RU2135958C1 - Fiber-optical active oscillator - Google Patents

Abstract

FIELD: transducers for measuring temperature, pressure, acceleration. SUBSTANCE: device has fiber-optical laser, which light guide mates collimator which generates parallel light source towards reflecting surface of cavity. Output end of light guide together with reflecting surface of cavity provides two-mirror optical cavity of fiber-optical laser. Reflecting surface of cavity is located at angle with respect to axis of light beam. Self-oscillating mode in system of fiber-optical laser and cavity is achieved due to modulation of amplitude of reflection index of optical cavity of fiber-optical laser due to light induced angular deviations of one of mirrors. Reflecting surface of cavity is used for this task. EFFECT: increased stability of measurements. 2 dwg

Description

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, ускорения и др.) с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом. The invention relates to fiber-optic converters of physical quantities (temperature, pressure, acceleration, etc.) using micromechanical resonators excited by light.

Известны работы по созданию нового класса волоконно-оптических автогенераторов на основе использования микромеханического резонатора (МР) и оптического когерентного излучения, взаимодействующего с МР. В литературе сообщается о разработках различных схем по оптическому возбуждению колебаний МР и их практической реализации. Known work on the creation of a new class of fiber-optic oscillators based on the use of a micromechanical resonator (MR) and optical coherent radiation interacting with MR. The literature reports on the development of various schemes for the optical excitation of MR oscillations and their practical implementation.

Во всех случаях модуляция интенсивности оптического излучения происходит на собственной резонансной частоте МР. In all cases, the modulation of the intensity of optical radiation occurs at the natural resonant frequency of the MR.

При поглощении МР оптического излучения его освещенная сторона испытывает температурное расширение, вследствие чего в МР возникает изгибный момент, изменяющийся в фазе с модулированным оптическим излучением, который приводит к механическим колебаниям на собственной резонансной частоте МР. When the MR of optical radiation is absorbed, its illuminated side experiences thermal expansion, as a result of which a bending moment arises in the MR, which changes in phase with the modulated optical radiation, which leads to mechanical vibrations at the natural resonant frequency of the MR.

Внешнее воздействие (температура, давление, ускорение и др.) преобразуется во внутреннее механическое напряжение МР, что приводит к изменению его собственной резонансной частоты, определяемой размерами МР и его физическими свойствами. The external influence (temperature, pressure, acceleration, etc.) is converted into the internal mechanical stress of the MR, which leads to a change in its own resonant frequency, determined by the dimensions of the MR and its physical properties.

В связи с малой амплитудой колебаний МР (≤ 0,1 мкм) в автогенераторах применяется интерферометрический метод съема информации о резонансной частоте МР с помощью интерферометра Фабри-Перо, резонатор которого образован отражающей поверхностью МР и полупрозрачным зеркалом, либо торцом световода, сопряженным с отражающей поверхностью МР. Due to the small amplitude of the MP oscillations (≤ 0.1 μm), the interferometric method is used to extract information about the resonant frequency of the MR using a Fabry-Perot interferometer, the resonator of which is formed by the reflecting surface of the MR and a translucent mirror, or by the end of the fiber coupled to the reflecting surface Mr.

Непосредственная связь с цифровым устройством измерения без необходимости преобразования аналог-цифра, большая протяженность оптического канала передачи, высокая потенциальная точность измерений резонансной частоты делают этот тип датчиков перспективным. Direct communication with a digital measuring device without the need for analog-to-digital conversion, the large length of the optical transmission channel, and the high potential accuracy of resonant frequency measurements make this type of sensors promising.

Однако, микрорезонаторные автогенераторы, основанные на фотометрическом возбуждении МР и оптическом детектировании колебаний, обладают следующим недостатком. However, microcavity oscillators based on photometric excitation of MR and optical detection of oscillations have the following disadvantage.

Положение рабочей точки A интерферометра Фабри-Перо нестабильно и ее смещение зависит одновременно как от дрейфа основных характеристик МР, так и от нестабильности источника излучения и параметров интерферометра Фабри-Перо. Иными словами, на эффективность функционирования автогенератора влияют одновременно нестабильность характеристик канала возбуждения МР и канала интерферометрического съема информации, что требует принятия специальных мер по стабилизации положения рабочей точки A. The position of the operating point A of the Fabry-Perot interferometer is unstable and its displacement depends both on the drift of the main characteristics of the MR and on the instability of the radiation source and the parameters of the Fabry-Perot interferometer. In other words, the instability of the characteristics of the excitation channel of the MR and the channel of the interferometric readout of information simultaneously influences the efficiency of the oscillator, which requires the adoption of special measures to stabilize the position of the operating point A.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результаты является волоконно-оптический датчик (ВОД) физических величин (заявка PCT WO 89/00677, кл. G 01 D 5/26, 26.01.89), содержащий лазерный источник излучения, световод, делитель, коллиматор, микрорезонатор с отражающей поверхностью, фотоприемник и анализатор спектра. Closest to the proposed technical solution in terms of technical nature and the achieved results is a fiber optic sensor (VOD) of physical quantities (PCT application WO 89/00677, class G 01 D 5/26, 01/26/89), containing a laser radiation source, a fiber , divider, collimator, microresonator with reflective surface, photodetector and spectrum analyzer.

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 МР;
- дополнительные 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 МР в силу ограниченной возможности 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.The known solution is characterized by the following negative signs:
- high requirements for the stability of the power of the radiation source (pump current of the laser diode) and careful control of the operating point of the Fabry-Perot interferometer due to the change in small limits of the optical power of the radiation incident on the MR;
- additional optical power loss due to the presence of the necessary discrete elements forming an additional feedback channel in the electronic circuit;
- stringent requirements for the stability of the characteristics of the Fabry-Perot resonator, as well as the characteristics of MR due to the limited possibility of their correction in the considered electronic circuit;
- limited possibilities for adjusting the operating point of the Fabry-Perot interferometer due to a change in the wavelength of the optical radiation of the laser diode when implementing a complex electronic feedback circuit.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке микрорезонаторного автогенератора на основе волоконно-оптического лазера и модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит МР. При этом один торец одномодового световода сопряжен с коллиматором, формирующим параллельный пучок света на отражающую поверхность МР, ориентированную под углом θ к оптической оси падающего пучка, а второй является выходным. The problem solved by this invention is to develop a microcavity oscillator based on a fiber optic laser and Q-switching of a two-mirror optical resonator due to photoinduced angular deviations of one of the mirrors, which is an MR. In this case, one end of the single-mode fiber is coupled to a collimator forming a parallel beam of light on the reflective surface of the MR, oriented at an angle θ to the optical axis of the incident beam, and the second is the output.

Изменение мощности излучения при отражении от МР приводит, вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации, к модуляции угла отклонения отраженного пучка θ (t), т.е. к модуляции мощности оптического излучения. A change in the radiation power upon reflection from the MR leads, due to the photoinduced deformation effect, to modulation of the deflection angle of the reflected beam θ (t), i.e. to modulate the power of optical radiation.

В качестве коллиматора используется градиентная стержневая линза (ГСЛ) и четверть периода, формирующая Гауссовы пучки. A gradient rod lens (GSL) and a quarter period forming Gaussian beams are used as a collimator.

Независимо от топологии и конструкции МР при выполнении определенных условий в рассматриваемой схеме устанавливается автоколебательный режим с частотой F, практически совпадающий с резонансной частотой f = F. Regardless of the topology and design of the MR, when certain conditions are met, a self-oscillating regime with a frequency F is established in the considered circuit, which practically coincides with the resonant frequency f = F.

Эти условия формулируются следующим образом:
- в исходном состоянии угол отклонения θ_и отражающей поверхности МР находится в интервале θ₁ ≤ θ_и ≤ θ₂ , границы которого (θ₁,θ₂) зависят от характеристик МР и волоконно-оптического лазера;
- резонансная частота МР близка к частоте релаксационных колебаний волоконно-оптического лазера f_рел или ее гармоник, т.е. f ≈ nf_рел, где n = 1,2,3... Отметим, что f_рел определяется относительной накачкой r = P_н/P_н.п., где P_н.п. - пороговый уровень накачки лазера;
- средняя мощность излучения

превышает определенный пороговый уровень

зависящий от характеристик МР и волоконного лазера.These conditions are formulated as follows:
- in the initial state, the deviation angle θ _{and the} reflective surface of the MR is in the range of θ ₁ ≤ θ _and ≤ θ ₂ , the boundaries of which (θ ₁ , θ ₂ ) depend on the characteristics of the MR and the fiber-optic laser;
- the resonant frequency of the MR is close to the frequency of relaxation oscillations of the fiber-optic laser f _rel or its harmonics, i.e. f ≈ nf _rel , where n = 1,2,3 ... Note that f _rel is determined by the relative pumping r = P _n / P _n.p. where P _n.p. - threshold level of laser pumping;
- average radiation power

exceeds a certain threshold level

depending on the characteristics of the MR and fiber laser.

В результате возникновения в системе МР - волоконно-оптический лазер автоколебаний на резонансной частоте МР отпадает необходимость введения интерферометрической обратной связи по стабилизации положения рабочей точки автогенератора. As a result of the occurrence of self-oscillations in the MR - fiber-optic laser system at the MR resonance frequency, there is no need to introduce interferometric feedback to stabilize the position of the operating point of the oscillator.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в микрорезонаторном волоконно-оптическом автогенераторе, содержащем источник оптического излучения, микрорезонатор, в качестве источника оптического излучения используется волоконно-оптический лазер, один торец световода которого сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и микрорезонатором, а второй торец световода является выходным, при этом отражающая поверхность микрорезонатора образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера, а отражающая поверхность микрорезонатора в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным углом θ_и . Оптическое излучение волоконно-оптического лазера с помощью градиентной стержневой линзы в четверть периода, формирующей Гауссовы пучки, коллимируется на отражающую поверхность МР, нормаль к которой составляет с оптической осью падающего пучка некоторый угол θ_и , при этом выходной сигнал автогенератора моделируется резонансной частотой МР вследствие модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора волоконно-оптического лазера.The solution to this problem is provided by the fact that in a microresonator fiber-optic self-oscillator containing an optical radiation source, a microresonator, a fiber-optic laser is used as a source of optical radiation, one end of the optical fiber of which is coupled to a collimator located between this end and the microresonator, and the second end the optical fiber is output, while the reflecting surface of the microresonator forms a two-mirror optical fiber resonator with the output end of the fiber -optical laser and the reflecting surface of the microcavity in the rest position is oriented to the optical axis of the collimated beam at some predetermined angle θ _and. Optical radiation optical fiber laser using gradient rod lenses are quarter-period, forming Gaussian beams, collimated on the reflecting surface of the MR whose normal makes with the optical axis of the incident certain beam angle θ _and the output signal of the oscillator is modeled by a resonance frequency of the MR modulation due Q-factors of a two-mirror optical resonator of a fiber-optic laser.

Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке микрорезонаторного волоконно-оптического автогенератора, в котором для возбуждения автоколебаний используется волоконно-оптический лазер без введения дополнительных волоконно-оптических устройств, при этом для существования автоколебательного режима в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор достаточно модуляции амплитуды коэффициента отражения R оптического резонатора волоконно-оптического лазера, возникающей при колебаниях микрорезонатора. The essence of the proposed technical solution is to develop a microresonator fiber-optic self-oscillator, in which a fiber-optic laser is used to excite self-oscillations without introducing additional fiber-optic devices, and for the existence of a self-oscillating regime in the fiber-optic laser-microcavity system, the modulation of the reflection coefficient amplitude is sufficient R of the optical resonator of a fiber-optic laser arising from vibrations of a microcavity.

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. A fiber-optic laser is a segment of a single-mode activated fiber of length L, the pumping of which can be carried out in various ways, for example, through a segment of a buffer non-activated fiber, which is ideally matched with the activated fiber.

Уникальные свойства волоконно-оптического лазера, позволяющие обеспечить эффективное оптическое согласование МР с волоконно-оптическим лазером, а также новейшая технология изготовления МР, основанная на методе анизотропного травления и плазмохимии монокристаллических материалов таких, как Si, SiO₂, CaAs, позволяют реализовать МР структуры с заданным акустическими характеристиками и топологией (например, в виде микромембраны, микромостика, микроконсоли и т. д.), что позволяет реализовать в системе МР - волоконно-оптический лазер автоколебания, резонансная частота которых зависит от воздействия соответствующих внешних факторов (температуры, давления, ускорения и др.).The unique properties of a fiber-optic laser, which ensure efficient optical matching of MR with a fiber-optic laser, as well as the latest technology for manufacturing MR, based on the method of anisotropic etching and plasma chemistry of single-crystal materials such as Si, SiO ₂ , CaAs, make it possible to realize MR structures with given acoustic characteristics and topology (for example, in the form of a micro-membrane, micro-bridge, micro-console, etc.), which makes it possible to realize a self-oscillation fiber-optic laser in the MR system resonance frequency of which depends on the influence of relevant external factors (temperature, pressure, acceleration, etc.).

На фиг. 1 представлена схема микрорезонаторного волоконно-оптического автогенератора нового типа, где 1 - волоконно-оптический лазер, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны λ_н = 0,98 мкм, 2 - одномодовый световод, 3 - коллиматор, в качестве которого применялась градиентная стержневая линза в четверть периода, формирующая Гауссовы пучки с параметрами : диаметр перетяжки пучка 2 W_o = 780 мкм, угол расходимости 2θ = 2,6 • 10^-3 рад, 4 - зеркало M₁ оптического резонатора, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух, 5 - микрорезонатор, представляющий собой кремниевую мембрану (микромостик, микроконсоль), полученную методом анизотропного травления, 6 - угол θ_и между нормалью к отражающей поверхности МР и оптической осью пучка света, сформированного коллиматором, 7 - отражающая поверхность МР, 8 - расстояние H между коллиматором и МР.In FIG. 1 shows a diagram of a new type of microresonator fiber-optic self-oscillator, where 1 is an erbium-activated fiber-optic laser pumped at a wavelength of λ _n = 0.98 μm, 2 is a single-mode fiber, 3 is a collimator using a gradient a quarter-period rod lens forming Gaussian beams with the following parameters: beam waist diameter 2 W _o = 780 μm, divergence angle 2θ = 2.6 • 10 ^-3 rad, 4 - mirror M _{1 of the} optical resonator, which is used as the optical fiber interface - air, 5 - mi rorezonator representing a silicon membrane (microbridge, Micro-) obtained by anisotropic etching, 6 - the angle θ _between the normal to the reflecting surface of the MR and the optical beam axis formed by a collimator, 7 - reflecting MR surface 8 - distance H between the collimator and Mr.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Часть мощности ξ оптического пучка, сформированного коллиматором 3, отражается от поверхности 7 микрорезонатора 5, нормаль к которой в исходном положении составляет угол θ_и с осью пучка света, и возвращается обратно в резонатор волоконно-оптического лазера.Part of the power ξ of the optical beam formed by the collimator 3 is reflected from the surface 7 of the microresonator 5, the normal to which in the initial position is the angle θ _and the axis of the light beam, and returns back to the fiber-optic laser resonator.

Изменение мощности излучения волоконно-оптического лазера W₁, падающей на МР, приводит вследствие эффекта фотоиндуцированной деформации к модуляции угла отклонения отраженного пучка θ(t) т.е. к модуляции ξ[θ(t)].
На фиг. 2 приведена экспериментальная зависимость ξ(θ). Экспериментальные результаты показали, что независимо от топологии и конструкции МР при выполнении заданных условий (о которых речь шла выше) в рассматриваемом устройстве устанавливается автоколебательный режим с частотой МР f ≈ F.A change in the radiation power of the fiber-optic laser W ₁ incident on the MR, due to the photoinduced deformation effect, modulates the deflection angle of the reflected beam θ (t) i.e. to modulation ξ [θ (t)].
In FIG. Figure 2 shows the experimental dependence ξ (θ). Experimental results showed that, regardless of the topology and design of the MR, under the given conditions (which were discussed above), the self-oscillating mode with the frequency of the MR f ≈ F is established in the device under consideration.

Результаты эксперимента получены для МР в виде микромостика с размером 1650 х 400 х 6 мкм³ с пленкой никеля (N_i) в качестве отражающего покрытия МР. Толщина пленки составляла h_Ni ≈ 0,3 мкм, коэффициент отражения - 72%. Благодаря значительной ширине МР обеспечивалось его эффективное взаимодействие с оптическим пучком. В рассматриваемом случае возбуждались автоколебания с частотами F₁ = 35,5 кГц и F₂ = 112,2 кГц, соответствующие резонансным частотам основной и второй модам колебаний МР. Средняя мощность

составляла 1,5...4 мВт, отношение сигнал/шум в системе 40...50 дБ. Амплитуда колебаний МР составляла ≤ 30 нм. Добротности данных мод, измеренные при акустическом возбуждении колебаний, составляли 90 и 120 соответственно.The experimental results were obtained for MR in the form of a microbridge with a size of 1650 x 400 x 6 μm ³ with a nickel film (N _i ) as a reflective coating of MR. The film thickness was h _Ni ≈ 0.3 μm, and the reflection coefficient was 72%. Due to the significant width of the MR, its effective interaction with the optical beam was ensured. In the case under consideration, self-oscillations were excited with frequencies F ₁ = 35.5 kHz and F ₂ = 112.2 kHz, corresponding to the resonant frequencies of the main and second modes of MP oscillations. Average power

amounted to 1.5 ... 4 mW, the signal-to-noise ratio in the system was 40 ... 50 dB. The amplitude of the MR oscillations was ≤ 30 nm. The Q factors of these modes, measured upon acoustic excitation of vibrations, were 90 and 120, respectively.

Как видно из фиг. 2, область существования автоколебаний (θ₁,θ₂) для основной моды колебаний расположена целиком на одной ветви кривой ξ(θ).
Это указывает на то, что модуляция добротности оптического резонатора обусловлена модуляцией угла отклонения пучка, а не дополнительной его фокусировкой (дефокусировкой) вследствие искривления поверхности МР при автоколебаниях. Кроме того, эксперимент показал, что при измерении H как в субмикронном диапазоне, так и в значительных пределах (± 1,5 мм) срыва автоколебаний не наблюдалось, при этом относительное изменение частоты ΔF/F составляло 3•10^-4. В пределах интервала (θ₁,θ₂) наблюдается слабая зависимость F(θ_и), характер монотонности которой зависит от угловых и линейных геометрических параметров, характеризующих пространственную ориентацию оптического пучка относительно МР. Ширина интервала Δθ = O₂-O₁ зависит от угла расходимости пучка, и чем больше угол расходимости, тем меньше ширина интервала. В случае более высоких мод в зависимости от типа МР интервал Δθ может состоять из отдельных интервалов.As can be seen from FIG. 2, the region of existence of self-oscillations (θ ₁ , θ ₂ ) for the main vibration mode is located entirely on one branch of the curve ξ (θ).
This indicates that the Q-switching of the optical resonator is due to the modulation of the beam deflection angle, and not its additional focusing (defocusing) due to the curvature of the MR surface during self-oscillations. In addition, the experiment showed that when measuring H both in the submicron range and in a significant range (± 1.5 mm), self-oscillation stall was not observed, while the relative change in the frequency ΔF / F was 3 · 10 ^-4 . Within the interval (θ ₁ , θ ₂ ), a weak dependence F (θ _and ) is observed, the monotonicity of which depends on the angular and linear geometric parameters characterizing the spatial orientation of the optical beam relative to the MR. The width of the interval Δθ = O ₂ -O ₁ depends on the angle of divergence of the beam, and the larger the angle of divergence, the smaller the width of the interval. In the case of higher modes, depending on the type of MR, the interval Δθ may consist of separate intervals.

При данном способе возбуждения автоколебаний для эффективного взаимодействия волоконно-оптического лазера с микрорезонатором необходимо применение МР с размерами, сравнимыми с диаметром коллимированного пучка. Увеличение линейных геометрических размеров микрорезонаторных преобразователей приводит к значительным изменениям коэффициента преобразования. With this method of exciting self-oscillations, for the effective interaction of a fiber-optic laser with a microresonator, it is necessary to use MR with dimensions comparable to the diameter of a collimated beam. An increase in the linear geometric dimensions of microresonator converters leads to significant changes in the conversion coefficient.

Таким образом, предложен новый принцип построения микрорезонаторного волоконно-оптического автогенератора, при этом для стабилизации положения рабочей точки автогенератора не требуется введение дополнительных оптических устройств в волоконно-оптический лазер. Thus, a new principle is proposed for constructing a microcavity fiber-optic oscillator, while to stabilize the position of the operating point of the oscillator, it is not necessary to introduce additional optical devices into the fiber-optic laser.

Автоколебательный режим в системе волоконно-оптический лазер - МР осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения R оптического резонатора волоконно-оптического лазера, или модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит отражающая поверхность МР. The self-oscillating regime in the fiber-optic laser - MR system is carried out by modulating the amplitude of the reflection coefficient R of the optical resonator of the fiber-optic laser, or by modulating the quality factor of a two-mirror optical resonator due to photo-induced angular deviations of one of the mirrors, which is the reflective surface of the MR.

Claims (1)

Волоконно-оптический автогенератор, содержащий лазерный источник оптического излучения со световодом и микрорезонатор, причем один торец световода сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и микрорезонатором, а второй торец световода является выходным, отличающийся тем, что лазерный источник оптического излучения выполнен в виде волоконно-оптического лазера, отражающая поверхность микрорезонатора образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор волоконно-оптического лазера, а отражающая поверхность микрорезонатора в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным углом θ_и.A fiber-optic oscillator containing a laser optical radiation source with a fiber and a microcavity, one end of the fiber being coupled to a collimator located between this end and a microcavity, and the second end of the fiber is output, characterized in that the laser optical source is made in the form of fiber optical laser, the reflecting surface of the microcavity forms a two-mirror optical resonator of the fiber laser with the output end of the fiber, and the reflecting surface The microcavity surface in the initial position is oriented to the optical axis of the collimated beam at a certain given angle θ _and .

Images