Волоконно-оптический автогенератор


G01H1/06 - Измерение механических колебаний или ультразвуковых, звуковых или инфразвуковых колебаний (генерирование механических колебаний без измерений B06B,G10K; определение местоположения, направления или измерение скорости объекта G01C,G01S; измерение медленно меняющегося давления жидкости G01L 7/00; измерение дисбаланса G01M 1/14; определение свойств материалов с помощью звуковых или ультразвуковых колебаний, пропускаемых через эти материалы G01N; системы с использованием отражения или переизлучения акустических волн, например формирование акустических изображений G01S 15/00; сейсмология, сейсмическая разведка, акустическая разведка G01V 1/00; акустооптические устройства как таковые G02F; получение

 

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.

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 = 830 нм, мощность которого P= 1 мВт, фотоприемник, анализатор спектра. При этом устойчивое положение рабочей точки интерферометра Фабри-Перо достигается за счет положительной обратной связи.

Непосредственная связь автогенератора с цифровыми устройствами измерения без необходимости преобразования аналог-цифра, большая протяженность оптического канала передачи и высокая точность при контроле измерения резонансной частоты делают этот тип автогенераторов перспективным при его использовании в волоконно-оптических датчиках физических величин.

Недостатком данного аналога является то, что условия возникновения автоколебаний в устройстве зависят от оптического отклика кремниевого микрорезонатора и оптических характеристик резонатора Фабри-Перо. Оптический отклик микрорезонатора Х мкм/мВт характеризует величину смещения отражающей поверхности микрорезонатора, приходящей на единицу оптической мощности, падающей на микрорезонатор. Оптическая характеристика резонатора Фабри-Перо в рабочей точке A ya мВт/мкм характеризует наклон рабочей характеристики резонатора Фабри-Перо в точке А.

В реальных условиях эксплуатации вследствие изменения параметров микрорезонатора может произойти изменение значения параметра Х. С другой стороны, нестабильность длины резонатора Фабри-Перо может изменить оптическую характеристику yA резонатора Фабри-Перо в рабочей точке А. В результате этих факторов нарушаются условия возникновения автоколебаний, определяемые как xya >1, а также условия образования положительной обратной связи, в силу чего автоколебания могут исчезнуть.

Принимаемые в известном решении меры по стабилизации рабочей точки заключаются в использовании электронной подстройки частоты лазера в небольшом диапазоне частот. Для этого выходной сигнал с фотоприемника делится на две части: одна направляется непосредственно к спектроанализатору, а другая - используется для незначительного изменения 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 ya 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 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; - оптическая длина волны волоконно-оптического лазера; 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:
Динамика измерения параметра H зависит от падающей на микрорезонатор оптической мощности (интенсивности I) (соответственно ), где - среднее значение мощности, приводящее к некоторому стационарному смещению микрорезонатора
Переменная часть вызывает вынуждение колебания микрорезонатора h(t).

Таким образом, можем представить.


где H0 - исходное расстояние между вторым торцом световода и поверхностью микрорезонатора.

Следует также учитывать, что правомочность замены r2 = r2эфф. требует выполнения следующих условий:

где - ширина спектра излучения,
H ,
- длина когерентности одномодового лазера;
- время пролета: C' - скорость света в световоде) - резонансная частота микрорезонатора;
- длина одномодового световода,
- длина резонатора Фабри-Перо,
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 (H=0). При длине световода L = 10 м выполняется условие Lког. > 2H, а для большинства микрорезонаторов fмр не превышает 1 МГц, что охватывает широкий круг практических задач.

Анализ экспериментально полученных амплитудно-частотных характеристик микрорезонатора показывает, что h(t) может быть представлено в виде

где (мр) - резонансная кривая микрорезонатора;
P0(t) - амплитуда гармонических колебаний излучения лазера (предполагается, что P0(t) достаточно медленно изменяющаяся функция);
мр - резонансная частота
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:

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

где
I0(t) - медленно возрастающая функция, приводит к определению некоторой двумерной области (W, H0), в которой возможны автоколебания в рассматриваемой системе при Y0. Очевидно, что при Y=0 определяются значения W, H0, соответствующие порогу возбуждения колебаний. При соответствующих значениях параметров волоконно-оптического лазера и микрорезонатора, при соответствующем выборе H0 подтверждена возможность существования неравенства Y0 с большим запасом. Существование неравенства Y0 приводит к важному выводу: показана возможность возникновения автоколебаний в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор, при этом реализуется устойчивый режим генерации при изменении параметров микрорезонатора. Результаты экспериментальных исследований подтвердили возможность существования автоколебаний в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор.

Таким образом, по сравнению с известным решением предлагаемое устройство обладает следующими положительными признаками:
- 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

Длина резонатора Фабри-Перо определяется по формуле

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 в зависимости от параметров микрорезонатора 1 в устройстве возникают незатухающие поперечные акустические колебания с частотой, определяемой размерами и типом микрорезонатора, которые модулируют оптическое излучение волоконно-оптического лазера 4.

На фиг. 2а,б представлены выходная оптическая мощность волоконно-оптического автогенератора (а), сопряженная с поперечными акустическими колебаниями микрорезонатора (б), зафиксированная при следующих значениях исходных данных:
- параметры эрбиевого волоконно-оптического лазера: = 1,54 мкм, 0= 1,210-2c; r1,2 0,04; rмр=0,9; C'= 21010 см/с; L = 103 см; dc=410-4 см; Na = 0,11;
- 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 50 дБ.

Таким образом, предложена новая конструкция волоконно- оптического автогенератора на основе волоконно-оптического лазера и микрорезонатора. В системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор возникают автоколебания, частота которых совпадает с частотой собственных поперечных акустических колебаний микрорезонатора.

В предлагаемом устройстве представляется возможным увеличить отношение сигнал/шум до 50 дБ и более по сравнению с 22 дБ у известного решения, расширить динамический диапазон и повысить точность измерения изменения частоты микрорезонатора при упрощении конструкции устройства и расширении его функциональных возможностей.


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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при конструировании приборов и систем метрологического контроля, в частности, для магистральных газопроводов

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано в морских условиях для измерения шумоизлучения различных объектов

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения давления

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к U-образным манометрам с оптической регистрацией уровня жидкости, и может быть использовано в вакуумной технике при измерении малых давлений газа

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам, предназначенным для измерения давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения и контроля давления в гидрои пневмосистемах различного назначения

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерителям давления, и позволяет расширить функциональные возможности за счет одновременного измерения температуры

Изобретение относится к приборостроению и позволяет расширить функциональные возможности датчика давления путем формирования дополнительных сигналов температуры и влажности

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для определения годности цилиндрических резонаторов частотных датчиков давления

Изобретение относится к технике измерения давления

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, ускорения и др.) на основе микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерения

Изобретение относится к технике измерения температуры, например, в условиях сильных электромагнитных помех

Изобретение относится к термометрии и позволяет повысить точность измерений и чувствительность

Изобретение относится к термометрии

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к приборостроению и предназначено для измерения вибрации любой поверхности с записью данных по времени без использования электричества, т.е

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микромеханического резонатора и может быть использовано в системах измерения различных физических величин

Наверх