ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ МИКРОРЕЗОНАТОРА Российский патент 1998 года по МПК G01K11/32 G02B6/00 

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, ускорения и др.) на основе микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом.

Известны работы по созданию нового класса волоконно-оптических датчиков (ВОД) физических величин, в том числе ВОД температуры на основе использования микромеханического резонатора (МР) и оптического когерентного излучения, взаимодействующего с МР. Сообщается о разработках различных схем по оптическому возбуждению колебаний и их практической реализации. Во всех случаях модуляция интенсивности оптического излучения происходит на собственной резонансной частоте МР. При поглощении МР оптического излучения его освещенная сторона испытывает температурное расширение, возникает изгибный момент сил, изменяющийся в фазе с модулированным оптическим излучением, который приводит к механическим колебаниям на собственной резонансной частоте МР. Внешнее воздействие (температура, давление и т.п.) преобразуется во внутреннее механическое напряжение МР, что приводит к изменению его собственной резонансной частоты, определяемой размерами МР и его физическими свойствами. В связи с малой амплитудой колебаний МР (≤0,1 мкм) и ВОД применяется интерферометрический метод съема информации о резонансной частоте МР с помощью интерферометра Фабри-Перо, резонатор которого образован отражающей поверхностью МР и полупрозрачным зеркалом, либо торцом световода, сопряженным с отраажающей поверхностью МР.

Типовая конструкция ВОД температуры с МР, взятая в качестве аналога, содержит источник когерентного оптического излучения, которое по волоконному световоду направляется на отражающую поверхность МР, ответвитель, фотоприемник, блок обработки информации. Торцовая грань световода, обращенная к МР, и отражающая поверхность МР образует интерферометр Фабри-Перо [1].

Устройство работает следующим образом. Возбужденные оптическим излучением поперечные акустические колебания МР на резонансной частоте МР фиксируются интерферометрически с помощью интерферометра Фабри-Перо. Отраженное от резонатора излучение через ответвитель направляется на фотоприемник, связанный с блоком обработки информации. При изменении температуры окружающей среды изменяются геометрические размеры МР и его физические параметры, что приводит к изменению резонансной частоты и соответствующих акустических мод МР.

Недостатком данной конструкции ВОД температуры является то, что положение рабочей точки A интерферометра Фабри-Перо нестабильно и ее смещение зависит одновременно как от дрейфа основных характеристик МР, так и от нестабильности источника излучения и параметров интерферометра Фабри-Перо. Иными словами, на эффективность функционирования датчика влияют одновременно нестабильность характеристик канала возбуждения МР и канала интерферометрического съема информации, которые в данной схеме совмещены, что требует принятия специальных мер по стабилизации положения рабочей точки A.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технологической сущности и достигаемому результату является ВОД температуры [2].

Конструктивно устройство выполнено в виде двухканальной схемы. Один канал служит для оптического возбуждения акустических колебаний МР, а другой канал предназначен для интерферометрического съема информации. Канал возбуждения колебаний МР образован модулятором, связанным с лазерным диодом, излучающим на длине волны λ = 830 нм, микрорезонатором, отражающая поверхность которого выполнена в виде микромостика, световодом, один торец которого сопряжен с лазерным диодом, а другой с отражающей поверхностью МР. Второй канал содержит лазерный источник излучения на длине волны λ = 633 нм, ответвитель, фотоприемник, блок обработки информации.

Устройство работает следующим образом.

Промодулированное лазерное излучение на длине волны λ = 830 нм по каналу возбуждения через световод направляется на МР и приводит его в возбужденное состояние на собственной резонансной частоте. Второй торец световода с отражающей поверхностью МР образует интерферометр Фабри-Перо. Информация о резонансной частоте МР с помощью второго источника излучения на длине волны λ = 633 нм фиксируется интерферометрически с помощью интерферометра Фабри-Перо. Отраженное от интерферометра излучение через ответвитель направляется на фотоприемник, связанный с блоком обработки информации. Под действием переменного температурного поля изменяется резонансная частота МР, которая с помощью интерферорметра Фабри-Перо фиксируется в измерительном к канале датчика.

Недостатком данного технического решения является то, что для осуществления высокоточных измерений необходимо обеспечить, во-первых, стабильность оптического отклика X мкм/Вт в канале возбуждения МР и, во-вторых, стабильность оптической характеристики Y_A мВт/мкм интерферометра Фабри-Перо в рабочей точке A в интерференционном канале съема информации.

Кроме того, конструкция МР в виде микромостика вносит погрешность измерений, обусловленную вкладом статического смещения микромостика под действием средней мощности лазерного источника излучения, а также погрешность, обусловленную наличием остаточных термонапряжений, образующихся в результате различных технологических процессов, связанных с изготовлением микромостика. К недостаткам следует также отнести нелинейность температурного коэффициента резонансной частоты от температуры, невысокое отношение сигнал-шум (до 30 дБ), ограниченный диапазон измерений (50 - 150^oC).

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке ВОД температуры на основе волоконно-оптического лазера и МР, отражающая поверхность которого выполнена в виде микроконсоли.

Поставленная задача обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом датчике температуры на основе микрорезонатора, содержащем канал возбуждения микрорезонатора, интерференционный канал съема информации, микрорезонатор, отражающая поверхность которого и торец световода, сопряженный с микрорезонатором, образуют интерферометр Фабри-Перо, фотоприемник, блок обработки информации, канал возбуждения и канал интерференционного съема информации совмещены и выполнены в виде волоконно-оптического лазера, один торец которого сопряжен с отражающей поверхностью микрорезонатора, а другой является выходным, а отражающая поверхность микрорезонатора выполнена в виде микроконсоли.

При этом один торец одномодового световода волоконно-оптического лазера образует с отражающей поверхностью МР интерферометр Фабри-Перо, а другой торец является выходным. Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке ВОД температуры, в котором для возбуждения колебаний в МР и съема информации используется волоконно-оптический лазер, выходной оптический сигнал которого модулируется резонансной частотой МР, связанного с волоконно-оптическим лазером положительной обратной связью через интерферометр Фабри-Перо. В результате в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор возникают автоколебания на резонансной частоте микрорезонатора, что исключает влияние дестабилизирующих факторов на положение рабочей точки интерферометра. Кроме того, кодирование выходного сигнала в частотной форме позволяет повысить отношение сигнал/шум, чувствительность, расширить динамический диапазон ВОД, а также увеличить коэффициент преобразования температура-код.

Волоконно-оптический лазер длиною L представляет собой отрезок одномодового активированного световода, накачка которого может осуществляться различными способами, например через отрезок буферного неактивированного световода, идеально согласованного с активированным световодом.

Основные положения физической модели системы волоконно-оптический лазер - микрорезонатор сводятся к следующему. Введем обозначения:
r_1,2 - коэффициент отражения первого (выходного) и второго (обращенного к микрорезонатору) торцов одномодового световода соответственно ≈4%,
r₃ - коэффициент отражения микрорезонатора,
λ - оптическая длина волны волоконно-оптического лазера,
H - расстояние между вторым торцом световода и отражающей поверхностью микрорезонатора,
d_c - диаметр сердцевины одномодового световода.

Наличие микрорезонатора эквивалентно присутствию третьего подвижного отражателя, влияние которого сводится к тому, что коэффициент отражения r₂ может быть заменен на коэффициент r_2эф., равный коэффициенту отражения резонатора Фабри-Перо, образованного вторым торцом световода с коэффициентом отражения r₂ и отражающей поверхностью микрорезонатора с коэффициентом отражения r₃.

Имеем:
,
где

Следует также учитывать, что правомочность замены r₂ = r_2эф. требует выполнения следующих условий:
ΔH ≪ λ - смещение подвижной поверхности МР,
- длина когерентного одномодового лазера,
- время пролета, С' - скорость света в световоде) - резонансная частота МР.

- длина одномодового световода,
- исходная длина резонатора Фабри-Перо, где,
r_МР = r₃ - коэффициент отражения подвижной поверхности МР,
r_c = r₂ - коэффициент отражения одномодового световода,
NA - числовая апертура сердцевины световода,
Δλ - ширина спектра излучения волоконно-оптического лазера,
H = H₀+ ΔH . .

Удовлетворить приведенным выше условиям технически не сложно. При длине световода L = 10 м выполняется условие L_ког >> 2H, а для большинства микрорезонаторов f_мр не превышает 1 МГц, что охватывает широкий круг практических задач.

Таким образом, при выполнении указанных выше требований поведение лазера, взаимодействующего с МР, может быть описано системой лазерных уравнений, в которых коэффициент отражения одного из зеркал является переменной, промодулированной величиной, т.е. ситуация аналогична той, которая имеет место при пассивной модуляции добротности лазера.

При этом решение лазерных уравнений также показало, что в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор не только возможно возникновение автоколебаний, но и то, что в системе реализуется устойчивый режим генерации на частоте собственных поперечных акустических колебаний МР при незначительных вариациях как параметров МР, так и волоконно-оптического лазера.

Применение в предлагаемой конструкции ВОД температуры МР типа микроконсоли обусловлено следующими факторами.

В МР типа микроконсоль наличие даже значительных внутренних напряжений не приводит к нарушению монотонности и однозначности зависимости f_мр (T) в широком диапазоне температур. Кроме того, МР типа консоли практически не чувствителен к другим видам внешних воздействий (давлению, ускорению и т.д. ).

Эффект повышения температурной чувствительности достигается за счет применения составных консольных МР в виде специальной слоистой структуры.

Так, для составных кремниевых консольных МР, покрытых слоем вольфрама, температурный коэффициент преобразования, определяемый как

равен K_т = -5,7•10^-5Л^-1.

Пороговая чувствительность ВОД температуры определяется из соотношения
,
где относительная флюктуация частоты МР .

При K_т = -5,7•10^-5K^-1 получим оценку ΔT_min≈ 0,02 ^°C. .

В широком диапазоне температур (-100 - +200^oC) K_т является практически постоянным, нелинейность в указанном диапазоне не превышает 1 - 1,5%.

Кроме того, так как один из концов консоли свободен, то в ней не возникают дополнительные напряжения вследствие изменения давления. Такая конструкция ВОД температуры имеет преимущество перед другими конструкциями МР в ВОД температуры с частотным кодированием сигнала.

Таким образом, по сравнению с известным решением предлагаемое устройство обладает следующими положительными признаками:
в конструкции ВОД температуры реализуются автоколебания, частота которых f_мр совпадает с собственной частотой поперечных акустических колебаний МР, которые модулируют выходное оптическое излучение волоконно-оптического лазера на частоте f_мр, являющейся функцией температуры;
исключена необходимость принятия специальных мер по стабилизации параметров в каналах возбуждения МР и интерференционного съема информации, отсутствие этих мер у известного решения приводит к смещению положения рабочей точки и даже к срыву колебаний;
упрощена конструкция датчика и расширены возможности построения ВОД температуры, отличающихся топологией МР, собственными частотами, добротностью, более высоким (до 50 дБ и выше) отношением сигнал/шум, что улучшает основные технические характеристики предлагаемого устройства (чувствительность, линейность, диапазон измерений).

На чертеже представлена схема ВОД температуры, где 1 - МР с колеблющейся зеркальной поверхностью, выполненной в виде микроконсоли с коэффициентом отражения r_мр, 2 - зеркала на торцах волоконного одномодового световода с коэффициентом отражения r_c, 3 - одномодовый световод длиною L₁, L₂ с диаметром сердцевины d_c, 4 - волоконно-оптический лазер, 5 - интерферометр Фабри-Перо, образованный отражающей поверхностью микрорезонатора 1 и отражающей поверхностью 2 с коэффициентом отражения r₂, 6 - фотоприемник, 7 - блок обработки информации. Канал возбуждения и канал интерференционного съема информации совмещены и выполнены в виде волоконно-оптического лазера 4. Один торец волоконно-оптического лазера 4 сопряжен с отражающей поверхностью микрорезонатора 1, а другой является выходным.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений микрорезонатор 1 включается в цепь обратной связи путем подведения его к одному из торцов одномодового световода 3 волоконно-оптического лазера 4. В результате между вторым торцом световода и отражающей поверхностью МР образуется интерферометр Фабри-Перо. При определенной мощности оптического излучения волоконно-оптического лазера 4, длине H₀ интерферометра Фабри-Перо 5, длине волны лазера λ в устройстве возникают незатухающие поперечные акустические колебания с частотой, определяемой размерами и типом МР, которые модулируют оптическое излучение волоконно-оптического лазера 4 на резонансной частоте микрорезонатора
,
где
t_k, L_k - толщина и длина микроконсоли соответственно,
k - коэффициент.

Основной вклад в температурную зависимость собственной частоты колебаний микроконсоли дает зависимости модуля Юнга E, плотности материала ρ и геометрических размеров t_k L_k микроконсоли от температуры. Промодулированное МР излучение волоконно-оптического лазера попадает с выходного (первого) торца световода на фотоприемник 6, электрически связанный с блоком обработки информации 7.

Таким образом, предложена новая конструкция волоконно-оптического датчика температуры на основе волоконно-оптического лазера и микрорезонатора с отражающей поверхностью в виде микроконсоли. В системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор возникают автоколебания, частота которых совпадает с частотой собственных поперечных акустических колебаний микрорезонатора. В предлагаемом устройстве представляется возможным увеличить отношение сигнал-шум до 50 дБ и более по сравнению с аналогичным показателем, равным 30 дБ у известного решения, расширить динамический диапазон и повысить точность измерений изменения частоты микрорезонатора, зависящей от температуры, при упрощении конструкции устройства и расширения его функциональных возможностей.

Изобретение может быть использовано в волоконно-оптических преобразователях физических величин (температуры, давления, ускорения). Канал возбуждения и канал интерференционного съема информации совмещены и выполнены в виде волоконно-оптического лазера, один торец которого сопряжен с отражающей поверхностью микрорезонатора, а другой является выходным. Отражающая поверхность микрорезонатора выполнена в виде микроконсоли. При определенной мощности оптического излучения волоконно-оптического лазера, длине интерферометра Фабри-Перо, длине волны лазера в устройстве возникают незатухающие поперечные акустические колебания с частотой, определяемой размерами и типом микрорезонатора, которые модулируют оптическое излучение волоконно-оптического лазера, на резонансной частоте микрорезонатора. Промодулированное излучение волоконно-оптического лазера попадает с выходного торца световода на фотоприемник, электрически связанный с блоком обработки информации. 1 ил.

Волоконно-оптический датчик температуры на основе микрорезонатора, содержащий микрорезонатор с отражающей поверхностью, волоконный световод, лазерный канал возбуждения микрорезонатора и интерференционный канал съема информации, фотоприемник и блок обработки информации, при этом один торец световода и отражающая поверхность микрорезонатора образуют интерферометр Фабри - Перо, отличающийся тем, что лазерный канал возбуждения микрорезонатора и интерференционный канал съема информации совмещены и выполнены в виде волоконно-оптического лазера, другой торец волоконного световода которого является выходным, причем микрорезонатор с отражающей поверхностью выполнен типа микроконсоли.