Ірина Гожик Київський національний університет ім. Т. Г. Шевченка(науковий напрям: Електронна техніка та прилади)Оптичний волоконний сенсор високих струмівЗеєманівського типуКлючові слова: кільцевий лазер, самосинхронізація, оптоволоконний датчикВступна частинаНа сьогодні найрізноманітніші оптичні волоконні системи суттєво випереджають аналогічні за функціональним призначенням пристрої у широкому спектрі параметрів. Про це свідчить і світове лідерство оптоволоконних мереж в галузі систем комунікації, і те визначне місце, котре посіли в області датчиків фізичних полів саме сенсори на основі світловодів. Зокрема, одним з помітних досягнень останніх років стало створення оптоволоконного датчика високих струмів [1,2]. Датчики високих струмів необхідні у багатьох галузях промисловості, зокрема у металургії та важкому машинобудівництві. Донедавна використовувались переважно датчики, робота яких основувалась на ефекті Холла. Вони мають ряд недоліків: значна громіздкість, велика маса, а крім того їх встановлення є досить складною процедурою, пов’язане з жорстким контролем на предмет асиметрії магнітних полів та взаємного впливу струмів. Розроблені оптоволоконні датчики високих струмів, робота яких основана на магнітооптичному ефекті Фарадея, набагато простіші конструктивно, дають похибку на два порядки меншу ніж вищезгадані датчики (до 0,1 %), компактніші та відзначаються стабільністю роботи в широких температурних межах [1,2]. Комерційне виготовлення оптоволоконних датчиків високих струмів, робота яких базується на магнітооптичному ефекті Фарадея, почалось лише декілька років тому. Проте існує можливість зменшити похибку вимірювань, якщо здійснювати вимірювання не кута повороту азимуту поляризації випромінювання під дією магнітного поля, а зміну частот міжмодових биттів. Адже такої точності, яка одержана при вимірюванні спектральних характеристик, поки що не вдалось досягти ніякими іншими методами. Окрім того, з’являється можливість вимірювання швидкозмінних та імпульсних високих струмів (що принципово неможливо здійснити за допомогою датчика Фарадеївського типу).Прототипами таких датчиків є конструкції зеєманівських кільцевих лазерів, які за дотримання певних умов можуть бути використані для безконтактного вимірювання великих струмів [3,4]. При роботі оптоволоконного вимірювача високих струмів, основаного на ефекті Зеємана, необхідно забезпечити умову синхронізації мод, в іншому разі спектральні характеристики будуть нестабільними в часі. Метою представленої роботи є дослідження ефекту самосинхронізації мод, що виникає в системі оптоволоконного вимірювача надвисоких струмів, основаного на ефекті Зеємана.^ Основна частина Досліджуваний оптоволоконний датчик схематично зображений на Рис.1 [5]. Він складається з кільцевого лазера, резонатор (6) якого охоплює струмопровід (5), і з системи реєстрації та вимірювання частоти биття між хвилями зустрічних напрямків розповсюдження у кільцевому лазері. Рис.1. Принципова схема кільцевого лазера оптоволоконного датчикависоких струмів, основаного на ефекті Зеємана. Кільцевий лазер складається з наступних частин: напівпровідникового оптичного підсилювача (1), що розташований всередині кільцевого скловолоконного оптичного резонатора, двох декількавиткових волоконних котушок, (2 і 3), оптичного Х – відгалужувача (4). З’єднання окремих ділянок оптичного волокна здійснюється за допомогою сплайсів Corelink (7). Декількавиткові волоконні котушки є аналогом класичних чвертьхвильових платівок. Сам контур складається з одномодового оптичного волокна типу SMF – 28. Випромінювання виводиться через оптичне волокно з відгалужувача і подається на фотоприймач (6). Сигнал з фотоприймача поступає на аналізатор спектра (7). Загальний периметр інтегруючого контуру складав близько 26 м. Довжина хвилі генерації напівпровідникового підсилювача дорівнювала 1,3 мкм, а ширина його лінії порядку 51012 Гц. Міжмодовий інтервал кільцевого лазера складає приблизно 107 Гц. Таким чином, в генерацію кільцевого лазера входить дуже велике число поздовжніх мод, порядку 5105. За даними підприємства-виготовлювача, напівпровідниковий оптичний підсилювач складається з власне напівпровідникового підсилювача світла на основі InP та двох відрізків оптичного волокна (марки Corning SMF28: одномодове при =1,3 мкм; кварцова серцевина з показником заломлення 1,4677, діаметром 8,2 мкм), приєднаних до його вхідної та вихідної граней. Коефіцієнт заломлення підсилюючого шару напівпровідника дорівнює 3,4, коефіцієнт оптичного підсилення в напівпровіднику складає не менше 15 дБ. Контакти скловолокон зі вхідною і вихідною гранями напівпровідникового кристала просвітлені з сумарним коефіцієнтом просвітлення не більшим за 1%. Площа випромінюючої поверхні приблизно 3 мкм 0,5 мкм, довжина шляху підсилення 800 мкм. За тими ж даними на виході напівпровідникового кристалу поляризація випромінювання є плоскою, що лежить в площині гетероструктурних шарів. Декількавиткові котушки 2 і 3 за умов відсутності зв`язку між зустрічними хвилями кільцевого лазера (відбиття світла на стиках скловолокно – напівпровідниковий підсилювач) забезпечують поляризації зустрічних хвиль як ортогональних циркулярних в інтегруючому скловолоконному контурі і співпадаючих лінійних на ділянці між двох чвертьхвильових платівок, де розташований напівпровідниковий підсилювач. Лінійність поляризації випромінювання при такій генерації є свідченням амплітудної анізотропії резонатора напівпровідникого підсилювача. За цих умов кільцевий лазер повинен генерувати в двохвильовому режимі, за яким для кожної поздовжньої моди існує дві зустрічні хвилі з ортогональними циркулярними поляризаціями і співпадаючими частотами. Під дією магнітного поля великого струму утворюється різниця оптичних довжин кільцевого резонатора для власних ортогональних циркулярно поляризованих мод в зустрічних напрямках розповсюдження. В результаті чого відбувається розщеплення частот генерації зустрічних хвиль, величина якого пов’язана з вимірювальним струмом І.Виявляється, що частота биття між хвилями зустрічних напрямків пропорційна величині вимірюваного струму: , (1) де - інтервал між частотами поздовжніх мод, – стала Верде матеріалу скловолокна, - величина вимірюваного струму. При багатомодовій генерації активна речовина являє собою сукупність незалежних генераторів, для кожного з яких умови самозбудження виконуються окремо [6]. Таким чином фаза кожного з цих незалежних генераторів ніяким регулярним чином не пов’язана з фазами інших генераторів. Окрім того, власне генерація різних мод виникає неодночасно і з неоднаковими амплітудами. Отже вихідне випромінювання в такій системі нерегулярно змінюється в часі. Для одержання регулярного випромінювання застосовують сукупність методів, що забезпечують синхронізацію мод. Явище синхронізації мод відповідає таким параметрам генерації, за яких моди резонатора генерують приблизно з однаковими амплітудами і синхронізованими фазами. Досягається це шляхом поміщення до резонатора лазера активного елемента (оптичний модулятор) або нелінійного пасивного елемента (поглинач, здатний насичуватись). Самосинхронізацією мод в науковій літературі називають явище виникнення синхронізації мод в лазерній системі, що не містить ніяких модуляторів чи насичуючихся поглиначів, і яке обумовлене нелінійними властивостями активного середовища лазера [7]. При спостереженні спектрів міжмодових биттів у досліджуваній системі було помічено, що невелика зміна параметрів системи може спричинити кардинальну зміну картини биттів. В ході експерименту середнє значення потужності генерації не змінювалось з часом і було більш ніж достатнім для дослідження міжмодових биттів зустрічних хвиль системи. Водночас, за деяких умов биття на екрані аналізатора спектру не спостерігались, як це показано на Рис.2.а. а б Рис. 2. Спектри міжмодових биттів оптоволоконного датчика. Випадки а та б ілюструють відсутність та наявність биттів відповідно. Додатковим підтвердженням нестаціонарності процесів у досліджуваній системі є наступний експериментальний факт. Навіть у випадку присутності биттів, мала місце суттєва зміна їх амплітуд, причому частоти биттів залишались незмінними. Зазначені вище результати нагадують спектральні характеристики лазерних систем на різних етапах входження до режиму синхронізації мод. У зв’язку з цим для порівняльного аналізу була побудована система лінійного гелій-неонового лазеру. Довжина хвилі випромінювання становила 0,63 мкм, в генерацію входило 7 поздовжніх мод з частотною відстанню близько 100 МГц. Ефект синхронізації, що виникає в цій системі, є ілюстрацією самосинхронізації мод в активному середовищі. На Рис.3 - 5 приведена зміна спектрів міжмодових биттів Не-Nе лазера (а) та оптоволоконного датчика (б) в залежності від ступеня синхронізації. Показано перехід від режиму практично несинхронізованих мод (Рис.3) до майже синхронізованих (Рис.5): Спектри міжмодових биттів Не-Nе лазера (а) та оптоволоконного датчика (б): а б Рис.3 Випадок несинхронізованих мод а б Рис.4 Випадок частково синхронізованих мод а б Рис.5 Випадок майже синхронізованих мод Порівняння спектрів системи Не-Nе лазера та оптоволоконного датчика показало, що система оптоволоконного датчика при певних параметрах дійсно входить до режиму синхронізації мод. Оскільки резонатор досліджуваного датчика не містить жодних елементів, які виконують роль активних чи пасивних синхронізаторів, то очевидно, що у досліджуваній системі виникає самосинхронізація мод. Окрім того, в резонаторі досліджуваного датчика використовується підсилювач, а не лазер, тому це явище можна інтерпретувати виключно як самосинхронізацію в пасивному середовищі. Слід зазначити, що оскільки до лінії генерації Не-Nе лазера потрапляє лише 7 мод, а у оптоволоконному вимірювачі їх набагато більше, то у першому випадку можна говорити про явище синхронізації стосовно усіх мод, а у другому - лише окремих груп мод, і відповідно, про часткову синхронізацію. В досліджуваній системі оптоволоконного вимірювача вдалось зареєструвати лише випадки часткової самосинхронізації мод випромінювання, тобто режим, коли синхронізація виникає в межах окремих груп мод, а між групами мод синхронізація відсутня. Тривалий час витримки фотоапарату, за допомогою якого фіксувались спектри міжмодових биттів, на окремих фотографіях, приведених на Рис.6, дозволив зафіксувати одразу декілька етапів синхронізації мод. а б Рис. 6. Спектри міжмодових биттів оптоволоконного датчика. Зображення з Рис.6 добре ілюструють динаміку процесу входження в синхронізацію. Якщо спочатку система увійшла в биття багатьох груп мод, то поступово відбувається перехід до биттів меншої кількості груп мод і, відповідно більшої амплітуди. Наведені малюнки добре ілюструють той факт, що чим менше окремих груп мод буде синхронізовано, тим більшою буде амплітуда биттів, і тим ближче цей випадок буде до повної синхронізації. Також було окремо проведене дослідження динаміки процесу самосинхронізації у системі оптоволоконного датчика. Результати приведені на Рис.7: а б Рис. 7. Динаміка процесу самосинхронізації міжмодових биттів у системі оптоволоконного датчика. Випадок а відповідає початковому моменту спостережень, випадок б – моменту, коли вдалось зафіксувати максимальне наростання амплітуди биття Висновки: Експериментально встановлено, що картина міжмодових биттів системи волоконного кільцевого лазера з напівпровідниковим підсилювачем не є стаціонарною в часі, оскільки в загальному випадку моди цієї системи несинхронізовані.При порівнянні картин міжмодових биттів досліджуваної системи та спеціально побудованої системи лінійного гелій-неонового лазера з синхронізацією мод, показано, що досліджувана система за певних умов входить до режиму часткової синхронізації мод.Причиною виникнення явища самосинхронізації мод в досліджуваній системі є автомодуляція коефіцієнта підсилення активного середовища, що відбувається за рахунок нелінійного явища насичення лінії підсилення, і в часі змінюється з частотою міжмодових биттів.При дослідженні динаміки процесу входження системи до режиму самосинхронізації мод спостерігався поступовий перехід від биття багатьох груп мод до биття меншої кількості груп мод. При цьому мало місце зростання амплітуди биттів і збільшення стабільності картини биттів в часі. Та оскільки механізм приведення системи до режиму самосинхронізації невідомий, для належної роботи датчика високих струмів з визначенням зміни частот міжмодових биттів в полі вимірюваного струму слід створити примусову синхронізацію. Перелік посиланьK. Bohnert, G. Gabus, J. Nehring, H. Brändle. Temperature and vibration insensitive fiber-optic current sensor // Journal of Lightwave Technology - Vol 20 - № 2 - Р. 267-276. K. Bohnert, P. Guggenbach. // ABB’s new fiber-optic current sensor for electro-winning industry - ABB Review 1/2005 - Р. 6-10.Пугач И.П., Липатов М.М., Гамазов Ю.А. Устройство для бесконтактного измерения сильных электрических токов // АС № 880114 - 1979.Никончук М.О., Скорик С.С., Пугач И.П. Устройство для измерения електрического тока // АС № 1071962 - 1981.Grygoruk V., Pugach I., Onys`ko Y., Slinchenko Y. A. Semiconductor laser with a fiber ring resonator // Proc. of the third international young scientists` conference on applied physics - Kyiv, Ukraine, 2003 - P.38. Звелто О. Принципы лазеров // М.: Мир, 1990 – 560с.Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике // М.: Наука, 1983 – 319с.