Эти два примера достаточно хорошо показывают влияние такого параметра как величина отношения сигнал/шум и длина сенсорной ячейки на чувствительность интегрально-оптического химического датчика.
Рис. 4. То же самое, что и на рис. 3, но при 1.
Рис. 5. То же самое, что и на рис. 3, но в отсутствие шума).
Компьютерное моделирование показало, что повышение чувствительности интегрально-оптических датчиков подобного типа возможно, например, с помощью: 1) повышения эффективности ввода лазерного излучения в волновод; 2) снижения потерь из-за рассеяния лазерного излучения на нерегулярностях волноводной части сенсора при фиксированной ; 3) увеличения доли мощности волноводной моды в исследуемой среде.
Увеличение эффективности ввода лазерного излучения в волновод с 40 до примерно 70% позволяет достичь чувствительности 0.1 ppm при длине сенсорной ячейки примерно 10-15 см и около 10.
В отсутствие шума и при параметре = 40% для достижения уровня чувствительности 0.1 ppm минимальная длина сенсорной ячейки = 1 см (см. рис. 5). В интервале изменения примерно от 1 до 2 см можно достичь чувствительности 0.1 ppm при незначительном шуме, когда > 100. Аналогичные данные были также получены для нескольких других типов интегрально-оптических химических датчиков.
Важно подчеркнуть, что при уменьшении выбранного сечения поглощения от 4•10-16 см2 до 10-19-10-21 см2 в случаях, показанных на рис. 3 и рис. 4, потребуется значительное увеличение длины сенсорной ячейки. При этом естественно возрастают требования к чувствительности измерительной аппаратуры и математическим методам последующей обработки данных измерений. При оптимизированных параметрах установки и использовании, например, в качестве волноводного датчика цилиндрического стержня можно получить эффективную длину сенсорной ячейки от нескольких метров до десятков метров. Это позволяет создать подобные сенсоры компактными по линейным размерам, не превышающим примерно 15-20 сантиметров.
Детальный анализ влияния рассеяния света на чувствительность интегрально-оптического волноводного датчика будет дан в одной из наших следующих наших работ. Здесь только отметим, что рассеяние лазерного излучения в волноводе [13-17, 19, 20] является одним из важнейших лимитирующих факторов достижения предельной чувствительности интегрально-оптических сенсоров [13]. В связи с этим для достижения высокой чувствительности интегрально-оптических датчиков необходимо детальнее исследовать проблему рассеяния лазерного излучения на границах раздела пленка-подложка и пленка-верхний покровный слой, поскольку с ростом разницы показателей преломления этих сред возрастают и потери на рассеяние волноводных мод интегрально-оптических волноводов. Аналогичные исследования необходимо провести и для интегрально-оптических датчиков, у которых есть рассеяние на внутренних дефектах волноводной части структуры сенсора.
Отметим, что интегрально-оптические волноводы на основе пленок, изготовленных по золь-гель технологии, несомненно, перспективны для создания различных интегрально-оптических сенсоров т.к. они сочетают относительную простоту реализации, дешевизну, прочность, возможность изменения показателя преломления в широком диапазоне. И, что чрезвычайно важно для создания независимых от температуры интегрально-оптических устройств, обладают сравнительно большим отрицательным температурным оптическим коэффициентом [19]. Указанные свойства делают их весьма привлекательными для создания атермальных волноводных устройств, т.е. устройств, параметры, которых не зависят от температуры. Подчеркнем, что температурной зависимости подвержены и такие необходимые компоненты систем плотного мультиплексирования, как узкополосные оптические фильтры, к которым относятся фильтры на основе волноводных матриц, резонаторы Фабри-Перо, РОС и РБО фильтры, интерферометры Маха-Цандера и др., что также связано с температурным изменением длины оптического пути.
Несомненный интерес представляет также исследование механизмов потерь в волноводных пленках, изготовленных по золь-гель технологии и оптических нановолокнах [19, 20], которые могут быть использованы как для создания перспективных оптических датчиков, так и найти применение в телекоммуникационных системах с высокой плотность передачи данных, а также - в системах обработки оптической информации.
Все эти факторы необходимо детально учитывать при решении задач анализа и синтеза перспективных оптических сенсоров параметров окружающей среды для достижения высоких метрологических характеристик данных сенсоров.
В данной работе исследована зависимость чувствительности интегрально-оптического волноводного датчика от таких важных параметров собственно сенсора как длина волноводной ячейки, сечение поглощения исследуемого вещества и эффективность ввода лазерного излучения в волноводную ячейку, а также от важнейшего фактора, обусловленного условиями измерений - уровня аддитивного случайного шума, изменяющегося в широких пределах.
Датчики на основе интегрально-оптических волноводов могут найти применение, например, в компьютеризированных системах контроля качества воздуха в микроэлектронной, медицинской и химической промышленности, а также в других отраслях, где требуется оперативный контроль, особенно - взрыво- и пожароопасных газов.
Литература
1. Шмидт Д., Шварц А. Оптоэлектронные сенсорные системы. - М: Мир, 1991.
2. Lambeck P.V. // Sensors and Actuators, 1992, 8, p. 103.
3. Wiesmann R., Muller L., Klein R., Neyer A. // Proc. 7th European Conf. on Integrate Optics ECIO`95 (Delft, Netherland), 1995, p. 453.
4. Bednorz M., Urbaсczyk M., Pustelny T., Piotrowska A., Papis E., Sidor Z., Kamiсska E. // Molecular and Quantum Acoustics, 2006, 27, p. 31.
5. Pustelny T., Maciak E., Opilski Z., Bednorz M. // Optica Applicata, 2007, Vol. XXXVII, No. 1 2, p. 187.
6. Хомченко А.В., Глазунов Е.В., Примак И.У., Редько В.П., Сотский А.Б. // Письма в ЖТФ, 1999, 25, С. 11.
7. Mogensen K.B., El-Ali J., Wolff A., Kutter J.P. // Appl. Opt., 2003, 42, p. 4072.
8. Чехлова Т.К., Тимакин А.Г., Попов К.А. // ПТЭ, 2002, 45, С. 145.
9. Egorov A.A., Egorov M.A., Tsareva Yu.I., Chekhlova T.K. // Laser Physics, 2007, 17, С. 50.
10. Passaro V.M.N., Dell'Olio F., De Leonardis F. // Sensors, 2007, 7, С. 2741.
11. Егоров А.А., Егоров М.А., Чехлова Т.К., Тимакин А.Г. // Экология и промышленность России, 2008, № 4 (апрель), С. 16.
12. Егоров А.А., Егоров М.А., Чехлова Т.К., Тимакин А.Г. // Датчики и системы, 2008, № 1, С. 25.
13. Егоров А.А., Егоров М.А., Чехлова Т.К., Тимакин А.Г. // Квантовая электроника, 2008, 38, С. 787.
14. Hunsperger R.G. Integrated Optics: Theory and Technology. - New York: Springer-Verlag, 1984. (Перевод: Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология. - М.: Мир, 1985).
15. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. - М.: Радио и связь, 1987.
16. Егоров А.А. // Квантовая электроника, 2004, 34, С. 744.
17. Egorov A.A. // Las. Phys. Let., 2004, 1, p. 579.
18. Маненков А.Б. // Изв. вузов. Сер. Радиофизика, 2005, 48, С. 388.
19. Чехлова Т.К., Живцов С.В., Грабовский Е.И. // Радиотехника и Электроника, 2006, 51, C. 855.
20. Kovalenko A.V., Kurashov V.N., Kisil A.V. // Optics Express, 2008, 16, p. 5797.