МУЛЬТИПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА АВТОГЕНЕРАТОРНЫХ МИКРОРЕЗОНАТОРНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН Российский патент 1999 года по МПК G01H9/00 G01D5/26 

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора, возбуждаемого светом, и может быть использовано в мультиплексных системах измерения различных физических величин, например температуры, давления, линейных и угловых перемещений 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 частотная компонента промодулированного по интенсивности оптического сигнала, которая соответствует собственной резонансной частоте микрорезонатора, возбуждает в микрорезонаторе поперечные акустические колебания, которые легко детектируются оптическим интерферометром.

Оптическое самовозбуждение акустических колебаний в микромеханических резонаторных структурах (МРС) позволяет значительно упростить построение мультиплексированной системы микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин (МВОД).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технологической сущности и достигаемому результату является волоконно-оптическая система мультиплексирования двух МРС в автоколебательном режиме, опубликованная в Sensors and Actuators, A 21- A 23, 1990 г., р. 369-372 и взятая в качестве наиболее близкого аналога.

Принцип мультиплексирования в таких системах основан на частотном разделении измерительных каналов, соответствующих разным МРС, резонансные частоты которых зависят от величин измеряемых физических полей, воздействующих на МРС (температуры, давления и др.).

Конструктивно система мультиплексирования двух МРС представляет собой устройство, содержащее полупроводниковый лазер, X-разветвитель, с помощью которого излучение от полупроводникового лазера делится на два канала, два микрорезонатора, размещенные по одному в каждом из каналов, два интерферометра Фабри-Перо, применяемые в качестве отражателей в системе полупроводниковый лазер - микрорезонатор в каждом из каналов, фотодетектор, преобразующий оптическое излучение в электрический сигнал, анализатор спектра частот двухканальной системы мультиплексирования.

Система мультиплексирования работает следующим образом.

Излучение от полупроводникового лазера, распространяющееся по волоконному световоду, с помощью X-разветвителя делится на две части так, что каждая из них попадает на интерферометры Фабри-Перо, размещенные в каждом из каналов. Происходит модуляция интенсивности оптического излучения на собственной резонансной частоте соответствующего микрорезонатора, определяемой размерами микрорезонатора и его физическими свойствами. Промодулированное излучение попадает на фотоприемник, с выхода которого электрический сигнал поступает на вход спектроанализатора.

Недостатком такой системы мультиплексирования является то, что положение рабочей точки интерферометра Фабри-Перо в каждом из каналов нестабильно и ее смещение зависит одновременно как от дрейфа основных характеристик микрорезонатора, так и от нестабильности источника излучения и параметров интерферометра Фабри-Перо. Улучшение характеристик измерительной системы требует принятия специальных мер, обеспечивающих стабилизацию положения рабочей точки интерферометра.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке нового принципа построения мультиплексной системы микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин на основе волоконного лазера, волоконных автоколлиматоров и микрорезонаторных структур.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в мультиплексной системе автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин, содержащей источник оптического излучения, разветвитель, разделяющий световой поток от источника излучения на два измерительных канала, каждый из которых содержит микрорезонатор, фотоприемник, блок обработки сигнала, в качестве источника оптического излучения использован волоконно-оптический лазер, выполненный с возможностью возникновения автоколебаний на резонансных частотах каждого из микрорезонаторов в соответствующих дискретных зонах возбуждения, измерительные каналы включают автоколлиматоры, оптическая ось каждого из которых составляет с нормалью к отражающей поверхности микрорезонатора заданный угол θ₁,θ₂, а в качестве блока обработки сигнала использован частотомер.

В предлагаемой автогенераторной мультиплексной системе резонансное взаимодействие волоконного лазера с МРС осуществляется на основе модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит микрорезонатор. При этом один торец одномодового световода сопряжен с автоколлиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность микрорезонатора, ориентированную под некоторым заданным углом θ к оптической оси автоколлиматора, а второй является выходным.

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

В качестве автоколлиматора может быть использована градиентная стержневая линза (ГСЛ) в четверть периода, формирующая Гауссовы пучки.

Независимо от топологии и конструкции МРС при выполнении определенных условий в рассматриваемой системе в каждом канале устанавливается автоколебательный режим с частотой F_i (i - число каналов), практически совпадающий с резонансной частотой f_pi, f_pi = F_i.

Эти условия следующие: в исходном состоянии угол отклонения θ_и отражающей поверхности МРС находится в интервале θ′≤ θ_и≤ θ″, границы которого (θ′,θ″′) зависят от характеристик МРС и волоконно-оптического лазера; резонансная частота МРС близка к частоте релаксационных колебаний волоконно-оптического лазера f_рел или ее гармоник, т.е. f_pi≈ nf_рел где n = 1, 2, 3... Отметим, что f_рел определяется оптической накачкой q = P_н/P_н.п, где P_н.п - пороговый уровень накачки лазера; средняя мощность излучения превышает определенный пороговый уровень , зависящий от характеристик МРС и волоконного лазера.

В результате возникновения в системе ВОЛ-МРС автоколебаний на резонансной частоте МРС отпадает необходимость введения интерферометрической обратной связи по стабилизации положения рабочей точки автогенератора.

Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем.

Величина релаксационных колебаний f_рел волоконного лазера в общем виде описывается выражением

где r - относительный уровень накачки ВОЛ; τ_ф(R,α,L) - время жизни фотона в резонаторе ВОЛ; τ_м - время жизни метастабильного уровня активной частицы, σ_o - площадь сечения поглощения (излучения) активной частицы; N₀ - концентрация активных частиц в активированном световоде; l_А - длина активированного участка волоконного лазера; L - длина резонатора (между зеркалами); n_А - показатель преломления сердцевины активированного участка волоконного резонатора; n₀ - показатель преломления пассивного участка волоконного резонатора; α - оптические потери волоконного резонатора; R - коэффициент отражения зеркал МРС.

При заданных характеристиках волоконного резонатора и МРС значения уровня накачки r, соответствующие зоне возбуждения автоколебаний, образуют, как правило, две подзоны, состоящие из областей "мягкого" и "жесткого" возбуждений.

Отметим, что режим резонансной автомодуляции в системе волоконный лазер-микрорезонаторная структура (ВОЛ-МРС) может иметь место при различных способах реализации оптической обратной связи (ООС) между ними, т.е. в качестве отражателей МРС могут применяться как интерферометры Фабри-Перо, так и автоколлиматорные системы на основе МРС.

Из выражения (1) следует, что если реализована некоторая мультиплексная система ВОЛ-МРС_i (i - 1, 2,...n), содержащая один ВОЛ и несколько МРС в условиях близких значений оптических характеристик и эффективностей оптического возбуждения МРС, то можно ожидать, что при выполнении резонансных условий будем иметь

где f_p1,2...n - резонансные частоты автоколебаний.

При этом каждой резонансной частоте присуща соответствующая дискретная зона существования этих автоколебаний (r'₁, r''₁) = O₁, (r'₂, r''₂) = O₂ и т.д.

Таким образом, известные значения относительного уровня накачки r, при которых возникают автоколебания, позволяют однозначно установить соответствие между уровнем накачки и зонами возбуждения автоколебания МРС_i: при r ∈ O₁ возбуждены автоколебания МРС₁, при r ∈ O₂ возбуждены автоколебания МРС₂ и т.д.

На фиг. 1 представлена блок-схема двухканальной мультиплексной системы, где 1 - волоконный лазер, служащий в качестве источника излучения, 2 - блок питания (БП) волоконного лазера 1, 3 - одномодовый волоконно-оптический разветвитель X, с помощью которого осуществляется направленное разделение излучения волоконного лазера 1 на число каналов мультиплексной системы, а также осуществляется оптическое сопряжение с блоком обработки информации, 4 - отрезки одномодовых световодов, равные длине резонатора первого и второго каналов мультиплексной системы соответственно, 5 - волоконные автоколлиматоры АК_1,2, оптически связанные со световодами L₁ и L₂ соответственно, 6 - микрорезонаторные структуры МРС_1,2, отражающая поверхность каждого из которых М_1,2 образует с зеркалом М на торце световода волоконно-оптического лазера 1 замкнутый резонатор каждого из каналов, 7 - фотоприемник, преобразующий оптическое излучение на резонансной частоте, соответствующей характеристикам МРС_1,2 первого (второго) каналам мультиплексной системы, 8 - частотомер, электрически связанный с фотоприемником 7.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом измерений в силу известных значений относительного уровня накачки, при которых возникают автоколебания в каждом из каналов мультиплексной системы, однозначно устанавливается соответствие между уровнем накачки и зонами возбуждения разных микрорезонаторных структур МРС_1,2: при r ∈ O₁ возбуждаются автоколебания МРС₁, при r ∈ O₂ возбуждаются автоколебания МРС₂ и т.д.

На фиг. 2 приведена диаграмма состояний предлагаемой мультиплексной автогенераторной системы при плавном изменении относительного уровня накачки в процессе функционирования мультиплексной системы r (t), где t - время.

При достижении значения r'₁, соответствующего моменту времени t'₁, в системе возбуждаются автоколебания с частотой F₁ ≈ f_p1 (первый канал), которые срываются в момент времени t''₁, соответствующий уровню накачки r''₁. В течение интервала времени от t''₁ до t'₂ (t'₂ - t''₁) система находится в невозбужденном состоянии. Далее в момент времени t'₂, соответствующий уровню накачки r'₂, возбуждаются автоколебания с частотой F₂ ≈ f_p2 (второй канал), которые срываются в момент времени t''₂. Затем уровень накачки изменяется до исходного значения и происходит повторение цикла измерения. Таким образом, сканированием уровня накачки волоконно-оптического лазера осуществляется последовательное возбуждение и опрос автоколебаний в системе, что позволяет реализовать мультиплексирование микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков. Соответствующие частоты f_p1, f_p2... детектируются с помощью ФП 7 частотомером 8.

В экспериментально реализованном макете двухканальной мультиплексной системы (фиг.1) средняя выходная мощность излучения лазера 1 ( λ = 1,54 мкм) с полупроводниковым лазером накачки (ПЛ, λ = 0,98 мкм) могла устанавливаться в пределах 0 - 40 мВт. Пороговый ток питания ПЛ составлял I_пр = 110 мА. Ток питания ПЛ изменялся в пределах 0 - 600 мА, что соответствует изменению относительного уровня накачки волоконно-оптического лазера, определяемому формулой

В предлагаемой мультиплексной системе ООС между волоконно-оптическим лазером и МРС осуществляется с помощью автоколлиматоров на основе градиентных стержневых линз, формирующих коллимированные гауссовые пучки с эффективным диаметром 400. . .500 мкм и угловой расходимостью (4...4,5) • 10^-3 рад.

Кроме того, следует подчеркнуть, что в разрабатываемой системе ВОЛ-МРС_1,2... применяются микрорезонаторные структуры, характеризующиеся нецелочисленным отношением частот f_p2 : f_p1 (при n = 2). Это связано с тем, что при кратном соотношении f_p2 : f_p1 = K (где K - натуральное целое число) в силу существенной нелинейности рассматриваемой системы возможно сильное взаимодействие, т. е. взаимное влияние между измерительными каналами, что может усложнить задачу идентификации измерительных каналов. Однако при выполнении условий (f_p2 - Kf_p1) >> max отмеченное влияние будет несущественно, здесь Q_1,2 - добротности МРС_1,2.

Таким образом, возможность оптического мультиплексирования МВОД подтверждают результаты экспериментальных исследований систем ВОЛ-МРС_1,2, где резонансные частоты МРС_1,2 составляли F₁ = 37 кГц и F₂ = 55 кГц в первом и во втором каналах соответственно. Экспериментальная зависимость частоты сигнала на выходе ФП 7 от тока питания БП 2 приведена на фиг.3, где I - значения тоиа питания ВОЛ I ∈ (350; 430) и I ∈ (450; 530) мА, F_1,2 - автоколебания с соответствующими частотами F_1,2 ≈ f_p1,2.

Отметим, что скорость развертки тока питания ВОЛ не превышала 1 А/сек. При значениях тока питания в интервале (350...420) мА в рассматриваемой системе возникают автоколебания, сопровождающиеся модуляцией интенсивности ВОЛ с резонансной частотой МРС₁. F₁ ≈ f_p1. Срыв автоколебаний происходит при токе накачки I = 420 мА. При этом в интервале значений (420...450) мА автоколебания отсутствуют. Дальнейшее увеличение тока питания приводит к установлению автоколебательного режима с резонансной частотой МРС₂ F₂ ≈ f_p2, срыв колебаний происходит при I = 530 мА.

Итак, при сканировании тока питания ВОЛ в рассматриваемой системе происходит последовательное возбуждение автоколебаний с резонансными частотами микрорезонаторных структур.

Отметим, что с принципиальной точки зрения приведенный метод мультиплексирования допускает увеличение количества измерительных каналов без качественных изменений в рассмотренной схеме работы. Для этого необходимо оптимизировать параметры элементов мультиплексной системы (волоконного лазера, акустических и оптических свойств МРС, автоколлиматорной системы) с целью достижения максимального количества зон возбуждения автоколебаний индивидуальных МРС в заданном ограниченном интервале допустимых изменений уровня накачки ВОЛ.

Таким образом, изобретение позволяет разработать новый принцип построения мультиплексной системы микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин на основе волоконного лазера, волоконных автоколлиматоров и микрорезонаторных структур, обладающей повышенной стабильностью.

Система используется для измерения температуры, давления, линейных и угловых перемещений. В автогенераторной мультиплексной системе, содержащей два измерительных канала, резонансное взаимодействие волоконного лазера с микромеханической резонаторной структурой осуществляется на основе модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит микрорезонатор. При этом один торец одномодового световода сопряжен с автоколлиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность микрорезонатора, ориентированную под некоторым заданным углом θ к оптической оси автоколлиматора, а второй является выходным. В качестве блока обработки сигнала использован частотомер. Обеспечено повышение стабильности измерений. 3 ил.

Мультиплексная система автогенераторных микрорезонаторных волоконно-оптических датчиков физических величин, содержащая лазерный источник оптического излучения, одномодовый разветвитель, разделяющий световой поток от лазерного источника оптического излучения на два измерительных канала, каждый из которых содержит микрорезонатор и фотоприемник, связанный с блоком обработки сигнала, отличающаяся тем, что в качестве источника оптического излучения использован волоконно-оптический лазер, выполненный с возможностью возникновения автоколебаний на резонансных частотах каждого из микрорезонаторов в соответствующих дискретных зонах возбуждения, измерительные каналы включают оптически связанные с волоконно-оптическим лазером автоколлиматоры, оптическая ось каждого из которых составляет с нормалью к отражающей поверхности соответствующего микрорезонатора заданный угол θ₁, θ₂, а в качестве блока обработки сигнала использован частотомер.