ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ АВТОГЕНЕРАТОР Российский патент 1998 года по МПК G01H1/06 G01K11/32 G01L11/02 

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора и может быть использовано в системах измерения различных физических величин (температуры, давления, ускорения и др.).

Широкое освещение в литературе в настоящее время получили автогенераторы, микрорезонаторы которых возбуждаются как модулированным, так и немодулированным когерентным излучением с использованием обратной интерферометрической связи.

Во всех случаях частная компонента промодулированного на интенсивности оптического сигнала, которая соответствует собственной резонансной частоте микрорезонатора, возбуждает в микрорезонаторе поперечные акустическое колебания, которые легко детектируются оптическим интерферометром. При этом в качестве интерферометра используется резонатор Фабри-Перо, образованный отражающей поверхностью микрорезонатора, совершающий поперечные акустические колебания, и полупрозрачным отражателем в виде полупрозрачного зеркала или торцевой грани световода, сопряженного вторым торцом с источником излучения (Sensors and Actuators A 21-A-23, 1990 г., p 369-372, Electronics Lett 1988, N 24, N 13, p. 777-778).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технологической сущности и достигаемому результату является волоконно-оптический автогенератор с оптическим методом возбуждения колебаний микрорезонатора и интерферометрическим методом съема информации, опубликованный в "Electronics Lett, 31 st August, 1989, vol 25, N 18, p. 1235-1236", взятый в качестве наиболее близкого аналога.

Конструктивно автогенератор представляет собой устройство, содержащее кремниевый микрорезонатор и интерферометр Фабри-Перо, образованный полупрозрачным зеркалом и отражающей поверхностью микрорезонатора, совершающей акустические поперечные колебания. Кроме того, устройство содержит оптический источник излучения (лазерный диод) на длине волны λ = 830 нм, мощность которого P= 1 мВт, фотоприемник, анализатор спектра. При этом устойчивое положение рабочей точки интерферометра Фабри-Перо достигается за счет положительной обратной связи.

Непосредственная связь автогенератора с цифровыми устройствами измерения без необходимости преобразования аналог-цифра, большая протяженность оптического канала передачи и высокая точность при контроле измерения резонансной частоты делают этот тип автогенераторов перспективным при его использовании в волоконно-оптических датчиках физических величин.

Недостатком данного аналога является то, что условия возникновения автоколебаний в устройстве зависят от оптического отклика кремниевого микрорезонатора и оптических характеристик резонатора Фабри-Перо. Оптический отклик микрорезонатора Х мкм/мВт характеризует величину смещения отражающей поверхности микрорезонатора, приходящей на единицу оптической мощности, падающей на микрорезонатор. Оптическая характеристика резонатора Фабри-Перо в рабочей точке A y_a мВт/мкм характеризует наклон рабочей характеристики резонатора Фабри-Перо в точке А.

В реальных условиях эксплуатации вследствие изменения параметров микрорезонатора может произойти изменение значения параметра Х. С другой стороны, нестабильность длины резонатора Фабри-Перо может изменить оптическую характеристику y_A резонатора Фабри-Перо в рабочей точке А. В результате этих факторов нарушаются условия возникновения автоколебаний, определяемые как xy_a >1, а также условия образования положительной обратной связи, в силу чего автоколебания могут исчезнуть.

Принимаемые в известном решении меры по стабилизации рабочей точки заключаются в использовании электронной подстройки частоты лазера в небольшом диапазоне частот. Для этого выходной сигнал с фотоприемника делится на две части: одна направляется непосредственно к спектроанализатору, а другая - используется для незначительного изменения тока накачки лазерного диода. При этом для обеспечения режима автоколебаний в течение длительного времени к напряжению тока накачки лазерного диода предъявляются жесткие требования стабильности, обеспечивающие устойчивое положение рабочей точки А на оптической характеристике y_a резонатора Фабри-Перо, а также - тщательный выбор напряжения смещения в соответствии с условиями, где имеют место автоколебания.

В результате известное решение характеризуется следующими отрицательными признаками;
- высокие требования к стабильности мощности источника излучения (тока накачки лазерного диода) и тщательный контроль рабочей точки интерферометра Фабри-Перо за счет изменения в небольших пределах оптической мощности излучения, падающей на микрорезонатор;
- потери мощности оптического излучения, обусловленные наличием необходимых дискретных элементов, образующих дополнительный канал обратной связи в электронной схеме;
- жесткие требования к стабильности характеристик резонатора Фабри-Перо, а также - характеристик микрорезонатора в силу ограниченных возможностей их коррекции в рассматриваемой электронной схеме;
- ограниченные возможности подстройки рабочей точки интерферометра Фабри-Перо за счет изменения длины волны оптического излучения лазерного диода при реализации сложной электронной схемы обратной положительной связи.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке волоконно-оптического автогенератора на основе волоконно-оптического лазера и микрорезонатора. При этом один торец одномодового световода волоконно-оптического лазера образует с отражающей поверхностью микрорезонатора интерферометр Фабри-Перо, а другой торец одномодового световода волоконно-оптического лазера является выходным. В результате возникновения в системе волоконно-оптический лазер-микрорезонатор автоколебаний на резонансной частоте микрорезонатора отпадает необходимость введения интерферометрической обратной связи по стабилизации положения рабочей точки интерферометра. Кодирование выходного сигнала в частотной форме позволяет повысить отношение сигнал-шум, чувствительность, расширить динамический диапазон, увеличить коэффициент преобразования при использовании автогенератора в преобразователях физических величин.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом автогенераторе, содержащем источник оптического излучения, полупрозрачное зеркало, микрорезонатор, отражающая поверхность которого является составляющей интерферометра Фабри-Перо, в качестве источника оптического излучения используют волоконно-оптический лазер, один торец световода которого сопряжен с отражающей поверхностью микрорезонатора и образует с ней интерферометр Фабри-Перо, а второй торец световода является выходным, при этом волоконно-оптический лазер связан с микрорезонатором положительной оптической обратной связью через интерферометр Фабри-Перо.

Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке волоконно-оптического автогенератора, в котором для возбуждения автоколебаний и съема информации используется волоконно-оптический лазер, выходной оптический сигнал которого модулируется резонансный частотой микрорезонатора, связанного с волоконно-оптическим лазером положительной обратной связью через резонатор Фабри-Перо.

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

Рассмотрим основные положения физической модели системы волоконно-оптический лазер - микрорезонатор.

Введем обозначения: r_1,2 - коэффициент отражения первого (выходного) и второго (обращенного к микрорезонатору) торцов одномодового световода соответственно;
r₃ - коэффициент отражения отражающей поверхности 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_2эфф, равный коэффициенту отражения резонатора Фабри-Перо, образованного вторым торцом световода с коэффициентом отражения r₂ и отражающей поверхностью микрорезонатора.

Имеем:

Динамика измерения параметра H зависит от падающей на микрорезонатор оптической мощности (интенсивности I) (соответственно ), где - среднее значение мощности, приводящее к некоторому стационарному смещению микрорезонатора
Переменная часть вызывает вынуждение колебания микрорезонатора h(t).

Таким образом, можем представить.

где H₀ - исходное расстояние между вторым торцом световода и поверхностью микрорезонатора.

Следует также учитывать, что правомочность замены r₂ = r_2эфф. требует выполнения следующих условий:

где Δλ - ширина спектра излучения,
ΔH ≪ λ,
- длина когерентности одномодового лазера;
- время пролета: C' - скорость света в световоде) - резонансная частота микрорезонатора;
- длина одномодового световода,
- длина резонатора Фабри-Перо,
где r_мр - коэффициент отражения поверхности микрорезонатора (r_мр=r₃);
r_c - коэффициент отражения одномодового световода;
NA - числовая апертура сердцевины световода.

Удовлетворить приведенным выше условиям технически не сложно. Так, при соответствующей конструкции микрорезонатора (например, в виде микроконсоли) стационарное смещение можно исключить (ΔH=0). 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.

Анализ экспериментально полученных амплитудно-частотных характеристик микрорезонатора показывает, что h(t) может быть представлено в виде

где α(ω_мр) - резонансная кривая микрорезонатора;
P₀(t) - амплитуда гармонических колебаний излучения лазера (предполагается, что P₀(t) достаточно медленно изменяющаяся функция);
ω_мр - резонансная частота
Последовательное решение системы замкнутых лазерных уравнений с учетом (1), 1а), (2) и динамики вынужденных колебаний отражающей поверхности микрорезонатора позволяет прийти к соответствующему дифференциальному уравнению лазера, описывающему собственное поведение лазера, т.е. хорошо известные затухающие колебания в лазерах, и составляющую колебаний, обусловленную взаимодействием с микрорезонатором.

Получим уравнение:

где Y= f(W,H₀) - некоторая функция, зависящая как от параметров лазера, так и от характеристик микрорезонатора (W - интенсивность накачки лазера, 1/с).

Исследование возможности существования решения уравнения (3) при

где
I₀(t) - медленно возрастающая функция, приводит к определению некоторой двумерной области (W, H₀), в которой возможны автоколебания в рассматриваемой системе при Y≤0. Очевидно, что при Y=0 определяются значения W, H₀, соответствующие порогу возбуждения колебаний. При соответствующих значениях параметров волоконно-оптического лазера и микрорезонатора, при соответствующем выборе H₀ подтверждена возможность существования неравенства Y≤0 с большим запасом. Существование неравенства Y≤0 приводит к важному выводу: показана возможность возникновения автоколебаний в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор, при этом реализуется устойчивый режим генерации при изменении параметров микрорезонатора. Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность существования автоколебаний в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор.

Таким образом, по сравнению с известным решением предлагаемое устройство обладает следующими положительными признаками:
- в рассматриваемой системе возникают автоколебания, частота которых совпадает с собственной частотой поперечных акустических колебаний разных мод микрорезонатора, которые модулируют выходное оптическое излучение волоконно-оптического лазера;
- исключена необходимость введения электронной схемы обратной положительной связи по стабилизации длины резонатора Фабри-Перо, нестабильность которой у известного решения приводит к смещению положения рабочей точки и даже к срыву автоколебаний;
- упрощена конструкция устройства и расширены ее функциональные возможности на предмет создания волоконно-оптических автогенераторов, отличающихся принципом построения, топологией, собственной частотой, добротностью, более высоким (до 50 дБ и выше) отношением сигнал/шум и др., что улучшает основные технические характеристики предлагаемого устройства.

На фиг. 1 представлена схема волоконно-оптического автогенератора, где 1 - микрорезонатор с зеркальной колеблющейся поверхностью с коэффициентом отражения r_мр; 2 - зеркала на торцах одномодового световода с коэффициентом отражения r_c ; 3- одномодовый световод длиною L_1,2 с диаметром сердцевины d_c ; 4 - волоконно-оптический лазер с выходной мощностью P_вых; 5 - интерферометр Фабри-Перо, образованный отражающей поверхностью резонатора 1 и отражающей поверхностью зеркала 2 с коэффициентом отражения r₂.

Длина световода L должна удовлетворять неравенству

Длина резонатора Фабри-Перо определяется по формуле

Второй торец волоконно-оптического лазера 4 с r₁ является выходным. Волоконно-оптический лазер 4 связан с микрорезонатором 1 положительной оптической обратной связью через интерферометр Фабри-Перо.

Устройство работает следующим образом.

Включение микрорезонатора 1 в цепь обратной связи осуществляется путем подведения его к одному из торцов одномодового световода 3 волоконно-оптического лазера 4. В результате между торцом световода 3 с r₂ и микрорезонатором 1 образуется Фабри-Перо 5. При определенной мощности оптического излучения волоконно-оптического лазера 4, длине H₀ резонатора Фабри-Перо 5 и длине волны λ в зависимости от параметров микрорезонатора 1 в устройстве возникают незатухающие поперечные акустические колебания с частотой, определяемой размерами и типом микрорезонатора, которые модулируют оптическое излучение волоконно-оптического лазера 4.

На фиг. 2а,б представлены выходная оптическая мощность волоконно-оптического автогенератора (а), сопряженная с поперечными акустическими колебаниями микрорезонатора (б), зафиксированная при следующих значениях исходных данных:
- параметры эрбиевого волоконно-оптического лазера: λ = 1,54 мкм, τ₀= 1,2×10^-2c; r_1,2≈ 0,04; r_мр=0,9; C'= 2•10¹⁰ см/с; L = 10³ см; d_c=4•10^-4 см; Na = 0,11;
- параметры микрорезонатора в виде кремниевого микромостика с зеркалом в виде пленки из алюминия толщиною 0,1 мкм: длина l₀= 2000 мкм, ширина а= 30 мкм, толщина b= 2 мкм, H₀=50 мкм, f_мр = 31 кГц, акустическая добротность Q= 50, ток накачки 300...400 мА, отношение сигнал/шум ≥50 дБ.

Таким образом, предложена новая конструкция волоконно- оптического автогенератора на основе волоконно-оптического лазера и микрорезонатора. 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 22 дБ у известного решения, расширить динамический диапазон и повысить точность измерения изменения частоты микрорезонатора при упрощении конструкции устройства и расширении его функциональных возможностей.

Волоконно-оптический автогенератор может быть использован для измерения различных физических величин (температуры, давления, ускорения и др.). Один торец одномодового световода 3 волоконно-оптического лазера 4 образует с отражающей поверхностью микрорезонатора 1 интерферометр Фабри-Перо 5. Другой торец одномодового световода 3 волоконно-оптического лазера является выходным. Волоконно-оптический лазер связан с микрорезонатором положительной оптической связью через интерферометр Фабри-Перо. Кодирование выходного сигнала в частной форме позволяет повысить отношение сигнал-шум, чувствительность, расширить динамический диапазон, увеличить коэффициент преобразования при использовании автогенератора в преобразователях физических величин. 2 ил.

Волоконно-оптический автогенератор, содержащий лазерный источник излучения, микрорезонатор, выполненный с отражающей поверхностью, и интерферометр Фабри-Перо, включающий полупрозрачное зеркало и отражающую поверхность микрорезонатора, отличающийся тем, что лазерный источник излучения выполнен в виде волоконно-оптического лазера, на одном торце световода, являющемся входным, установлено полупрозрачное зеркало, а другой торец световода является выходным, при этом волоконно-оптический лазер связан с микрорезонатором положительной оптической обратной связью через интерферометр Фабри-Перо.