ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ АВТОГЕНЕРАТОР Российский патент 1998 года по МПК G01N21/45 

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, резонаторы которых возбуждаются как модулированным, так и немодулированным когерентным излучением с использованием обратной интерферометрической связи.

Во всех случаях частотная компонента промодулированного по интенсивности оптического сигнала, которая соответствует собственной резонансной частоте микрорезонатора, возбуждает в микрорезонаторе поперечные акустические колебания, которые легко детектируются оптическим интерферометром. При этом в качестве интерферометра используется резонатор Фабри-Перо, образованный отражающей поверхностью микрорезонатора, совершающей 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, p. 369-372; Electronics Letters, 1988, v. 24, N 13, p. 777-778).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемым результатам является волоконно-оптический автогенератор с оптическим методом возбуждения колебаний микрорезонатора и интерферометрическим методом съема информации, опубликованный в "Electronics Letters", 31^st Aug., 1989, v. 25, N 18, p. 1235-1236 и 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 автогенератора перспективным при его использовании в волоконно-оптических датчиках физических величин.

Недостатком данного аналога является то, что условия возникновения автоколебаний в устройстве зависит от оптического отклика кремниевого микрорезонатора и оптических характеристик резонатора Фабри-Перо. Оптический отклик микрорезонатора X мкм/мВт характеризует величину смещения отражающей поверхности микрорезонатора, приходящейся 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 A.

В реальных условиях эксплуатации вследствие изменения параметров микрорезонатора может произойти изменение значения параметра X. С другой стороны, нестабильность длины резонатора Фабри-Перо может изменить оптическую характеристику Y_A резонатора Фабри-Перо в рабочей точке A. 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 A на оптической характеристике Y_A резонатора Фабри-Перо, а также тщательный выбор напряжения смещения в соответствии с условиями, где имеет 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 изобретения - разработка волоконно-оптического автогенератора на основе волоконно-оптического лазера с перестраиваемой длиной волны и микрорезонатора. При этом один торец одномодового световода волоконно-оптического лазера образует с отражающей поверхностью микрорезонатора интерферометр Фабри-Перо, а выходное зеркало одномодового световода составлено из последовательно соединенных двух волоконно-оптических интерферометров Маха-Цандера, один из которых является проходным, а другой - отражательным. В результате возникновения в системе микрорезонатор - волоконно-оптический лазер автоколебаний на резонансной частоте микрорезонатора отпадает необходимость введения интерферометрической обратной связи по стабилизации положения рабочей точки интерферометра Фабри-Перо в некотором спектральном диапазоне излучения Δλ волоконно-оптического лазера.

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, выходное зеркало которого составлено из последовательно соединенных двух волоконно-оптических интерферометров Маха-Цандера, один из которых является проходным, а другой - отражательным, при этом выходной оптический сигнал автогенератора, направляемый через ответвитель, модулируется резонансной частотой микрорезонатора, связанного с системой волоконно-оптический лазер - интерферометр Маха-Цандера, положительной обратной связью через интерферометр Фабри-Перо.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в разработке волоконно-оптического автогенератора, в котором для возбуждения автоколебаний и съема информации используется волоконно-оптический лазер с перестраиваемой длиной волны с помощью интреферометра Маха-Цандера типа 2 • 2, при этом выходной оптический сигнал автогенератора модулируется резонансной частотой микрорезонатора, связанного с системой микрорезонатор - волоконно-оптический лазер, положительной обратной связью через резонатор Фабри-Перо.

Волоконно-оптический лазер представляет собой отрезок одномодового активированного световода длиною L (с коэффициентами отражения на торцах r_1,2), накачка которого может осуществляться различными способами, например, через отрезок буферного неактивированного световода, идеально согласованного с активированным световодом.

Рассмотрим основные положения физической модели микрорезонатор - волоконно-оптический лазер - интерферометр Маха-Цандера типа 2 • 2. Физическая сущность взаимодействия микрорезонатора с волоконно-оптическим лазером на длине волны λ = const сводится к следующему.

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.

Тогда имеем

где

Динамика измерения параметра H зависит от падающей на микрорезонатор оптической мощности (интенсивности I) P₂(t) = (соответственно I₂(t) = ), где - среднее значение мощности, приводящее к некоторому стационарному смещению микрорезонатора .

Переменная часть вызывает вынужденные колебания микрорезонатора h(t).

Таким образом, можем представить

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

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

где
Δλ - ширина спектра излучения,
ΔH ≪ λ,
L_ког ≈ >> 2H - длина когерентности одномодового лазера,
f_MP << - время пролета, c' - скорость света в световоде) - резонансная частота микрорезонатора,
- длина одномодового световода,
H₀ ≈ - длина резонатора Фабри-Перо, где
r_MP - коэффициент отражения поверхности микрорезонатора (r_MP = r₃)
r_c - коэффициент отражения одномодового световода,
NA - числовая апертура сердцевины световода.

Удовлетворить приведенным выше условиям технически не сложно. Так, при соответствующей конструкции мекрорезонаетора (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_MP 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;
P₂(t) = P₀(t) cos ω (предполагается, что P₀(t) достаточно медленно изменяющаяся функция);
ω_мр - резонансная частота ( f_MP = ).

Последовательное решение системы замкнутых лазерных уравнений с учетом (1), (1a), (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
ϕ = 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 условии, что

где
I₀ (t) - медленно возрастающая функция,
приводит к определению некоторой двумерной области (W, H₀), в которой возможны автоколебания в рассматриваемой системе при ϕ ≤ 0. Очевидно, что при ϕ = 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 ϕ < 0 с большим запасом. Существование неравенства ϕ < 0 приводит к важному выводу: показана возможность возникновения автоколебаний в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор, при этом реализуется устойчивый режим генерации при незначительном изменении параметров микрорезонатора и лазера. Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность существования автоколебаний в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор.

Таким образом, при определенных условиях (о которых речь шла выше) в системе микрорезонатор - волоконно-оптический лазер реализуется устойчивый режим автоколебаний на резонансной частоте микрорезонатора в определенной области интерферограммы интреферометра Фабри-Перо.

Можно назвать ряд причин, дестабилизирующих рабочую точку интерферограммы, например:
изменение базы интерферометра Фабри-Перо из-за термического расширения материалов микрорезонатора;
изменение базы под действием внешнего воздействия, (например, давления);
возможный дрейф рабочей длины волны волоконно-оптического лазера λ и т. д.

Одним из эффективных и универсальных способов разрешения данной проблемы является перестройка λ на основе применения волоконно-оптических интерферометров Маха-Цандера с управляемым разбалансом длины плеч (IEEE Photonics technologi Letters, v. 6, N 2, 1994). Сущность применения интерферометра Маха-Цандера для перестройки длины волны λ волоконно-оптического лазера состоит в следующем.

Спектральная зависимость коэффициента пропускания волоконно-оптического интерферометра Маха-Цандера описывается соотношением

где
K - коэффициент, характеризующий потери в волоконно-оптическом интерферометре Маха-Цандера;
n - показатель преломления световода;
L_1,2 - длины плеч интерферометра Маха-Цандера.

Из последнего выражения следует, что максимум пропускания волоконно-оптического интерферометра Маха-Цандера достигается на длинах волн

где
m = 0, 1, 2, ... - целые числа.

Смещение λ_m при изменении разности L₁ - L₂ позволяет перестраивать спектральный коэффициент пропускания интерферометра Маха-Цандера.

Управление величиной ΔL = L₁ - L₂ возможно с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Смещение Δλ_m достигается при соответствующем управляющем напряжении, прикладываемом на пьезокерамику, размещенную в одном из плеч интерферометра Маха-Цандера.

Современный уровень технологии изготовления волоконно-оптического лазера позволяет осуществлять перестройку длины волны λ_m в пределах 1,53 - 1,57 мкм, т.е. смещение может достигать 40 нм. При этом ширина линии генерации не превышает 1 нм, что существенно расширяет возможности построения на базе подобных волоконно-оптических лазеров спектрально-мультиплексированных систем микрорезонаторных датчиков.

Таким образом, по сравнению с известным решением предлагаемое устройство обладает следующими положительными признаками:
в рассматриваемом устройстве 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 коррекции длины резонатора вследствие перестройки длины волны волоконно-оптического лазера с помощью интерферометра Маха-Цандера типа 2x2;
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; 2 - зеркальная колеблющаяся поверхность микрорезонатора с коэффициентом отражения r_MP; 3 - зеркало на торце волоконного световода с коэффициентом отражения r_c; 4 - волоконно-оптический лазер; 5 - зеркало волоконно-оптического интерферометра Маха-Цандера; 6 - волоконно-оптический интерферометр Маха-Цандера проходного и отражательного типа, L_1,2 - плечи волоконно-оптического интерферометра Маха-Цандера; 7 - одномодовый световод с диаметром сердцевины d_c; 8 -интерферометр Фабри-Перо, образованный отражающей поверхностью 2 микрорезонатора 1 и отражающей поверхностью зеркала 3 с коэффициентом отражения r₃; 9 - блок управляющего напряжения на пьезокерамику.

Длина резонатора Фабри-Перо определяется по формуле

Второй торец волоконно-оптического лазера 4 представлен сложный зеркалом, составленным из последовательно соединенных двух волоконно-оптических интерферометров Маха-Цандера проходного и отражательного типа. 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 положительной обратной связи осуществляется путем подведения его к свободному торцу одномодового световода 7 волоконно-оптического лазера 4. В результате между отражающей поверхностью зеркала 3 с коэффициентом отражения r₃ и отражателем 2 образуется интерферометр Фабри-Перо, длина резонатора которого равна H₀. При определенной мощности P_вых оптического излучения волоконно-оптического лазера 4, величине H₀ 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 резонансной частоте микрорезонатора.

При смещении рабочей точки интерферограммы Фабри-Перо с блока 9 управляющего напряжения на пьезоэлектрический преобразователь подается управляющее напряжение для изменения величины ΔL = L₁ - L₂. Управление величиной приводит к смещению Δλ_m , вследствие чего рабочая точка интерферометра Фабри-Перо возвращается в исходное положение.

На фиг. 2 представлен экспериментально полученный спектр излучения волоконно-оптического лазера с перестраиваемым волоконно-оптическим интерферометром Маха-Цендера. При исходной базе интерферометра Фабри-Перо H₀ = 200 мкм полученное смещение Δλ_m = 7 нм позволяло поддерживать интерферометр Фабри-Перо в рабочих областях интерферограммы при различных температурах и внешних воздействиях на макет волоконно-оптического автогенератора.

Следует подчеркнуть, что современный уровень технологии изготовления волоконно-оптического лазера позволяет осуществлять перестройку длины волны λ в пределах 1,53-1,57 мкм, т.е. смещение Δλ_m может достигать 40 нм.

При этом ширина линии генерации не превышает 1 нм, что существенно расширяет возможности построения на базе подобных волоконно-оптических лазеров спектрально мультиплексированных микрорезонаторных волоконно-оптических лазеров.

Таким образом, предложена новая конструкция волоконно-оптического автогенератора на основе микрорезонатора и спектрально перестраиваемого волоконно-оптического лазера, выходное зеркало которого составлено из последовательно соединенных двух волоконно-оптических интерферометров Маха-Цандера проходного и отражательного типа.

Таким образом, показана возможность смещения длины волны волоконно-оптического лазера до 40 нм, при этом по сравнению с известным техническим решением достигаются следующие преимущества:
обеспечивается монолитность конструкции автогенератора;
минимизируются дополнительные потери, вносимые в резонатор интерферометра волоконно-оптического лазера, которые не превышают 0,5 дБ;
достигается простота и надежность конструкции: управление разбалансом плеч интерферометра Маха-Цандера осуществляется, как правило, с применением пьезоэлектрических преобразователей.

Использование: в волоконно-оптических автоколебательных системах на основе микромеханического резонатора, в частности в системах измерения различных физических величин (температуры, давления, ускорения и др.). Сущность изобретения: включение микрорезонатора в цепь положительной обратной связи осуществляется путем подведения его к свободному торцу одномодового световода волоконно-оптического лазера. В результате между отражающей поверхностью зеркала и отражателем образуется интерферометр Фабри-Перо. При определенных условиях 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. При смещении рабочей точки интерферограммы Фабри-Перо с блока управляющего напряжения на пьезоэлектрический преобразователь подается управляющее напряжение, вследствие чего рабочая точка интерферометра Фабри-Перо возвращается в исходное положение. Изобретение обеспечивает смещение длины волны волоконно-оптического лазера до 40 нм. 2 ил.

Волоконно-оптический автогенератор, содержащий источник оптического излучения, полупрозрачное зеркало, микрорезонатор, отражающая поверхность которого является составляющей интерферометра Фабри-Перо, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения используется волоконно-оптический лазер, одно зеркало на торце световода которого сопряжено с отражающей поверхностью микрорезонатора и образует с ней интерферометр Фабри-Перо, а второе зеркало световода волоконно-оптического лазера включает интерферометр Маха-Цандера отражательного типа, при этом выходной оптический сигнал автогенератора, выводимый через ответвитель, модулируется резонансной частотой микрорезонатора, связанного с системой волоконно-оптический лазер - интерферометр Маха-Цандера через интерферометр Фабри-Перо.