считать DJо постоянной величиной, а изменение DJ связывать с воздействием температуры на измерительный ВС [3]:

d DJ _02p_0f (_0 _0d _0lизм_0d nизм)

=2 nизм _+lизм 2 _5. (5)

d k_0C 9 _0d k _0d k 0

На рис.14 представлены результаты испытания ВОД температуры для ОВС длиной 260 м (а) и градиентного МВС длиной 25 м (б). Во всех случаях ВС имел обычное полиамидное покрытие. Гистерезис температурных зависимостей не наблюдался, что может быть следствием небольшого диапазона изменения температуры. Частота модуляции света f=846,2 МГц при глубине модуляции 0,7 [27].

Рис.14. Результаты испытания ВОД температуры рефлекторного типа [27]

Исследования показали, что градиентные ВС очень чувствительны к условиям ввода в них излучения, т.е. преимущественному возбуждению той или иной группы мод. Это объясняется тем, что временная разность в распространении световых лучей с модами наименьшего и наибольшего порядков для типичных градиентных ВС составляет ` 0,1 пс/м [27]. В нашем случае это может играть существенную роль.

Чувствительность ВОД возрастает с увеличением длины измерительного ВС. Однако при большом отличии длин lизм и lоп становится существенной паразитная девиация разности фаз d(Dj), связанная с нестабильностью частоты модуляции f. Из простого соотношения [27]

df d(DJ) 7 C

f2p_0f (lоп lизм_0) n_5*

можно оценить требуемую стабильность радиочастотного генератора, исходя из максимально допустимой величины девиации d (DJ_0). Здесь n_5* _0 эффективный показатель преломления.

Динамический диапазон такого датчика, определяемый областью однозначных измерений D_0f в интервале p_0...+p и минимальной погрешностью измерения ее значения, составляет ` _030 дБ. Включение в опорное плечо отрезка ВС такого же типа и длины, как в измерительном плече, позволяет значительно снизить требования к стабильности частоты модуляции, а кроме того, устранить паразитное влияние других факторов на характеристики измерительного ВС и увеличить динамический диапазон.