волоконно-оптический автогенератор
Классы МПК: | G01H1/06 частот G01K11/32 с использованием изменений в передаче, рассеивании или флюоресценции в оптических волокнах G01L11/02 оптическими средствами |
Автор(ы): | Артемов Ю.А., Бурков В.Д., Гориш А.В., Дехтяр А.В., Кузнецова В.И., Малков Я.В., Потапов В.Т., Трегуб Д.П. |
Патентообладатель(и): | Московский государственный университет леса |
Приоритеты: |
подача заявки:
1996-06-21 публикация патента:
27.07.1998 |
Волоконно-оптический автогенератор может быть использован для измерения различных физических величин (температуры, давления, ускорения и др.). Один торец одномодового световода 3 волоконно-оптического лазера 4 образует с отражающей поверхностью микрорезонатора 1 интерферометр Фабри-Перо 5. Другой торец одномодового световода 3 волоконно-оптического лазера является выходным. Волоконно-оптический лазер связан с микрорезонатором положительной оптической связью через интерферометр Фабри-Перо. Кодирование выходного сигнала в частной форме позволяет повысить отношение сигнал-шум, чувствительность, расширить динамический диапазон, увеличить коэффициент преобразования при использовании автогенератора в преобразователях физических величин. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
Волоконно-оптический автогенератор, содержащий лазерный источник излучения, микрорезонатор, выполненный с отражающей поверхностью, и интерферометр Фабри-Перо, включающий полупрозрачное зеркало и отражающую поверхность микрорезонатора, отличающийся тем, что лазерный источник излучения выполнен в виде волоконно-оптического лазера, на одном торце световода, являющемся входным, установлено полупрозрачное зеркало, а другой торец световода является выходным, при этом волоконно-оптический лазер связан с микрорезонатором положительной оптической обратной связью через интерферометр Фабри-Перо.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора и может быть использовано в системах измерения различных физических величин (температуры, давления, ускорения 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 частная компонента промодулированного на интенсивности оптического сигнала, которая соответствует собственной резонансной частоте микрорезонатора, возбуждает в микрорезонаторе поперечные акустическое колебания, которые легко детектируются оптическим интерферометром. При этом в качестве интерферометра используется резонатор Фабри-Перо, образованный отражающей поверхностью микрорезонатора, совершающий поперечные акустические колебания, и полупрозрачным отражателем в виде полупрозрачного зеркала или торцевой грани световода, сопряженного вторым торцом с источником излучения (Sensors and Actuators A 21-A-23, 1990 г., p 369-372, Electronics Lett 1988, N 24, N 13, p. 777-778). Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технологической сущности и достигаемому результату является волоконно-оптический автогенератор с оптическим методом возбуждения колебаний микрорезонатора и интерферометрическим методом съема информации, опубликованный в "Electronics Lett, 31 st August, 1989, vol 25, N 18, p. 1235-1236", взятый в качестве наиболее близкого аналога. Конструктивно автогенератор представляет собой устройство, содержащее кремниевый микрорезонатор и интерферометр Фабри-Перо, образованный полупрозрачным зеркалом и отражающей поверхностью микрорезонатора, совершающей акустические поперечные колебания. Кроме того, устройство содержит оптический источник излучения (лазерный диод) на длине волны![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116081/955.gif)
- 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 микрорезонатор;
- 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 микрорезонатора в силу ограниченных возможностей 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 волоконно-оптического автогенератора на основе волоконно-оптического лазера и микрорезонатора. При этом один торец одномодового световода волоконно-оптического лазера образует с отражающей поверхностью микрорезонатора интерферометр Фабри-Перо, а другой торец одномодового световода волоконно-оптического лазера является выходным. В результате возникновения в системе волоконно-оптический лазер-микрорезонатор автоколебаний на резонансной частоте микрорезонатора отпадает необходимость введения интерферометрической обратной связи по стабилизации положения рабочей точки интерферометра. Кодирование выходного сигнала в частотной форме позволяет повысить отношение сигнал-шум, чувствительность, расширить динамический диапазон, увеличить коэффициент преобразования при использовании автогенератора в преобразователях физических величин. Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом автогенераторе, содержащем источник оптического излучения, полупрозрачное зеркало, микрорезонатор, отражающая поверхность которого является составляющей интерферометра Фабри-Перо, в качестве источника оптического излучения используют волоконно-оптический лазер, один торец световода которого сопряжен с отражающей поверхностью микрорезонатора и образует с ней интерферометр Фабри-Перо, а второй торец световода является выходным, при этом волоконно-оптический лазер связан с микрорезонатором положительной оптической обратной связью через интерферометр Фабри-Перо. Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке волоконно-оптического автогенератора, в котором для возбуждения автоколебаний и съема информации используется волоконно-оптический лазер, выходной оптический сигнал которого модулируется резонансный частотой микрорезонатора, связанного с волоконно-оптическим лазером положительной обратной связью через резонатор Фабри-Перо. 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. Рассмотрим основные положения физической модели системы волоконно-оптический лазер - микрорезонатор. Введем обозначения: r1,2 - коэффициент отражения первого (выходного) и второго (обращенного к микрорезонатору) торцов одномодового световода соответственно;
r3 - коэффициент отражения отражающей поверхности микрорезонатора;
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116081/955.gif)
H - расстояние между вторым торцом световода и отражающей поверхностью микрорезонатора;
dc - диаметр сердцевины одномодового световода. Наличие микрорезонатора эквивалентно присутствию третьего подвижного отражателя, влияние которого сводится к тому, что коэффициент отражения r2 может быть заменен на коэффициент r2эфф, равный коэффициенту отражения резонатора Фабри-Перо, образованного вторым торцом световода с коэффициентом отражения r2 и отражающей поверхностью микрорезонатора. Имеем:
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-2t.gif)
Динамика измерения параметра H зависит от падающей на микрорезонатор оптической мощности (интенсивности I)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-3t.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-4t.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-5t.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-6t.gif)
Переменная часть
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-7t.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-8t.gif)
где H0 - исходное расстояние между вторым торцом световода и поверхностью микрорезонатора. Следует также учитывать, что правомочность замены r2 = r2эфф. требует выполнения следующих условий:
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-9t.gif)
где
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116108/916.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116081/955.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116108/916.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/8810.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116081/955.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-10t.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-11t.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-12t.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-13t.gif)
где rмр - коэффициент отражения поверхности микрорезонатора (rмр=r3);
rc - коэффициент отражения одномодового световода;
NA - числовая апертура сердцевины световода. Удовлетворить приведенным выше условиям технически не сложно. Так, при соответствующей конструкции микрорезонатора (например, в виде микроконсоли) стационарное смещение можно исключить (
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116108/916.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-14t.gif)
где
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116013/945.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116196/969.gif)
P0(t) - амплитуда гармонических колебаний излучения лазера
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-15t.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116196/969.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-16t.gif)
Последовательное решение системы замкнутых лазерных уравнений с учетом (1), 1а), (2) и динамики вынужденных колебаний отражающей поверхности микрорезонатора позволяет прийти к соответствующему дифференциальному уравнению лазера, описывающему собственное поведение лазера, т.е. хорошо известные затухающие колебания в лазерах, и составляющую колебаний, обусловленную взаимодействием с микрорезонатором. Получим уравнение:
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-17t.gif)
где Y= f(W,H0) - некоторая функция, зависящая как от параметров лазера, так и от характеристик микрорезонатора (W - интенсивность накачки лазера, 1/с). Исследование возможности существования решения уравнения (3) при
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-18t.gif)
где
I0(t) - медленно возрастающая функция, приводит к определению некоторой двумерной области (W, H0), в которой возможны автоколебания в рассматриваемой системе при Y
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116001/8773.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116001/8773.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116001/8773.gif)
- в рассматриваемой системе возникают автоколебания, частота которых совпадает с собственной частотой поперечных акустических колебаний разных мод микрорезонатора, которые модулируют выходное оптическое излучение волоконно-оптического лазера;
- исключена необходимость введения электронной схемы обратной положительной связи по стабилизации длины резонатора Фабри-Перо, нестабильность которой у известного решения приводит к смещению положения рабочей точки и даже к срыву автоколебаний;
- упрощена конструкция устройства и расширены ее функциональные возможности на предмет создания волоконно-оптических автогенераторов, отличающихся принципом построения, топологией, собственной частотой, добротностью, более высоким (до 50 дБ и выше) отношением сигнал/шум и др., что улучшает основные технические характеристики предлагаемого устройства. На фиг. 1 представлена схема волоконно-оптического автогенератора, где 1 - микрорезонатор с зеркальной колеблющейся поверхностью с коэффициентом отражения rмр; 2 - зеркала на торцах одномодового световода с коэффициентом отражения rc ; 3- одномодовый световод длиною L1,2 с диаметром сердцевины dc ; 4 - волоконно-оптический лазер с выходной мощностью Pвых; 5 - интерферометр Фабри-Перо, образованный отражающей поверхностью резонатора 1 и отражающей поверхностью зеркала 2 с коэффициентом отражения r2. Длина световода L должна удовлетворять неравенству
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-19t.gif)
Длина резонатора Фабри-Перо определяется по формуле
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116631/2116631-20t.gif)
Второй торец волоконно-оптического лазера 4 с r1 является выходным. Волоконно-оптический лазер 4 связан с микрорезонатором 1 положительной оптической обратной связью через интерферометр Фабри-Перо. Устройство работает следующим образом. Включение микрорезонатора 1 в цепь обратной связи осуществляется путем подведения его к одному из торцов одномодового световода 3 волоконно-оптического лазера 4. В результате между торцом световода 3 с r2 и микрорезонатором 1 образуется Фабри-Перо 5. При определенной мощности оптического излучения волоконно-оптического лазера 4, длине H0 резонатора Фабри-Перо 5 и длине волны
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116081/955.gif)
- параметры эрбиевого волоконно-оптического лазера:
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116081/955.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116001/964.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116176/215.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116082/8776.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116001/183.gif)
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116001/183.gif)
- параметры микрорезонатора в виде кремниевого микромостика с зеркалом в виде пленки из алюминия толщиною 0,1 мкм: длина l0= 2000 мкм, ширина а= 30 мкм, толщина b= 2 мкм, H0=50 мкм, fмр = 31 кГц, акустическая добротность Q= 50, ток накачки 300...400 мА, отношение сигнал/шум
![волоконно-оптический автогенератор, патент № 2116631](/images/patents/355/2116040/8805.gif)
Класс G01K11/32 с использованием изменений в передаче, рассеивании или флюоресценции в оптических волокнах
Класс G01L11/02 оптическими средствами