1

1. ÚVOD

Optické vláknové systémy sa vzhľadom sa svoje vlastnosti používajú v poslednom

čase nielen v komunikačnej technike, ale aj v iných oblastiach, ako sú napr. prenos

svetelnej energie, spracovanie signálov, ale najmä na konštrukciu optických vláknových

senzorov.

Spolu s vynálezom laseru a optoelektronických polovodičov sa začala revolúcia

v modernej optike. Rýchly vývoj vláknovej optiky ešte viac dopomohol rozvoju tohto

odvetvia. Holografia a Fourierová transformácia optiky sú známe ako fotonické techniky.

Tieto formy vývoja dali základ pre novú vednú disciplínu zvanú fotonika. Vo fotonike

hrajú fotóny rolu podobnú s elektrónom v elektrických materiáloch, zariadeniach

a obvodoch. Výsledkom je že veľké množstvo činnosti, ktoré boli pôvodne doménou

elektronických médií, prešli na fotonický základ. Na dôkaz toho môžeme poukázať na

zrýchlený vývoj v používaní fotónov v bezpečnostnom spracovaní signálov, komunikácii

a výpočtovej technike. Najväčšia výhoda sa prejavila v rýchlosti a v spoľahlivosti. Tiež

môžeme doložiť, že s vývojom tejto vedy vznikli nové produkty ako CD, DVD, kopírky,

laserové tlačiarne... toto všetko sú produkty fotónových technológii. Gigabytová

prenosová cesta a zrýchlenie prenosu informácii posúvajú v súčasnosti spoločnosť

o značný krok dopredu.

Široké spektrum optických vláknových senzorov si nachádza svoje uplatnenie.

Zbavenie sa elektromagnetických interferencií a dovtedy nedosiahnuteľná rýchlosť

prenosu množstva informácií sú základnými predpokladmi na úspech fotónového

využívania. V budúcnosti sľubujú veľké výhody vo forme inteligentných systémov a ich

aplikácií, zlúčených materiálov, opticko-vláknových bezpečnostných telemetrických

systémov.

V prvej kapitole mojej práce sa všeobecne oboznámime s optickými vláknovými

senzormi, ich rozdelením, parametrami, typmi ich konštrukcií, ako aj so základnými

prvkami ich konštrukcie. Ďalšia kapitola je zameraná už bližšie na interferometrické

senzory a ich rozdelenie. Ďalej sa podrobnejšie venujem Machovmu – Zehnderovmu

a Sagnacovmu interferometru, ich konštrukcii, funkcii a praktickému využitiu

a stručnému porovnaniu týchto dvoch typov senzorov. Posledná časť práce je venovaná

základom problematiky integrovanej optiky.

2

2. OPTICKÉ VLÁKNOVÉ SENZORY

V aplikáciách optických vlákien majú dnes veľký praktický význam optické

vláknové senzory. Od vzniku prvých optických vláknových senzorov boli navrhnuté,

a stále sa navrhujú a zdokonaľujú nové typy optických vláknových senzorov, ktoré sú

schopné snímať v podstate akýkoľvek druh fyzikálnych, ale aj chemických či

biologických (interferometrické biosenzory) veličín.

Optické vláknové senzory majú na vstupe zdroj optického žiarenia (LED dióda,

polovodičový laser alebo iný laserový, príp. klasický zdroj optického žiarenia), ktorý

injektuje spojitý, alebo impulzový optický signál do optického vlákna. Na výstupe

senzora je fotodetektor (dióda PIN, lavínová fotodióda APD, príp. dvojica PIN-FET),

ktorý prijíma senzorom modulovaný optický signál. Aktívnou súčasťou senzora sú

elektronické prvky a obvody na riadenie zdroja, fotodetektora a na spracovanie

detekovaného signálu. Samotný snímací prvok je elektricky pasívny, pripája sa jedným,

alebo viacerými optickými vláknami k zdroju a detektoru svetla. Podstatou senzora je

snímanou veličinou vyvolaný fyzikálny (optický) jav, pôsobiaci medzi zdrojom

a detektorom svetla, ktorý spôsobuje zmenu (moduláciu) prenášaného optického signálu,

zodpovedajúcu snímanej veličine. V súvislosti s charakterom meranej veličiny vonkajší

vplyv môže byť elektrický, magnetický, tepelný, mechanický, chemický, radiačný, atď.

Veličina meraná pomocou vhodného fyzikálneho javu (elektrooptického,

magnetooptického, piezoelektrického, elastooptického, atď) spôsobuje zmenu optických

parametrov prostredia, v ktorom sa šíri optický signál (indexu lomu, koeficientu tlmenia,

lineárnych rozmerov a pod.). Optický obvod, v ktorom sa uskutočňuje modulácia

optického signálu, spája zmenu optického parametra prostredia so zmenou parametra

svetelnej vlny, ktorá sa ním šíri. Optické vláknové senzory možno rozdeliť do skupín

podľa rôznych hľadísk: snímanej veličiny, použitého optického vlákna, optickej

konštrukcie, modulácie optického signálu.[1, 4, 6]

Optický vláknový senzor nazývame prenosovým (transmisným), ak fyzikálne

možno rozlíšiť vstupné a výstupné optické vlákno. Senzor pôsobí v tomto prípade ako

pasívny prevodník v strede slučky optického vlákna a spôsobuje moduláciu

(zodpovedajúcu meranej fyzikálnej veličine) optického signálu, prenášaného optickým

vláknom.

3

Optický vláknový senzor nazývame odrazovým (reflexným) ak fyzikálne nemožno

rozlíšiť vstupné a výstupné optické vlákno. Senzorom šíriaci sa optický signál sa po

modulácií a odraze šíri tým istým optickým vláknom k fotodetektoru. [4]

2.1. VŠEOBECNÉ ROZDELENIE OPTICKÝCH VLÁKNOVÝCH SENZ OROV

Optické vláknové senzory možno všeobecne rozdeliť do dvoch skupín:

1. Senzory, v ktorých sa optické vlákno používa ako citlivý prvok (snímací prvok) –

vlastné optické vláknové senzory. Využíva sa vplyv snímanej veličiny na

prenosové vlastnosti optického vlákna, pričom sa mení intenzita, fáza, frekvencia,

spektrálne rozloženie, polarizačný stav, atď. prenášaného optického signálu.

2. Senzory, v ktorých sa optické vlákno používa ako prvok vstupu – výstupu

optického signálu, tzv. nevlastné optické vláknové senzory. Modulácia optického

signálu sa uskutočňuje mimo optického vlákna, preto použité optické vlákna

musia byť minimálne citlivé na vonkajšie vplyvy a nesmú ovplyvňovať vlastnosti

prenášaného optického signálu. Do tejto skupiny senzorov možno pri určitom

zovšeobecnení zaradiť aj rôzne meracie prístroje (interferometre, Dopplerove

merače rýchlosti, merače vibrácií a pod.), v ktorých optické vlákna umožňujú

meranie vzdialeností, rýchlostí, a pod. na ťažko prístupných miestach. [4]

Podľa iného typu klasifikácie môžeme optické vláknové senzory rozdeliť nasledovne:

A) Senzory založené na modulačnom alebo nemodulačnom procese môžeme nazývať

polarizačné senzory. Od momentu zistenia fáz a ich striedania bolo nutné použiť

interferometrické techniky nazývané tiež interferometrické senzory.

B) Vláknové optické senzory môžu byť klasifikované podľa ich využitia:

a) fyzikálne senzory určené na meranie teploty, tlaku atď.

b) chemické senzory ako merače Ph, analyzátory plynov, spektroskopické výskumy

atď.

c) biomedicínske senzory ako sondy meracie tlak krvi, výšku cukru atď.

C) Vonkajšie a vnútorné senzory [2]

4

2.2. TYPY KONŠTRUKCIÍ OPTICKÝCH VLÁKNOVÝCH SENZOROV

Na obrázku obr. 1. sú znázornené 3 typy konštrukcií optických vláknových senzorov.

Na obrázku Orb.1. a je znázornená vláknovo – optická konštrukcia, ktorá využíva

optické vlákno ako citlivý prvok.

Na obrázkoch Obr.1. b,c je znázornená konštrukcia senzorov, ktorá využíva

optické vlákno len ako prvok vstupu – výstupu optického signálu :

- obrázok b využíva optický jav v prostredí mimo optického vlákna – optický

senzor

- obrázok c využíva neoptický fyzikálny jav a optické vlákno sa používa iba

na prenos užitočného signálu – neoptický senzor

Obr. 1. Konštrukcie optických vláknových senzorov: [4]

a) vláknovo-opická, b) optická, c) neoptická

5

Optický vláknový senzor v podstate pozostáva od zdroja svetla, snímaných

vlákien, detektora citlivého na svetlo, demodulátora, spracujúcej a zobrazujúcej optiky

a z požadovanej elektroniky. [4]

2.3. KONŠTRUKCIA OPTICKÝCH VLÁKNOVÝCH SENZOROV

A) Optické vlákna

Sú to tenké cylindrické štruktúry, ktoré podporujú šírenie svetla počas vnútorného

odrážania. Sú najdôležitejšou časťou optických vláknových senzorov. Môžu plniť funkciu

citlivej časti senzora, alebo sú určené na prenos užitočného optického signálu. Každé

optické vlákno pozostáva z vnútorného jadra vyrobeného typicky z kremenného skla aj

keď sa niekedy používajú iné materiály ako napríklad plasty a vonkajšieho plášťa.

V systéme optických vláknových senzorov sa používajú dva typy vlákien:

a) systém MM – mnohomódové vlákno, ktoré pozostáva z jadra, ktorého priemer

je asi 50 um. Index prierezu jadra je vždy jednotný (skokový profil) alebo gradientný

(parabolický profil). Plastické vlákna majú prierez tvaru skokového profilu a priemer

jadra okolo 1 mm. MM vlákna majú výhodu v tom, že dokážu prenášať množstvo svetla

a jednoducho ho ovládať. Obe s týchto výhod pochádzajú z podstaty širokého jadra.

b) systém SM – jednomódové vlákno. Vlákna sú skonštuované tak, ako sa

pezentujú parametre vo vlnovodovom režime:

Kde V je normovaná frekvencia

λ znamená vlnovú dĺžku

a je polomer jadra,

n1 a n2 sú indexy lomu jadra a plášťa.

6

Keď je V < 2,405 nezávislý režim je zabezpečený a sú potrebné SM vlákna ako

najzákladnejšia požiadavka pre interferometrické snímače. V závislosti od malého

priemeru jadra (4µm) sa nastavenie stáva kritickým faktorom.

Spomínané SM vlákna nie sú jedinou formou, kde sa môžu dva režimy

s degeneratívnou polarizáciu prenášať vo vlákne. To môže viesť k interferencii signálu

a šumu merania. Degenerácia môže byť odstránená a forma nezávislého režimu môže byť

dosiahnutá použitím elipsového jadra vlákna. V každom prípade, svetlo šíriace sa pozdĺž

hlavnej osi vlákna je uchované v tomto štádiu polarizácie. Je tiež možné vyrobiť vlákno,

v ktorom sa prenáša len jeden štýl polarizácie. Takže MM a SM vlákna a vlákna

zachovávajúce polarizáciu patria k trom typov vlákien, ktoré sa môžu použiť

v intenzívnom type, interferometrickom type a v polarimetrickom type snímačov.

Optické vláknové senzory rozdeľujeme podľa typu použitých optických vlákien na:

1. Jednomódové senzory využívajúce jednomódové optické vlákna a koherentné

zdroje žiarenia. Jednomódové senzory využívajú väčšinou ako snímací prvok

optické vlákno. Snímaná veličina sa vyhodnocuje prostredníctvom zmeny rôznych

vlastností optického vlákna, napr. optickej dráhy, indexu lomu, rozdielom medzi

imdexom lomu jadra a plášťa optického vlákna, rozdielu v optickej dráhe dvoch

navzájom ortogonálne polarizovaných módov. Jednomódové senzory sú väčšinou

usporiadane ako interferometre; meria sa relatívna zmena fázy medzi dvoma

optickými vláknami, z ktorých jedno je referenčné a druhé senzorové.

2. Mnohomódové senzory využívajúce mnohomódové optické vlákna a

nekoherentné zdroje žiarenia. Mnohomódové senzory využívajú väčšinou odvod

časti intenzity svetla z optického vlákna, prerušenie optického vlákna, prípadne

zmenu tlmenia optického vlákna, spôsobujúcu moduláciu intenzity optického

signálu. V týchto senzoroch možno využívať rôzne elektro – optické, mechanicko

– optické, akusticko – optické, fotoelastické, radiačné javy a pod. Použitý jav sa

vyberá na základe konkrétnej aplikácie podľa požadovanej citlivosťou

a dynamického rozsahu.

7

B) Zdroje žiarenia

Vo vláknových optických senzoroch poskytujú najväčšiu výhodu v závislosti od

veľkosti, ceny, spotreby energie a spoľahlivosti polovodičové svetelné zdroje. Svetlo

emitujúce diódy LED a laserové diódy LD sú tými správnymi typmi zdrojov pre vláknové

optické senzory.

V laboratórnych experimentoch sa veľmi často využíva He – Ne laser.

Vlastnosti LED diód zahŕňajú veľmi nízku koherenciu, široké spektrálne rozpätie, vysokú

svietivosť, nízku senzitívnosť na spätné svetlo a vysokú spoľahlivosť.

Na druhej strane laserové diódy LD prezentujú vysokú koherenciu, zúženú šírku

spektrálnej čiary a vysoký výstupný optický výkon, ktorý je základom pre

interferometrické optické senzory.

Vysoký výkon, ktorý požadujú Machov – Zehnderov a Fabryho – Perotov

senzory, dokážu dodávať len SM lasery. Laserové diódy sú ale veľmi citlivé na odrazené

svetlo a na zmeny teploty. Sú aj menej spoľahlivé a drahšie. Naviazanie svetla zo zdroja

žiarenia do optického vlákna je jeden z veľmi dôležitých aspektov a môže si vyžadovať

použitie špeciálneho optického zariadenia.

C) Indikátory

Polovodičová fotodióda (PD) a lavínová fotodióda (APD) sú asi najvhodnejšími

detektormi pre vláknové optické senzory. Lavínové fotodiódy môžu snímať nízku

intenzitu svetla, ale potrebujú relatívne vysoké napájacie napätie okolo 100V. Rozličné

zdroje a mechanizmy šumu asociované s detektormi a elektrickými obvodmi obmedzujú

konečnú detekčnú kapacitu. Tepelný a výstrelový šum sú dva principiálne zdroje šumu

a potrebujú byť minimalizované, aby senzor mohol správne fungovať. Snímač reaguje na

zmeny ako funkcie vlnovej dĺžky. Kremíková lavínová fotodióda je pre optiku vhodným

riešením a jej spektrum je blízke infračervenej oblasti, vlnovej dĺžky. Vo všeobecnosti

neexistuje u detektorov ako takých limitácia šírky pásma, ale keď môže byť čiastočne

limitovaná niektorými elektronickými obvodmi.

8

D) Ostatné optické prvky

Patria tu rôzne typy odbočníc, hviezdicových spojov, šošoviek, filtrov, optických

hranolov, prepínačov, optických multiplexorov a demultiplexorov atď. Konštrukčne

musia byt tieto prvky kompatibilné s vláknovou optikou. Významnú úlohu pri ich

konštrukcii zohráva technológia integrovanej optiky. V optických vláknových senzoroch

sa využívajú špeciálne optické integrované obvody na realizáciu rôznych funkcií, ako je

združovanie, rozvetvovanie, modulácie a demodulácie optických signálov. Využitie

optických integrovaných obvodov zvyšuje spoľahlivosť a komfortnosť senzorových

systémov, zjednodušuje ich montáž [2, 5]

Optické vláknové senzory môžme podľa spôsobu modulácie optického signálu, ktorá

vyjadruje nielen konštrukciu samotného senzora, ale aj jeho elektronického

detekčného systému rozdeliť na:

a) Amplitúdové senzory využívajúce moduláciu intenzity (amplitúdy) svetla

šíriaceho sa optickým vláknom.

b) Fázové senzory založené na modulácii fázy optického signálu, ktorý sa šíri

optickým vláknom

c) Polarizačné senzory využívajúce vplyv snímanej veličiny na polarizačný stav

svetelnej vlny, ktorá sa prenáša optickým vláknom

d) Frekvenčné senzory využívajúce moduláciu frekvencie optického signálu, ktorý sa

šíri optickým vláknom

e) Senzory s moduláciu rozloženia vlnovej dĺžky založené na detekcii spektrálne

závislých zmien absorpcie, emisie, alebo indexu lomu

f) Senzory s moduláciu šírky a polohy prenášaných optických impulzov, analyzujúce

oneskorenie a rozšírenie impulzov, spôsobené snímanou veličinou v uzatvorenej

slučke optického vlákna [4]

Musíme si však uvedomiť, že fotodetektory sú schopné detekovať len intenzitu

optického signálu, teda všetky ostatné vlastnosti optického signálu musia byť

v konečnom dôsledku detekované ako zmena intenzity.

9

2.4. PARAMETRE OPTICKÝCH VLÁKNOVÝCH SENZOROV

Najdôležitejšími parametrami optických vláknových senzorov sú:

a) citlivosť, ktorá sa vyjadruje pomocou hodnoty napätia užitočného signálu na

výstupe detekčného systému senzora pri pôsobení jednotkovej snímanej veličiny,

b) prah citlivosti rovnajúci sa veľkosti snímanej veličiny, pri pôsobení ktorej sa na

výstupe detekčného systému senzora hodnota napätia užitočného signálu rovná

strednej kvadratickej hodnote napätia jeho vnútorných šumov (v praxi sa často

využíva odstup užitočného signálu od šumu 10dB). Prah citlivosti reálnych

optických vláknových senzorov závisí od úrovne ich vnútorných šumov. Najväčší

vplyv na prah citlivosti senzorov majú šumy vznikajúce v optickom vlákne,

pretože šumy žiarenia môžu byť vo veľkej miere vykompenzované použitím

diferenciálnych metód detekcie a príspevok šumu detektora je relatívne malý.

Šumy vznikajúce v optickom vlákne majú viac príčin (rôzna doba konštanty

šírenia pre rôzne módy, medzimódová konverzia, vybudenie navzájom

ortogonálnych módov v jednomódovom optickom vlákne, nestabilita polarizácie

optickej vlny, atď.), pričom podstatnú úlohu má typ a konkrétne zapojenie

senzora. Optické vláknové senzora majú niekedy až o niekoľko rádov menší prah

citlivosti, ako senzory rovnakých fyzikálnych veličín zhotovené konvenčnými

metódami, veľký dynamický rozsah, a dobrú linearitu.

c) dynamický rozsah, ktorý je určený intervalom prípustných hodnôt meranej

veličiny, určeným prahom citlivosti a maximálnou prípustnou hodnotou snímanej

veličiny,

d) lineraita, t.j. lineárna závislosť hodnoty napätia užitočného signálu na výstupe

detekčného systému senzora od hodnoty snímanej veličiny

10

0φφ += nkL

λπ nL2=Φ

3. INTERFEROMETRICKÉ SENZORY

Interferometria je optická metóda, ktorá sleduje rozdiely medzi dvoma optickými

zväzkami, ktoré prešli podobné dráhy.

Interferometria je technika schopná merať tri veličiny optického zväzku pozdĺž

danej dráhy: zmenu dĺžky trasy, zmenu vlnovej dĺžky alebo zmenu rýchlosti šírenia.

Zmena niektorej z týchto veličín sa prejaví zmenou fázy vlny: Ta je podľa rovnice

závislá na dĺžke dráhy L, indexe lomu n a na vlnovej dĺžke λ.

(3.1)

Najcitlivejšie optické vláknové senzory sú založené práve na princípe fázovej

modulácie svetelnej vlny, šíriacej sa optickým vláknom. Tieto zmeny fázy svetelných vĺn

sa merajú interferometrickými metódami.

Týmito metódami je možné merať zmeny fázy rádovo o 10-8 rad (pričom vlnová

dĺžka svetla v optickom vlákne je okolo 1µm),je možné takto merať extrémne malé

zmeny dráhy svetla signálu v optickom vlákne. Pre fázu monochromatickej svetelnej

vlny, ktorá sa šíri optickým vláknom s dĺžkou L, platí:

(3.2)

Kde n je index lomu jadra optického vlákna

k – vlnové číslo

Φo – počiatočná fáza

Snímaná fyzikálna veličina x spôsobí zmenu fázy svetelnej vlny prostredníctvom zmeny

indexu lomu, dĺžky a prierezu optického vlákna. V dôsledku toho, že vplyv zmeny

prierezu optického vlákna na fázovú moduláciu je pre väčšinu prípadov zanedbateľný,

môžeme zmenu fázy svetelnej vlny šíriacej sa optickým vláknom , vyvolanú zmenou

snímanej fyzikálnej veličiny ∆x vo všeobecnosti zapísať ako:

11

xdx

dnkL

dx

dLnk ∆

+=∆φ (3.3)

Predpokladáme, že sa charakter profilu indexu lomu optického vlákna pri zmene

snímanej veličiny nezmení.

Ako základ konštrukcie fázových optických vláknových senzorov sa používajú

optické vláknové interferometre (obr. 2.), ako Machov-Zehnderov, Sagnacov,

Michelsonov, a pod., alebo ešte Fabry – Perotov rezonátor.

Obr. 2. Principiálne schémy konštrukcií optických vláknových senzorov [4]

a) Fabry-Perotov rezonátor, b) Machov-Zehnderov interferometer, c) Michelsonov interferometer, d) Sagnacov interferometer

12

3.1. ROZDELENIE OPTICKÝCH VLÁKNOVÝCH INTERFEROMETRO V

Optické vláknové interferometre je možné rozdeliť do troch základných skupín:

1.) Dvojramenný jednomódový interferometer

(Machov – Zehnderov, Michelsonov), využívajú porovnanie fázy svetelnej vlny, ktorá sa

šíri senzorovým optickým vláknom, a druhej vlny, ktorá sa šíri v referenčnom optickom

vlákne. Využíva sa homodynový, alebo heterodynový spôsob detekcie optickej vlny.

2.) Jednovláknový interferometer s obojsmernou optickou väzbou

(Sagnacov interferometer), porovnáva fázu dvoch svetelných vĺn, ktoré sa šíria proti sebe

v cievke optického vlákna.

3.) Medzimódový interferometer

Využívajúci interferenciu medzi dvoma, alebo viacerými módmi svetelnej vlny, ktoré sa

šíria rovnakým optickým vláknom. Výhodou tohto interferometra je možnosť použitia

mnohomódových optických vlákien, nevýhoda je problém pri vyhodnotení

interferenčného obrazu.

Na obrázku obr. 3. je znázornená schéma zovšeobecneného interferometrického

optického vláknového senzora a jeho detekčného systému

Obr. 3. Schéma zovšeobecneného interferometrického optického vláknového senzora

a jeho detekčného systému [7]

13

4. MACHOV – ZEHNDEROV INTERFEROMETER

Machov – Zehnderov interferometer (obr. 4.) sa ako základ konštrukcie fázových

optických senzorov používa najčastejšie.

Skladá sa z dvoch plne odrážajúcich zrkadiel a z dvoch polopriepustných zrkadiel,

kroré delia svetelný lúč na dva, približne rovnaké lúče s rovnakou intenzitou. Zväzok,

ktorý dopadá na vstupné polopriepustné zrkadlo, sa rozdelí do dvoch ramien, v ktorých sa

odrazí na plne reflektujúcich zrkadlách. Potom zväzky dopadajú na výstupné

polopriepustné zrkadlo. Tým sa oba na vstupe rozdelené svetelné zväzky opäť spoja sa

dve dvojice interferujúcich lúčov.

Obr. 4. Principiálna schéma Machovho – Zehnderovho interferometra [8]

U jednej z týchto dvojíc majú lúče rovnakú „minulosť“, pretože prechodom cez

interferometer oba lúče, za predpokladu, že koeficienty odrazu oboch plne reflektujúcich

zrkadiel R2, koeficienty prestupu T a odrazu ocboch polopriepustných zrkadiel R1 sú

rovnaké, prešli rovnakú dráhu,t.j. rovnaké prechody a odrazy, aj keď v inom poradí. Lúče

druhej dvojice majú odlišnú „minulosť“. [8]

Ak sú zrkadlá nastavené tak, že optické dráhy oboch vetiev sú rovnaké, musia mať

oba lúče po prechode interferometrom rovnakú fázu, pretože sú koherentné. Tieto lúče

vytvoria signál, ktorého amplitúda je súčtom amplitúdy interferujúcich lúčov. Keby sme

14

však zmenile napríklad index lomu v jednom z ramien, zhodnosť fáz interferujúcich lúčov

by sa porušila, a výsledná amplitúda by sa potom rovnala:

2µo . T . R1 . R2 . cos ( Φ ) (4.1)

Kde Φ je vyvolaný fázový rozdiel

Pri fázovom rozdieli π/2 by došlo k odčítaniu ich amplitúd, tzn. Minimum

intenzity interferujúcich svetelných zväzkov.

Intenzita výstupného svetelného zväzku, keď sú dráhy oboch ramien rovnaké, je

určená ako:

( 2µo . T . R1 . R2 )2 (4.2)

Ak predpokladáme, že plne reflektívne zrkadlá sú bezstratové a že oba polopriepustné

zrkadlá delia dopadajúci lúč na dva lúče s rovnakou intenzitou, tzn. ak platí, že:

R2 = 1 (4.3)

R1 = T = 1 / √2

Potom výsledná intenzita zväzku je rovnaká intenzite vstupujúceho zväzku. Toto tvrdenie

je však v rozpore so zákonom zachovania energie, pretože okrem doteraz uvažovaného

zväzku ešte z interfetometra vystupuje zväzok s rozdielnou „minulosťou“. Ak je splnený

uvedený predpoklad p veľkosti koeficientov prechodu a odrazu, amplitúdy lúčov v tomto

druhom zväzku, sú také isté ako v prvom zväzku. Energiu, ktorú dostávame z toho

druhého zväzku vytekajúceho z interferometra, môžeme považovať, že je to vlastne

energia „navyše“. Rozdiel fáz lúčov v prvom zväzku sa líši o π / 2 od rozdielu fáz lúčov

druhého zväzku. Týmto spôsobom by došlo k maximu interferencie práve vtedy, keď by

intenzita druhého zväzku bola nulová a naopak. Z vyššie uvedeného obr. 4., keď si

všimneme vyjadrenie amplitúd jednotlivých zväzkov, vyplýva, že pri odraze na

polopriepustnom zrkadle musí dôjsť k fázovému posunutiu odrazeného lúča oproti

predchádzajúcemu lúču o hodnotu π / 4, čo činí pri dvojnásobnom odraze hodnotu π / 2.

Práve vďaka tomuto fázovému posunutiu sa súčet intenzít obidvoch vystupujúcich

zväzkov rovná intenzite lúčka, ktorý vstupuje do interferometra. [2, 6, 8]

15

4.1. KONŠTRUKCIA MACHOVHO – ZEHNDEROVHO INTERFEROME TRA

Ramená interferometra sú tvorené jednomódovými optickými vláknami. Zdrojom

svetla je laser, pracujúci s módom TEM00. Fotodetektor, alebo systém fotodetektorov

detekuje signál, ktorý vznikne v dôsledku interferencie optických lúčov z referenčného

a senzorového ramena. Modulácia fázy optického signálu vzniká v senzorovom optickom

vlákne pôsobením snímanej fyzikálnej veličiny na dĺžku, index lomu a prierez optického

vlákna.

Obr. 5. Príklady zapojení Machovho – Zehnderovho interferometra [4]

16

Senzorové optické vlákno je pripojené na citlivú časť senzora, prostrdníctvom

ktorej v ňom vzniká fázová modulácia svetla.

Keď snímaná fyzikálna veličina zachováva valcovú symetriu optického vlákna, tenzor

deformácie v jadre optického vlákna eij má len 3 nenulové zložky e11, e22 a e33 , pričom

platí, že e22 = e33 (indexom 3 je označený axiálny smer). Deformácia jadra optického

vlákna spôsobí prostredníctvom fotoelastického javu zmenu jeho indexu lomu ∆.

ijijklij

epn

=

∆2

1 (4.4)

Kde pijkl sú zložky fotoelastického tenzora 4. rádu (Pocklesove koeficienty)

ijn

2

1 - konštanty optického indikatrixu (elipsoidov indexu lomu)

V izotropnom prostredí má fotoelastický tenzor len dve nezávislé zložky, ktoré

môžeme zjednodušene označiť ako p11 a p22. Pretože e33 vyjadruje relatívne predĺženie

optického vlákna a pomocou vyššie uvedeného vzťahu môžeme vypočítať aj relatívnu

zmenu indexu lomu a vzťah pre transverzálne polarizované módy potom nadobudne tvar:

( )[ ]

++−=∆ 3312111211

2

33 2epepp

neknLφ (4.5)

Nevýhodou fázových senzorov, ktoré sú založené na dvojramennom

jednomódovom interferometri je zložitá optická konštrukcia , nutnosť použitia

jednomódových optických vlákien a problémy s odstránením interferencie rôznych

fyzikálnych veličín.(napr. tlaku a teploty, tlaku a magnetického poľa a pod.) Napríklad

pôsobenie tlaku a teploty sa prejaví ako zmena fázy optického signálu.

Citlivosť optického vlákna na pôsobenie rovnomerného tlaku p môžeme zapísať

v tvare:

( ) ( )

−−−=

∆∆

2

2121 1211

20 ppn

Y

nk

pLσφ

(4.6)

17

Kde Y – Youngov modul pružnosti

σ – Poissonov koeficient

pij – fotoelastické koeficienty materiálu, z ktorého je optické vlákno vyrobené

Citlivosť optických vlákien, ktoré sú vyrobené z rôznych mnohozložkových skiel

sa môže meniť vo veľkom rozsahu, pretože Youngov modul pružnosti sa mení v rozsahu

od 5 . 1010 do 9 . 1010 N.m-2. Fotoelastické koeficienty môžu nadobúdať hodnoty od

0,1 do 0,3 a Poissonov koeficient hodnoty od 0,17 do 0,32. [4]

Podobným spôsobom vplývajú na fázu optického signálu aj zmeny teploty

optického vlákna. Citlivosť optického vlákna na pôsobenie teploty môžeme vyjadriť ako:

p

T T

nknk

TL

∂∂+=

∆∆

00 αφ (4.7)

Kde αT je koeficient lineárnej teplotnej rozťažnosti materiálu optického vlákna

Typické hodnoty citlivosti optických vlákien na báze SiO2, sú vzhľadom na

pôsobenie tlaku 10-5 rad . m-1 . Pa-1 a na pôsobenie teploty 100 rad . m-1 . K -1 [4]

4.2. PRAKTICKÉ VYUŽITIE: SENZORY NA BÁZE MACHOVHO –

ZEHNDEROVHO INTERFEROMETRA

Komunikačné optické vlákno môžeme bez ďalších úprav použiť len na snímanie

akustických signálov, tlaku a teploty. Pokrytím senzorového optického vlákna vhodným

materiálom, môžeme zvýšiť citlivosť fázových senzorov na tieto veličiny, alebo vytvoriť

senzory ďalších fyzikálnych veličín, ako intenzita magnetického poľa, intenzita

elektrického poľa, veľkosť elektrického prúdu a pod.

Interferometrické fázové senzory tvoria jednotnú konštrukčnú bázu na realizáciu

veľmi citlivých senzorov rôznych fyzikálnych veličín, ako sú napr. akustické signály,

tlak, teplota, intenzita magnetického poľa, elektrického prúdu a podobne. Veľký vplyv na

vlastnosti týchto senzorov má pokrytie ako senzorového, tak aj referenčného vlákna

materiálom. Napríklad, keď pokryjeme optické vlákno plastmi, zvýšime tým citlivosť

18

senzora akustických signálov a tlaku aj o niekoľko rádov. Na snímanie intenzity

magnetického poľa a elektrického prúdu sa senzorové vlákno pokrýva zasa vrstvou

magnetostrikčného materiálu, ako sú napr. Ni, kovové sklá atď. a na snímanie intenzity

elektrického poľa vrstvou piezoelektrického materiálu. Keď vhodne zvolíme materiál

a geometriu pokrytia optického vlákna, môžeme potlačiť súčasné pôsobenie rôznych

fyzikálnych veličín.

Využitie elastooptického javu na snímanie intenzity magnetického poľa

a elektrického prúdu je viazané na využitie magnetostrikčného javu alebo teplotnej

rozťažnosti optického vlákna.

Na obr. 6. sú znázornené tri konštrukcie senzorov prúdu s využitím

elastooptického javu. Obr. 6. a , c využívajú magnetické účinky elektrického prúdu

prostredníctvom magnetostrikčného obalu optického vlákna. Tento druh senzorov má

prah citlivosti 10-12 až 10-14 T na 1m dĺžky optovlákna. Citlivosť týchto senzorov je

porovnateľná so SQUID senzormi, t.j.

kvantovými supravodivými senzormi, ktoré

však vyžadujú veľmi nízku prevádzkovú

teplotu okolo 4K a preto sú náročné na

chladenie a prevádzku.[4]

Senzor na obr.6. b zasa využíva

tepelné účinky elektrického prúdu. Citlivosť

týchto senzorov je porovnateľná

s citlivosťou magnetostrikčných senzorov

elektrického prúdu, avšak magnetostrikčné

senzory umožňujú merať prúdy s frekvenciu

až do 10 kHz. Maximálna frekvencia

senzora s využitím tepelných účinkov

elektrického prúdu je len okolo 100 Hz. Na

obrázku c je čiastočne vykompenzovaný aj

vplyv rozdielnych teplôt senzorového

Obr. 6. Senzory elektrického prúdu [2]

a) magnetostrikčný, b) s využitím teplotnej rozťažnosti obalu optického vlákna, c) magnetostrikčný s teplotnou kompenzáciou

19

a referenčného optického vlákna na výstupnú charakteristiku senzora tým, že sú vlákna

umiestnené vedľa seba.

Ako senzor teploty sa využíva Machov – Zehnderov interferometer s ramenami

rôznych dĺžok. Na obr. 7. je teplotná závislosť relatívnej výstupnej intenzity svetla P/Po

z interferometra pre dva rôzne rozdiely dĺžok ramien interferometra. Tento typ senzora je

možné použiť pre meranie teplôt do 700°C s rozlišovacou schopnosťou 2 . 10-3 °C. [3]

Obr. 7. Závislosti relatívnej výstupnej intenzity svetla z interferometra od teploty [4]

Na obrázku obr. 7. je znázornená závislosť relatívnej výstupnej intenzity svetla

z interferometra od teploty

Ďaľšie možné typy konštrukcii fázových

senzorov s Machovým – Zehnderovým

interferometrom sú uvedené na obrázkoch obr. 8.

Senzor na Obr.8. hore je vyhotovený

prilepením optického vlákna na pásik

z magnetostrikčného materiálu, na ktorý sa najčastejšie

používa kovové sklo. Tento senzor je možné použiť na

meranie intenzity magnetického poľa a elektrického

prúdu so skoro rovnakou citlivosťou, ako majú senzory

s optickým vláknom pokrytým magentostrikčným

obalom.

Obr. 8. a) senzor intenzity magnetického poľa a elektrického prúdu vyhotovený prilepením optického vlákna na magnetostrikčný

pásik b) Senzor intenzity magnetického poľa využívajúci radiálnu deformáciu magnetostrikčného valna [4]

20

Veľmi často používaná konštrukcia fázového senzora je na obr. 8. dole. Optické

vlákno je navinuté na valec z magnetostikčného materiálu, čím získavame možnosť

snímania magnetického poľa a elektrického prúdu.

Na snímanie rôznych druhov fyzikálnych veličín je valec vyrobený z vhodných

materiálov. Napr. na snímanie vibrácií, tlaku a akustických signálov sa valej vyrába

s pružných materiálov, ako je napríklad guma, na snímanie elektrického poľa

z piezoelektrického materiálu, na snímanie teploty z kovu a podobne. Princíp činnosti

týchto senzorov je založený na radiálnej deformácií valca, na ktorom je navinuté

senzorové optické vlákno. Konkrétna realizácia toho typu senzora vibrácií je znázornená

na obrázku. Senzorové optické vlákno je navinuté na pružný valec, ktorý je umiestnený

medzi pevnou podložkou a pohyblivým závažím. Pracovný bod interferometra je

stabilizovaný piezoelektrickým modulátorom.

Obr. 9. Konkrétne zapojenie senzora vibrácii a zrýchlenia [4]

Na Obr. 10. sú uvedené dva typy senzorov vibrácií a zrýchlenia, u ktorých sa

závažie nachádza priamo na senzorovom optickom vlákne. Pri pohybe závažia nastáva

predlžovanie, resp. deformácia optického senzorového vlákna, čo má za následok zmenu

fázovej modulácie optického signálu, ktorý sa senzorovým vláknom šíri.

21

L

Ln

L

∆⋅=∆λπφ 2

Obr. 10. Senzorové vlákno senzorov vibrácií a zrýchlenia [4]

a) s fázovou moduláciou v jednom vlákne b) s fázovou moduláciu v dvoch vláknach

Ak zanedbáme zmenu indexu lomu, zmena fázy svetelnej vlny v optickom vlákne potom

bude spôsobená jeho predĺžením, ktoré môžeme vyjadriť ako:

(4.8)

Pre citlivosť senzora na zrýchlenie a platí:

2

8

Yd

Lmn

a λφ =∆

(4.9)

Kde d je priemer optického vlákna

n je index lomu jadra

Y Youngov modul pružnosti

m hmotnosť závažia

Pre n = 1,5; Y = 7,3 .1010 Pa; d = 8µm a λ = 632,8 nm platí:

22

( )115104 −⋅⋅=∆g

g

Lm

a

φ (4.10)

Kde L je dĺžka optického vlákna (m)

m je hmotnosť závažia (g)

g je gravitačné zrýchlenie (g = 9,81 m . s-2)

Senzor na Obr. 10. b dosahuje vyššiu hodnotu citlivosti, ako senzor na obrázku

a, pretože v oboch ramenách jeho Machovho – Zehnderovho interferometra nastáva

fázová modulácia optického signálu. [4]

Na obr.11. je znázornená frekvenčná závislosť citlivosti senzora zrýchlenia.

Z priebehu vidno, že krivka experimentálneho merania sa od ideálnej krivky líši. So

stúpajúcou frekvenciou stúpa aj hodnota senzitivity, pri 300Hz je prudký nárast, no len po

určitú hranicu, potom senzitivita opäť klesá.

Obr. 11. Frekvenčná závislosť citlivosti senzora zrýchlenia [2]

Okrem uvedených typov fyzikálnych veličín je možné Machov – Zehnderov

interferometer použiť aj na meranie dávky rádioaktívneho žiarenia. Fázová modulácia

optického signálu v senzorovom optickom vlákne nastane pôsobením žiarenia na index

lomu a na geometrické rozmery optického senzorového vlákna. Experimentálne sa

23

použilo žiarenie γ izotopu 60Co. Optické vlákna sa ožiarili dávkou 1 krad, ktorá spôsobila

relatívnu zmenu polomeru jadra o 3,9 ‰, plášťa o 1,8 ‰, zmenu indexu lomu jadra

vlákna o 2,8 ‰, a plášťa o 2,26 ‰. [2]

Na konštrukciu fázových optických senzorov s Machovým – Zehnderovým

interferometrom sa ukázalo ako výhodné použitie špeciálnych optických vlákien

s viacerými jadrami v spoločnom plášti. Pri použití takýchto vlákien môžeme bez

problémov používať aj zdroje svetla s malou koherentnou dĺžkou, ako sú polovodičové

lasery, pretože ramená interferometra majú vždy prakticky rovnakú dĺžku. Takéto fázové

optické vláknové senzory môžeme použiť na meranie koncentrácie H2. [2, 3, 4, 6]

5. SAGNACOV INTERFEROMETER

Sagnacov princíp (Obr.12.) je v podstate technika fázovej modulácie a môžeme je

vysvetliť nasledovne: Sangnacov jav, ktorý vzniká, keď sa dve elektromagnetické vlny

šíria proti sebe (jedna v smere hodinových ručičiek CW, a druhá v protismere hodinových

ručičiek CCW) po uzavretej dráhe, ako je napríklad cievka z optického vlákna, a túto

dráhu prejdú za rôzny čas. Tento jav môže nastať vtedy, keď cievka rotuje v priestore

vzhľadom na inerciálnu súradnicovú sústavu. Rozdiel časov prechodov

elektromagnetických vĺn cez cievku sa prejavuje ako posunutie interferenčného obrazca.

Posunutie je úmerné uhlovej rýchlosti otáčania cievky Ω. Ak sú frekvencie

elektromagnetických vĺn, ktoré sa proti sebe šíria rôzne, tak sa medzi nimi s časom mení

fázový posun a na výstupe senzora je možné detekovať interferenčné minimá a maximá,

striedajúce sa s frekvenciu úmernou rýchlosti otáčania sa cievky, tzv. zázneje.

Inak povedané, tieto lúče CW a CWW doshujú relatívne fázové diferencie, ktoré

sú úmerné rotačnej rýchlosti. Keď uvažujeme teoretický interferometer s kruhovou trasou

o polomere R

24

( ) ( )22

24

Ω−Ω=−=∆ −+

Rc

RTTT

π

Obr. 12 . Princíp Sagnacovho interferometra

kde interferometer je stacionárny a šíriace sa lúče CW a CCW sa znovu zmiešavajú po

danom časovom limite T:

c

RT

π2= (5.1)

kde R je polomer uzavretej dráhy

c predstavuje rýchlosť svetla

ale, ak interferometer je nastavený na otáčanie s uhlovou rýchlosťou Ω rad / sec okolo

osi prechadzajucej myslenym stredom a normálnou rovinou interferometra žiarenia

odrážajú žiarenie rozdeľovača(obr.13) v rozličných časoch. Lúče CW (v smere

hodinových ručičiek) prejdú na dokončenie celého okruhu o niečo (∆s) vačšiu dráhu, ako

je 2πR. Lúče CWW (proti smeru hodinových ručičiek) prejdú na dokončenie celého

okruhu dráhu menšiu ako je 2πR. [1, 2, 6, 5]

Ak by sme označili časy, ktoré potrebovali CW a CWW na prechod okruhu ako

T+ a T-, potom:

rozdielové časy (5.2)

25

2

24

c

RT

Ω=∆ π za predpokladu, že c2 >> (RΩ)2 (5.3)

c

RT

Ω=∆24π

čas potrebný na prechod optickej cesty(1 okruh) (5.4)

λ

πφ

c

R Ω=∆

228 fázový rozdiel (5.5)

5.1. KONŠTRUKCIA SAGNACOVHO INTERFEROMETRA

Interferometer na obr.13. pracuje na základe Sagnacovho javu. Sagnacov jav

vzniká vtedy, keď sa proti sebe šíria dve elektromagnetické vlny po uzavretej dráhe.

Obr. 13. Sagnacov optický vláknový interferometer [6]

26

Na základe fázovej modulácie optického signálu v Sagnacovom interferometri

môžeme vytvoriť senzory uhlovej rýchlosti, tzv. gyroskopy. Jednomódové optické vlákno

je navinuté v tvare cievky. Rotáciou tejto cievky v nej vznikne Sagnacov jav, čo znamená

fázový posun medzi navzájom opačne šíriacimi sa optickými signálmi.

c

LR

c

NS

oo λπ

λπφ Ω=Ω=∆ 48

(5.6)

kde Ω je uhlová rýchlosť otáčania

S je plocha cievky

oλ je vlnová dĺžka vo vákuu

c je rýchlosť svetla

N je počet závitov cievky

R je polomer cievky

L je celková dĺžka optického vlákna

Obr. 14. Závislosť fázového posunu o ∆Φ od uhlovej rýchlosti pri veličine RL ako

parametri [6]

27

( )[ ]φ∆+=∆ cos12

1oJJ

( ) ( )φφ

∆=∆

⋅ sin2

11

d

dJ

Jo

( )[ ]φ∆−= sin12

1oJJ

Na obr. 14. sú znázornené závislosti fázového posunu φ∆ od uhlovej rýchlosti Ω

pri veličine RL ako parametri. Typické optické vláknové gyroskopy využívajú optické

vlákno dlhé 500 m a stočené do tvaru cievky s polomerom R = 10 cm. Na detekciu

uhlovej rýchlosti o veľkosti Ω = 1° h-1 sa vyžaduje meranie fázového posunu 10-5 rad.

Fázový posun sa vyhodnotí interferometricky. V kvalitných systémoch je detekčný limit

vyhodnotenia fázového posunu okolo 4 . 10-8 rad, čo zodpovedá detekcii uhlovej rýchlosti

asi 0,1° až 0,01° h-1 . [4, 6]

Optický vláknový gyroskop može vzhľadom na svoje vlastnosti konkurovať

klasickým gyroskopom. Medzi je ho výhody patrí predovšetkým to, že nemá mechanické

pohyblivé časti, má malé rozmery (typický polomer cievky je 10 – 20cm), má malú

hmotnosť, má veľmi krátky reakčný čas, je odolný voči otrasom a pri používaní prvkov

integrovanej optiky má veľmi kompaktnú konštrukciu. Vzhľadom na malé tlmenie

optického vlákna na cievku možno navinúť veľký počet závitov a tým zvýšiť účinnú

plochu NS Sagnacovho javu (50 m2).

Interferencia navzájom opačne sa šíriacich optických signálov s fázovým

posunom φ∆ sa na fotodetektore prejaví ako zmena svetla ∆J závisiaca od uhlovej

rýchlosti:

(5.7)

Citlivosť senzora potom môžeme vyjadriť ako:

(5.8)

Zo vzťahu vyplýva, že so zmenšovaním uhlovej rýchlosti Ω klesá citlivosť senzora. Na

zvýšenie citlivosti je treba pomocou fázového modulátora zaviesť efektívne nerecipročný

fázový posun π/2 medzi oproti sebe sa šíriacimi optickými signálmi. Potom bude pre

intenzitu svetla dopadajúcu na detektor platiť vzťah:

(5.9)

28

z ktorého vyplýva, že intenzita lineárne závisí od rýchlosti otáčania sa interferometra pre

malé hodnoty Ω; citlivosť senzora dosahuje maximálnu hodnotu 0,5.

Citlivosť senzora so Sagnacovým interferometrom je v podstate ohraničená

šumom. Najvýznamnejšou zložkou šumu je kvantový šum, vyplývajúci z kvantovej

podstaty svetla. Ak bude interferometer pracovať sa maximálnou citlivosťou, minimálny

detekovateľný Sagnacov fázový posun závisí od stredného počtu fotónov (nph) podľa

vzťahu:

pho nJ

J 1min =∆=∆φ (5.10)

Spôsobuje to náhodný drift interferometra, pre ktorý platí :

( )2/1

2/110/1025

−−−

=Θhc

P

LR

c Ldrift

λπ

λ α (rad . h-1/2) (5.11)

kde L je dĺžka použitého optického vlákna

R je polomer cievky

α je tlmenie optického vlákna (dB . km-1)

h je Planckova konštanta

P je optický výkon injektovaný do vlákna

Optimálna voľba dĺžky optického vlákna L priamo závisí od jeho tlmenia α. Zo

vzťahu vyplýva, že z hľadiska zminimalizovania náhodného driftu interferometra je

vhodné voliť αL = 8,69 dB. Citlivosť reálnych senzorov so Sagnacovým

interferometrom ohraničujú okrem spomínaného kvantového šumu ešte ďalšie zdroje

šumov, ako sú nerecipročné fázové posuny (vyvolané napríklad Faradayovým

magnetooptickým javom poruchami dvojlomu optického vlákna, časovo závislými

teplotnými gradientmi), nestability stupňa polarizácie a amplitúdy zdroja svetla, spätný

rozptyl v materiáli optického vlákna a pod. [2, 3, 6]

Hlavnou výhodou dvojfrekvenčných senzorov so Sagnacovým interferometrom je

číslicový výstup a z neho vyplývajúci detekčný systém. Parametre týchto senzorov sú

29

však väčšinou horšie ako parametre jednofrekvenčných senzorov, čo vyplýva hlavne

z disperzných vlastností optického vlákna, tzn. signály s rôznou frekvenciou sa šíria

rôznymi rýchlosťami. Disperzia optického vlákna spôsobuje medzi týmito signálmi

fázový posun:

fd

dn

f

L ∆⋅−=∆λ

πφ 2 (5.12)

kde f je frekvencia optického signálu

∆f je spektrálna šíra

Pre 1km optického vlákna z kremenného skla (∆f = 4 MHz, λ = 0,38 µm, a dn/dλ ≈

0,02 µm-1 ) bude tento fázový posun asi 3,3 rad, čo je rádovo väčšia hodnota ako je prah

citlivosti jednofrekvenčných senzorov.[4]

5.2. PRAKTICKÉ VYUŽITIE: SENZORY NA BÁZE SAGNACOVHO

INTERFEROMETRA

Široké uplatnenie optických vláknových senzorov so Sagnacových

interferometrov (gyroskopov) je viazané ne uplatnenie technológie integrovanej optiky

a použitie senzorov s celovláknovou konštrukciou, ktoré je znázornené na obr.15.

V súčasnosti sa senzory so Sagnacovým interferometrom používajú takmer

výlučne na meranie uhlovej rýchlosti a polohy. Optický vláknový Sagnacov

interferometer možno výhodne použiť na meranie intenzity magnetického poľa

a elektrického prúdu. Použitím jednomódového slabo legovaného optického vlákna

z kremenného skla v takomto fázovom senzore možno dosiahnuť fázový posun približne

o 10-5 rad . A-1 na závit elektrického vodiča a závit optického vlákna. Senzor môžeme

použiť na meranie jednosmerných aj striedavých prúdov s frekvenciou do niekoľko

stoviek kHz, v rozpätí od niekoľko miliampérov do niekoľko sto ampérov s citlivosťou

približne 10-5 časti plného dynamického rozsahu

30

Obr.15. Integrovaný gyroskop [4]

a) optický vláknový b) celovláknový

.

Tieto senzory sa vyznačujú veľkou stabilitou nuly a výsledkov merania pri

rôznych teplotách a tlaku okolitého prostredia.

[1, 3, 4, 6]

6. POROVNANIE JEDNOTLIVÝCH TYPOV

INTERFEROMETRICKÝCH OPTICKÝCH VLÁKNOVÝCH

SENZOROV

Fázové senzory sú zložité optoelektronické zariadenia, ktoré sú náročné na

technológiu výroby, ako aj na spracovanie výstupného signálu. Sú extrémne citlivé na

zmeny indexu lomu a konštrukčných rozmerov optického vlákna. To umožňuje efektívne

31

merať zmeny viacerých vonkajších vplyvov, ktoré sa prejavujú zmenou indexu lomu,

priečnych rozmerov a dĺžky optického vlákna.

Všeobecne, citlivosť senzorov S je definovaná vzťahom:

E

S∆∆= φ

(6.1)

kde φ∆ reprezentuje zmenu fázy pri zmene snímanej veličiny E∆ .

Senzory využívajúce Sagnacov inretferometer, dokážu ako jediný typ optických

vláknových senzorov merať uhlovú rýchlosť. Ich výhodou je veľká citlivosť a tak isto aj

možnosť získať analógový aj digitálny signál. Na rozdiel od klasických gyroskopov

pracujú bez pohyblivých mechanických častí.

Nevýhodou fázových senzorov založených na jednomódovom dvojramennom

interferometri (Machov – Zehnderov interferometer) je zložitá optická konštrukcia, je

nutné používať jednomódové optické vlákna a následne problémy s odstránením

interferencií rôznych fyzikálnych veličín, ako napríklad tlaku a teploty, teploty

a magnetického poľa a podobne. [4, 6]

7. VÝZNAM INTEGROVANEJ OPTIKY

V optickom snímaní, v zapojeniach akými sú akými sú interferometrické senzory

alebo gyroskopy, sú okrem samotného senzora potrebné viaceré komponenty, ktorými sú

modulátory, spojovacie (väzbové) členy, polarizátor a podobne, pre vytvorenie prenosu

a analýzy signálu. Všetky tieto komponenty môžu byť môžu byť realizované vo forme

veľkokapacitnej optiky, integrovanej optiky alebo vo forme vláknovej optiky. [3]

Integrovaná optika ( IO) využíva mikrotechniku na výrobu optických vlnových

vodiacich plôch a zariadení v miniatúrnej forme a poskytuje výhody, akými sú

kompaktnosť, efektivita a multifunkčnosť vo forme samostatného čipu. Napríklad

spínače, polarizátory a fázové modulátory sú potrebné v prípade vláknového optického

32

gyroskopu a môžu byť vyrobené ako jednoduché čipy na základe lítiového niobátu, ako je

to znázornené na obrázku:

Obr. 16. Integrovaný čip

Zariadenie pozostáva z rozvetvených vlnovodov ako združovača a z pár elektród

pôsobiacich na jednej z vrstiev. Keď je využitý proces známy ako protónová výmena,

optické vlákna pracujú ako podpora jednej polarizácie. Celý čip môže byť vyrobený vo

forme doštičky tenkej len niekoľko mm. Podobne môžu byť rôzne formy modulátorov

využívaných v Machovom – Zehnderovom type vyrobené v IO forme. Keď sú zariadenia

integrovanej optiky vyrobené z polovodičových podložiek, ako napríklad GaAs alebo

InP, je kombinácia optického aj elektronického komponentu reálna.

Ako postupoval vývoj v elektronike, od elektrónok cez tranzistory až

k integrovaným obvodom, ktorých výhody sú známe, bola snaha priniesť podobné

výhody aj do fotoniky, ak má byť ak má byť optický systém kompaktný a kompatibilný

s elektronickým systémom. Inými slovami, minimalizujúce sa optické komponenty,

integrované v čipe môžu výhodne nahradiť potenciálnu aplikáciu fotónov. Vo výrobe IO

sa predpokladá, že mikrotechnológie na báze optiky, môžu byť brané do úvahy na

realizáciu optických súčastí integrovanej elektroniky pre prenos, moduláciu, spínanie,

multiplexovanie a iných optických prvkov v IO forme.

V integrovaných optických obvodoch, nazývaných taktiež fotonické obvody, sú

vlnovými vodičmi svetelné lúče nasmerované na tenký film, ktoré sú zachytené na

povrchu, alebo napálené do vnútra substrátu. Funkciu takýchto vlnových vodičov môžu

plniť kanály, rozvetvené, alebo zdvojené vlnové vodiče. Sklo, dielektrické kryštály

a polovodiče môžu byť použité ako základný materiál. Typ a druh funkcií, ktoré môžu

byť zrealizované vo fotonických obvodoch vo veľkej miere závisia od toho, či základný

33

materiál vykazuje schopnosti, akými sú polovodivosť, elektrooptický jav, akustooptický

jav, atď.

Výhodami IO elementov v porovnaní z ich optickými konkurentmi, ktorí nie sú vo

forme IO je ich kompaktná konštrukcia, ochrana pred rušivými vplyvmi, štruktúra

a vibrácia, nízka energetická náročnosť a v poslednej dobe aj nízka cena, založená na

jednoduchej výrobe. Realizácia týchto faktorov závisí od výroby viacerých pasívnych

komponentov, akými sú tenkovrstvové šošovky, polarizátory a spínače, ako aj od

aktívnych elementov, akými sú zdroje a detektory v integrovanej optickej forme.

Aktuálne sa rozvíjajú aj viac výhodné a kompletne funkčné fotonické obvody, akými sú

napríklad: spektrálny analyzátor, koherentný prijímač a pod.

Najzákladnejším prvkom obvodov integrovanej optiky je vlnovod. Inými

základnými prvkami sú lasery, modulátory, polarizátory, smerové rozvádzače, atď., ktoré

sú vyrobené na planárnom substráte s využitím štandardného litografického procesu

a tenkovrstvových technológií. Na zapísanie vzoru do tenkej vrstvy sa používa

elektrónový alebo laserový lúč, pretože majú vysoké rozlíšenie. V IO obvodoch sa

svetelné lúče šíria vo forme vedených vĺn v tenkej dielektrickej vrstve. Je úplne jasné, že

technológia tenkého filmu a polovodičová technika, hrajú dominantnú úlohu v rozvoji

fotonických obvodov a systémov.

7.1. MATERIÁLY PRE INTEGROVANÚ OPTIKU

Základnou požiadavkou pre výber tenkovrstvového optického materiálu je, že

musí byť transparentný pre danú oblasť vlnových dĺžok a mať index lomu vyšší ako

prostredie, do ktorého je tenká vrstva vložená. Za normálnych podmienok slúži vrstva

s nižším indexom lomu nanesená na substrát ako vlnovod. Nad touto vrstvou je vzduch.

Takýto tenkovrstvový vlnovod môže byť veľmi jednoducho vytvorený pomocou RF

naprašovania, naparovania, polymerizáciou, difúziou, epitaxiou a metódami iónovej

implantácie.

Epitaxné metódy, známe aj ako výrobná technológia pre polovodičové prvky sú

používané aj na výrobu zdrojov, detektorov a optoelektrických obvodov z materiálov, ako

sú GaAs, Si, InP. V tabuľke č. 1 je vypísaných zopár najdôležitejších materiálov, ich

vlastností a technológia ich výroby.

34

Existujú viaceré spôsoby ako môžu byť vlnové vedenia a ich súčasti zrealizované

vo forme IO. Typ materiálu má vplyv na výber technológie, ktorá sa použije pri ich

výrobe. V prípade skla sa na výrobu zväčša pasívnych IO komponentov, akými sú

spínače, prepínače, kombinátory atď., používajú mokré alebo suché techniky iónovej

výmeny. Polymérové vlnovody v skle alebo v iných materiáloch je vyrábané odstredivým

alebo ponorným nanášaním (spin coating a dip coating). Aj keď je tento výrobný proces

veľmi jednoduchý, je zložité dodržať presnú hrúbku a homogenitu tenkej vrstvy.

Druhými metódami používanými pre formovanie v prípade polymérov sú plazmatická

polymerizácia a Langmuir-Blodgettova metóda. Najobľúbenejším materiálom pre IO je

LiNbO3, ktorý môže byť vyrábaný použitím difúzie kovových iónov, najčastejšie titánu

alebo protónovou výmenou vo slabých kyselinách. Pre zvyšovanie kryštalických vrstiev

a množstva správnych štruktúr v polovodičov je výhodné použitie epitaxných metód

(LPE, MBE, MOCVD). Amorfné vrstvy na kremíku sú užitočné pri štruktúrach určitých

pasívnych komponentov, akými sú mriežky a kanálové vlnovody pre senzorické

a komunikačné aplikácie [10, 11].

Substrát Vodiaca vrstva Výrobný proces Vlastnosti

Sklo/Fázovací kryštáľ

a)rozličné sklá

b)Ta2O5 c)Nb2O5

d)polyméry

Rozprašovanie

(pokovovanie)/Evaporácia

typu e-lúča

Rozpúšťací roztok

Amorfné

a polokryštalické

vrstvy, menej stratové

nepodliehajú AO.EO

a NLO interakciám

Sklo Zmiešané kovové oxidy

Iónová migrácia a iónová

výmena;

Chemické leptanie

Lacná cena výroby

a jednoduché

zhotovenie

LiNbO3/LiTaO3 Vrstvy kovových

oxidov

Ti-vnútorná difúzia alebo

protónová výmena

Lacná výroba, cena,

vynikajúce vlastnosti,

AO.EO a NLO

vlastnosti

GaAs/InP Ga-xAl xAs

Ga-xInxAs-yPy LPE.VPE.MBE/MOCVD

Optoelektronická

integrácia, OEIC, atď.

Kryštálová mriežka Kovové oxidy Iónová implantácia Zbavené poškodenia

Tabuľka č. 1 Materiály a procesy pre integrovanú optiku (AO - akustooptický, EO –

elektrooptický, NLO – nelineárno-optický)

35

8. ZÁVER

Rozvoj optovláknových výrobných technológií, vhodných zdrojov a detektorov

optického žiarenia ale aj iných prvkov optických vláknových komunikačných systémov

umožnil v súčasnosti široké aplikácie týchto systémov.

Fakt, že sme začali zavádzať prvky vláknovej optiky do systémov, spôsobilo

vytvorenie skupiny optických vláknových senzorov. V najjednoduchších aplikáciách

týchto senzorov plní optické vlákno funkciu veľkokapacitného a flexibilného

prenosového kanála, ktorý prenáša užitočný optický signál a je odolné voči vplyvom

okolitého prostredia. V zložitejších aplikáciách je už vlákno integrované do senzora

spôsobom, že je už samo citlivým prvkom, a neplní len funkciu prenosu signálu.

V poslednej dobe nastal prudký rozvoj členov integrovanej optiky, kde je snaha

o vytvorenie čo najkompaktnejšieho senzora, v ktorom je zahrnutý nielen samotný

senzor, ale aj všetky elektronické prvky, potrebné pre jeho fungovanie.

Rozvoj optických vláknových senzorov má však za následok aj rozvoj ďalších

prvkov pre vláknovú optiku.

Mojou úlohou v tejto práci bolo popis optických vláknových senzorov, zamerať sa

na interferometrické optické vláknové senzory a bližšie pojednať o Machovom –

Zehnderovom a Sagnacovom interferometri a ich aplikácií v praxi.

Prvé kapitoly práce sú venované všeobecnému oboznámeniu sa s optickými

vláknovými senzormi, ich základnými konštrukčnými prvkami a ich rozdelením podľa

rôznych kritérií. Ďalšia kapitola je venovaná základnému popisu interferometrických

senzorov a ich rozdeleniu. V nasledujúcich dvoch kapitolách sa bližšie venujem

problematike Machovho – Zehnderovho a Sagnacovho interferometra, ich konštrukcií,

princípu ich činnosti a ich praktickej aplikácií. Posledná kapitola práce je venovaná

základnému popisu integrovanej optiky.

36

ZOZNAM POUŽITEJ LITERATÚRY

[1] Enrico Foresteiri: Optical Communication Theory And Techniques, Boston, Springer

science + Business Media, Inc., 2005 [2] Kersey and A. Dandridge, "Applications of Fiber-Sensors", IEEE Trans. on Comp.

Hybrids and Manufact. Technol. 13,1990 [3] Farhad Ansari (ed.), "Applications of Fiber Optic Sensors in Engineering Mechanics",

American Society of Civil Engineers, New York 1993 [4] J. Turán, S. Petrík: Optické vláknové senzory. Bratislava, Alfa, 1991 [5] O. E. Agazzi and V. Gopinathan‚ “The impact of nonlinearity on electronic dispersion compensation of optical channels‚” in Proc. OFC 2004‚ TuG6‚ Los Angeles‚ USA, 2004 [6] Ezekiel and H.J. Arditty, "Fiber Optic Rotation Sensors", selected papers on Fiber

Optic Gyroscopes, R.B. Smith (ed.), SPIE Press, 1989 [7] Internetové stránky : www.automatizace.hw.cz, http://www.answers.com [8] Milan Dado, Ivan Turek, Július Štelina, Ladislav Bitterer, Stanislav Turek, Eduard

Grolmus, Patrick Stibor: “KAPITOPY Z OPTIKY pre technikov”, Žilinská univerzita v Žiline, 1998

[9] Dakin and B.Culshaw (Eds.), "Optical Fiber Sensors, Principles and Components",

Vol. I & II , Artech House, Boston 1988. [10] Nishihara, M. Haruna , T. Suhaya, "Optical Integrated Circuits", Mc-Graw Hill, New York, 1989 [11] L.D.Hutcheson (Ed.), " Integrated Optical Circuits and Components", Marcel Dekkar

Inc.,1987

Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta

ČESTNÉ VYHLÁSENIE Vyhlasujem, že som zadanú bakalársku prácu vypracoval samostatne, pod

odborným vedením vedúceho bakalárskej práce Doc. RNDr . Jarmily Mőllerovej, PhD. a

používal som len literatúru uvedenú v práci.

Súhlasím so zapožičiavaním bakalárskej práce.

V Liptovskom Mikuláši dňa .............................. .................................................

podpis

6

POĎAKOVANIE