Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр Российский патент 2020 года по МПК G02B26/00 G02F1/21 

Изобретение относится к волоконной оптике, а именно к многолучевому интерференционному устройству для спектральной узкополосной фильтрации излучения в отраженном свете.

Интерферометры - это спектральные приборы, предназначенные для проведения различных измерений с высокой точностью, а также фильтрации света за счет эффекта интерференции. Простейший интерферометр состоит из двух полупрозрачных зеркал, установленных параллельно друг другу и имеющих высокие коэффициенты отражения внутренних сторон зеркал. Пучок света, прошедший через переднее (входное) зеркало, многократно отражается между зеркалами. Такие интерферометры называются многолучевыми. В пространстве между зеркалами возникают стоячие волны, и интерференционная картина, которая для наблюдения выводится («пропускается») через заднее (выходное) зеркало на плоский экран, имеет вид светлых интерференционных полос (колец) на темном фоне для разных углов падения. Такая интерференционная картина называется «необращенной», а интерферометр работает на «пропускание» света. В противоположность необращенной картине в пропускании, в отражении у такого интерферометра наблюдается «обращенная» интерференционная картина, представляющая узкие темные полосы интенсивности на светлом поле.

В последнее время ведутся исследования так называемых интерферометров отраженного света или отражательных интерферометров. Первые исследования, относящиеся к таким интерферометрам появились примерно сто лет назад, например (Ю.В. Троицкий, Многолучевые интерферометры отраженного света, 1985, изд. «Наука»). Однако, их применение и исследования в этой области сдерживались уровнем технологий того времени для создания материалов, требуемых для построения интерферометров. В таких устройствах интерференционная картина наблюдается в отраженном свете, что делает их незаменимыми, например, при исследовании поверхностей непрозрачных предметов. В этом случае, интерферометр работает на «отражение», называется «отражательным» и может иметь в общем случае разную форму интерференционной картины (как обращенную, так и необращенную, а также промежуточные между ними). Известно, что двухзеркальный интерферометр «на пропускание» может приобретать характеристики отражательного с необращенной формой полос в отражении в случае, когда его переднее зеркало будет имеет асимметрию коэффициентов отражения. Такое зеркало должно иметь очень низкий коэффициент отражения в сторону источника света и очень высокий - с обратной стороны. Заднее зеркало для такого интерферометра должно иметь максимально высокий коэффициент отражения.

Устройства микро-опто-электромеханики находятся на стыке трех областей техники: механики, электроники и оптики, например (Э.Г. Косцов. «Состояние и перспективы микро- и наноэлектромеханики» // Автометрия, 2009, Т. 45, №3, с. 3-52). Размеры микро-опто-электромеханических устройств могут быть миниатюрными (от 1 мм до нескольких или даже менее микрометра). При таких малых габаритах они имеют малую массу, что позволяет получать с их помощью перестраиваемые (перемещаемые, деформируемые и т.д.) элементы, работающие на частотах свыше 1 МГц.

Известно техническое решение, представленное в перестраиваемом резонаторе волоконного интерферометра Фабри-Перо, который выполнен на основе двух волоконных втулок и промежуточной стеклянной пластины (Патент US 9246312, "Dynamical fabry-perot tuneable filter device", МПК H01S 5/42, G01J 3/26, опубликован 18.12.2014). Стеклянная пластина толщиной 200 мкм находится между втулками и закреплена на пьезокерамическом преобразователе. На поверхность пластины нанесено диэлектрическое отражающее покрытие. Пластина и одна из волоконных втулок образуют резонатор Фабри-Перо. Перестройка длины резонатора осуществляется передвижением в пространстве пластины с помощью пьезокерамического актюатора. Прошедший через пластинку свет заводится в волокно второй втулки с помощью микролинзы (градиентной линзы). При этом, частота перестройки может достигать сотен килогерц. Данный вариант волоконного фильтра применяется в пропускании.

Недостатками известного технического решения являются повышенная виброчувствительность, а так же из-за использования полностью неволоконного воздушного промежутка в качестве базы резонатора и относительно массивных элементов, которые могут перестраиваться на большой спектральный диапазон (~100 нм) только в резонансном режиме, что не дает возможности делать быструю пошаговую перестройку фильтра.

Известно техническое решение, представленное в электрически перестраиваемой структуре Фабри-Перо (Патент US №6597490, "Electrically tunable fabry-perot structure utilizing a deformable multi-layer mirror and method of making the same", МПК G02B 26/00, G02B 26/08, H01S 3/08, опубликован 12.09.2002). В патенте представлено микро-опто-электромеханическое устройство фильтра Фабри-Перо, состоящее из двух зеркал, с воздушным промежутком между ними. Каждое зеркало выполнено на основе полупроводниковых структур. Геометрически зеркала скреплены в виде консоли. Расстояние между зеркалами изменяется с помощью электростатической силы. Каждое зеркало выполнено из многослойной структуры, в которой чередуются воздушный слой и слой GaAlAs.

Недостатки технического решения связаны с тем, что для изменения расстояния между зеркалами консоль должна несимметрично изогнуться, что приводит к оптической разъюстировке и дополнительным потерям света, т.е. к потере добротности резонатора. Кроме того, данная схема работает на пропускание, а для ее интегрирования в волоконную оптику необходимо предпринять дополнительные усилия.

Известно техническое решение, представленное перестраиваемом волоконном двухзеркальном отражательном интерферометре (Патент RU №2679474, "Перестраиваемый волоконный двухзеркальный отражательный интерферометр", МПК G01B 9/02, опубликован 11.02.2019 г.), выбранный в качестве прототипа. Схема перестраиваемого волоконного двухзеркального отражательного интерферометра собрана на основе двух волоконных цилиндрических втулок, расположенных торцами друг к другу и прикрепленных к внешнему корпусу, который является линейным актюатором на основе пьезокерамического преобразователя, при этом оси упомянутых волоконных втулок центрированы с помощью цилиндрической пружины, а между торцами втулок присутствует воздушный промежуток в несколько микрометров, при этом волоконные втулки содержат оптические волокна, одно из которых является входным и расположено в первой волоконной втулке, а его торец находится в плоскости торца первой волоконной втулки, другой отрезок оптического волокна, образующий базу резонатора интерферометра, расположен во второй волоконной втулке, при этом один торец данного отрезка расположен в плоскости торца второй волоконной втулки, а второй торец расположен внутри второй волоконной втулки и находится в стыке с торцом третьего выходного оптического волокна, также расположенного во второй волоконной втулке, при этом на торце входного волокна сформировано переднее асимметричное по коэффициентам отражения зеркало на основе поглощающей или рассеивающей структуры в сочетании с согласованным диэлектрическим многослойным покрытием, а на торец оптического волокна базы, примыкающего к торцу выходного волокна, нанесено заднее высокоотражающее зеркало на основе диэлектрического многослойного покрытия. Технология изготовления зеркал с требуемыми для отражательного интерферометра характеристиками подразумевает, чтобы в переднее зеркало интерферометра были внесены потери для бегущей волны света, тогда такое зеркало становится асимметричным по коэффициентам отражения.

Недостатки известного технического заключаются в повышенной виброчувствительности конструкции, так как сборка из втулок и центрирующей цилиндрической пружины находится в подвешенном состоянии, опираясь краями втулок на боковые фланцы, а внешние вибрации приводят к микроизгибам пружины, что влияет на интенсивность отражения отражательного интерферометра. Кроме этого, массивность элементов конструкции и трение не дают возможности иметь частоты перестройки фильтра >10 кГц, так как начинают оказывать существенное влияние собственные резонансы конструкции. Для преодоления силы трения требуются сравнительно мощные источники питания. Кроме этого, сила трения приводит к паразитному инерционному эффекту, связанному с ускорением спектральной перестройки интерферометра, что приводит к трудностям с обработкой сигнала (например, определению длины волны генерации лазера на основе интерферометра) в системах спектрального опроса.

Перед авторами ставилась задача разработать перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр для применения в волоконной оптике в качестве узкополосного быстроперестраиваемого по оптическому спектру отражательного фильтра со сниженной зависимостью от внешних вибрационных воздействий.

Поставленная задача решается тем, что в перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр, включающий в себя внешний жесткий кожух, первую волоконную цилиндрическую втулку, вторую волоконную цилиндрическую втулку, закрепленных во внешнем жестком кожухе, и расположенных торцами друг к другу с воздушным промежутком и имеющих совмещенные аксиальные оси с помощью цилиндрической пружины, при этом первая волоконная цилиндрическая втулка содержит в своем канале оптическое волокно, которое является как входным, так и выходным для оптического излучения, и на торце которого сформировано переднее зеркало оптического резонатора интерферометра, асимметричное по коэффициентам отражения, и образованное поглощающей либо рассеивающей оптическое излучение структурой с согласованным диэлектрическим многослойным покрытием дополнительно на торец второй волоконной цилиндрической втулки нанесена микро-опто-электромеханическая структура, которая выполнена в виде конденсатора, состоящего из неподвижного электрода, расположенного в канале второй волоконной цилиндрической втулки, воздушного промежутка и подвижной обкладки конденсатора, на которую со стороны первой волоконной цилиндрической втулки нанесено заднее зеркало оптического резонатора интерферометра, при этом с возможностью формирования между неподвижным электродом и подвижной обкладкой конденсатора электрического напряжения, а входное оптическое волокно выполнено состыкованным в канале первой волоконной цилиндрической втулки с отрезком оптического волокна, который с воздушным промежутком между первой волоконной цилиндрической втулкой и второй волоконной цилиндрической втулкой, передним зеркалом и задним зеркалом формирует оптический резонатор интерферометра с возможностью перестройки длины базы данного оптического резонатора, при этом микро-опто-электромеханическая структура выполнена содержащей диэлектрический слой, расположенный на неподвижном электроде, далее подвижный электрод выполнен содержащим гибкую диэлектрическую пленку с нанесенным на нее проводящим отражающим металлическим покрытием либо подвижный электрод выполнен содержащим металлический слой и нанесенное на него диэлектрическое многослойное покрытие, далее неподвижный электрод выполнен в виде непрерывной тонкой металлической пленки, нанесенной на поверхность оптического волокна, которое расположено в канале второй цилиндрической волоконной втулки, при этом оптическое волокно выполнено в виде одномодового оптического волокна либо оптическое волокно выполнено в виде одномодового оптического волокна с сохранением поляризации либо оптическое волокно выполнено в виде многомодового оптического волокна либо оптическое волокно выполнено в виде активного оптического волокна либо оптическое волокно выполнено с градиентным распределением показателя преломления в поперечном сечении либо оптическое волокно выполнено с увеличенным диаметром основной поперечной моды либо оптическое волокно выполнено в виде фотонно-кристаллического оптического волокна, при этом переднее зеркало выполнено содержащей в своей структуре тонкую металлическую пленку с согласованным переднее зеркало выполнено содержащей в своей структуре металлическую дифракционную структуру с согласованным диэлектрическим многослойным покрытием либо переднее зеркало выполнено содержащей в своей структуре фазовую диэлектрическую дифракционную структуру с согласованным диэлектрическим многослойным покрытием.

Технический эффект заявляемого устройства заключается в понижении виброчувствительности перестраиваемого волоконного отражательного интерферометра, уменьшении инерционных влияний конструкции интерферометра на равномерность спектральной перестройки, увеличении скорости спектральной перестройки, снижении энергопотребления для работы, а так же в расширении ассортимента средств данного назначения.

На Фиг. 1. представлена схема перестраиваемого волоконного отражательного интерферометра, где 1 - первая волоконная цилиндрическая втулка, 2 - вторая волоконная цилиндрическая втулка, 3 - оптическое волокно, 4 - оболочка оптического волокна, 5 - световедущая сердцевина, 6 - волокно базы интерферометра, 7 - переднее зеркало, 8 - неподвижный электрод, 9 - подвижная обкладка конденсатора, 10 - микро-опто-электромеханическая структура, 11 -изолированный от подвижного электрода провод, 12 - провод неподвижного электрода. 13 - цилиндрическая пружина, 14 - внешний жесткий кожух, 15 - склеивающий компаунд, 16 - падающее оптическое излучение, 17 - отраженное излучение, 18 - база интерферометра, 19 - поглощающая либо рассеивающая оптическое излучение структура, 20 - согласованное диэлектрическое многослойное покрытие. 21 - заднее зеркало.

На Фиг. 2. представлена микро-опто-электромеханическая структура выполненная содержащей диэлектрический слой, расположенный на неподвижном электроде, где 8 - неподвижный электрод, 9 - подвижная обкладка конденсатора, 21 - заднее зеркало, 22 - диэлектрический слой, L - длина подвижной обкладки конденсатора, h - толщина подвижной обкладки конденсатора, w - ширина подвижной обкладки конденсатора (перпендикулярно плоскости рисунка), d₁ -толщина воздушного промежутка, d₂ - толщина диэлектрического слоя 22.

На Фиг. 3. Представлена экспериментальная установка по измерению перестройки оптического резонатора интерферометра на основе микро-опто-электромеханической структуры.

На Фиг. 4. Представлены (а) график временной зависимости напряжения на первом канале осциллографа, (б) график временной зависимости напряжения на втором канале осциллографа, где вертикальная штриховая линия показывает плоскость симметрии оптического сигнала U₂ относительно модуля U₁.

Заявляемый перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр, представленный на Фиг. 1, работает следующим образом. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр выполнен на основе первой волоконной цилиндрической втулки 1 и второй волоконной цилиндрической втулки 2, обращенных своими торцами друг к другу, которые могут быть как керамическими, например, из оксида циркония (ZrO₂), так и стеклянными. Диаметр внутреннего канала первой волоконной цилиндрической втулки 1 и второй волоконной цилиндрической втулки 2 должен соответствовать диаметру используемых оптических волокон. В первой волоконной цилиндрической втулке 1 размещается оптическое волокно 3. На торец оптического волокна 3, расположенный внутри канала первой волоконной цилиндрической втулки 1, нанесено переднее асимметричное по коэффициентам отражения переднее зеркало 7. К переднему зеркалу 7 вплотную примыкает торец волокна 6 базы интерферометра, другой торец которого находится в плоскости торца первой волоконной цилиндрической втулки 1. Длина отрезка волокна 6 базы интерферометра меньше длины первой волоконной цилиндрической втулки 1. Во второй волоконной цилиндрической втулке 2 располагается неподвижный (тянущий) электрод 8, который представляет собой металлический проводник. Торцы первой волоконной цилиндрической втулки 1 и второй волоконной цилиндрической втулки 2 отполированы. На торец второй волоконной цилиндрической втулки 2 и неподвижный электрод 8 нанесена микро-опто-механическая структура 10 (обведена штриховой линией на Фиг. 1). Также может быть нанесен диэлектрический слой 22 (например кремний SiO₂, см. Фиг. 2) толщиной около 1 мкм. На второй волоконной цилиндрической втулке 2 или диэлектрическом слое с ненанесенной микро-опто-электромеханическая структурой формируется металлический (металло-диэлектрический) конденсатор содержащий подвижную обкладку конденсатора 9, например, в виде балки, консоли и т.п. методом удаления жертвенного слоя (например, алюминия в 10% водном растворе едкой щелочи), неподвижный электрод 8, расположенный в канале второй волоконной цилиндрической втулки 2 и воздушного промежутка. Между подвижной обкладкой конденсатора 9 и неподвижным электродом 8 (или диэлектрическим слоем 22) образуется воздушный промежуток до нескольких микрон (Фиг. 2). Подвижная обкладка конденсатора 9 и неподвижный электрод 8 гальванически развязаны. Диэлектрический слой 22 предохраняет от короткого замыкания конденсатор с подвижной обкладкой конденсатора 9 и неподвижный электрод 8. Изолированный от неподвижного электрода провод 11, соединенный с подвижной обкладкой конденсатора 9 конденсатора, и провод 12 неподвижного электрода 8 выведены наружу интерферометра. При подаче электрического напряжения на подвижную обкладку конденсатора 9 и неподвижный электрод 8, начинает действовать электростатическая сила F, стремящаяся сблизить их:

где ε₀ - диэлектрическая постоянная, ε₁ - диэлектрическая проницаемость воздуха, d₁ - толщина воздушного промежутка между подвижной обкладкой конденсатора 9 и диэлектрическим слоем 22, индекс «2» относится к соответствующим величинам для диэлектрического слоя 22, S - площадь контактной области балки (электрода), U - разница потенциалов между обкладкой конденсатора 9 и неподвижным электродом 8.

Формулу для прогиба у подвижной обкладки конденсатора 9 можно получить из уравнения колебаний:

где (для подвижной обкладки конденсатора 9 в виде балки у которой w - ширина, h - толщина, L - длина балки), t - время, у=y(t) - положение центра балки от времени (Фиг. 2), М - масса балки, R - коэффициент сопротивления (воздуха), G - жесткость подвижной обкладки конденсатора 9, Е - модуль Юнга вещества подвижной обкладки конденсатора 9. В стационарном случае, когда на балку приложено постоянное во времени напряжение уравнение (2) переходит в:

Выражая из (3) зависимость напряжения от у:

Находя максимум подкоренной функции:

в которой можно определить напряжение срыва, т.е. такое максимальное напряжение U_max, при котором силы, противостоящие прогибу балки, не могут уже справиться с нарастающей электростатической силой и балка падает на диэлектрический слой 22:

Деформация балки должна быть больше половины длины волны света λ, чтобы интерферометр перестраивался на одну область свободной дисперсии у_max>λ/2. Отсюда следует ограничение на d₁. Однако, при росте d₁, растет и при этом ограничение на максимальное напряжение желательно иметь U_max<300 В, чтобы не возникало условий для возникновения тлеющего разряда между балкой и неподвижным электродом 8, который может привести к деградации всей микро-опто-электромеханической структуры 10. По формуле (5) и указанным ограничениям можно определить допустимый диапазон изменений d₁, минимально необходимый для работы интерферометра:

Воздушный промежуток между торцом первой волоконной цилиндрической втулки 1 и подвижной обкладкой 9 конденсатора, а также волокно базы 6 интерферометра определяют область свободной дисперсии интерферометра (Фиг. 1). Оптическое волокно 3 выходит из первой волоконной цилиндрической втулки 1 наружу и может иметь произвольную длину. Оптическое волокно 3, волокно базы интерферометра 6 могут заклеиваться в канале первой волоконной цилиндрической втулки 1 с помощью эпоксидного клея. Оси первой волоконной цилиндрической втулки 1 второй волоконной цилиндрической втулки 2 волокно базы интерферометра 6 и подвижной обкладкой конденсатора 9 совмещаются с помощью цилиндрической пружины 13 выполненной из керамики. Оси оптического волокна 3 и волокна базы интерферометра 6 совмещаются в канале первой волоконной цилиндрической втулки 1. Как правило, диаметр оптического волокна 3 отличается от диаметра отверстия первой волоконной цилиндрической втулки 1 на величину менее 1 мкм, таким образом, точность совмещения осей менее 1 мкм. Размер воздушного промежутка между торцом волокна базы интерферометра 6 и подвижной обкладкой конденсатора 9 составляет несколько микрометров (2-4 длины волны света). Такая небольшая величина промежутка необходима, чтобы свет, распространяющийся по базе интерферометра и, проходя воздушный отрезок, имел пренебрежимо малые потери на рассеяние. Также воздушный промежуток необходим для перемещения (прогиба) подвижной обкладки конденсатора 9. Первая волоконная цилиндрическая втулка 1 и вторая волоконная цилиндрическая втулка 2, помимо цилиндрической пружины 13 закреплены во внешнем жестком корпусе 14 с помощью цементирующего, клеящего отверждаемого раствора, например склеивающего компаунда 15, заполняющего полости внутри внешнего жесткого кожуха 14. Внешний жесткий кожух 14 может быть выполнен из жесткого материала (например металла, керамики), который может максимально стабильно фиксировать длину базы интерферометра 18 при воздействии внешних акустических или иных механических воздействий на интерферометр. Также, механические шумы имеют частоты, не превосходящие двух десятков килогерц, что будет оказывать пренебрежимо малое воздействие на интерферометр, работающий на частотах около 100 кГц. В отличие от прототипа, внешний жесткий кожух 14 не деформируется. Механическое трение в такой системе практически отсутствует (присутствует небольшое трение или сопротивление воздуха перемещению пленки). Это означает, что для работы заявляемого перестраиваемого волоконного отражательного интерферометра будет требоваться ничтожная мощность, несравнимая с необходимой для работы устройства из патента-прототипа. Переднее зеркало 7 имеет асимметрию коэффициентов отражения и изготовлено на основе поглощающей или рассеивающей структуры 19 в сочетании с согласованным диэлектрическим многослойным покрытием 20.

Заднее зеркало 21 интерферометра находится (формируется) на внешней стороне подвижной обкладки 9 конденсатора, обращенной в оптический резонатор. Заднее зеркало 21 должно быть высокоотражающим, с коэффициентом отражения более 99%, например, состоящее из большого количества чередующихся пар диэлектрических покрытий с большой разницей коэффициентов преломления (TiO₂, SiO₂). При этом, подвижная обкладка 9 конденсатора, выполненная, например, виде металлической балки уже сама по себе может являться таким зеркалом, если коэффициент отражения будет достаточно высоким (медь >97% на длине волны 1550 нм), также слой серебра толщиной 100 нм имеет высокий коэффициент отражения на длине волны 1550 нм. Наносимые слои могут существенно повлиять на жесткость балки, повышая ее, что может привести к невозможности необходимого прогиба балки (λ/2, где λ - длина волны работы интерферометра). Жесткость балки G можно регулировать, изменяя ее размеры в соответствии с формулой (2).

Оптический резонатор интерферометра формируется на основе переднего зеркала 7, отрезком оптического волокна 6 базы интерферометра, воздушным промежутком между первой 1 волоконной цилиндрической втулкой и второй 2 волоконной цилиндрической втулкой и задним зеркалом 21 с возможностью перестройки длины базы данного оптического резонатора.

Оптическое волокно 3 и волокно базы интерферометра 6 могут быть одномодовыми (поддерживающими распространение только одной поперечной собственной моды волокна), многомодовыми (поддерживающими распространение более одной поперечной собственной моды), с сохранением поляризации (типа Panda, Bow-tie, в которых специальные стеклянные стержни, проложенные параллельно сердцевине волокна, создают механическое напряжение, которое приводит к двулучепреломлению), активными оптическими волокнами (легированные, содержащие в своей структуре примеси редкоземельных металлов эрбия (Er), иттербия (Yb), тулия (Tm), гольмия (Но), ниодима (Nd), висмута (Bi) и других), градиентными оптическими волокнами (с градиентным распределением коэффициента преломления в поперечном сечении оптического волокна), оптическими волокнами с большим диаметром моды (одномодовые оптические волокна, у которых специальным образом подобрано распределение показателя преломления в поперечном сечении, что приводит к увеличению диаметра основной поперечной моды), фотонно-кристаллические волокна (микроструктурированное оптическое волокно, дырчатый волновод - класс оптических волокон, оболочка которых имеет структуру двумерного фотонного кристалла и зачастую содержит воздушные полости).

Технический эффект заявляемого устройства достигается за счет малой массы и определенно выбранной жесткости подвижной обкладки 9 конденсатора, что приводит к очень высоким собственным частотам колебаний, это снижает виброчувствительность, инерционные эффекты спектральной перестройки, энергопотребление и увеличивает скорость спектральной перестройки интерферометра.

Возможность создания волоконного асимметричного переднего зеркала 7 на основе структуры 19 в виде тонкой металлической пленки и согласованного диэлектрического многослойного покрытия 20, а также создание волоконного отражательного интерферометра была продемонстрирована в работе V.S. Terentyev, V.A. Simonov, and S.A. Babin, "Multiple-beam reflection interferometer formed in a single-mode fiber for applications in fiber lasers" // Optic Express, 2016, V. 24, No. 5, p. 4512-4518); элемента 19 в виде фазовой дифракционной структуры (B.C. Терентьев, В.А. Симонов. «Многолучевой волоконный отражательный интерферометр на основе полностью диэлектрической дифракционной структуры» // Квантовая электроника, 2017, т. 47, №10, с. 971-976); элемента 19 в виде металло-дифракционной структуры (B.C. Терентьев, В.А. Симонов, И.А. Лобач, С.А. Бабин, "Метод изготовления волоконного отражательного интерферометра на основе металлодиэлектрической дифракционной структуры", Квант, электроника, 2019, 49 (4), 399-403).

На Фиг. 3 приводится экспериментальная установка для демонстрации работы микро-опто-электромеханической структуры, с помощью которой осуществляется перестройка длины оптического резонатора интерферометра. Она состоит из звукового генератора Г3-53 (3 В), сигнал с которого подается на усиливающий трансформатор ТТП-3 (5 В - 220 В) на его вторичную обмотку, далее напряжение снимается с первичной обмотки, усиливается в 220/5 раз и подается на прототип перестраиваемого резонатора. Для измерения подаваемого напряжения используется двухканальный цифровой осциллограф типа Tektronix TDS 3032 В (первый канал). Оптической сигнал с устройства измеряется на втором канале осциллографа. Для подачи оптического сигнала на устройство используется одночастотный лазерный диод с длиной волны генерации 1530 нм и волоконный циркулятор. Отраженный от интерферометра свет, проходя через циркулятор, попадает на фотодетектор с усилителем. Сигнал с усилителя подается на второй канал осциллографа и отображается на экране.

На Фиг. 4 приведены сигналы с осциллографа. На верхнем графике: U₁ - первый канал от времени; на нижнем: U₂ - второй канал от времени. Как видно из Фиг. 5 (верхний график) на пленку подается напряжение |U₁|=250 В, что достаточно, чтобы переместить пленку и изменить интенсивность отражения от интерферометра. Перестройка базы нелинейная от времени, так как сила, действующая на пленку зависит от напряжения по формулам (2, 3). Сигнал симметричен относительно вертикальной штриховой линии, так как модуль напряжения U₁ одинаков.

Эксперименты показали работоспособность конструкции перестраиваемого волоконного отражательного интерферометра на основе микро-опто-электромеханической структуры.

Изобретение относится к волоконной оптике. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр включает в себя внешний жесткий кожух, первую волоконную цилиндрическую втулку, вторую волоконную цилиндрическую втулку, закрепленные во внешнем жестком кожухе. Цилиндрические втулки расположены торцами друг к другу с воздушным промежутком и имеют совмещенные аксиальные оси с помощью цилиндрической пружины. Первая волоконная цилиндрическая втулка содержит в своем канале оптическое волокно, которое является как входным, так и выходным для оптического излучения. На торце этого волокна сформировано переднее зеркало оптического резонатора интерферометра, асимметричное по коэффициентам отражения. На торец второй волоконной цилиндрической втулки нанесена микро-опто-электромеханическая структура, выполненная в виде конденсатора. Конденсатор состоит из неподвижного электрода, расположенного в канале второй волоконной цилиндрической втулки, воздушного промежутка и подвижной обкладки конденсатора. На подвижную обкладку со стороны первой волоконной цилиндрической втулки нанесено заднее зеркало оптического резонатора интерферометра. При том возможно формирование между неподвижным электродом и подвижной обкладкой конденсатора электрического напряжения. Входное оптическое волокно состыковано в канале первой волоконной цилиндрической втулки с отрезком оптического волокна, который с воздушным промежутком между первой и второй волоконными цилиндрическими втулками, передним и задним зеркалами формирует оптический резонатор интерферометра с возможностью перестройки длины базы данного оптического резонатора. Технический результат заключается в понижении виброчувствительности интерферометра, уменьшении инерционных влияний конструкции на равномерность спектральной перестройки, увеличении скорости перестройки. 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр, включающий в себя внешний жесткий кожух, первую волоконную цилиндрическую втулку, вторую волоконную цилиндрическую втулку, закрепленные во внешнем жестком кожухе, и расположенные торцами друг к другу с воздушным промежутком, и имеющие совмещенные аксиальные оси с помощью цилиндрической пружины, при этом первая волоконная цилиндрическая втулка содержит в своем канале оптическое волокно, которое является как входным, так и выходным для оптического излучения, и на торце которого сформировано переднее зеркало оптического резонатора интерферометра, асимметричное по коэффициентам отражения, и образованное поглощающей либо рассеивающей оптическое излучение структурой с согласованным диэлектрическим многослойным покрытием, отличающийся тем, что дополнительно на торец второй волоконной цилиндрической втулки нанесена микро-опто-электромеханическая структура, которая выполнена в виде конденсатора, состоящего из неподвижного электрода, расположенного в канале второй волоконной цилиндрической втулки, воздушного промежутка и подвижной обкладки конденсатора, на которую со стороны первой волоконной цилиндрической втулки нанесено заднее зеркало оптического резонатора интерферометра, при этом с возможностью формирования между неподвижным электродом и подвижной обкладкой конденсатора электрического напряжения, а входное оптическое волокно выполнено состыкованным в канале первой волоконной цилиндрической втулки с отрезком оптического волокна, который с воздушным промежутком между первой волоконной цилиндрической втулкой и второй волоконной цилиндрической втулкой, передним зеркалом и задним зеркалом формирует оптический резонатор интерферометра с возможностью перестройки длины базы данного оптического резонатора.

2. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что микро-опто-электромеханическая структура выполнена содержащей диэлектрический слой, расположенный на неподвижном электроде.

3. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что подвижный электрод выполнен содержащим гибкую диэлектрическую пленку с нанесенным на нее проводящим отражающим металлическим покрытием.

4. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что подвижный электрод выполнен содержащим металлический слой и нанесенное на него диэлектрическое многослойное покрытие.

5. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что неподвижный электрод выполнен в виде непрерывной тонкой металлической пленки, нанесенной на поверхность оптического волокна, которое расположено в канале второй цилиндрической волоконной втулки.

6. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно выполнено в виде одномодового оптического волокна.

7. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно выполнено в виде одномодового оптического волокна с сохранением поляризации.

8. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно выполнено в виде многомодового оптического волокна.

9. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно выполнено в виде активного оптического волокна.

10. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно выполнено с градиентным распределением показателя преломления в поперечном сечении.

11. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно выполнено с увеличенным диаметром основной поперечной моды.

12. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что оптическое волокно выполнено в виде фотонно-кристаллического оптического волокна.

13. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что переднее зеркало выполнено содержащим в своей структуре тонкую металлическую пленку с согласованным диэлектрическим многослойным покрытием.

14. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что переднее зеркало выполнено содержащим в своей структуре металлическую дифракционную структуру с согласованным диэлектрическим многослойным покрытием.

15. Перестраиваемый волоконный отражательный интерферометр по п. 1, отличающийся тем, что переднее зеркало выполнено содержащим в своей структуре фазовую диэлектрическую дифракционную структуру с согласованным диэлектрическим многослойным покрытием.