Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СОЕДИНИТЕЛЬ СВЕТОВОДА С ФОТОПРИЕМНИКОМ
СОЕДИНИТЕЛЬ СВЕТОВОДА С ФОТОПРИЕМНИКОМ

СОЕДИНИТЕЛЬ СВЕТОВОДА С ФОТОПРИЕМНИКОМ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: волоконно-оптические линии связи. Сущность изобретения: соединитель световода с фотоприемником содержит полый корпус с гнездом для крепления фотоприемника и наконечник с отверстием для крепления световода, установленные соосно друг другу. Корпус и наконечник выполнены с возможностью установки выходного торца световода на заданном расстоянии от светочувствительного слоя фотоприемника, удовлетворяющему условию, приведенному в формуле изобретения. 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

   С помощью Яндекс:  

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2029975
Класс(ы) патента: G02B6/42
Номер заявки: 5051456/10
Дата подачи заявки: 07.07.1992
Дата публикации: 27.02.1995
Заявитель(и): Михеев Геннадий Михайлович
Автор(ы): Михеев Геннадий Михайлович
Патентообладатель(и): Михеев Геннадий Михайлович
Описание изобретения: Изобретение относится к оптическим системам, в частности к соединителям световодов с оптоэлектронными элементами.
Известен волоконно-оптический приемный модуль, в котором световод и фотоприемник (ФП) установлены на заданном расстоянии и соосно друг другу [1].
Наиболее близким к изобретению является соединитель световода с оптоэлектронным элементом (фотоприемником), содержащий корпус с гнездом для установки ФП и соосно установленный с ним в торец наконечник с закрепленным в нем световодом [2].
Недостатком известных устройств является ограниченная область их применения, обусловленная невозможностью измерения параметров (в частности, мощности) излучения в случае передачи по световоду мощных периодических импульсных излучений от лазерных источников.
Сущность изобретения состоит в том, что в соединителе световода с фотоприемником, содержащем полый корпус с гнездом для крепления фотоприемника и наконечник с отверстием для крепления световода, установленные соосно друг другу, корпус и наконечник выполнены с возможностью установки выходного торца световода на заданном расстоянии L от светочувствительного слоя ФП, удовлетворяющем условию
L>-0.5 dctgα, (1) где К - коэффициент увеличения максимального значения освещенности светочувствительности слоя фотоприемника; - максимальная величина пикового значения мощности излучения выходного торца световода; Ефн - освещенность поверхности фотоприемника, соответствующая насыщению его светочувствительного материала; d - диаметр сердечника световода; α - угол излучения световода.
Изобретение направлено на расширение эксплуатационных возможностей устройства без его усложнения и снижения надежности.
Выполнение соединителя с возможностью установки световода и ФП на заданном расстоянии друг от друга с учетом параметров излучения в световоде и на его выходе позволяет избежать насыщения материала ФП под действием пиковых значений импульсного периодического излучения и, следовательно, позволяет работать в линейном режиме при изменении средних за период параметров импульсного излучения.
На фиг.1 показан соединитель световода с ФП; на фиг.2 - оптическая схема устройства; на фиг.3 - зависимость силы света I и освещенности Е от угла ϕ распространения светового потока на выходе световода; на фиг.4 - зависимость освещенности Е от угла ϕ при различных условиях излучения.
Соединитель световода с фотоприемником (фиг.1) состоит из корпуса 1 и съемного наконечника 2, установленных соосно друг другу. В корпусе выполнено гнездо для установки (крепления) фотоприемника 3 со светочувствительным слоем 4, а с противоположной стороны - перегородка с центральным отверстием и гнездо для установки наконечника 2 с закрепленным в нем (например, за счет трения) световодом 5. Торцы световода и наконечника совпадают, расстояние L между ними и светочувствительным слоем 4 ФП выбрано в соответствии с выражением (1).
Устройство работает следующим образом. Световод 5 (фиг.1) устанавливают в центральное отверстие съемного наконечника 2 до совпадения их торцов, после чего наконечник устанавливают в гнездо корпуса 1 соединителя. В другом гнезде корпуса располагают ФП 3 светочувствительным слоем 4 в сторону наконечника.
В процессе излучения, например, от импульсного лазера (на фиг.1 не показан) световой поток, выходящий из световода 5 с диаметром d сердечника световода, распространяется в пространстве в пределах конуса, определяемого некоторым углом α при его вершине ( α < Θ , где Θ - апертурный угол световода), и поступает на рабочую поверхность 4 фотоприемника 3, образуя пятно диаметром D > d. Благодаря удалению ФП от торца световода на расстояние L, определяемое выражением (1), освещенность Е на светочувствительном слое ФП (при заданной максимальной мощности излучения) уменьшается до значений, не превышающих освещенности Ефн, соответствующей началу насыщения светочувствительного материала ФП (параметр Ефн является характеристикой материала фотоэлемента и представляет собой величину освещенности поверхности материала, при которой наступает насыщение сигнала фотоэлемента).
Минимальное значение L (Lмин), удовлетворяющее указанному условию, определяется из следующих соображений. Полагаем, что излучение на выходе тонкого (d << L) световода эквивалентно излучению точечного источника, расположенного внутри световода на его оси (точка О на фиг.2) на расстоянии 0,5dctgα от торца, и подчиняется законам геометрической оптики (излучающий конец световода заменяется точечным источником). Сила светового потока dΦ в пределах некоторого телесного угла d Ω, распространяющегося под каким-либо углом ϕ к оптической оси световода (см. фиг.2), равна I = d Φ , d Ω . С учетом того, что dΩ= dScosϕ / r2 , где dS - элемент плоской поверхности, перпендикулярной оптической оси световода, а r - его радиус-вектор, находим освещенность на элементе dS:
E = =I = I, (2) где ro = r/сos ϕ - расстояние от источника света до рассматриваемой плоскости.
Из формулы (2) видно, что если силу света I, как функцию угла ϕ , выразить через Io/cos3 ϕ, где Io - сила света вдоль оси световода, то освещенность Е будет постоянна по всему сечению диаметром D (фиг.2) и равна
Eo = . (3) На фиг.3 показана зависимость I и Е от угла ϕ в интервале угла α излучения световода и соответствующие значения Io и Ео.
Угловой спектр, выраженный в виде I = Io/cos3 ϕ, является единственным типом углового распределения, при котором освещенность Е будет постоянна по всему сечению диаметром D для любого расстояния r от источника света до рассматриваемой плоскости. Распределение излучения на выходном торце световода, описываемое выражением, близким соотношению I = =Io/cos3 ϕ, можно получить, сфокусировав излучение лазера на входной торец многомодового световода под некоторым углом Ψ , 0<Ψ> , , где Θ - апертурный угол световода) к оси световода. При этом сила света на выходном торце световода в направлении его оси будет минимальной, а в направлении угла α ≈ Ψ - максимальной.
Очевидно, что при фиксированном значении мощности излучения и расстоянии L освещенность Ео является минимальной величиной из всех возможных значений максимума зависимости Е(ϕ ): при всех других видах распределения светового потока по сечению (например, в виде "колоколообразной" зависимости, показанной на фиг.4) максимальное значение Ем освещенности больше Ео. В то же время при известной (заданной) зависимости Е(ϕ ) легко может быть получено соответствующее распределение Ео (как видно из фиг.4, это сводится к построению прямоугольника, равного по площади заданной фигуре) и коэффициент увеличения максимального значения освещенности (коэффициент амплитуды) К = =Емо.
Параметры Ео и Ем представляют собой максимумы зависимости Е( ϕ) для различных видов излучения, т.е. распределения светового потока по сечению: величина Ео - при равномерной освещенности (см. фиг.3,4), а Ем- для любого другого вида излучения. При этом величина Ем может изменяться в широких пределах, однако при одной и той же мощности излучения всегда больше Ео. Поэтому коэффициент К показывает степень превышения максимума (пикового значения) освещенности данного вида излучения над величиной Ео при равномерной освещенности.
Для предотвращения насыщения светочувствительного слоя ФП в случае однородной освещенности значение Ео не должно превышать величину Ефн - освещенность, соответствующую насыщению. Из этого условия найдем связь между мощностью светового потока (как параметра излучения), параметрами световода (диаметром d и углом излучения α ) и параметром Ефнфотоприемника. Световой поток на выходе световода (мощность излучения) определяется выражением P= ∫dΦ= ∫Eds или при однородной освещенности поверхности фотоприемника Р = Ео ˙S, где S - площадь светового пятна диаметром D (фиг.2). При максимальном значении пиковой мощности излучения выходного торца световода, равном Рм, освещенность поверхности на каком-либо расстоянии L от торца световода равна
Eo= /S. (4) Значение минимального диаметра D светового пятна, при котором материал ФП уже не насыщается (выходит из насыщения), определяется в соответствии с (4) выражением
Dмин= 2. (5) С учетом угла α излучения световода находим соответствующее минимальное значение L:
Lмин = 0,5(Dмин - d)ctgα , или, учитывая (5),
Lмин= -0,5 dctgα. (6) При неравномерной освещенности поверхности и той же максимальной мощности Рм, максимальное значение освещенности Ем превышает Ео (см. фиг.4). Увеличение освещенности в К раз равносильно снижению в К раз параметра Ефн фотоприемника. С учетом этого расчетное значение минимального диаметра, соответствующего выходу ФП из насыщения, определится выражением
D=2, (7) а минимальное расстояние -
L= -0,5 dctgα. (8)
Таким образом, для исключения насыщения светочувствительного материала ФП и обеспечения его работы в линейном режиме необходимо расстояние между выходным торцом световода и ФП выбирать не менее Lмин', т.е. из условия (1).
Для более эффективного использования светового потока предпочтительно выбирать минимальный поперечный размер A светочувствительного слоя фотоприемника не менее диаметра D светового потока, который соответствует выбранному расстоянию L с учетом угла α излучения световода.
Как видно из фиг.1, этот диаметр определяется выражением D = 2L˙tgα + d, при этом размер A фотоприемника должен соответствовать выражению A > D. Выполнение этого условия особенно важно при измерении средней за период мощности импульсного периодического излучения, когда эта мощность (Рср) оказывается значительно меньше пиковой мощности излучения (). В этом случае выбор необходимых параметров L и A позволяет без применения каких-либо вспомогательных устройств (для ослабления светового потока перед ФП и последующего усиления фотоэлектрического сигнала) производить точные измерения на достаточно высокой чувствительности.
П р и м е р. Соединитель световода с фотоприемником использовали для измерения средней мощности излучения импульсно-периодического лазера ИЛГИ-503 на выходе моноволоконного световода КП-200 с диаметром светопроводящей жилы, равным d = 0,2 мм. Энергия импульсов лазера составляет 30 мкДж при длительности импульса 10 нс, т.е. максимальная величина пикового значения мощности излучения равна 3 кВт. При этом на выходном торце световода импульсная освещенность в среднем составляет 9,5 МВт/см2, что вызывает насыщение участка фотоэлемента (использовали ФП на основе кремния со значением Ефн = 4˙104 Вт/см2) в случае непосредственной стыковки с торцом световода. Распределение освещенности, создаваемое излучением лазера, в плоскости фотоэлемента неравномерное при К = 1.5. При угле излучения световода α= 15о, рассчитанное по формуле (1) минимальное значение Lмин составляет 6,6 мм, а минимальный поперечный размер A = 3,8 мм. Соединитель световода с фотоприемником был выполнен с параметрами L = 8 мм, A = 6 мм. Это позволило выполнить простой измеритель средней мощности излучения азотного лазера ИЛГИ-503 без применения каких-либо ослабителей и усилителей. Минимальная чувствительность измерителя мощности составила 0,05 мВт, а линейность показаний прибора сохранялась во всех режимах работы лазера ИЛГИ-503.
Формула изобретения: СОЕДИНИТЕЛЬ СВЕТОВОДА С ФОТОПРИЕМНИКОМ, содержащий полый корпус с гнездом для крепления фотоприемника и наконечник с отверстием для крепления световода, установленные соосно друг с другом, отличающийся тем, что корпус и наконечник выполнены с возможностью установки выходного торца световода на заданном расстоянии L от светочувствительного слоя фотоприемника, удовлетворяющем условию

где K - коэффициент увеличения максимального значения освещенности светочувствительного слоя фотоприемника;
- максимальная величина пикового значения мощности излучения выходного торца световода;
Eфн - освещенность поверхности фотоприемника, соответствующая насыщению его светочувствительного материала;
d - диаметр сердечника световода;
α - угол излучения световода.