ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ АВТОГЕНЕРАТОР Российский патент 1999 года по МПК G01D5/353 G02B6/26 

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

Известны работы по созданию нового класса волоконно-оптических автогенераторов на основе использования микромеханического резонатора (МР) и оптического когерентного излучения, взаимодействующего с МР. В литературе сообщается о разработках различных схем по оптическому возбуждению колебаний МР 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, вследствие чего в МР возникает изгибный момент, изменяющийся в фазе с модулированным оптическим излучением, который приводит к механическим колебаниям на собственной резонансной частоте МР.

Внешнее воздействие (температура, давление, ускорение и др.) 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) в автогенераторах 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 отражающей поверхностью МР.

Непосредственная связь с цифровым устройством измерения без необходимости преобразования аналог-цифра, большая протяженность оптического канала передачи, высокая потенциальная точность измерений резонансной частоты делают этот тип датчиков перспективным.

Однако, микрорезонаторные автогенераторы, основанные на фотометрическом возбуждении МР и оптическом детектировании колебаний, обладают следующим недостатком.

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 автогенератора влияют одновременно нестабильность характеристик канала возбуждения МР и канала интерферометрического съема информации, что требует принятия специальных мер по стабилизации положения рабочей точки A.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результаты является волоконно-оптический датчик (ВОД) физических величин (заявка PCT WO 89/00677, кл. G 01 D 5/26, 26.01.89), содержащий лазерный источник излучения, световод, делитель, коллиматор, микрорезонатор с отражающей поверхностью, фотоприемник и анализатор спектра.

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 МР;
- дополнительные 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 МР в силу ограниченной возможности 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 микрорезонаторного автогенератора на основе волоконно-оптического лазера и модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит МР. При этом один торец одномодового световода сопряжен с коллиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность МР, ориентированную под углом θ к оптической оси падающего пучка, а второй является выходным.

Изменение мощности излучения при отражении от МР приводит, вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации, к модуляции угла отклонения отраженного пучка θ (t), т.е. к модуляции мощности оптического излучения.

В качестве коллиматора используется градиентная стержневая линза (ГСЛ) и четверть периода, формирующая Гауссовы пучки.

Независимо от топологии и конструкции МР при выполнении определенных условий в рассматриваемой схеме устанавливается автоколебательный режим с частотой F, практически совпадающий с резонансной частотой f = F.

Эти условия формулируются следующим образом:
- в исходном состоянии угол отклонения θ_и отражающей поверхности МР находится в интервале θ₁ ≤ θ_и ≤ θ₂ , границы которого (θ₁,θ₂) зависят от характеристик МР и волоконно-оптического лазера;
- резонансная частота МР близка к частоте релаксационных колебаний волоконно-оптического лазера f_рел или ее гармоник, т.е. f ≈ nf_рел, где n = 1,2,3... Отметим, что f_рел определяется относительной накачкой r = P_н/P_н.п., где P_н.п. - пороговый уровень накачки лазера;
- средняя мощность излучения превышает определенный пороговый уровень зависящий от характеристик МР и волоконного лазера.

В результате возникновения в системе МР - волоконно-оптический лазер автоколебаний на резонансной частоте МР отпадает необходимость введения интерферометрической обратной связи по стабилизации положения рабочей точки автогенератора.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в микрорезонаторном волоконно-оптическом автогенераторе, содержащем источник оптического излучения, микрорезонатор, в качестве источника оптического излучения используется волоконно-оптический лазер, один торец световода которого сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и микрорезонатором, а второй торец световода является выходным, при этом отражающая поверхность микрорезонатора образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера, а отражающая поверхность микрорезонатора в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным углом θ_и . Оптическое излучение волоконно-оптического лазера с помощью градиентной стержневой линзы в четверть периода, формирующей Гауссовы пучки, коллимируется на отражающую поверхность МР, нормаль к которой составляет с оптической осью падающего пучка некоторый угол θ_и , при этом выходной сигнал автогенератора моделируется резонансной частотой МР вследствие модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора волоконно-оптического лазера.

Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке микрорезонаторного волоконно-оптического автогенератора, в котором для возбуждения автоколебаний используется волоконно-оптический лазер без введения дополнительных волоконно-оптических устройств, при этом для существования автоколебательного режима в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор достаточно модуляции амплитуды коэффициента отражения R оптического резонатора волоконно-оптического лазера, возникающей при колебаниях микрорезонатора.

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.

Уникальные свойства волоконно-оптического лазера, позволяющие обеспечить эффективное оптическое согласование МР с волоконно-оптическим лазером, а также новейшая технология изготовления МР, основанная на методе анизотропного травления и плазмохимии монокристаллических материалов таких, как Si, SiO₂, CaAs, позволяют реализовать МР структуры с заданным акустическими характеристиками и топологией (например, в виде микромембраны, микромостика, микроконсоли и т. д.), что позволяет реализовать в системе МР - волоконно-оптический лазер автоколебания, резонансная частота которых зависит от воздействия соответствующих внешних факторов (температуры, давления, ускорения и др.).

На фиг. 1 представлена схема микрорезонаторного волоконно-оптического автогенератора нового типа, где 1 - волоконно-оптический лазер, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны λ_н = 0,98 мкм, 2 - одномодовый световод, 3 - коллиматор, в качестве которого применялась градиентная стержневая линза в четверть периода, формирующая Гауссовы пучки с параметрами : диаметр перетяжки пучка 2 W_o = 780 мкм, угол расходимости 2θ = 2,6 • 10^-3 рад, 4 - зеркало M₁ оптического резонатора, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух, 5 - микрорезонатор, представляющий собой кремниевую мембрану (микромостик, микроконсоль), полученную методом анизотропного травления, 6 - угол θ_и между нормалью к отражающей поверхности МР и оптической осью пучка света, сформированного коллиматором, 7 - отражающая поверхность МР, 8 - расстояние H между коллиматором и МР.

Устройство работает следующим образом.

Часть мощности ξ оптического пучка, сформированного коллиматором 3, отражается от поверхности 7 микрорезонатора 5, нормаль к которой в исходном положении составляет угол θ_и с осью пучка света, и возвращается обратно в резонатор волоконно-оптического лазера.

Изменение мощности излучения волоконно-оптического лазера W₁, падающей на МР, приводит вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации к модуляции угла отклонения отраженного пучка θ(t) т.е. к модуляции ξ[θ(t)].
На фиг. 2 приведена экспериментальная зависимость ξ(θ). Экспериментальные результаты показали, что независимо от топологии и конструкции МР при выполнении заданных условий (о которых речь шла выше) в рассматриваемом устройстве устанавливается автоколебательный режим с частотой МР f ≈ F.

Результаты эксперимента получены для МР в виде микромостика с размером 1650 х 400 х 6 мкм³ с пленкой никеля (N_i) в качестве отражающего покрытия МР. Толщина пленки составляла h_Ni ≈ 0,3 мкм, коэффициент отражения - 72%. Благодаря значительной ширине МР обеспечивалось его эффективное взаимодействие с оптическим пучком. В рассматриваемом случае возбуждались автоколебания с частотами F₁ = 35,5 кГц и F₂ = 112,2 кГц, соответствующие резонансным частотам основной и второй модам колебаний МР. Средняя мощность составляла 1,5...4 мВт, отношение сигнал/шум в системе 40...50 дБ. Амплитуда колебаний МР составляла ≤ 30 нм. Добротности данных мод, измеренные при акустическом возбуждении колебаний, составляли 90 и 120 соответственно.

Как видно из фиг. 2, область существования автоколебаний (θ₁,θ₂) для основной моды колебаний расположена целиком на одной ветви кривой ξ(θ).
Это указывает на то, что модуляция добротности оптического резонатора обусловлена модуляцией угла отклонения пучка, а не дополнительной его фокусировкой (дефокусировкой) вследствие искривления поверхности МР при автоколебаниях. Кроме того, эксперимент показал, что при измерении H как в субмикронном диапазоне, так и в значительных пределах (± 1,5 мм) срыва автоколебаний не наблюдалось, при этом относительное изменение частоты ΔF/F составляло 3•10^-4. В пределах интервала (θ₁,θ₂) наблюдается слабая зависимость F(θ_и), характер монотонности которой зависит от угловых и линейных геометрических параметров, характеризующих пространственную ориентацию оптического пучка относительно МР. Ширина интервала Δθ = O₂-O₁ зависит от угла расходимости пучка, и чем больше угол расходимости, тем меньше ширина интервала. В случае более высоких мод в зависимости от типа МР интервал Δθ может состоять из отдельных интервалов.

При данном способе возбуждения автоколебаний для эффективного взаимодействия волоконно-оптического лазера с микрорезонатором необходимо применение МР с размерами, сравнимыми с диаметром коллимированного пучка. Увеличение линейных геометрических размеров микрорезонаторных преобразователей приводит к значительным изменениям коэффициента преобразования.

Таким образом, предложен новый принцип построения микрорезонаторного волоконно-оптического автогенератора, при этом для стабилизации положения рабочей точки автогенератора не требуется введение дополнительных оптических устройств в волоконно-оптический лазер.

Автоколебательный режим в системе волоконно-оптический лазер - МР осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения R оптического резонатора волоконно-оптического лазера, или модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит отражающая поверхность МР.

Волоконно-оптический автогенератор может быть использован в преобразователях физических величин для измерения температуры, давления, ускорения. Автогенератор содержит волоконно-оптический лазер, один торец световода которого сопряжен с коллиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность микрорезонатора. Второй торец световода, являющийся выходным, образует вместе с отражающей поверхностью микрорезонатора двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера. Отражающая поверхность микрорезонатора расположена под некоторым заданным углом к оси пучка света. Автоколебательный режим в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения оптического резонатора волоконно-оптического лазера или модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит отражающая поверхность микрорезонатора. Обеспечена стабильность результатов измерений. 2 ил.

Волоконно-оптический автогенератор, содержащий лазерный источник оптического излучения со световодом и микрорезонатор, причем один торец световода сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и микрорезонатором, а второй торец световода является выходным, отличающийся тем, что лазерный источник оптического излучения выполнен в виде волоконно-оптического лазера, отражающая поверхность микрорезонатора образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера, а отражающая поверхность микрорезонатора в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным углом θ_и.