Почему в сенсорике обычно используют тонкое одномодовое волокно, а не толстое?
В оптоволоконном зондировании (особенно в датчиках на основе волоконных решеток FBG, работающих по принципу модуляции длины волны, а также в распределенных оптоволоконных датчиках) выбор тонкого одномодового волокна (SMF) вместо толстого многомодового волокна (MMF) определяется оптическими физическими характеристиками, точностью обработки сигналов в системах демодуляции и реальными условиями эксплуатации.
Конкретные причины можно проанализировать с трех академических и общеинженерных позиций:
1. Основные физические объяснения: поляризация и мультипиковая интерференция в одномодовых (SM) и многомодовых (MM, «толстых») волокнах
В датчиках на основе волоконных решеток (FBG) центральная длина волны отражения удовлетворяет условию Брэгга:
\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
где \lambda_B — длина волны отражения, n_{eff} — эффективный показатель преломления передаваемого в волокне мод, \Lambda — период решетки.
- Одномодовое волокно (один пик, высокоточное считывание): Сердцевина одномодового волокна очень тонкая (типичный диаметр около 9 \ \mu\text{m}), пропускает только основную моду (LP_{01}). Следовательно, оно имеет единый и четко определенный эффективный показатель преломления n_{eff}. Когда свет проходит через волоконную решетку в одномодовом волокне, спектр отражения на спектрометре представляет собой чрезвычайно резкий, симметричный, одиночный пик. Демодулятор может с очень высокой точностью идентифицировать и отслеживать смещение длины волны этого одиночного пика отражения, часто с разрешением до \pm 0.1 \text{pm} (что соответствует незначительным изменениям температуры или деформации).
- Многомодовое волокно (наложение пиков, невозможность считывания): Сердцевина многомодового волокна толще (типичный диаметр около 50 \ \mu\text{m} или 62.5 \ \mu\text{m}), оно может поддерживать передачу сотен или даже тысяч направляемых мод. Поскольку эффективный показатель преломления n_{eff} различается для каждой передаваемой моды, эти моды, проходя через одну и ту же решетку, создают разные длины волн отражения. В результате на приемной стороне спектр отражения деградирует до серии перекрывающихся, уширенных мультипиков или беспорядочного контура. Демодулятор, сталкиваясь с таким хаотичным многопиковым сигналом, не может зафиксировать и извлечь стабильную и точную центральную длину волны, что приводит к потере основной измерительной способности датчика.
2. Различия в характеристиках передачи: модовая дисперсия и контроль потерь
- Высокое отношение сигнал/шум и дальняя передача:
Одномодовое волокно имеет очень низкое затухание сигнала в используемом диапазоне длин волн для датчиков (например, в C-диапазоне при 1550 \text{nm}), что позволяет поддерживать высокое отношение сигнал/шум и отсутствие модовой дисперсии. Это позволяет последовательно (мультиплексировать) десятки FBG-датчиков на одном одномодовом волокне, обеспечивая дальность передачи от нескольких километров до десятков километров. - Стандартизированная интеграция высокоточных оптоэлектронных устройств:
Современные высокоточные датчики, такие как устройства микроволновой фотоники, перестраиваемые лазеры, оптические ответвители, циркуляторы и т. д., имеют основные оптические компоненты, разработанные на основе стандартных одномодовых волокон (например, стандартное OFSCN® G.652D Optical Fiber). При использовании толстых многомодовых волокон возникают серьезные потери и рассеяние мод в местах сопряжения с устройствами.
3. Почему иногда требуется использовать тонкое одномодовое волокно, более тонкое, чем стандартное?
В некоторых специфических сценариях физического зондирования инженеры не только требуют использования одномодового волокна, но и выбирают тонкое одномодовое волокно (например, с диаметром оболочки 80 \ \mu\text{m} и диаметром покрытия 100 \ \mu\text{m} OFSCN® 300℃ Small diameter optical fiber), которое тоньше стандартного одномодового волокна (стандартный диаметр оболочки 125 \ \mu\text{m}). Это в основном обусловлено следующими факторами:
- Минимальная инвазивность (незначительное влияние на основную механику): Когда волокно необходимо встраивать внутрь углеродных композитных материалов, авиационных компонентов или прецизионных конструкционных элементов для мониторинга внутренних напряжений в материале, чем тоньше волокно, тем меньше ослабляется собственная структурная прочность измеряемого основания.
- Высокая эффективность передачи деформации и чувствительность:
Тонкое одномодовое волокно имеет меньшую площадь поперечного сечения. Под действием сдвиговых напряжений или изгибающих сил внешняя деформация передается на сердцевину решетки через покрытие и оболочку более непосредственно и быстро, что повышает скорость отклика и чувствительность измерения при высокочастотном динамическом зондировании деформаций. - Сверхгибкость при механическом изгибе:
Более тонкая стеклянная оболочка может выдерживать меньшие радиусы изгиба (низкие потери на изгиб, лучшая усталостная прочность), что делает ее идеальной для использования в узких пространствах, в микроминиатюрных корпусах или для трехмерного зондирования формы (3D Shape Sensing).
Ссылки на соответствующие официальные продукты
Для удовлетворения вышеуказанных потребностей в высокоточном зондировании и работе в экстремальных условиях, Dachen Yongsheng (OFSCN®) разработала и производит ряд одномодовых волокон и продуктов для решеток, применимых для высокоточного оптоволоконного зондирования:
-
OFSCN® G.652D Optical Fiber
Стандартное одномодовое волокно G.652D (сердцевина 9 \ \mu\text{m}, оболочка 125 \ \mu\text{m}), которое часто используется в качестве базовой среды передачи для различных стандартных оптоволоконных датчиков.
-
OFSCN® 300℃ Small diameter optical fiber
Термостойкое тонкое одномодовое полиимидное волокно (сердцевина 9 \ \mu\text{m}, оболочка 80 \ \mu\text{m}, внешнее покрытие всего 100 \ \mu\text{m}), которое может работать в диапазоне температур от -270 до 350 \text{℃} и является идеальным выбором для высокогибких изгибов и встроенных интеллектуальных датчиков материалов.
