4.5. Оптична електроніка

У розвитку електроніки в XX столітті постійно простежувалася тенденція користування електромагнітних хвиль усе більше високої частоти. Припущення про те, що один раз радіотехніка й електроніка досягну оптичного діапазону хвиль, стає усе більше очевидним, починаючи з 50-х років минулого сторіччя, тобто, коли були встановлені основні характеристики з'єднання оптичного й електронного пристроїв.

З тих пор оптоелектроніка безупинно розвивається, і фактично сталла величезною галуззю науки й техніки, порівнянної з електронікою. Поява лазерів сприялася прискоренню розвитку оптоелектроніки. Потенційні характеристики лазерів описані ще в 1958 р., а вже в 1960 р. був створений найперший лазер - газовий, на основі суміші гелію й неону. Генерирующие безперервне випромінювання при кімнатній температурі напівпровідникові лазери, які в цей час одержали найбільш широке застосування, сталі випускатися з 1970 р.

Важливим моментом у розвитку оптоелектроніки є створення оптичних волокон. Особливо інтенсивними дослідження стали наприкінці 60-х років, коли американська фірма "Корнинг" створила кварцове волокно з малим загасанням (20 дб/км), що з'явилося значною подією для збільшення темпів досліджень і розробок на всі 70-е роки минулого сторіччя.

Головною метою створення оптичних волокон було забезпечення ними оптичних систем зв'язку. Проте, коли в техніку оптичних волокон були досягнуті вже значні успіхи, вплив волокон на розвиток волоконно-оптичних датчиків, виявилося досить серйозним.

Оптичне волокно звичайно буває одного із двох типів: одномодовое в якому поширюється тільки одна мода (тип розподілу переданого електромагнітного поля), і многомодовое - з передачею безлічі (біля сотні) мод. Конструктивно ці типи волокон розрізняються тільки діаметром сердечника - световедущей частини, усередині якої коефіцієнт переломлення ледве вище, ніж у периферійній частині - оболонці (мал. 4.22).

У техніку використовуються як многомодовые, так і одномодовыс оптичні волокна. Многомодовые мають великий (приблизно 50 мкм) діаметр сердечника, що полегшує їхнє з'єднання один з одним. Але оскільки групова швидкість світла для кожної моди різна, то при передачі вузького світлового імпульсу відбувається його розширення (збільшення дисперсії). У порівнянні із многомодовыми в одномодовых волокон переваги й недоліки міняються місцями: дисперсія зменшується, але малий (5...10 мкм) діаметр сердечника значно утрудняє з'єднання волокон цього типу й введення в них світлового променя лазера.

Тому одномодовые волокна знайшли переважне застосування в лініях зв'язку, що вимагають високої швидкості передачі інформації (лінії вищого рангу), а многомодовые найчастіше використовуються в лініях зв'язку з порівняно невисокою швидкістю передачі інформації. Є так звані когерентні волоконно-оптичні лінії зв'язку, де придатні тільки одномодовые волокна. У многомодовом волокні когерентність прийнятих світлових хвиль падає, тому його використання в когерентних лініях зв'язку нераціонально, що й визначило застосування в подібних лініях тільки одномодовых оптичних волокон.

Навпроти, хоча при використанні оптичних волокон для датчиків вищевказані фактори теж мають місце, але в багатьох випадках їхня роль уже інша. Зокрема, при використанні оптичних волокон для когерентних вимірів, коли із цих волокон формується інтерферометр, важливою перевагою одномодовых волокон є можливість передачі інформації про фазу оптичної хвилі, що нездійсненно за допомогою многомодовых волокон. Отже, у цьому випадку необхідно тільки одномодовое оптичне волокно, як і в когерентних лініях зв'язку. Проте, на практиці застосування одномодового оптичного волокна при вимірі нетипово через невелику його дисперсію. Таким чином, у сенсорній оптоелектроніці, за винятком датчиків-інтерферометрів, використовуються многомодовые оптичні волокна. Ця обставина пояснюється ще й тим, що в сенсорах довжина використовуваних оптичних волокон значно менше, ніж у системах оптичного зв'язку.

Слід зазначити очевидні достоїнства оптичних волокон:

широкополосность (передбачається до декількох десятків терагерц);

малі втрати (мінімальні 0,154 дб/км);

малий (близько 125 мкм) діаметр;

мала (приблизно 30 г/км) маса;

еластичність (мінімальний радіус вигину 2 мм);

механічна міцність (витримує навантаження на розрив приблизно 7 кг);

безындукционность (практично відсутнє вплив електромагнітної індукції, а отже, і негативні явища, пов'язані із грозовими розрядами, близькістю до лінії електропередачі, імпульсами струму в силовій мережі);

взрывобезопасность (гарантується абсолютною нездатністю волокна бути причиною іскри);

висока електроізоляційна міцність (наприклад, волокно довжиною 20 див витримує напруга до 10000 У);

висока корозійна стійкість, особливо до хімічних розчинників маслам, воді.

В області оптичного зв'язку найбільш важливі такі достоїнства волокна як широкополосность і малі втрати, причому в будівництві внутріміських мереж зв'язку поряд із цими властивостями особливого значення набувають малий діаметр і відсутність взаємної інтерференції, а в электрически несприятливому навколишнім середовищі - безындукционность. Останні ж три властивості в більшості випадків тут не грають якої-небудь помітної ролі.

У практиці використання волоконно-оптичних сенсорів мають найбільше значення останні чотири властивості. Досить корисні й такі властивості, як еластичність, малі діаметр і маса. Широкополосность же й малі втрати значно підвищують можливості оптичних волокон, але далеко не завжди ці переваги усвідомлюються розроблювачами сенсорів. Однак, із сучасної точки зору, у міру розширення функціональних можливостей волоконно-оптичних сенсорів у найближчому майбутньому ця ситуація потроху виправиться.

Як відомо, у волоконно-оптичних сенсорах оптичне волокно може бути застосоване просто як лінія передачі, а може відігравати роль самого чутливого елемента сенсора. В останньому випадку використовуються чутливість волокна до електричного й магнітного поля, до вібрації, температурі, тиску, деформаціям. Багато хто із цих ефектів в оптичних системах зв'язку оцінюються як недоліки, у сенсорах же їхня поява вважається скоріше перевагою.