МИКРОРЕЗОНАТОРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 1999 года по МПК G01H9/00 

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 датчиков (ВОД) физических величин на основе использования микромеханического резонатора (МР) и оптического когерентного излучения, взаимодействующего с микрорезонатором МР. В литературе сообщается о разработках различных схем по оптическому возбуждению колебаний МР и их практической реализации. Во всех случаях модуляции 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 ВОД физических величин 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 ВОД физических величин, основанные на фотометрическом возбуждении МР и оптическом детектировании колебаний, обладают следующим недостатком: положение рабочей точки А 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 ВОД физических величин влияют одновременно нестабильность характеристик канала возбуждения МР и канала интерферометрического съема информации, что требует принятия специальных мер по стабилизации положения рабочей точки А.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является ВОД физических величин, опубликованный в Electronics Letters, 31 st August, 1989, vol 25, N 18, pp. 1235...1236.

Устройство содержит лазерный источник излучения на длине волны λ = 840 нм и мощностью P = 1 МВт, делитель, полупрозрачное зеркало, кремниевый микрорезонатор в виде мостика, на поверхности которого размещено зеркало из серебра толщиной 40 нм, фотоприемник, анализатор спектра.

Устройство работает следующим образом.

Лазерное излучение через делитель, полупрозрачное зеркало направляется на МР и приводит его в возбужденное состояние на собственной резонансной частоте. Полупрозрачное зеркало с отражающей поверхностью МР образуют интерферометр Фабри-Перо. Информация о резонансной частоте МР фиксируется интерферометрически с помощью интерферометра Фабри-Перо. Отраженное от интерферометра излучение с помощью делителя направляется на фотоприемник, связанный с блоком обработки информации. Под действием внешних воздействий (температуры, давления, ускорения и др.) изменяется резонансная частота МР, которая с помощью интерферометра Фабри-Перо фиксируется в измерительном канале ВОД.

Стабилизация резонансной частоты МР осуществляется за счет электронной подстройки частоты лазера в небольшом диапазоне частот. Чтобы перекрыть заданный диапазон частот ( ≈ 15 ГГц), длина волны лазерного источника излучения должна изменяться на 0,034 нм. Это достигается путем изменения тока накачки лазерного диода в незначительных пределах.

Выходной сигнал с фотоприемника делится на две части: одна часть направляется к анализатору спектра, другая проходит через проходной фильтр с низкими потерями и обеспечивает незначительное изменение 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 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 волоконно-оптического преобразователя физических величин 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 второй, сопряженный с фотоприемником, является отражающим зеркалом для интерферометра Маха-Цандера, расположенного между волоконно-оптическим лазером и вторым торцом одномодового световода. 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 интерферометра Фабри-Перо в некотором спектральном диапазоне излучения Δλ волоконно-оптического лазера.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в микрорезонаторном волоконно-оптическом преобразователе физических величин, включающем источник оптического излучения, полупрозрачное зеркало, микрорезонатор, в качестве источника оптического излучения использован волоконно-оптический лазер, один торец которого сопряжен с микрорезонатором, а второй является выходным, при этом внутри резонатора волоконно-оптического лазера размещен интерферометр Маха-Цандера, а также тем, что микрорезонатор выполнен в виде микромостика на мембране или в виде микромостика, а также тем, что микрорезонатор выполнен в виде составной микроконсоли, а также тем, что микрорезонатор выполнен в виде микромостика, один конец которого закреплен на основании микрорезонатора, а другой на инерционной массе, связанной с основанием микрорезонатора. Выходной сигнал датчика модулируется резонансной частотой МР, связанного с системой волоконно-оптический лазер - интерферометр Маха-Цандера положительной обратной связью через интерферометр Фабри-Перо.

Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке ВОД физических величин, в котором для возбуждения автоколебаний и съема информации используется волоконно-оптический лазер с перестраиваемой длиной волны с помощью интерферометра Маха-Цандера, при этом выходной оптический сигнал датчика модулируется резонансной частотой МР, связанного с системой МР-волоконно-оптический лазер положительной обратной связью через интерферометр Фабри-Перо.

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

Волоконно-оптический лазер обладает рядом уникальных свойств, позволяющих
- обеспечить эффективное оптическое согласование МР с волоконно-оптическим лазером, тем самым получить значительную (в пределах 0...3 и более) оптическую обратную связь между ними;
- оптимизировать длину волны излучения λ благодаря возможности значительной (до ≈ 40 нм) перестройки спектрального диапазона генерации лазера;
- изменять параметры лазера в широких пределах: выходную мощность, частоту релаксационных колебаний, длину резонатора волоконно-оптического лазера и т.д.

С другой стороны, новейшая технология изготовления МР, основанная на методе анизотропного травления и плазмохимии монокристаллических материалов таких, как Si, SiO₂, CaAs, позволяет реализовать МР структуры с заданными 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. Из вышеизложенного следует, что новые свойства системы МР - волоконно-оптический лазер дают основание рассматривать данную систему в качестве основы для разработки принципов построения частотных преобразователей физических величин различных конструкций.

На фиг.1 представлена схема ВОД физических величин, позволяющая контролировать резонансные частоты основных мод акустических автоколебаний, величина которых зависит от топологии и конструкции МР, а также - характеристик волоконно-оптического лазера и интерферометров Фабри-Перо и Маха-Цандера. Здесь 1 - спектрально перестраиваемый эрбиевый волоконно-оптический лазер, 2 - микрорезонатор с отражающей пленкой n, 3 - фотоприемник, 4 - одномодовый изотропный световод L, 5 - активный одномодовый световод АВ, легированный ионами E_r ⁺³, 6 - полупрозрачное зеркало M₁ с коэффициентом отражения R = 90%, 7 - полупрозрачное зеркало M₂, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух, с коэффициентом отражения R = 3%, 9 - спектрально перестраиваемый фильтр на базе волоконно-оптического интерферометра Маха-Цандра (ИМЦ), 9 - низкодобротный интерферометр Фабри-Перо (ИФП) с базой H₀, образованный зеркалом M₂ и поверхностью n микрорезонатора 2, 10 - полупроводниковый лазер накачки с λ = 0,98 мкм, 11 - внешнее воздействие (давление, температура, ускорение и др.).

Устройство работает следующим образом.

В результате воздействия измеряемой физической величины независимо от типа и параметров МР в системе устанавливается автоколебательный режим с частотой колебаний F, совпадающей с резонансной частотой i-ой моды колебаний МР: f_i = F, где i = 1, 2,... m. Для этого необходимо выполнение следующих условий:
- частота релаксационных колебаний волоконно-оптического лазера, зависящая от мощности накачки, должна быть близка к релаксационной частоте МР;
- коэффициент оптической связи ξ превышает критическое значение ξ = 10^-3;
- при заданной длине волны волоконно-оптического лазера λ зоны существования автоколебаний по параметру H₀ дискретны, периодичны с периодом интерферометра Фабри-Перо. При смещении рабочей точки интерферометра Фабри-Перо осуществляется соответствующая перестройка линии генерации волоконно-оптического лазера, так что при диапазоне перестройки Δλ, превышающей область свободной дисперсии интерферометра Фабри-Перо λ²/2H_o, предлагаемый способ возбуждения допускает автоколебательный режим при смещении исходного значения H₀.

На выходе фотоприемника отношение сигнал-шум, как правило, составляет 30... 60 дБ, в некоторых случаях - 90 дБ.

Внешнее воздействие на МР, изменяющее его резонансную частоту, приводит к изменению частоты автоколебаний в соответствии с соотношением F = f_i. Это позволяет рассматривать данную систему, состоящую из МР, волоконно-оптического лазера и фотоприемника, в качестве базисного микрорезонаторного волоконно-оптического преобразователя физических величин.

На фиг.2 представлены варианты конструктивных схем чувствительных элементов микрорезонаторных преобразователей физических величин: давления, температуры, ускорения (позиция I - вид сверху, позиция II - вид сбоку, в разрезе А-А того же МР).

На фиг. 2 (а), (б), (в) представлены конструкции микрорезонаторов для измерения давления в виде микромостика на мембране (а), микромостика (б), (в). Здесь 1 - одномодовый волоконный световод, диаметр сердцевины которого равен d_c, 2 - отражающее покрытие МР (микромостика, мембраны) толщиной h_n, 3 - резонатор Фабри-Перо с базой H, 4 - МР, выполненный из кремния.

Принцип действия преобразователя давления, МР которого выполнен в виде микромостика на мембране и представлен на фиг. 2a, основан на том, что давление P вызывает деформацию мембраны, на которой расположен микромостик. Вследствие этой деформации в мостике возникают растягивающие (или сжимающие) напряжения, приводящие к изменению резонансной частоты микромостика, которая описывается формулой

где f₁(Р), f₁(P₀) - резонансные частоты микромостика при давлениях P и P₀ соответственно;
E, ν - модуль Юнга и коэффициент Пуассона кремния;
l, d, h, h_s, r - геометрические размеры ЧЭ (чувствительного элемента).

При l = 300 мкм, d = 30 мкм, h = 5 мкм, h_s = 6 мкм, 2r = 1000 мкм имеем коэффициент преобразования

Возможность вариации геометрических размеров микрорезонаторных структур позволяет в соответствии с выражением (I) изменять диапазон измеряемых давлений и коэффициент преобразования K_p в широких пределах.

На фиг. 2 (б), (в) представлены микрорезонаторные структуры в виде микромостика, отличающиеся различной конфигурацией, топологией и акустическими характеристиками.

На фиг. 2 (г) приведен микрорезонатор в виде составной микроконсоли, применяемой в качестве преобразователя температуры T. Такой выбор объясняется тем, что для МР данной топологии остаточные термонапряжения в структуре, возникающие в ходе технологических процессов, не приводят к особенностям в зависимости f(T) (немонотонность, неоднозначность, нелинейность функции преобразования). Кроме того, преимущества консольного МР по сравнению с другими типами в том, что он практически не чувствителен (кроме температуры) к другим видам внешних воздействий, например, давлению и т.д. Для рассматриваемого МР коэффициент преобразования имеет вид

где α_s,n, γ_s,n, β_s,n - соответственно коэффициент линейного расширения, относительные изменения модуля Юнга Е и плотности ρ для кремния (Si) и материала покрытия (n);
α_эфф - эффективный коэффициент линейного расширения слоистой структуры;
M = E_n • h_n/E_s•h_s;
N = ρ_n•h_n/ρ_s•h_s
В соответствии с формулой (2) для составного консольного МР со слоем из вольфрама с отношением h_n/h_s = 0,1 имеем K_t ≈ -6 • 10^-3% K^-1.

Пороговая чувствительность рассматриваемого преобразователя составляет ΔT_min≈ 0,2 K. Вследствие слабой температурной зависимости слагаемых в формуле (2) коэффициент K_t практически не зависит от температуры, следовательно, функция преобразования (T) является линейной.

На фиг. 2 (d) представлен вариант микрорезонаторного преобразователя линейного ускорения a. Преобразователь содержит микромостик NN' с размерами l • d • h_s, один конец которого N закреплен на основании МР, а другой N' - на инерционной массе с размерами c • b • y, прикрепленной к основанию МР с помощью держателя Д.

Принцип действия преобразователя ускорения основан на том, что при ускоренном движении МР наличие инерционной массы М приводит к возникновению в микромостике механических напряжений G растяжения или сжатия в зависимости от направления ускорения, изменяющего его резонансную частоту.

где - деформация микромостика.

Коэффициент преобразования МР равен

Подстановка численных значений параметров рассматриваемого преобразователя l = 500 мкм, c = 1500 мкм, b = 2000 мкм, y = 200 мкм, y₀ = 100 мкм, d = 15 мкм, h_s = 5 мкм приводит к значению K_a≈ 5 • 10^-2% (м/сек²)^-1, пороговая чувствительность преобразователя a_min = 5 • 10^-4 м/сек².

Быстродействие подобных преобразователей ограничено полосой частот 0 ... f/Q, что связано с конечностью времени установления колебаний МР. Акустическая добротность МР Q может изменяться в зависимости от условий вакуумирования МР-структур в широких пределах, например, в условиях вакуума 10^-3 мм рт.ст. может составлять Q ≥ 10⁴.

Таким образом, предложен новый принцип построения микрорезонаторных волоконно-оптических преобразователей физических величин в изменение частоты на основе эффекта возбуждения автоколебаний в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор. Показана возможность разработки на основе рассматриваемой системы с разными микрорезонаторными структурами волоконно-оптических датчиков давления, температуры, ускорения с соответствующими оценками их характеристик при нормальных условиях.

Использование: в волоконно-оптических преобразователях физических величин, например, температуры, давления, ускорения и др., с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом. Технический результат: разработка преобразователя на основе лазера. Сущность изобретения: в результате воздействия измеряемой физической величины независимо от типа и параметров микрорезонатора в системе устанавливается автоколебательный режим с частотой колебаний F, совпадающей с резонансной частотой i-ой моды колебаний микрорезонатора: fi = F, где i = 1,2, ... , m. Внешнее воздействие на микрорезонатор, изменяющее его резонансную частоту, приводит к изменению частоты автоколебаний в соответствии с соотношением F = fi. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. /

1. Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин, включающий источник оптического излучения, полупрозрачное зеркало, микрорезонатор, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения использован волоконно-оптический лазер, один торец которого сопряжен с микрорезонатором, а второй является выходным, при этом внутри резонатора волоконно-оптического лазера размещен интерферометр Маха-Цандера. 2. Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин по п. 1, отличающийся тем, что микрорезонатор выполнен в виде микромостика на мембране или в виде микромостика. 3. Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин по п.1, отличающийся тем, что микрорезонатор выполнен в виде составной микроконсоли. 4. Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин по п.1, отличающийся тем, что микрорезонатор выполнен в виде микромостика, один конец которого закреплен на основании микрорезонатора, а другой - на инерционной массе, связанной с основанием микрорезонатора.