RU2135963C1 - Microresonator fiber-optical converter of physical quantities - Google Patents

Microresonator fiber-optical converter of physical quantities Download PDF

Info

Publication number
RU2135963C1
RU2135963C1 RU97110751A RU97110751A RU2135963C1 RU 2135963 C1 RU2135963 C1 RU 2135963C1 RU 97110751 A RU97110751 A RU 97110751A RU 97110751 A RU97110751 A RU 97110751A RU 2135963 C1 RU2135963 C1 RU 2135963C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fiber
microresonator
physical quantities
laser
optic
Prior art date
Application number
RU97110751A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU97110751A (en
Inventor
В.Д. Бурков
А.В. Гориш
А.В. Дехтяр
Ф.А. Егоров
Д.А. Злобин
Ю.Н. Коптев
В.И. Кузнецова
Я.В. Малков
В.Т. Потапов
Д.П. Трегуб
Original Assignee
Московский государственный университет леса
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Московский государственный университет леса filed Critical Московский государственный университет леса
Priority to RU97110751A priority Critical patent/RU2135963C1/en
Publication of RU97110751A publication Critical patent/RU97110751A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2135963C1 publication Critical patent/RU2135963C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: manufacture of fiber-optical converters of physical quantities, for instance, temperature, pressure, acceleration, with use of micromechanical resonators excited by light. SUBSTANCE: self-oscillating mode with oscillation frequency F coinciding with resonance frequency of i-th mode of oscillations of microresonator fi=F, where i=1, 2, ..., m , settles as result of action of measured physical quantity independent of type and parameters of microresonator. External action on microresonator changing its resonance frequency leads to change of frequency of self-oscillations in accordance with relation F=fi. EFFECT: design of converter based on laser. 3 cl, 11 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 датчиков (ВОД) физических величин на основе использования микромеханического резонатора (МР) и оптического когерентного излучения, взаимодействующего с микрорезонатором МР. В литературе сообщается о разработках различных схем по оптическому возбуждению колебаний МР и их практической реализации. Во всех случаях модуляции интенсивности оптического излучения происходит на собственной резонансной частоте МР. Known works on the creation of a new class of fiber-optic sensors (VOD) of physical quantities based on the use of a micromechanical resonator (MR) and optical coherent radiation interacting with a microresonator MR. The literature reports on the development of various schemes for the optical excitation of MR oscillations and their practical implementation. 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 ВОД физических величин 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 MR oscillations (≤ 0.1 μm) in the VOD of physical quantities, an 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 reflective 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 ВОД физических величин, основанные на фотометрическом возбуждении МР и оптическом детектировании колебаний, обладают следующим недостатком: положение рабочей точки А 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. However, microresonator VODs of physical quantities, based on the photometric excitation of MR and optical detection of vibrations, have the following drawback: the position of the working 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 parameters Fabry-Perot interferometer.

Иными словами, на эффективность функционирования ВОД физических величин влияют одновременно нестабильность характеристик канала возбуждения МР и канала интерферометрического съема информации, что требует принятия специальных мер по стабилизации положения рабочей точки А. In other words, the instability of the characteristics of the excitation channel of the MR and the channel of the interferometric readout of information influences the efficiency of the operation of the VOD of physical quantities, which requires special measures to stabilize the position of operating point A.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является ВОД физических величин, опубликованный в Electronics Letters, 31 st August, 1989, vol 25, N 18, pp. 1235...1236. Closest to the proposed technical solution in terms of technical nature and the achieved result is the VOD of physical quantities published in Electronics Letters, 31 st August, 1989, vol 25, N 18, pp. 1235 ... 1236.

Устройство содержит лазерный источник излучения на длине волны λ = 840 нм и мощностью P = 1 МВт, делитель, полупрозрачное зеркало, кремниевый микрорезонатор в виде мостика, на поверхности которого размещено зеркало из серебра толщиной 40 нм, фотоприемник, анализатор спектра. The device contains a laser radiation source at a wavelength of λ = 840 nm and a power of P = 1 MW, a divider, a translucent mirror, a silicon microresonator in the form of a bridge, on the surface of which there is a silver mirror 40 nm thick, a photodetector, and a spectrum analyzer.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Лазерное излучение через делитель, полупрозрачное зеркало направляется на МР и приводит его в возбужденное состояние на собственной резонансной частоте. Полупрозрачное зеркало с отражающей поверхностью МР образуют интерферометр Фабри-Перо. Информация о резонансной частоте МР фиксируется интерферометрически с помощью интерферометра Фабри-Перо. Отраженное от интерферометра излучение с помощью делителя направляется на фотоприемник, связанный с блоком обработки информации. Под действием внешних воздействий (температуры, давления, ускорения и др.) изменяется резонансная частота МР, которая с помощью интерферометра Фабри-Перо фиксируется в измерительном канале ВОД. Laser radiation through a divider, a translucent mirror is directed to the MR and brings it into an excited state at its own resonant frequency. A translucent mirror with a reflective surface MR form a Fabry-Perot interferometer. Information about the resonance frequency of MR is recorded interferometrically using a Fabry-Perot interferometer. The radiation reflected from the interferometer is sent to a photodetector connected to the information processing unit using a divider. Under the influence of external influences (temperature, pressure, acceleration, etc.), the resonance frequency of the MR changes, which is fixed using the Fabry-Perot interferometer in the measuring channel of the VOD.

Стабилизация резонансной частоты МР осуществляется за счет электронной подстройки частоты лазера в небольшом диапазоне частот. Чтобы перекрыть заданный диапазон частот ( ≈ 15 ГГц), длина волны лазерного источника излучения должна изменяться на 0,034 нм. Это достигается путем изменения тока накачки лазерного диода в незначительных пределах. MR resonance frequency is stabilized by electronically adjusting the laser frequency in a small frequency range. To cover a given frequency range (≈ 15 GHz), the wavelength of the laser radiation source should be changed to 0.034 nm. This is achieved by varying the pump current of the laser diode to insignificant limits.

Выходной сигнал с фотоприемника делится на две части: одна часть направляется к анализатору спектра, другая проходит через проходной фильтр с низкими потерями и обеспечивает незначительное изменение 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.The output signal from the photodetector is divided into two parts: one part is sent to the spectrum analyzer, the other passes through a low-pass filter and provides a slight change in the pump current of the laser diode. At the same time, to ensure a self-oscillation regime for a long time, the pump diode pump voltage is subject to strict stability requirements ensuring a stable position of the operating point A on the optical characteristic Y A of the Fabry-Perot resonator, as well as a careful selection of the bias voltage in accordance with the conditions where self-oscillation site.

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 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.
As a result, the known solution is characterized by the following negative features:
- 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 волоконно-оптического преобразователя физических величин на основе волоконно-оптического лазера с перестраиваемой длиной волны и микрорезонатора. При этом один торец одномодового световода волоконно-оптического лазера образует с отражающей поверхностью микрорезонатора интерферометр Фабри-Перо, а второй, сопряженный с фотоприемником, является отражающим зеркалом для интерферометра Маха-Цандера, расположенного между волоконно-оптическим лазером и вторым торцом одномодового световода. 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 интерферометра Фабри-Перо в некотором спектральном диапазоне излучения Δλ волоконно-оптического лазера. The problem solved by this invention is to develop a microresonator fiber optic converter of physical quantities based on a fiber optic laser with a tunable wavelength and a microresonator. In this case, one end of the single-mode fiber of the fiber-optic laser forms a Fabry-Perot interferometer with the reflecting surface of the microcavity, and the second, coupled to the photodetector, is a reflection mirror for the Mach-Zander interferometer located between the fiber-optic laser and the second end of the single-mode fiber. As a result of the occurrence of self-oscillations in the MR-fiber-optic system, the resonance frequency of the MR makes it unnecessary to introduce interferometric feedback to stabilize the position of the operating point of the Fabry-Perot interferometer in a certain spectral range of radiation Δλ of the fiber-optic laser.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в микрорезонаторном волоконно-оптическом преобразователе физических величин, включающем источник оптического излучения, полупрозрачное зеркало, микрорезонатор, в качестве источника оптического излучения использован волоконно-оптический лазер, один торец которого сопряжен с микрорезонатором, а второй является выходным, при этом внутри резонатора волоконно-оптического лазера размещен интерферометр Маха-Цандера, а также тем, что микрорезонатор выполнен в виде микромостика на мембране или в виде микромостика, а также тем, что микрорезонатор выполнен в виде составной микроконсоли, а также тем, что микрорезонатор выполнен в виде микромостика, один конец которого закреплен на основании микрорезонатора, а другой на инерционной массе, связанной с основанием микрорезонатора. Выходной сигнал датчика модулируется резонансной частотой МР, связанного с системой волоконно-оптический лазер - интерферометр Маха-Цандера положительной обратной связью через интерферометр Фабри-Перо. The solution of this problem is ensured by the fact that in a microresonator fiber-optic converter of physical quantities, including an optical radiation source, a translucent mirror, a microresonator, a fiber-optic laser is used as a source of optical radiation, one end of which is coupled to a microcavity, and the second is the output, when this, the Mach-Zander interferometer is located inside the fiber-optic laser cavity, and also because the microresonator is made in the form of a microbridge on the membrane not or in the form of a microbridge, as well as the fact that the microcavity is made in the form of a composite microconsole, as well as the fact that the microcavity is made in the form of a microbridge, one end of which is fixed to the base of the microcavity, and the other on the inertial mass associated with the base of the microcavity. The output signal of the sensor is modulated by the resonant frequency of the MR associated with the system of fiber-optic laser - Mach-Zander interferometer with positive feedback through the Fabry-Perot interferometer.

Суть предлагаемого технического решения заключается в разработке ВОД физических величин, в котором для возбуждения автоколебаний и съема информации используется волоконно-оптический лазер с перестраиваемой длиной волны с помощью интерферометра Маха-Цандера, при этом выходной оптический сигнал датчика модулируется резонансной частотой МР, связанного с системой МР-волоконно-оптический лазер положительной обратной связью через интерферометр Фабри-Перо. The essence of the proposed technical solution lies in the development of physical quantities of VOD, in which a fiber-optic laser with a tunable wavelength using a Mach-Zander interferometer is used to excite self-oscillations and retrieve information, while the output optical signal of the sensor is modulated by the resonant frequency MR associated with the MR system fiber optic laser with positive feedback through a Fabry-Perot interferometer.

Волоконно-оптический лазер представляет собой отрезок одномодового активированного световода длиной 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, ideally matched with the activated fiber.

Волоконно-оптический лазер обладает рядом уникальных свойств, позволяющих
- обеспечить эффективное оптическое согласование МР с волоконно-оптическим лазером, тем самым получить значительную (в пределах 0...3 и более) оптическую обратную связь между ними;
- оптимизировать длину волны излучения λ благодаря возможности значительной (до ≈ 40 нм) перестройки спектрального диапазона генерации лазера;
- изменять параметры лазера в широких пределах: выходную мощность, частоту релаксационных колебаний, длину резонатора волоконно-оптического лазера и т.д.
Fiber optic laser has a number of unique properties that allow
- to provide effective optical matching of MR with a fiber-optic laser, thereby obtaining significant (within 0 ... 3 or more) optical feedback between them;
- to optimize the radiation wavelength λ due to the possibility of significant (up to ≈ 40 nm) tuning of the spectral range of laser generation;
- change the parameters of the laser over a wide range: output power, frequency of relaxation oscillations, resonator length of a fiber-optic laser, etc.

С другой стороны, новейшая технология изготовления МР, основанная на методе анизотропного травления и плазмохимии монокристаллических материалов таких, как Si, SiO2, CaAs, позволяет реализовать МР структуры с заданными 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. Из вышеизложенного следует, что новые свойства системы МР - волоконно-оптический лазер дают основание рассматривать данную систему в качестве основы для разработки принципов построения частотных преобразователей физических величин различных конструкций.On the other hand, the latest MR manufacturing technology, based on the method of anisotropic etching and plasma chemistry of single-crystal materials such as Si, SiO 2 , CaAs, makes 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.) .d.), which makes it possible to implement a self-oscillating fiber-optic laser in the MR system, the resonant frequency of which depends on the influence of relevant external factors: temperature, pressure, acceleration, etc. From above zlozhennogo follows that the new properties of the MR system - Fiber-optic laser give reason to consider the system as a basis for the development of principles of construction of frequency converters of physical quantities of different designs.

На фиг.1 представлена схема ВОД физических величин, позволяющая контролировать резонансные частоты основных мод акустических автоколебаний, величина которых зависит от топологии и конструкции МР, а также - характеристик волоконно-оптического лазера и интерферометров Фабри-Перо и Маха-Цандера. Здесь 1 - спектрально перестраиваемый эрбиевый волоконно-оптический лазер, 2 - микрорезонатор с отражающей пленкой n, 3 - фотоприемник, 4 - одномодовый изотропный световод L, 5 - активный одномодовый световод АВ, легированный ионами Er+3, 6 - полупрозрачное зеркало M1 с коэффициентом отражения R = 90%, 7 - полупрозрачное зеркало M2, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух, с коэффициентом отражения R = 3%, 9 - спектрально перестраиваемый фильтр на базе волоконно-оптического интерферометра Маха-Цандра (ИМЦ), 9 - низкодобротный интерферометр Фабри-Перо (ИФП) с базой H0, образованный зеркалом M2 и поверхностью n микрорезонатора 2, 10 - полупроводниковый лазер накачки с λ = 0,98 мкм, 11 - внешнее воздействие (давление, температура, ускорение и др.).Figure 1 presents a diagram of the VOD of physical quantities, which allows controlling the resonant frequencies of the main modes of acoustic self-oscillations, the magnitude of which depends on the topology and design of the MR, as well as the characteristics of the fiber-optic laser and Fabry-Perot and Mach-Zander interferometers. Here 1 is a spectrally tunable erbium fiber optical laser, 2 is a microcavity with a reflecting film n, 3 is a photodetector, 4 is a single-mode isotropic fiber L, 5 is an active single-mode fiber AB doped with ions Er r +3 , 6 is a translucent mirror M 1 with a reflection coefficient R = 90%, 7 - a translucent mirror M 2 , which is a fiber-air interface, with a reflection coefficient R = 3%, 9 - a spectrally tunable filter based on a Mach-Zander fiber-optic interferometer (MZI) 9 - low-Q interferome Fabry-Perot fr (IFP) with a base H 0 formed by a mirror M 2 and surface n of a microcavity 2, 10 — a semiconductor pump laser with λ = 0.98 μm, 11 — external action (pressure, temperature, acceleration, etc.).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

В результате воздействия измеряемой физической величины независимо от типа и параметров МР в системе устанавливается автоколебательный режим с частотой колебаний F, совпадающей с резонансной частотой i-ой моды колебаний МР: fi = F, где i = 1, 2,... m. Для этого необходимо выполнение следующих условий:
- частота релаксационных колебаний волоконно-оптического лазера, зависящая от мощности накачки, должна быть близка к релаксационной частоте МР;
- коэффициент оптической связи ξ превышает критическое значение ξ = 10-3;
- при заданной длине волны волоконно-оптического лазера λ зоны существования автоколебаний по параметру H0 дискретны, периодичны с периодом интерферометра Фабри-Перо. При смещении рабочей точки интерферометра Фабри-Перо осуществляется соответствующая перестройка линии генерации волоконно-оптического лазера, так что при диапазоне перестройки Δλ, превышающей область свободной дисперсии интерферометра Фабри-Перо λ2/2Ho, предлагаемый способ возбуждения допускает автоколебательный режим при смещении исходного значения H0.
As a result of the influence of the measured physical quantity, irrespective of the type and parameters of MR, a self-oscillating regime is established in the system with an oscillation frequency F that coincides with the resonant frequency of the i-th mode of MR oscillations: f i = F, where i = 1, 2, ... m. To do this, the following conditions must be met:
- the frequency of relaxation oscillations of the fiber-optic laser, depending on the pump power, should be close to the relaxation frequency of the MR;
- the optical coupling coefficient ξ exceeds the critical value ξ = 10 -3 ;
- at a given wavelength of the fiber-optic laser λ, the self-oscillation zones in the parameter H 0 are discrete, periodic with the period of the Fabry-Perot interferometer. When the working point of the Fabry-Perot interferometer is shifted, a corresponding reconstruction of the fiber-optic laser generation line is carried out, so that with the tuning range Δλ exceeding the free dispersion region of the Fabry-Perot λ 2 / 2H o interferometer, the proposed excitation method admits a self-oscillating regime when the initial value of H 0 .

На выходе фотоприемника отношение сигнал-шум, как правило, составляет 30... 60 дБ, в некоторых случаях - 90 дБ. At the output of the photodetector, the signal-to-noise ratio, as a rule, is 30 ... 60 dB, in some cases - 90 dB.

Внешнее воздействие на МР, изменяющее его резонансную частоту, приводит к изменению частоты автоколебаний в соответствии с соотношением F = fi. Это позволяет рассматривать данную систему, состоящую из МР, волоконно-оптического лазера и фотоприемника, в качестве базисного микрорезонаторного волоконно-оптического преобразователя физических величин.External influence on MR, changing its resonant frequency, leads to a change in the frequency of self-oscillations in accordance with the relation F = f i . This allows us to consider this system, consisting of MR, a fiber-optic laser and a photodetector, as a basic microresonator fiber-optic converter of physical quantities.

На фиг.2 представлены варианты конструктивных схем чувствительных элементов микрорезонаторных преобразователей физических величин: давления, температуры, ускорения (позиция I - вид сверху, позиция II - вид сбоку, в разрезе А-А того же МР). Figure 2 presents the options for the design of the sensitive elements of the microresonator converters of physical quantities: pressure, temperature, acceleration (position I is a top view, position II is a side view, in section AA of the same MR).

На фиг. 2 (а), (б), (в) представлены конструкции микрорезонаторов для измерения давления в виде микромостика на мембране (а), микромостика (б), (в). Здесь 1 - одномодовый волоконный световод, диаметр сердцевины которого равен dc, 2 - отражающее покрытие МР (микромостика, мембраны) толщиной hn, 3 - резонатор Фабри-Перо с базой H, 4 - МР, выполненный из кремния.In FIG. 2 (a), (b), (c) presents the designs of microresonators for measuring pressure in the form of a microbridge on the membrane (a), a microbridge (b), (c). Here 1 is a single-mode fiber waveguide, the core diameter of which is d c , 2 is a reflective coating of MR (microbridge, membrane) of thickness h n , 3 is a Fabry-Perot resonator with a base of H, 4 is an MR made of silicon.

Принцип действия преобразователя давления, МР которого выполнен в виде микромостика на мембране и представлен на фиг. 2a, основан на том, что давление P вызывает деформацию мембраны, на которой расположен микромостик. Вследствие этой деформации в мостике возникают растягивающие (или сжимающие) напряжения, приводящие к изменению резонансной частоты микромостика, которая описывается формулой

Figure 00000002

где f1(Р), f1(P0) - резонансные частоты микромостика при давлениях P и P0 соответственно;
E, ν - модуль Юнга и коэффициент Пуассона кремния;
l, d, h, hs, r - геометрические размеры ЧЭ (чувствительного элемента).The principle of operation of the pressure transducer, the MR of which is made in the form of a microbridge on the membrane and is shown in FIG. 2a is based on the fact that pressure P causes deformation of the membrane on which the microbridge is located. As a result of this deformation, tensile (or compressive) stresses arise in the bridge, leading to a change in the resonant frequency of the microbridge, which is described by the formula
Figure 00000002

where f 1 (P), f 1 (P 0 ) are the resonant frequencies of the microbridge at pressures P and P 0, respectively;
E, ν — Young's modulus and Poisson's ratio of silicon;
l, d, h, h s , r are the geometric dimensions of the SE (sensitive element).

При l = 300 мкм, d = 30 мкм, h = 5 мкм, hs = 6 мкм, 2r = 1000 мкм имеем коэффициент преобразования

Figure 00000003

Возможность вариации геометрических размеров микрорезонаторных структур позволяет в соответствии с выражением (I) изменять диапазон измеряемых давлений и коэффициент преобразования Kp в широких пределах.For l = 300 μm, d = 30 μm, h = 5 μm, h s = 6 μm, 2r = 1000 μm, we have the conversion coefficient
Figure 00000003

The possibility of varying the geometric dimensions of the microresonator structures allows, in accordance with expression (I), to change the range of measured pressures and the conversion coefficient K p over a wide range.

На фиг. 2 (б), (в) представлены микрорезонаторные структуры в виде микромостика, отличающиеся различной конфигурацией, топологией и акустическими характеристиками. In FIG. 2 (b), (c) presents microresonator structures in the form of a microbridge, differing in various configurations, topologies, and acoustic characteristics.

На фиг. 2 (г) приведен микрорезонатор в виде составной микроконсоли, применяемой в качестве преобразователя температуры T. Такой выбор объясняется тем, что для МР данной топологии остаточные термонапряжения в структуре, возникающие в ходе технологических процессов, не приводят к особенностям в зависимости f(T) (немонотонность, неоднозначность, нелинейность функции преобразования). Кроме того, преимущества консольного МР по сравнению с другими типами в том, что он практически не чувствителен (кроме температуры) к другим видам внешних воздействий, например, давлению и т.д. Для рассматриваемого МР коэффициент преобразования

Figure 00000004
имеет вид
Figure 00000005

где αs,n, γs,n, βs,n - соответственно коэффициент линейного расширения, относительные изменения модуля Юнга Е и плотности ρ для кремния (Si) и материала покрытия (n);
αэфф - эффективный коэффициент линейного расширения слоистой структуры;
M = En • hn/Es•hs;
N = ρn•hns•hs
В соответствии с формулой (2) для составного консольного МР со слоем из вольфрама с отношением hn/hs = 0,1 имеем Kt ≈ -6 • 10-3% K-1.In FIG. Figure 2 (d) shows the microcavity in the form of a composite microconsole used as a temperature transducer T. This choice is explained by the fact that for the MR of this topology, the residual thermal stresses in the structure arising during technological processes do not lead to features in the dependence f (T) ( nonmonotonicity, ambiguity, nonlinearity of the transformation function). In addition, the advantages of a console MR compared with other types are that it is practically insensitive (except for temperature) to other types of external influences, for example, pressure, etc. For the considered MR conversion coefficient
Figure 00000004
has the form
Figure 00000005

where α s, n , γ s, n , β s, n are the linear expansion coefficient, the relative changes in Young's modulus E and density ρ for silicon (Si) and coating material (n);
α eff is the effective coefficient of linear expansion of the layered structure;
M = E n • h n / E s • h s ;
N = ρ n • h n / ρ s • h s
In accordance with formula (2) for a composite cantilever MP with a tungsten layer with a ratio of h n / h s = 0.1, we have K t ≈ -6 • 10 -3 % K -1 .

Пороговая чувствительность рассматриваемого преобразователя составляет ΔTmin≈ 0,2 K. Вследствие слабой температурной зависимости слагаемых в формуле (2) коэффициент Kt практически не зависит от температуры, следовательно, функция преобразования (T) является линейной.The threshold sensitivity of the converter under consideration is ΔT min ≈ 0.2 K. Due to the weak temperature dependence of the terms in formula (2), the coefficient K t is practically independent of temperature, therefore, the conversion function (T) is linear.

На фиг. 2 (d) представлен вариант микрорезонаторного преобразователя линейного ускорения a. Преобразователь содержит микромостик NN' с размерами l • d • hs, один конец которого N закреплен на основании МР, а другой N' - на инерционной массе с размерами c • b • y, прикрепленной к основанию МР с помощью держателя Д.In FIG. 2 (d) shows an embodiment of a microcavity linear acceleration converter a. The converter contains an NN 'microbridge with dimensions l • d • h s , one end of which N is fixed on the base of the MP, and the other N' on the inertial mass with dimensions c • b • y, attached to the base of the MP using the holder D.

Принцип действия преобразователя ускорения основан на том, что при ускоренном движении МР наличие инерционной массы М приводит к возникновению в микромостике механических напряжений G растяжения или сжатия в зависимости от направления ускорения, изменяющего его резонансную частоту. The principle of operation of the acceleration converter is based on the fact that the presence of an inertial mass M during accelerated MR motion leads to the appearance of tensile or compressive stresses G in the microbridge, depending on the direction of acceleration, which changes its resonant frequency.

Figure 00000006

где
Figure 00000007
- деформация микромостика.
Figure 00000006

Where
Figure 00000007
- deformation of the microbridge.

Коэффициент преобразования МР равен

Figure 00000008

Подстановка численных значений параметров рассматриваемого преобразователя l = 500 мкм, c = 1500 мкм, b = 2000 мкм, y = 200 мкм, y0 = 100 мкм, d = 15 мкм, hs = 5 мкм приводит к значению Ka≈ 5 • 10-2% (м/сек2)-1, пороговая чувствительность преобразователя amin = 5 • 10-4 м/сек2.MR conversion coefficient is
Figure 00000008

Substitution of the numerical values of the parameters of the converter under consideration l = 500 μm, c = 1500 μm, b = 2000 μm, y = 200 μm, y 0 = 100 μm, d = 15 μm, h s = 5 μm leads to the value K a ≈ 5 • 10 -2 % (m / s 2 ) -1 , the threshold sensitivity of the transducer a min = 5 • 10 -4 m / s 2 .

Быстродействие подобных преобразователей ограничено полосой частот 0 ... f/Q, что связано с конечностью времени установления колебаний МР. Акустическая добротность МР Q может изменяться в зависимости от условий вакуумирования МР-структур в широких пределах, например, в условиях вакуума 10-3 мм рт.ст. может составлять Q ≥ 104.The speed of such converters is limited by the frequency band 0 ... f / Q, which is associated with the finiteness of the time for the establishment of the oscillations of the MR. The acoustic quality factor of the MR Q can vary depending on the vacuum conditions of the MR structures over a wide range, for example, in a vacuum of 10 -3 mm Hg. may be Q ≥ 10 4 .

Таким образом, предложен новый принцип построения микрорезонаторных волоконно-оптических преобразователей физических величин в изменение частоты на основе эффекта возбуждения автоколебаний в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор. Показана возможность разработки на основе рассматриваемой системы с разными микрорезонаторными структурами волоконно-оптических датчиков давления, температуры, ускорения с соответствующими оценками их характеристик при нормальных условиях. Thus, a new principle is proposed for constructing microresonator fiber-optic converters of physical quantities into a frequency change based on the effect of excitation of self-oscillations in a fiber-optic laser-microcavity system. The possibility of developing fiber optic pressure, temperature, and acceleration sensors with corresponding estimates of their characteristics under normal conditions on the basis of the system under consideration with different microresonator structures is shown.

Claims (4)

1. Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин, включающий источник оптического излучения, полупрозрачное зеркало, микрорезонатор, отличающийся тем, что в качестве источника оптического излучения использован волоконно-оптический лазер, один торец которого сопряжен с микрорезонатором, а второй является выходным, при этом внутри резонатора волоконно-оптического лазера размещен интерферометр Маха-Цандера. 1. Microresonator fiber-optical converter of physical quantities, including a source of optical radiation, a translucent mirror, a microcavity, characterized in that a fiber-optic laser is used as a source of optical radiation, one end of which is coupled to a microcavity, and the second is an output, while inside fiber laser resonator placed a Mach-Zander interferometer. 2. Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин по п. 1, отличающийся тем, что микрорезонатор выполнен в виде микромостика на мембране или в виде микромостика. 2. Microresonator fiber-optic converter of physical quantities according to claim 1, characterized in that the microresonator is made in the form of a microbridge on the membrane or in the form of a microbridge. 3. Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин по п.1, отличающийся тем, что микрорезонатор выполнен в виде составной микроконсоли. 3. The microresonator fiber-optic converter of physical quantities according to claim 1, characterized in that the microresonator is made in the form of a composite micro-console. 4. Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин по п.1, отличающийся тем, что микрорезонатор выполнен в виде микромостика, один конец которого закреплен на основании микрорезонатора, а другой - на инерционной массе, связанной с основанием микрорезонатора. 4. Microresonator fiber-optic converter of physical quantities according to claim 1, characterized in that the microresonator is made in the form of a microbridge, one end of which is fixed to the base of the microresonator, and the other to the inertial mass associated with the base of the microresonator.
RU97110751A 1997-06-26 1997-06-26 Microresonator fiber-optical converter of physical quantities RU2135963C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97110751A RU2135963C1 (en) 1997-06-26 1997-06-26 Microresonator fiber-optical converter of physical quantities

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU97110751A RU2135963C1 (en) 1997-06-26 1997-06-26 Microresonator fiber-optical converter of physical quantities

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU97110751A RU97110751A (en) 1999-05-27
RU2135963C1 true RU2135963C1 (en) 1999-08-27

Family

ID=20194599

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU97110751A RU2135963C1 (en) 1997-06-26 1997-06-26 Microresonator fiber-optical converter of physical quantities

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2135963C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014171858A1 (en) * 2013-04-17 2014-10-23 Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" Distributed fibre-optic pressure sensor
CN108414104A (en) * 2018-03-30 2018-08-17 中国计量大学 A kind of micro- hanging bridge temperature detection device of H-type with bimetallic plated film

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHANG L.M. и др. Stabilisation of opticallyexcited self-oscillation. Electronics Letters 31st August 1989, v. 25, N 18, p.p. 1235, 1236. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014171858A1 (en) * 2013-04-17 2014-10-23 Общество с ограниченной ответственностью "Уникальные волоконные приборы" Distributed fibre-optic pressure sensor
CN108414104A (en) * 2018-03-30 2018-08-17 中国计量大学 A kind of micro- hanging bridge temperature detection device of H-type with bimetallic plated film
CN108414104B (en) * 2018-03-30 2024-01-23 中国计量大学 H-shaped micro-suspension bridge temperature detection device with bimetal coating

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10254304B2 (en) Opto-mechanical physical sensor with an improved sensitivity
US6668111B2 (en) Optical microcavity resonator sensor
RU2152601C1 (en) Fiber-optic pressure transducer (design versions) and its manufacturing process
US8318524B2 (en) Single wafer fabrication process for wavelength dependent reflectance for linear optical serialization of accelerometers
US6901101B2 (en) Optical sensor for measuring physical and material properties
US8542365B2 (en) Optical MEMS chemical sensor array
EP0244086B1 (en) Resonator device
WO2002001146A9 (en) Optical microcavity resonator sensor
Bao et al. An optomechanical accelerometer with a high-finesse hemispherical optical cavity
RU2135963C1 (en) Microresonator fiber-optical converter of physical quantities
US11761884B2 (en) Photoacoustic transducer
Flores et al. Low-frequency noise stabilization in optomechanical inertial accelerometers for high-resolution sensing
RU2135957C1 (en) Microresonator fiber-optical converter of physical quantities
RU2110049C1 (en) Fiber-optic temperature sensor using microresonator
RU2117934C1 (en) Fiber-optic self-excited oscillator
Bao et al. A photonic MEMS accelerometer with a low-finesse hemispherical microcavity readout
Kist et al. The Fiber Fabry-Perot And Its Applications As A Fiber-Optic Sensor Element.
Mahissi et al. Diaphragms simulation, fabrication, and testing of a high temperature fiber optic FP accelerometer based on MEMS
RU2142114C1 (en) Microresonator fiber-optical sensor of concentration of gases
RU2116631C1 (en) Fibre-optical self-excited oscillator
RU2161783C2 (en) Fiberoptical temperature-sensitive element based on microresonator
RU2135958C1 (en) Fiber-optical active oscillator
RU2142117C1 (en) Microresonator fiber-optical transmitter of angular displacements
Malayappan et al. Optical MEMS Accelerometers: A Review
JP2023509899A (en) Optical device for sound wave detection