Соединитель световода с фотоприемником

 

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.

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; Е_фн - 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 Е_фн, соответствующей началу насыщения светочувствительного материала ФП (параметр Е_фн является характеристикой материала фотоэлемента и представляет собой величину освещенности поверхности материала, при которой наступает насыщение сигнала фотоэлемента).

Минимальное значение L (L_мин), 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 r_o = 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 I_o/cos³ ϕ, где I_o - сила света вдоль оси световода, то освещенность Е будет постоянна по всему сечению диаметром D (фиг.2) и равна E_o = . (3) На фиг.3 показана зависимость I и Е от угла ϕ в интервале угла α излучения световода и соответствующие значения I_o и Е_о.

Угловой спектр, выраженный в виде I = I_o/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 = =I_o/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 Е_о 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 Е_м освещенности больше Е_о. В то же время при известной (заданной) зависимости Е(ϕ ) легко может быть получено соответствующее распределение Е_о (как видно из фиг.4, это сводится к построению прямоугольника, равного по площади заданной фигуре) и коэффициент увеличения максимального значения освещенности (коэффициент амплитуды) К = =Е_м/Е_о.

Параметры Е_о и Е_м представляют собой максимумы зависимости Е( ϕ) для различных видов излучения, т.е. распределения светового потока по сечению: величина Е_о - при равномерной освещенности (см. фиг.3,4), а Е_м- для любого другого вида излучения. При этом величина Е_м может изменяться в широких пределах, однако при одной и той же мощности излучения всегда больше Е_о. 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 Е_о не должно превышать величину Е_фн - 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 Е_фнфотоприемника. Световой поток на выходе световода (мощность излучения) определяется выражением P= ∫dΦ= ∫Eds или при однородной освещенности поверхности фотоприемника Р = Е_о ˙S, где S - площадь светового пятна диаметром D (фиг.2). При максимальном значении пиковой мощности излучения выходного торца световода, равном Р_м, освещенность поверхности на каком-либо расстоянии L от торца световода равна E_o= /S. (4) Значение минимального диаметра D светового пятна, при котором материал ФП уже не насыщается (выходит из насыщения), определяется в соответствии с (4) выражением D_мин= 2. (5) С учетом угла α излучения световода находим соответствующее минимальное значение L: L_мин = 0,5(D_мин - d)ctgα , или, учитывая (5), L_мин= -0,5 dctgα. (6) При неравномерной освещенности поверхности и той же максимальной мощности Р_м, максимальное значение освещенности Е_м превышает Е_о (см. фиг.4). Увеличение освещенности в К раз равносильно снижению в К раз параметра Е_фн 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 L_мин', 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 (Р_ср) 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 Е_фн = 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= 15^о, рассчитанное по формуле (1) минимальное значение L_мин 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;
E_фн - освещенность поверхности фотоприемника, соответствующая насыщению его светочувствительного материала;
d - диаметр сердечника световода;
α - угол излучения световода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4