Способы и устройства для моноволоконной оптической телеметрии

Способы и устройства для моноволоконной оптической телеметрии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится, в общем, к способам и устройствам для модуляции света. В частности, настоящее изобретение относится к способам и устройствам для моноволоконной оптической телеметрии, которая может быть пригодна для облегчения связи между различными скважинными зондами, пересекающими толщу пород, и наземным блоком сбора данных.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Каротаж скважин производят много лет для повышения отдачи нефтеносных и газоносных отложений. При каротаже скважин один способ выполнения измерений под землей заключается в том, что прикрепляют, по меньшей мере, один зонд к кабелю, соединенному с системой наземного оборудования. Затем зонды спускают в ствол скважины на кабеле и поднимают обратно на поверхность («производят каротаж») по стволу скважины, с одновременным выполнением измерений. Кабель обычно представляет собой электропроводящий кабель с ограниченной пропускной способностью при передаче данных.

Потребность в повышении скоростей передачи данных каротажными зондами на кабеле быстро возрастает из-за доступности более высокого разрешения, более высокой скорости каротажа и дополнительных зондов для одной кабельной связки. Несмотря на развитие современной электронной телеметрии и повышение ее скоростей передачи данных от приблизительно 500 кбит/с (килобит в секунду) до 2 Мбит/с (мегабит в секунду) за последнее десятилетие, скорости передачи данных электронных телеметрических систем отстают от возможностей высокоразрешающих каротажных зондов. Фактически, для некоторых комбинаций акустических/формирующих изображение зондов, применяемых с традиционными каротажными зондами, требуемая скорость передачи данных превышает 4 Мбит/с.

Одна технология, которая была исследована на предмет повышения скоростей передачи данных, представляет собой оптическую связь. Скорости оптической передачи могут быть значительно выше, чем скорости электронной передачи. Однако применение волоконно-оптических кабелей в суровых нефтепромысловых условиях оказалось сложной задачей. Компромиссным решением проблемы применения волоконно-оптического кабеля в нефтепромысловых условиях является типичная потребность в волоконных жгутах для большинства устройств связи. В известных нефтепромысловых оптических устройствах, по меньшей мере, одно оптическое волокно применяют для команд нисходящего канала и, по меньшей мере, одно дополнительное оптическое волокно применяют для данных восходящего канала. Применение нескольких оптических волокон повышает вероятность повреждения, по меньшей мере, одного из оптических волокон или повреждения в соединениях к оптическим волокнам, особенно в нефтепромысловых условиях. Поэтому существует потребность в моноволоконной оптической телеметрической системе.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на решение вышеописанных и других недостатков. В частности, настоящее изобретение предлагает оптическую телеметрическую систему. Система содержит скважинный нефтепромысловый зонд, только одно оптическое волокно, продолжающееся между местоположением на поверхности скважины и скважинным нефтепромысловым зондом, при этом одно оптическое волокно заканчивается на подложке и соединено с ней, подложка содержит световод и множество электродов, соединенных с подложкой для модуляции света, проходящего по световоду. Подложка, световод и электроды могут составлять электрооптический модулятор. Электрооптический модулятор может быть модулятором интенсивности света. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, подложка содержит ниобат лития. В соответствии с другими вариантами осуществления, подложка содержит что-то одно из: танталита лития, ниобата стронция-бария, арсенида галлия и фосфата индия. Подложка, световод и электроды могут составлять электроабсорбционный модулятор. Соответственно, подложка может содержать фосфид индия.

Настоящее изобретение предлагает также скважинную телеметрическую систему, содержащую наземный блок сбора данных, содержащий наземный оптический телеметрический блок, скважинный оптический телеметрический контейнер, содержащий скважинный электрооптический блок, и моноволоконный оптический интерфейс между наземным блоком сбора данных и скважинным оптическим телеметрическим контейнером. Система может содержать оптический генератор только на поверхности и внешний электрооптический модулятор в скважинном оптическом телеметрическом контейнере. Внешний электрооптический модулятор может быть модулятором интенсивности, содержащим подложку из ниобата лития, световод или волновод, расположенный в подложке из ниобата лития, и оптический циркулятор, соединенный с волноводом. С оптическим циркулятором может быть соединен отражатель. Оптический соединитель может располагаться вблизи волновода и противоположно оптическому циркулятору.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, внешний электрооптический модулятор содержит подложку из ниобата лития, волновод, расположенный в подложке из ниобата лития, и отражатель, соединенный с волноводом. Внешний электрооптический модулятор может содержать моноволоконную среду передачи входных/выходных данных.

В соответствии с другими вариантами осуществления, внешний электрооптический модулятор содержит подложку из ниобата лития, волновод, расположенный в подложке из ниобата лития, и волокно, сохраняющее поляризацию проходящего излучения, повернутое на угол, нечетно кратный приблизительно 45 градусам, относительно оси волновода.

Настоящее изобретение предлагает также способ связи между местоположением на поверхности скважины и, по меньшей мере, одним скважинным зондом. Способ заключается в приеме электрических сигналов от, по меньшей мере, одного скважинного зонда и модуляции электрических сигналов от, по меньшей мере, одного скважинного зонда. Модуляция заключается в приеме света от источника в местоположении на поверхности скважины по волокну ввода скважинного электрооптического модулятора, модуляции света, выводе модулированного света обратно по волокну ввода и приеме и детектировании модулированного света в местоположении на поверхности скважины. Выведение модулированного света обратно по волокну ввода может заключаться в отражении модулированного света. Выведение модулированного света обратно по волокну ввода может заключаться в направлении модулированного света оптическим циркулятором. Оптический циркулятор может располагаться ниже по потоку от внешнего электрооптического модулятора. В соответствии с некоторыми аспектами, выведение модулированного света обратно по волокну ввода заключается в направлении модулированного света оптическим циркулятором, при этом оптический циркулятор расположен выше по потоку от внешнего электрооптического модулятора. Модуляция может заключаться в изменении интенсивности света, принимаемого из местоположения на поверхности скважины, внешним электрооптическим модулятором, расположенным в скважине. Модуляция может также заключаться в пропускании света по волноводу, расположенному в подложке из ниобата лития. Модуляция может дополнительно заключаться в приложении изменяющегося напряжения к волноводу.

В соответствии с некоторыми аспектами, выведение модулированного света обратно по волокну ввода может заключаться в отражении модулированного света обратно через волновод. Выведение модулированного света обратно по волокну ввода может содержать этапы пропускания модулированного света по оптическому циркулятору в первом направлении, отражения модулированного света, пропускания модулированного света обратно по оптическому циркулятору во втором направлении, обхода волновода и введения модулированного света обратно в волокно ввода.

В соответствии с некоторыми аспектами, способ приема света от источника в местоположении на поверхности скважины по волокну ввода дополнительно заключается в пропускании света по оптическому циркулятору, расположенному выше по потоку от волновода, расположенного в подложке из ниобата лития, в первом направлении и пропускании света в волновод. Выведение может дополнительно заключаться в направлении модулированного света, выходящего из волновода, обратно в оптический циркулятор по продолжающему оптическому волокну во втором направлении.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается электрооптический модулятор, содержащий подложку из ниобата лития, волновод, расположенный в подложке, оптическое устройство ввода/вывода, содержащее моноволокно, соединенное с волноводом, и пару или множество электродов, расположенных вокруг волновода. Отражатель может соединяться с волноводом ниже по потоку от подложки из ниобата лития. Между подложкой из ниобата лития и отражателем может располагаться оптический циркулятор, и оптический соединитель может располагаться выше по потоку от подложки из ниобата лития. Обходное оптическое волокно может продолжаться от оптического циркулятора до оптического соединителя. Обходное оптическое волокно может содержать световод, проходящий обратно к оптическому соединителю, независимый от волновода.

В соответствии с некоторыми аспектами модулятор содержит оптический циркулятор, расположенный выше по потоку от подложки из ниобата лития. Световод может продолжаться вниз по потоку от волновода и обратно до оптического циркулятора.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается электрооптический модулятор, содержащий подложку из ниобата лития, волновод, имеющий первые оси Х и Z, расположенные в подложке, одно оптическое устройство ввода/вывода, содержащее волокно, сохраняющее поляризацию проходящего излучения, имеющее вторые оси Х и Z, соединенное с волноводом, при этом вторые оси Х и Z волокна, сохраняющего поляризацию проходящего излучения, повернуты на угол, нечетно кратный приблизительно 45 градусам, относительно первых осей Х и Z волновода, пару электродов, расположенных вокруг волновода, и отражатель, соединенный с волноводом. Модулятор может содержать моноволоконное оптическое устройство ввода/вывода, соединенное с волноводом.

В соответствии с другим аспектом изобретения предлагается способ ослабления дрейфа постоянной составляющей в электрооптическом модуляторе на ниобате лития, заключающийся в повороте волокна, сохраняющего поляризацию проходящего излучения, на приблизительно 45 градусов относительно волновода.

Дополнительные преимущества и элементы новизны изобретения изложены в нижеследующем описании или могут стать очевидными для специалистов в данной области техники при прочтении настоящей информации или практическом применении изобретения. Преимущества изобретения можно обеспечить с помощью средств, перечисленных в прилагаемой формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Прилагаемые чертежи поясняют предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения и входят в состав описания. Чертежи, совместно с нижеследующим описанием, демонстрируют и поясняют принципы настоящего изобретения.

Фиг.1 - схема скважинных зондов с оптической телеметрической системой, содержащей межзондовую электрическую инструментальную шину и моноволоконный оптический кабель в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2а - вид в перспективе оптического модулятора, выполненного в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2b - схема углов, относящихся к модулятору на фиг.2а.

Фиг.2с - схема электрооптического модулятора на ниобате лития, содержащего оптический циркулятор и отражатель для подключения моноволокна ввода/вывода в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2d - схема электрооптического модулятора на ниобате лития, содержащего оптический циркулятор для подключения моноволокна ввода/вывода в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2е - схема электрооптического модулятора на ниобате лития, содержащего отражатель для подключения моноволокна ввода/вывода в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - схема скважинного зонда с оптической телеметрической системой елочного типа, содержащей оптическую инструментальную шину в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4 - схема скважинного зонда с оптической телеметрической системой линейного типа, содержащей оптическую инструментальную шину в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 - схема скважинного зонда, содержащего множество датчиков, при этом каждый датчик содержит оптический модулятор и генератор в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6 - схема скважинного зонда, содержащего множество оптических датчиков и соединенного с оптической телеметрической системой в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7 - схема скважинных зондов с оптической телеметрической системой, содержащей межзондовую электрическую инструментальную шину и несколько оптических волокон в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 - схема скважинной оптической телеметрической системы с избыточностью в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9 - схема скважинной оптической телеметрической системы с избыточностью в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10 - оптический переключатель 1×2 для применения с оптическими телеметрическими системами с избыточностью, показанными на фиг.8-9, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.11 - схема скважинных зондов с линейной оптической телеметрической системой, содержащей электрическую инструментальную шину для нисходящего канала, оптическую инструментальную шину для восходящего канала, решетки Брэгга для разнесения по длинам волн и оптические циркуляторы, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.12 - схема скважинных зондов с линейной оптической телеметрической системой, содержащей электрическую инструментальную шину для нисходящего канала, оптическую инструментальную шину для восходящего канала и AOTF (акустооптические перестраиваемые фильтры) для разнесения по длинам волн в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

На чертежах идентичные позиции и обозначения указывают на похожие, но не обязательно идентичные элементы. Хотя изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, на чертежах для примера показаны конкретные варианты осуществления, которые подробно описаны ниже. Однако следует понимать, что изобретение не предполагает ограничения конкретными описанными формами. Более того, изобретение должно охватывать все модификации, эквиваленты и альтернативные варианты, не выходящие за пределы объема изобретения, определенного прилагаемой формулой изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Ниже приведено описание наглядных вариантов осуществления и аспектов изобретения. Безусловно, следует понимать, что, при разработке любого такого фактического варианта осуществления, потребуется принять множество решений по конкретной реализации для достижения конкретных целей разработчика, например, по согласованию с системными и коммерческими ограничениями, которые будут различными для разных реализаций. Кроме того, очевидно, что такого рода проектно-конструкторские работы могут быть комплексными и трудоемкими, но, тем не менее, будут являться стандартной работой для специалистов со средним уровнем компетентности в данной области техники после изучения настоящего описания.

Целью настоящего изобретения являются способы и устройства, облегчающие оптическую связь между скважинными зондами и датчиками и наземными системами. Использование волоконной оптики между скважинными зондами и наземным оборудованием обеспечивает более высокие скорости передачи данных, чем ранее доступные. Принципы, изложенные в настоящем описании, облегчают активную и пассивную волоконно-оптическую связь между скважинными зондами и датчиками и соответствующими наземными системами даже в условиях высоких температур. Некоторые из нижеописанных способов и устройств связаны с модифицированным оптическим модулятором, который особенно хорошо подходит для применения при высоких температурах, но не ограничен высокотемпературными внешними условиями.

В контексте применения по всему настоящему описанию и в формуле изобретения, термин «скважинный» относится к подземной окружающей среде, в частности, в стволе скважины. Термин «скважинный зонд» в широком смысле используют для обозначения любого зонда, применяемого в подземной окружающей среде, включая, но без ограничения перечисленным, каротажный зонд, средство формирования изображения, акустический зонд и комбинированный зонд. Термин «гибридная» система относится к сочетанию оптической и электрической телеметрии и не относится к оптической телеметрической системе и электрическому датчику. «Шина» является интерфейсом связи, электрически соединяющим множество отдельных блоков датчиков или основных компонентов. Например, как предполагается в настоящем описании, «шина» может электрически соединять множество геофонов, но мелкомасштабные соединения между несколькими компонентами или датчиками в одном геофоне или другом отдельном блоке не образуют «шины». Термины «включающий в себя» («including») и «имеющий» («having») должны иметь такое же значение, как термин «содержащий».

На чертежах, и в частности на фиг.1, представлена схема скважинной оптической телеметрической системы (100) в соответствии с принципами настоящего изобретения. Оптическая телеметрическая система (100) содержит наземный блок (102) сбора данных, электрически связанный с наземным оптическим телеметрическим блоком (104) или входящий в его состав. Наземный оптический телеметрический блок (104) содержит оптикоэлектрический (ОЕ) демодулятор (106) восходящего канала с оптическим генератором (108). Оптический генератор (108) представляет собой, предпочтительно, лазер, светоизлучающий диод (LED), источник белого света или другой оптический генератор. ОЕ-демодулятор (106) предпочтительно содержит фотодетектор или диод, который принимает данные оптического восходящего канала, отправляемые на первой длине волны (λ восходящего канала) света и преобразует их в электрические сигналы, которые могут быть собраны блоком (102) сбора данных.

Наземный оптический телеметрический блок (104) содержит также электрооптический (ЕО) модулятор (110) нисходящего канала. Совместно с ЕО-модулятором (110) нисходящего канала показан оптический генератор (112). В качестве альтернативы, оптический генератор может быть погружен в ствол скважины. Оптический генератор (112) может работать на второй длине волны (λ нисходящего канала) света, которая отличается от первой длины волны (λ восходящего канала) света. ЕО-модулятор (110) может содержать любой имеющийся в наличии ЕО-модулятор, или может содержать компоненты, описанные ниже со ссылкой на модифицированный модулятор на ниобате лития.

ОЕ-демодулятор (106) восходящего канала и ЕО-модулятор (110) нисходящего канала имеют функциональные соединения с моноволоконным волоконно-оптическим интерфейсом (114). Волоконно-оптический интерфейс (114) обеспечивает оптический канал связи с высокой скоростью передачи между наземным оптическим телеметрическим блоком (104) и скважинным оптическим телеметрическим контейнером (116). Скважинный оптический телеметрический контейнер (116) входит в состав оптической телеметрической системы (100) и содержит скважинный электрооптический блок (118). Скважинный электрооптический блок (118) содержит ОЕ-демодулятор (120) нисходящего канала и ЕО-модулятор (122) восходящего канала. Скважинный оптический телеметрический контейнер (116) изображен без каких-либо оптических генераторов. ОЕ-демодулятор (120) нисходящего канала и ЕО-модулятор (122) восходящего канала относятся к типу устройств, которые пассивно реагируют на оптические генераторы. В качестве альтернативы, какой-то один из ОЕ-демодулятора (120) нисходящего канала и ЕО-модулятора (122) восходящего канала или оба могут содержать оптический генератор. ОЕ-демодулятор (120) нисходящего канала предпочтительно представляет собой фотодетектор, аналогичный или идентичный ОЕ-демодулятору (106) восходящего канала.

Скважинный электрооптический блок (118) имеет функциональное соединение со скважинной электрической инструментальной шиной (124). Скважинная электрическая инструментальная шина (124) обеспечивает электрический канал связи между скважинным оптическим телеметрическим контейнером (116) и, по меньшей мере, одним скважинным зондом, например, тремя показанными скважинными зондами (126, 128, 130). Каждый скважинный зонд (126, 128, 130) может содержать, по меньшей мере, один датчик (не показанный) для измерения некоторых параметров в буровой скважине и приемопередатчик для передачи и приема данных. Соответственно, скважинная оптическая телеметрическая система является гибридным оптико-электрическим устройством, которое может использовать стандартную электрическую технологию телеметрии и датчиков в скважине вместе с преимуществом волоконно-оптического интерфейса (114) с широкой полосой пропускания между скважинными компонентами (оптическим телеметрическим контейнером (116), скважинными зондами (126 и т.п.)) и блоком (102) сбора данных.

Связь и передача данных между блоком (102) сбора данных и одним из скважинных зондов (126) описана ниже. Электронная нисходящая команда из блока 102 сбора данных электрически передается в наземный оптический телеметрический блок (104). ЕО-модулятор (110) нисходящего канала наземного оптического телеметрического блока (104) модулирует электронную нисходящую команду в оптический сигнал, который передается по волоконно-оптическому интерфейсу (114) в скважинный оптический телеметрический контейнер (116). Типы волоконно-оптического интерфейса (114) включают в себя кабели проволочного каната, содержащие оптическое моноволокно или волоконно-оптический жгут. Ограничения на оптическое моноволокно можно уменьшить с помощью специфически модифицированных модуляторов на ниобате лития, подробно описанных ниже со ссылками на фиг.2а-2е. ЕО-модулятор (120) нисходящего канала демодулирует оптический сигнал обратно в электронный сигнал, и скважинный оптический телеметрический контейнер (116) передает демодулированный электронный сигнал по скважинной электрической инструментальной шине (124), из которой упомянутый сигнал принимается скважинным зондом (126). Демодулированный электронный сигнал может приниматься также другими скважинными зондами (128,130).

Аналогично, данные восходящего канала от скважинных зондов (126 и т.п.) передаются вверх по стволу скважины по скважинной электрической инструментальной шине (124) в скважинный оптический телеметрический контейнер (116), где они модулируются ЕО-модулятором (122) восходящего канала в оптический сигнал и передаются вверх по стволу скважины по волоконно-оптическому интерфейсу (114) в наземный оптический телеметрический блок (104). Датчики скважинных зондов (126 и т.п.) могут обеспечивать аналоговые сигналы. Поэтому, в соответствии с некоторыми аспектами изобретения, можно включить аналого-цифровой преобразователь в состав каждого скважинного зонда (126 и т.п.) или в любом месте между скважинными зондами (126 и т.п.) и модуляторами/демодуляторами (118, 122) восходящего и нисходящего каналов. Следовательно, аналоговые сигналы от датчиков преобразуются в цифровые сигналы, и цифровые сигналы модулируются ЕО-модулятором (122) восходящего канала для наземного оборудования. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, свет оптического генератора (108) вводят по оптическому волокну (114), модулируют ЕО-модулятором (122) и выводят по тому же самому оптическому волокну (114) обратно в наземный оптический телеметрический блок (104). ОЕ-демодулятор (106) восходящего канала демодулирует сигнал обратно в электронный сигнал, который после этого передается в блок сбора данных (102). Как упоминалось выше, ОЕ-демодулятор (120) нисходящего канала и ЕО-модулятор (122) восходящего канала являются пассивными и могут только модулировать свет наземных оптических генераторов, так как оптические генераторы (108, 112) расположены в наземном оптическом телеметрическом блоке. Сигналы как восходящего, так и нисходящего каналов предпочтительно передаются в полном дуплексном режиме, с использованием уплотнения по длинам волн (WDM).

ЕО-модулятор (122) восходящего канала скважинного электрооптического блока (118) предпочтительно содержит внешний модулятор (123) на ниобате лития, более подробно показанный со ссылкой на различные варианты осуществления, представленные на фиг.2а-2е.

Модулятор (123) на ниобате лития может быть модулятором интенсивности. Для ЕО-модулятора интенсивности можно также применить другие материалы, которые обладают похожими оптическими свойствами. Например, в соответствии с некоторыми аспектами настоящего изобретения, модуляторы интенсивности могут содержать материалы, содержащие, но без ограничения перечисленным: танталит лития, ниобат стронция-бария, арсенид галлия и фосфат индия. Кроме того, ниобат лития не ограничен модуляцией интенсивности. Ниобат лития можно применить также для изготовления модуляторов фазы и поляризации, в соответствии с некоторыми аспектами изобретения.

Однако модуляторы интенсивности на ниобате лития характеризуются зависимостью от поляризации, и поэтому состояние поляризации любого входного сигнала в модуляторах на ниобате лития, в предпочтительном варианте, настраивают. Поэтому, в соответствии с конфигурацией на фиг.1, поляризацию входного света делают хаотической посредством скремблера (180) поляризации в наземном оптическом телеметрическом блоке (104), и поляризатор (182) перед модулятором (123) на ниобате лития настраивает состояние поляризации. Для восходящего канала и нисходящего канала выбирают разные длины волн, и сигналы в восходящем канале и нисходящем канале выбирают методом WDM. Поляризатор (182) может содержать диэлектрический тонкопленочный фильтр, например, полакор (polacor), который представляет собой материал из стекла, поляризующего в ближнем инфракрасном диапазоне. Поляризатор (182) может быть физически установлен между выходным волноводом или световодом и выходным волокном или интерфейсом (114), вследствие чего поляризатор становится монолитным с волноводом ЕО-модулятора (122) восходящего канала.

ЕО-модулятор (110, фиг.1) нисходящего канала может быть аналогичным или идентичным ЕО-модулятору (122) восходящего канала, однако, это не обязательно. Как показано на фиг.2а, один вариант осуществления модулятора (123) на ниобате лития представляет собой предпочтительно фазовый модулятор волноводного типа и поэтому содержит подложку (132) из ниобата лития со световодом или волноводом (134), расположенным в ней. С волноводом (134) функционально соединено или связано оптическое устройство ввода, которое, в соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг.2а, является волоконно-оптическим интерфейсом (114). Волоконно-оптический интерфейс (114) пропускает световой пучок, который проходит по волноводу (134). Вокруг волновода (134) находятся первый и второй электроды (136, 138). Первый электрод (136) заземлен, и второй электрод (138) возбуждается сигналом напряжения. Когда напряжение на электродах (136, 138) изменяется, показатель преломления волновода (134) изменяется и, тем самым, изменяет световой пучок, проходящий по волноводу (134), когда показатель преломления увеличивается и уменьшается. Изменение показателя преломления модулирует фазу света, но интенсивность на выходе остается, по существу, неизменной.

Однако типичные модуляторы на ниобате лития подвержены дрейфу постоянной составляющей, особенно когда имеют место флуктуации температуры. В режиме модуляции с регулированием смещения в цепи обратной связи на электрод (138), возбуждаемый переменным током, подается некоторое постоянное напряжение как известное начальное постоянное смещение. Данное прилагаемое постоянное напряжение непрерывно изменяется для выдерживания состояния оптической модуляции на выходе в исходном состоянии. Однако начальное постоянное смещение зависит от механических флуктуаций, вызываемых изменениями температуры, и может приводить к изменению оптических характеристик между двумя световодами. Широко известно, что условия в стволе скважины характеризуются высокими температурами и значительными температурными флуктуациями, которые влияют на показатель преломления волновода (134) и должны выдерживаться в регулируемом диапазоне для обеспечения возможности надежной ЕО-модуляции.

Поэтому, в соответствии с вариантом осуществления, показанном на фиг.2b, волоконно-оптический интерфейс (114) представляет собой волокно, сохраняющее поляризацию проходящего излучения, которое повернуто на угол, нечетно кратный приблизительно 45 градусам, относительно волновода (134, фиг.2а). Волновод (134, фиг.2а) имеет ось Х (140) (обыкновенного показателя преломления, n_o) и ось Z (142) (необыкновенного показателя преломления, n_e). Поэтому, в соответствии с одним вариантом осуществления, волоконно-оптический интерфейс (114) повернут на угол, нечетно кратный приблизительно 45 градусам, относительно осей Х и Z (140, 142), как показано. Путем установки волокна, сохраняющего поляризацию проходящего излучения, (волоконно-оптического интерфейса (114)) под углами поворота 45 градусов (или углами, нечетно кратными данному углу), фазовую модуляцию можно преобразовать в модуляцию интенсивности.

Скважинная оптическая телеметрическая система (100), показанная на фиг.1, может работать с изображенным моноволоконным оптическим интерфейсом (114). Однако для работы с моноволокном, модулятор (123) на ниобате лития можно специально сконструировать одним из нескольких способов для поддержки моноволокна (114) ввода/вывода. Например, на фиг.2с-2е изображены три способа создания моноволокна ввода/вывода. На фиг.2с и 2d показан моноволоконный ЕО-модулятор (123) на ниобате лития с оптическим циркулятором (175). На фиг.2с изображен оптический циркулятор (175), расположенный ниже по потоку от подложки (132) из ниобата лития, с расположенным выше по потоку оптическим соединителем (176). Моноволоконный ЕО-модулятор (123) на ниобате лития, показанный на фиг.2с, содержит также отражатель (178). Следовательно, входящий свет от оптического генератора может поступать по волокну (114) ввода/вывода, модулироваться по мере прохождения по волноводу (134) и проходить как модулированный выходной сигнал по оптическому циркулятору (175). Выходной сигнал затем отражается отражателем (178), перенаправляется оптическим циркулятором (175) в обходное волокно (179), вновь вводится в волокно (114) ввода/вывода оптическим соединителем (176) и возвращается вверх по скважине по волокну (114) ввода/вывода.

На фиг.2d изображен моноволоконный ЕО-модулятор (123) на ниобате лития без отражателя. В соответствии с фиг.2d, входящий свет от оптического генератора может поступать через оптический циркулятор (175) по линии (114) ввода/вывода и модулироваться. Затем выходной сигнал перенаправляется по обходному волокну (179) обратно в оптический циркулятор (175) и возвращается вверх по скважине по моноволоконному интерфейсу (114) ввода/вывода.

В некоторых случаях, например, если частота модуляции меньше, чем приблизительно 100 Мбит/с, оптический циркулятор (175) может отсутствовать, как показано на фиг.2е, так как модулированный оптический сигнал, который отражается отражателем (178), может проходить обратно через подложку (132) из ниобата лития без деградации сигнала.

Волновод (134) можно создать методом молекулярной диффузии Ti или Н основы в подложку (132) из LiNbO₃. Если используют Ti, то как n_o, так и n_e увеличиваются, и потому поляризация как в направлении оси Х (140, фиг.2b), так и в направлении оси Z (142, фиг.2b) проходит через волновод (134). На подложке (132) из ниобата лития можно осадить систему электродов вместо только первого и второго электродов (136, 138, фиг.2а) для более точного возбуждения электрического поля, параллельного направлению оси Z (142, фиг.2b). Электрическое поле, параллельное оси Z (142, фиг.2b), вызывает изменение показателя преломления n_e в направлении оси Z (142, фиг.2b), тогда как n_o не изменяется. Поэтому, если поступает свет с двумя компонентами поляризации, обозначенными Е_х и E_z по компонентам электрического поля, то между Е_х и E_z создается фазовый сдвиг. Данный фазовый сдвиг приблизительно пропорционален электрическому полю, созданному электродами. Свет проходит по волноводу (134) и, после входа в модулятор, может быть отражен обратно отражателем, и затем проходить обратно через модулятор как выходной сигнал. Вследствие прохода через модулятор компоненты Е_х и E_z сдвигаются по фазе на угол φ. Угол φ зависит от длины модулятора и от напряжения, поданного на электроды. Затем компоненты Е_х и E_z снова объединяются поляризатором (182, фиг.1) с получением одной единственной поляризации. Поэтому компоненты света взаимно интерферируют, и результирующая интенсивность определяется выражением:

где I_o = исходная интенсивность в предположении, что Е_х и E_z, по существу, равны.

Таким образом выполняется модуляция интенсивности, непосредственно связанная с φ и, следовательно, с напряжением, подаваемым на электроды.

В вышеприведенных параграфах, содержащих описание модулятора (123) на ниобате лития, приведен пример одного из двух принципиальных направлений технологий модуляции интенсивности света. Модулятор (123) на ниобате лития представляет пример модуляции интенсивности света с использованием первого направления: электрооптического эффекта.

Другое принципиальное направление модуляции интенсивности именуется электроабсорбционным эффектом. Электроабсорбционный эффект основан на эффекте Штарка в структуре с квантовыми ямами. Абсорбционные свойства можно характеризовать зависимостью поглощения от длины волны. Широко известно, что приложением напряжения к волноводу можно модифицировать энергетический уровень и волновую функцию внутри квантовой ямы, что вызывает изменение характеристик поглощения света квантовой ямы. В частности, можно создать так называемое красное смещение поглощения квантовой ямы, которое находится в прямой зависимости от приложенного к ней электрического поля. Красное смещение приводит к смещению кривой поглощения устройства в сторону более длинных волн. С использованием данного эффекта можно модулировать световой пучок. Как электрооптические модуляторы, так и электроабсорбционные модуляторы используют световод или волновод. В соответствии с принципами настоящего изобретения, электрооптические или электроабсорбционные модуляторы можно применять и сопрягать только с моноволокном (114) ввода/вывода. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, подложка электроабсорбционных модуляторов может содержать фосфид индия.

Хотя на фиг.1 показана моноволоконная оптическая система, многоволоконные оптические системы также предусмотрены настоящим изобретением. На фиг.7 показана волоконно-оптическая система (100), в которой ЕО-модулятор (122) восходящего канала содержит модулятор (123) на ниобате лития, и два волокна (115а, 115b) составляют волоконно-оптический интерфейс (114). Одно волокно (115а) составляет интерфейс восходящего канала, и другое волокно (115b) составляет интерфейс нисходящего канала и может также обеспечивать источник света для ЕО-модулятора (122) восходящего канала.

Далее на фиг.3 показан другой вариант осуществления скважинной оптической телеметрической системы. Вариант осуществления, показанный на фиг.3, представляет скважинную оптическую инструментальную шину (324), в п