Волоконно-оптический автогенератор

 

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микрорезонаторов и может быть использовано в устройствах для измерения различных физических величин, например, температуры, давления, ускорения и др. Автогенератор содержит один волоконно-оптический лазер и два микрорезонатора с образованием микрорезонаторной структуры, выполненной с возможностью одновременного возбуждения обоих микрорезонаторов от одного лазера и функционирования автогенератора в режиме модуляции интенсивности излучения лазера на разностных частотах автоколебаний двух микрорезонаторов. Обеспечено повышение точности, стабильности и быстродействия автогенератора. 3 ил.

Изобретение относится к волоконно-оптическим автоколебательным системам на основе микрорезонатора и может быть использовано в системах измерения различных физических величин (температуры, давления, ускорения - Т, Р, g и др.).

Известны работы по созданию нового класса волоконно-оптических автогенераторов на основе использования микрорезонатора (МР), автоколлиматора (АК) и оптического когерентного излучения, взаимодействующего с МР. В литературе сообщается о разработках различных схем по оптическому возбуждению колебаний МР и их практической реализации.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности к достигаемому результату является волоконно-оптический автогенератор с оптическим методом возбуждения колебаний МР и частотным съемом информации (см. патент РФ №2163354, опубл. в БИ №5 от 20.02.2001 г.), взятый в качестве ближайшего аналога.

Конструктивно автогенератор представляет собой устройство, содержащее в качестве источника излучения волоконно-оптический лазер (ВОЛ), одномодовый световод, один торец которого через АК сопряжен с МР, а другой - является выходным. При этом отражающая поверхность МР образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера. Кроме того, устройство содержит автоколлиматор, расположенный между световодом и МР. В качестве автоколлиматора применяется участок одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной на торце этого световода, при этом кварцевый световод с микролинзой из кварцевого стекла соединяют с помощью сварки в электрической дуге.

Непосредственная связь автогенератора с цифровыми устройствами измерения без необходимости преобразования аналог-цифра, большая протяженность 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 наиболее близкого аналога является следующее. Оптический резонатор ВОЛ, образованный зеркалами M₁ и М₂, содержит как активный, так и пассивный отрезки световодов. Значительная длина волоконно-оптического тракта (ВОТ), составляющая 10-100 м, обуславливает высокую чувствительность автогенератора к дестабилизирующим факторам, воздействующим на ВОТ.

По существу ВОТ является “антенной”, воспринимающей различные аддитивные источники погрешности: изменение температуры окружающей среды, перепады давления, изгибы световодов и т.д. Это обстоятельство приводит к нестабильности характеристик резонатора ВОЛ, снижает точность измерений и, как следствие, требует принятия специальных мер по стабилизации указанных выше воздействий или разработки способов по их компенсации.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке волоконно-оптического автогенератора на основе ВОЛ, взаимодействующего одновременно с двумя МР через волоконный автоколлиматор и отличающегося от аналога более высокой точностью, стабильностью и быстродействием.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом автогенераторе, включающем источник оптического излучения, выполненный в виде волоконно-оптического лазера, автоколлиматор, микрорезонатор, автогенератор дополнительно снабжен вторым микрорезонатором с образованием микрорезонаторной структуры, выполненной с возможностью одновременного возбуждения обоих микрорезонаторов от одного лазера и функционирования автогенератора в режиме модуляции интенсивности излучения лазера на разностных частотах автоколебаний возбужденных микрорезонаторов.

Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке волоконно-оптического автогенератора (BOA), содержащего один ВОЛ и два МР, который при определенных условиях может функционировать в режиме модуляции интенсивности излучения лазера на разностных частотах автоколебаний двух МР.

Данное физическое явление может быть реализовано при выполнении следующих условий.

1. В автогенераторе, работающем в режиме резонанса, между частотой релаксационных колебаний лазера f_рел (или его гармоник n = 1,2,3...) и собственной частотой МР f, т.е. при выполнении равенства

f=nf_рел,

определенным образом создаются условия, при которых оба МР возбуждаются одновременно от одного лазера.

2. Для одновременного возбуждения двух МР амплитудно-частотные характеристики ВОЛ и МР должны быть близкими или совпадать.

3. Для осуществления максимальной глубины модуляции излучения лазера коэффициенты оптического возбуждения обоих МР должны быть равны или достаточно близки.

В новом BOA лазерное излучение взаимодействует одновременно с двумя МР, выполненными в виде планарных микрорезонаторных структур различной конфигурации. Это могут быть два микромостика на одной подложке, две микроконсоли и т.д.

На фиг.1 представлена схема волоконно-оптического автогенератора по данному изобретению, где 1 - волоконно-оптический лазер, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны λ_н=0,98 мкм, 2 - одномодовый световод, 3 - волоконный автоколлиматор, выполненный в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце световода, 4 - зеркало M₁ оптического резонатора, в качестве которого служит граница раздела световод - воздух, 5 - микрорезонаторная структура - многоэлементная планарная структура, выполненная в виде двух микромостиков 6 и 7 на одной подложке (или двух микроконсолей), 8 – второе зеркало М₂ оптического резонатора, роль которого выполняют обе отражающие поверхности двух микрорезонаторов 6 и 7, одновременно взаимодействующие с ВОЛ.

Устройство работает следующим образом. Часть мощности оптического излучения, сформированного коллиматором, отражается от отражающей поверхности двух микрорезонаторов, расположенных на одной подложке. При этом оба микрорезонатора ориентированы в исходном положении так, что угол между оптической осью пучка и нормально, общей к отражающим поверхностям обоих микрорезонаторов, составляет заданный угол Θ_и. Отраженный пучок возвращается обратно в резонатор.

В условиях резонанса между частотой релаксационных колебаний волоконного лазера f_рел и собственной частотой двух МР f₁, f₂ (f_рел ≈ 1,2) при непрерывной накачке лазера в системе ВОЛ-МР одновременно возбуждаются автоколебания двух МР 6 и 7, взаимодействующих через активную среду ВОЛ 1.

Вследствие этого взаимодействия на выходе системы ВОЛ - МР формируются гармонические составляющие на разностных частотах ΔF, соответствующих колебаниям двум МР 6 и 7

ΔF=f₁-f₂.

На фиг.2 и 3 представлены результаты экспериментальных исследований предлагаемого BOA.

На фиг.2 представлена осциллограмма интенсивности излучения лазера BOA. Видны биения сигналов, возникающих при сложении двух гармонических колебаний с близкими частотами, равными собственным частотам МР 6,7 f₁, f₂

На осциллограмме период следования импульсов Δt =500 мкс. На фиг.3 представлен Фурье-спектр интенсивности излучения лазера на выходе автогенератора.

В эксперименте использовалась планарная микрорезонаторная структура в виде двух микромостиков на одной подложке со следующими геометрическими размерами: длина мостика 1=600 мкм, ширина мостика а=12 мкм, толщина мостика b=6 мкм, зазор между мостиками с=10 мкм, диаметр светового пучка на подложке d=350-400 мкм.

Диапазон разностных частот составляет 1-10 кГц.

Таким образом, в предлагаемом микрорезонаторном BOA, содержащем 2 МР, реализованы условия, при которых осуществляется автомодуляция интенсивности лазерного излучения на разностной частоте двух МР, одновременно возбужденных от одного ВОЛ.

Предложенный новый автогенератор отличается от аналога повышенной точностью (в 3-5 раз) и стабильностью сигнала вследствие устранения аддитивных источников погрешности.

Автогенератор может применяться для создания измерительных устройств с дифференциальной схемой измерений.

Формула изобретения

Волоконно-оптический автогенератор, включающий источник оптического излучения, выполненный в виде волоконно-оптического лазера, автоколлиматор, микрорезонатор, отличающийся тем, что автогенератор дополнительно снабжен вторым микрорезонатором с образованием микрорезонаторной структуры, выполненной с возможностью одновременного возбуждения обоих микрорезонаторов от одного лазера и функционирования автогенератора в режиме модуляции интенсивности излучения лазера на разностных частотах автоколебаний возбужденных микрорезонаторов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3