Эрбиевый суперлюминесцентный волоконный источник с повышенной радиационной стойкостью Российский патент 2024 года по МПК G01C19/72 

Изобретение относится к области волоконно-оптических источников излучения и может быть использовано для создания волоконно-оптических датчиков физических величин, в том числе волоконно-оптических гироскопов, предназначенных для использования в космосе, на объектах атомной промышленности и в других условиях, где существуют повышенные требования к радиационной стойкости.

Известно устройство суперлюминесцентного волоконного источника (СВИ), описанного в патентном документе (RU 2781369 С1; НО 1S 3/067 (2006.01), H 01 S 3/067 (2022.08)), включающего в себя несколько лазерных диодов накачки, несколько отрезков эрбиевого оптического волокна, а также многокомпонентную систему обратной связи, направленную на стабилизацию и управление параметрами выходного оптического излучения СВИ независимо для нескольких оптических выходов в диапазоне рабочих температур. Недостатком известного устройства является сложная оптическая схема с большим числом входящих компонентов, что снижает надежность устройства в целом, а также недостатком является повышенное энергопотребление из-за использования нескольких диодов накачки, что не соответствует требованию минимизации энергопотребления в космических аппаратах. В патенте нет данных о радиационной стойкости СВИ.

В патентном документе (RU 2743815 С1; GO 1 С 19/72 (2006.01), GO 1 С 19/721 (2020.08)) частью кольцевого интерферометра является СВИ со встречной накачкой лазерным диодом на 980 или 1480 нм, спектрально-селективным ответвителем (ССО), отрезком эрбиевого оптического волокна с дополнительными легирующими добавками окиси алюминия, фосфора и церия в разных процентных соотношениях, отражателем на рабочую длину волны 1550 нм и оптическим изолятором на 1550 нм на выходе СВИ. Применение фосфора как легирующей добавки в эрбиевом оптическом волокне приводит к уменьшению ширины спектра люминесценции, что негативно сказывается на точностных характеристиках волоконно-оптического гироскопа [1]. СВИ имеет оптическую схему, направленную на создание выходного оптического излучения в области 1550 нм за счет отражателя. К недостаткам данного устройства можно отнести снижение радиационной стойкости, так как рабочий диапазон длин волн выходного оптического излучения 1550-1560 нм является чувствительным к воздействию радиации.

Известен СВИ с попутной накачкой с использованием чирпированной волоконной брэгговской решеткой (ЧВБР) для повышения стабильности выходного оптического излучения в широком диапазоне температур [2]. ЧВБР предлагается использовать для формирования и уширения гауссообразного спектра в области 1530 нм. Однако предложенная схема СВИ не имеет дополнительной защиты от обратных отражений, что повышает вероятность перехода процесса усиления спонтанной эмиссии в процесс лазерной генерации. Данные о радиационной стойкости СВИ отсутствуют.

В патентном документе (CN 108183386 А) описывается несколько вариантов СВИ с попутной накачкой с использованием ЧВБР, однако предлагаемые схемы направлены на создание плоского спектра в области 1520-1570 нм, что не применимо в волоконно-оптических гироскопах, где требуется гауссообразный спектр. Кроме того, отсутствуют данные по радиационной стойкости устройства.

В работе [3] раскрыт СВИ, в котором для повышения радиационной стойкости используется эрбиевое оптическое волокно, легированное ионами церия. Оптическая схема включает в себя два отдельных компонента для отражения оптического излучения и фильтрации. Данное техническое решение не является оптимальным, а также увеличивает габариты устройства и снижает уровень надежности. Не предложено способа уширения спектра выходного излучения. Приведены данные по радиационной стойкости макета СВИ с драйвером лазерного диода, дополнительно защищенным свинцовыми блоками от воздействия радиации. При постоянной мощности накачки лазерным диодом радиационно-наведенные потери (РНП) макета СВИ достигают 1,65 дБ при 500 Гр. При дозе 1000 Гр СВИ с включенной обратной связью по оптической мощности имеет РНП 0,102 дБ и смещение средневзвешенной длины волны 0,052 нм. Это не подходит для применения в космических аппаратах, где существует требование обеспечения радиационной стойкости без увеличения энергопотребления лазерного диода накачки.

Наиболее близким к предлагаемому устройству и принятым за прототип является СВИ со встречной накачкой, описанный в патентном документе (CN 102386553 A) и работе [4]. Лазерный диод через первый ССО накачивает эрбиевое оптическое волокно, следом за отрезком волокна стоит второй ССО, который отделяет одну часть оптического излучения на светоотражающее зеркало, а другую часть - на систему обратной связи, включающую фотоэлектрический преобразователь и микропроцессор для регулирования излучения накачки на 980 нм. Отраженное оптическое излучение выходит через первый ССО, проходит через спектральный фильтр и после оптического изолятора идет на выход. Для формирования оптического излучения гауссовой формы в области 1530 нм используются два отдельных компонента для отражения и для фильтрации, что увеличивает габариты устройства и снижает уровень надежности. Приводятся данные о том, что достигнут спектр выходного оптического излучения шириной 7 нм на полувысоте, однако не содержится конструктивных решений для уширения спектра выходного оптического излучения. Помимо этого, в патенте нет данных о том, какого типа эрбиевое волокно используется, что не позволяет сделать вывод о его радиационной стойкости. Основным недостатками данного устройства является использование системы обратной связи, основанной на фотоэлектрических и электронных компонентах, что ограничивает радиационную стойкость устройства уровнем стойкости входящих в него электронных компонентов. Использование схемы с обратной связью также увеличивает энергопотребление устройства, что не соответствует требованию минимизации энергопотребления в космических аппаратах.

Техническая задача заключается в создании СВИ с повышенной радиационной стойкостью, минимальным энергопотреблением и минимальным числом компонентов, применимый для волоконно-оптических датчиков, включая волоконно-оптические гироскопы.

Технический результат - это СВИ с конструктивными решениями, обеспечивающими повышенную радиационную стойкость, надежность и низкое энергопотребление: РНП не более 1 дБ при поглощенной дозе 1000 Гр с мощностью дозы 0,001 Гр/с при температуре 25°С без применения обратной связи и температурной стабилизации, защиту от спонтанного перехода в процесс лазерной генерации, а также выходное оптическое излучение гауссовой формы в области 1530 нм с шириной спектра на полувысоте не менее 7,5 нм, номинальное энергопотребление не более 2 Вт.

Для достижения технического результата предлагается использовать эрбиевое оптическое волокно, оптимизированное к условиям воздействия радиации за счет дополнительного легирования ионами элементов переменной валентности, такими как церий, лантан, помимо введения ионов алюминия, германия, фосфора для повышения растворимости эрбия в кварцевом стекле. Выбрана рабочая спектральная область 1530 нм, наименее чувствительная к воздействию радиации, которая обеспечивается двухпроходной схемой со встречной накачкой, где ЧВБР используется в качестве отражателя и одновременно спектрального фильтра для плавного отсечения длинноволновой области, а также для внесения дисперсии путем введения дифференциальной групповой задержки, зависящей от длины волны с целью уширения спектра выходного излучения. Для повышения надежности и защиты схемы от спонтанного перехода в режим лазерной генерации предлагается изолировать активную часть с помощью ССО со стороны диода накачки, оптической заглушки, располагающейся после ЧВБР, и оптического изолятора на выходе из схемы после ССО.

Изобретение проиллюстрировано на фиг. 1.

1 - Лазерный диод накачки 980 нм или 1480 нм;

2 - Спектрально-селективный ответвитель 980/1550 нм или 1480/1550 нм;

3 - Эрбиевое оптическое волокно;

4 - Чирпированная волоконная брэгговская решетка;

5 - Оптическая заглушка;

6 - Оптический изолятор;

7 - Выход из оптической схемы.

Отличительными конструктивными решениями предлагаемого СВИ от прототипа являются:

1) использование эрбиевого оптического волокна на основе кварцевого стекла, оптимизированного к условиям воздействия радиации за счет дополнительного легирования ионами элементов переменной валентности, такими как церий, лантан, помимо введения оксидов алюминия, германия, фосфора, для повышения растворимости эрбия в кварцевом стекле;

2) формирование уширенного спектра выходного оптического излучения гауссовой формы на 1530 нм за счет процесса отражения усиленного спонтанного излучения и одновременно сглаживания длинноволновой области за счет фильтрации и внесения дисперсии;

3) снижение числа входящих компонентов в СВИ для повышения надежности устройства за счет использования ЧВБР для совмещения функций отражателя, спектрального фильтра и элемента, вносящего дисперсию;

4) повышение надежности и защиты схемы от спонтанного перехода в режим лазерной генерации за счет изолирования активной части с помощью ССО со стороны диода накачки, оптической заглушки после ЧВБР и оптического изолятора на выходе из схемы после ССО. Использование оптической заглушки предотвращает появление обратных отражений от торца оптического волокна, негативно влияющих на стабильность выходного оптического излучения. Роль оптической заглушки выполняет отрезок бессердцевинного волокна или окончание волокна, сформированное при спекании в виде капли.

Радиационная стойкость и температурная стабильность предлагаемого СВИ существенно улучшены за счет применения обратной связи по оптической мощности и/или длине волны в тех случаях, где отсутствует ограничение по энергопотреблению и приняты меры по обеспечению радиационной стойкости электронных компонентов.

Выходное оптическое излучение предлагаемого СВИ разделено на несколько каналов для одновременного ввода излучения в несколько чувствительных элементов волоконно-оптического датчика с помощью любой схемы деления.

Выполнение технической задачи обеспечено за счет предлагаемой конструкции СВИ. При испытаниях опытного образца получены следующие данные: гауссообразный спектр в области 1530 нм с шириной не менее 7,5 нм на полувысоте, РНП 1 дБ и смещение средневзвешенной длины волны 0,2 нм при отсутствии температурной стабилизации схемы и обратной связи при поглощенной дозе 1 ООО Гр и мощности дозы 0,001 Гр/с при температуре 25°С [5], номинальное энергопотребление 1,53 Вт. Полученные характеристики позволяют сделать вывод о достижении поставленной технической задачи.

Список литературы

1. Lefevre Н.С. The Fiber-Optic Gyroscope. London: Artech House, 1993.

2. P. Ou, B. Cao, C.X. Zhang, Y. Li, Y.H. Yang Er-doped Superfluorescent fiber source with enhance mean-wavelength stability using chirped fiber grating // ELECTRONICS LETTERS 31st January 2008, vol. 44 No. 3.

3. Chengxiang Liu, Xu Wu, Jianhui Zhu, Nie He, Zhuoyan Li, Gongshen Zhang, Li Zhang and Shuangchen Ruan Radiation-Resistant Er3+-Doped Superfluorescent Fiber Sources // Sensors 2018, 18, 2236.

4. Yuanhong Yang, Xinxin Suo, Minwei Yang, Xiaowei Shi, Wei Jin Radiation-resistance Technology for Broadband Fiber-optic Source // Proc. of SPIE vol. 7753, 775364 (2011).

5. Шевцова А.Д., Ширинкин В.Д., Степанова В.Д., Азанова И.С., Шаронова Ю.О., Кель О.Л. Суперлюминесцентный волоконный источник, оптимизированный для применений в условиях повышенного радиационного фона // Спецвыпуск «Фотон-экспресс-наука-2023», №6, 2023, с. 331-332.

Изобретение относится к области волоконно-оптических источников излучения и касается суперлюминесцентного волоконного источника оптического излучения. Суперлюминесцентный волоконный источник оптического излучения включает в себя лазерный диод накачки, спектрально-селективный ответвитель, эрбиевое оптическое волокно на основе кварцевого стекла, чирпированную волоконную брэгговскую решетку, оптический изолятор и оптическую заглушку, расположенную после брэгговской решетки и оптического изолятора на выходе из схемы. Эрбиевое волокно легировано оксидами алюминия, германия и/или фосфора, а также церием и/или лантаном. Брэгговская решетка совмещает функции отражателя, спектрального фильтра и элемента, вносящего дисперсию, и оптимизирована для генерации выходного оптического излучения в области 1530 нм с уширенным спектром и сглаживанием излучения в длинноволновой области. Технический результат заключается в обеспечении повышенной радиационной стойкости и защиты от спонтанного перехода в процесс лазерной генерации, уменьшении энергопотребления и упрощении конструкции. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Суперлюминесцентный волоконный источник оптического излучения, устойчивый к воздействию радиации, включающий в себя лазерный диод накачки, спектрально-селективный ответвитель, эрбиевое оптическое волокно на основе кварцевого стекла, чирпированную волоконную брэгговскую решетку, оптический изолятор, отличающийся тем, что

- эрбиевое волокно на основе кварцевого стекла легировано, помимо оксидов алюминия, германия и/или фосфора для повышения растворимости эрбия в кварцевом стекле, ионами элементов переменной валентности: церием и/или лантаном;

- чирпированная волоконная брэгговская решетка совмещает функции отражателя, спектрального фильтра и элемента, вносящего дисперсию, и оптимизирована для генерации выходного оптического излучения в области 1530 нм с уширенным спектром и сглаживанием излучения в длинноволновой области;

- суперлюминесцентный волоконный источник дополнительно содержит оптическую заглушку, расположенную после чирпированной волоконной брэгговской решетки и оптического изолятора на выходе из схемы, которая совместно со спектрально-селективным ответвителем, расположенным со стороны лазерного диода накачки, изолирует активную часть суперлюминесцентного волоконного источника и препятствует его спонтанному переходу в режим лазерной генерации.

2. Суперлюминесцентный волоконный источник по п. 1, отличающийся тем, что чирпированная волоконная брэгговская решетка сформирована непосредственно на эрбиевом оптическом волокне.

3. Суперлюминесцентный волоконный источник по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит схему деления оптического излучения, расположенную после оптического изолятора.

4. Суперлюминесцентный волоконный источник по п. 1, отличающийся тем, что имеет обратную связь по длине волны и/или оптической мощности для стабилизации выходного оптического излучения под воздействием радиации и/или температуры.