RU99197U1

RU99197U1 - MICRESONATOR FIBER OPTICAL CONVERTER OF PHYSICAL VALUES

Info

Publication number: RU99197U1
Application number: RU2010122031/28U
Authority: RU
Inventors: Вера Ивановна Кузнецова; Максим Евгеньевич Удалов; Никита Владимирович Левин; Татьяна Викторовна Стрельникова; Дмитрий Леонидович Сербинов; Евгения Андреевна Радченко
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2010-11-10

Abstract

Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин, содержащий полупроводниковый лазер накачки, волоконно-оптический лазер, микрорезонатор, фотоприемник, анализатор спектра, автоколлиматор, отличающийся тем, что преобразователь дополнительно снабжен направленным волоконным ответвителем, входной торец которого оптически связан с полупроводниковым лазером накачки, а свободный торец ответвителя сопряжен с измерительным каналом, содержащим отрезок активного одномодового световода, автоколлиматор и микрорезонатор, при этом микрорезонатор выполнен в виде микрорезонаторной структуры с получением опорного и сигнального каналов, выполненных с возможностью обеспечения одновременного возбуждения автоколебаний микрорезонаторной структуры в опорном и сигнальном каналах, а волоконно-оптический лазер выполнен с возможностью возбуждения гармонических колебаний на разностных частотах одновременно возбуждаемых автоколебаний микрорезонаторной структуры в опорном и сигнальном каналах. A microresonator fiber-optic physical quantity converter containing a semiconductor pump laser, a fiber optic laser, a microcavity device, a photodetector, a spectrum analyzer, an autocollimator, characterized in that the converter is additionally equipped with a directional fiber coupler, the input end of which is optically coupled to a semiconductor pump laser, and a free the end of the coupler is interfaced with a measuring channel containing a segment of an active single-mode fiber, an autocollimator, and a micro-cutter at the same time, the microcavity is made in the form of a microcavity structure with obtaining the reference and signal channels configured to provide simultaneous excitation of self-oscillations of the microresonator structure in the reference and signal channels, and the fiber-optic laser is configured to excite harmonic oscillations at the difference frequencies of simultaneously excited self-oscillations of the microresonator structures in the reference and signal channels.

Description

Микрорезонаторный волоконно-оптический преобразователь физических величин (МВОП) относится к волоконно-оптическим автогенераторным системам на основе волоконных лазеров с микрорезонаторными зеркалами и может быть использован в системах измерения различных физических величин, например, температуры, давления и др.Microresonator fiber-optic physical quantity converter (MVOF) refers to fiber-optic self-oscillating systems based on fiber lasers with microresonator mirrors and can be used in measuring systems of various physical quantities, for example, temperature, pressure, etc.

В настоящее время большое внимание уделяется разработке волоконно-оптических датчиков (ВОД) с частотным кодированием сигнала, принцип действия которых основан на зависимости частоты автоколебаний микрорезонатора от величины различных внешних условий.Currently, much attention is paid to the development of fiber-optic sensors (VOD) with frequency coding of the signal, the principle of operation of which is based on the dependence of the self-oscillation frequency of the microresonator on the magnitude of various external conditions.

Известны работы по созданию нового класса ВОД на основе использования микромеханического резонатора (МР) и оптического изучения, взаимодействующего с МР.Known work on the creation of a new class of water based on the use of a micromechanical resonator (MR) and optical studies that interact with MR.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является МВОП (см. патент РФ №2135957 кл. G01D 5/353, G02В 6/26 1997 г.), содержащий волоконно-оптический лазер (ВОЛ), световод, автоколлиматор, микрорезонатор с отражающей поверхностью, фотоприемник, анализатор спектра, полупроводниковый лазер накачки.Closest to the proposed technical solution for the technical nature and the achieved result is MVO (see RF patent No. 2135957 class G01D 5/353, G02B 6/26 1997), containing fiber optic laser (FOL), optical fiber, autocollimator, a microresonator with a reflective surface, a photodetector, a spectrum analyzer, a semiconductor pump laser.

В известном МВОП резонансное взаимодействие ВОЛ с микрорезонатором осуществляется на основе модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал, в качестве которого служит МР.In the well-known MVOP, the resonant interaction of an optical fiber with a microcavity is carried out on the basis of Q-switching of a two-mirror optical resonator due to photoinduced angular deviations of one of the mirrors, which is an MR.

При этом существование автоколебательного режима в системе ВОЛ-МР осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения R оптического резонатора ВОЛ, возникающей вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений МР, нормаль к отражающей поверхности которого ориентирована под углом Θ к оптической оси коллимированного пучка света.In this case, the existence of a self-oscillating regime in the VOL-MR system is carried out by modulating the amplitude of the reflection coefficient R of the optical fiber of the VOL arising from photoinduced angular deviations of the MR, the normal to the reflecting surface of which is oriented at an angle Θ to the optical axis of the collimated light beam.

Уникальные свойства ВОЛ, позволяющие обеспечить эффективное оптическое согласование МР с ВОЛ, а также новейшая технология изготовления МР являются основанием рассматривать данную систему ВОЛ-МР в качестве основы для разработки новых принципов построения частотных преобразователей физических величин различных конструкций.The unique properties of fiber optic transmission lines, which ensure efficient optical matching between MR and VOL, as well as the latest technology for manufacturing MR, are the basis for considering this VOL-MR system as a basis for developing new principles for constructing frequency converters of physical quantities of various designs.

Однако данный МВОП обладает следующими недостатками.However, this MVO has the following disadvantages.

Оптическим резонатором ВОЛ в аналоге является весь волоконно-оптический тракт (от зеркала M₁ до отражающей поверхности МР), включающий в себя как активный, так и пассивный отрезки световодов. Значительная длина волоконного тракта, составляющая 10÷100 м, приводит к сильной чувствительности МВОП к дестабилизирующим факторам, воздействующим на весь тракт. По существу весь волоконно-оптический тракт является антенной, принимающей различные воздействия на него, например, изгибы световодов, изменение температуры окружающей среды, давления и т.д., что приводит к нестабильности характеристик оптического резонатора ВОЛ и снижению точности измерений.The optical fiber optic resonator in the analogue is the entire fiber optic path (from the mirror M ₁ to the reflective surface of the MR), which includes both active and passive segments of optical fibers. A significant length of the fiber path, amounting to 10 ÷ 100 m, leads to a strong sensitivity of MVO to destabilizing factors affecting the entire path. Essentially, the entire fiber-optic path is an antenna that receives various effects on it, for example, bends of optical fibers, changes in ambient temperature, pressure, etc., which leads to instability of the characteristics of the optical fiber optic resonator and a decrease in the accuracy of measurements.

Кроме того, известное решение характеризуется высокими требованиями к стабильности мощности излучения полупроводникового лазера накачки.In addition, the known solution is characterized by high requirements for the stability of the radiation power of a semiconductor pump laser.

Задача, решаемая данным предложенным решением, заключается в разработке МВОП физических величин, отличающегося от ближайшего аналога следующими преимуществами:The problem solved by this proposed solution is to develop the MVO of physical quantities, which differs from the closest analogue by the following advantages:

- увеличена точность измерений;- increased measurement accuracy;

- сняты ограничения на удаленность чувствительного элемента, реагирующего на изменение внешних воздействий, от места размещения регистрирующей электронной аппаратуры;- removed restrictions on the remoteness of the sensitive element that responds to changes in external influences from the location of the recording electronic equipment;

- расширены функциональные возможности МВОП.- expanded the functionality of MVO.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что МВОП, содержащий полупроводниковый лазер накачки, волоконно-оптический лазер, микрорезонатор, фотоприемник, анализатор спектра, автоколлиматор, дополнительно снабжен направленным (одноканальным) волоконным ответвителем, входной торец которого оптически связан с полупроводниковыми лазером накачки, а свободный торец ответвителя сопряжен с измерительным каналом, содержащим отрезок активного одномодового световода, автоколлиматор и микрорезонатор, при этом микрорезонатор выполнен в виде микрорезонаторной структуры с получением опорного и сигнального каналов, выполненных с возможностью обеспечения одновременного возбуждения автоколебаний микрорезонаторной структуры в опорном и сигнальном каналах, а ВОЛ выполнен с возможностью возбуждения гармонических колебаний на разностных частотах одновременно возбуждаемых автоколебаний микрорезонаторной структуры в опорном и сигнальном каналах.The solution to this problem is ensured by the fact that the MVO, containing a semiconductor pump laser, a fiber optic laser, a microcavity, a photodetector, a spectrum analyzer, an autocollimator, is additionally equipped with a directional (single-channel) fiber coupler, the input end of which is optically coupled to the semiconductor pump laser, and the free end the coupler is coupled to a measuring channel containing a segment of an active single-mode fiber, an autocollimator and a microcavity, while the microcavity is made in in the form of a microresonator structure with obtaining the reference and signal channels, configured to provide simultaneous excitation of self-oscillations of the microresonator structure in the reference and signal channels, and the HOL is made with the possibility of exciting harmonic oscillations at the difference frequencies of simultaneously excited self-oscillations of the microresonator structure in the reference and signal channels.

Суть предлагаемого технического решения заключается в следующем. Предложена новая схема МВОП на основе использования активных световодов, легированных редкоземельными элементами Y_B ⁺³-E_r ⁺³ для создания высокоэффективных эрбиевых волоконных лазеров (ЭВЛ) с малыми длинами волоконных резонаторов l≤0,1 м. Широкий диапазон энергетических и динамических характеристик рассматриваемых ЭВЛ дает возможность создания МВОП нового типа.The essence of the proposed technical solution is as follows. A new MVOA scheme is proposed based on the use of active fibers doped with rare-earth elements Y _B ⁺³ -E _r ⁺³ to create highly efficient erbium fiber lasers (EVL) with short fiber resonator lengths l≤0.1 m. A wide range of energy and dynamic characteristics of the considered EVL makes it possible to create a new type of MVO.

Применение двухэлементных микрорезонаторных структур, одновременно взаимодействующих с излучением ЭВЛ, обуславливает резонансную автомодуляцию в двух одновременно возбуждаемых микрорезонаторах. В результате в спектре автомодуляции интенсивности ЭВЛ появляются разностные частоты ΔF резонансных частот f₁, f₂ двух элементов микрорезонаторной структуры:The use of two-element microresonator structures simultaneously interacting with the radiation of electronic radiation causes resonant self-modulation in two simultaneously excited microresonators. As a result, the difference frequencies ΔF of the resonant frequencies f ₁ , f _{2 of} two elements of the microresonator structure appear in the self-modulation spectrum of the EVL intensity:

ΔF=f₂-f₁, (f₂>f₁)ΔF = f ₂ -f ₁ , (f ₂ > f ₁ )

Этот факт позволят организовать измерительный канал по дифференциальной схеме измерений, что открывает дополнительные возможности для увеличения точности измерений за счет существенного ослабления влияния аддитивных дестабилизирующих воздействий внешних факторов.This fact will allow us to organize the measuring channel according to the differential measurement scheme, which opens up additional possibilities for increasing the accuracy of measurements due to a significant weakening of the influence of additive destabilizing effects of external factors.

Следует отметить, что в данном устройстве резонансные частоты каждого из двух элементов микрорезонаторной структуры f₁ и f₂, взаимодействующих с одним и тем же лазером, должны быть достаточно близкими:It should be noted that in this device the resonant frequencies of each of the two elements of the microresonator structure f ₁ and f ₂ interacting with the same laser should be quite close:

f_рел≈f₁≈f₂,f _rel ≈f ₁ ≈f ₂ ,

где f_рег - частота релаксационных колебаний ЭВЛ.where f _reg is the frequency of relaxation oscillations of EVL.

При этом измерительный процесс построен таким образом, что в одновременно возбуждаемой паре МР один МР является опорным, а другой - измерительным, чувствительным к измеряемому параметру.In this case, the measurement process is constructed in such a way that in the simultaneously excited MR pair, one MR is a reference and the other a measurement, sensitive to the parameter being measured.

Применение ЭВЛ с уникальными свойствами, а также новейшая технология изготовления МР с заданными акустическими и оптическими характеристиками и топологией (микромембрана, микромостик, микроконсоль) позволяют реализовать МВОП с улучшенными точностными характеристиками, существенно повысить быстродействие и динамический диапазон преобразователя физических величин.The use of EVLs with unique properties, as well as the latest technology for manufacturing MR with specified acoustic and optical characteristics and topology (micro-membrane, micro-bridge, micro-console) make it possible to realize MVO with improved accuracy characteristics, significantly increase the speed and dynamic range of the converter of physical quantities.

На фиг.1 представлена схема МВОП физических величин, позволяющая контролировать резонансные частоты основных мод акустических колебаний, величина которых зависит от топологии и конструкции МР, характеристик ЭВЛ и автоколлиматора.Figure 1 presents the MVO diagram of physical quantities, which allows you to control the resonant frequencies of the main modes of acoustic vibrations, the magnitude of which depends on the topology and design of the MR, the characteristics of the EVL and autocollimator.

Здесь 1 - ЭВЛ, 2 - полупроводниковый лазер накачки, 3 - направленный волоконный ответвитель, входной торец которого связан с полупроводниковым лазером накачки 2, а свободный сопряжен с измерительным каналом, 4 - дихроическое зеркало, отражающее излучение на длине генерации лазера λ_л и пропускающее на длине волны полупроводникового лазера накачки λ_н=0,98 мкм, при этом дихроическое зеркало выполнено на основе Брэгтовской решетки и сформировано непосредственно в световоде 5, 6 - микрорезонатор, выполненный в виде микрорезонаторной структуры с получением опорного и сигнального каналов, 7 - автоколлиматор, 8 - фотоприемник, 9 - анализатор спектра (АС).Here 1 is an EVL, 2 is a semiconductor pump laser, 3 is a directional fiber coupler, the input end of which is connected to a semiconductor pump laser 2, and the free one is coupled to the measuring channel, 4 is a dichroic mirror reflecting radiation over the laser generation length λ _l and transmitting through wavelength semiconductor laser pumping _n λ = 0.98 microns, wherein the dichroic mirror is made based Bregtovskoy grating and formed directly in the fiber 5, 6 - microresonator formed as a microresonator structure of teachings of the reference and signal channels 7 - autocollimator, 8 - photodetector 9 - a spectrum analyzer (AS).

Устройство работает следующим образом. Накачка ЭВЛ 1 осуществляется полупроводниковым лазером 2, излучение которого с помощью направленного волоконного ответвителя 3 направляется в отрезок активного световода 5 ЭВЛ, взаимодействующего с микрорезонатором 6 через автоколлиматор 7.The device operates as follows. The EVL 1 is pumped by a semiconductor laser 2, the radiation of which is directed using a directional fiber coupler 3 into a segment of the active electron guide fiber 5, which interacts with the microcavity 6 through an autocollimator 7.

В условиях непрерывной накачки в данном МВОП возбуждаются автоколебания двух микрорезонаторов на частотах f₁ и f₂, один из которых является опорным, а другой - сигнальным.Under continuous pumping conditions, self-oscillations of two microresonators at frequencies f ₁ and f _{2 are} excited in this MVO, one of which is the reference one, and the other is the signal one.

Проявлением резонансной автомодуляции в двух одновременно возбуждаемых микрорезонаторах является появление в спектре автомодуляции интенсивности лазера разностной частоты ΔF=f₂-f₁(f₂>f₁), фиксируемой фотоприемником 8.A manifestation of resonant self-modulation in two simultaneously excited microresonators is the appearance of a difference frequency ΔF = f ₂ -f ₁ (f ₂ > f ₁ ) detected by the photodetector 8 in the self-modulation spectrum of the laser intensity.

Разностная частота ΔF, снимаемая с АС, является функцией контролируемых воздействий, измеряемых по определенному алгоритму с учетом конструкции микрорезонатора 6 и параметров измерительного канала.The difference frequency ΔF, taken from the AC, is a function of the controlled influences measured according to a certain algorithm, taking into account the design of the microcavity 6 and the parameters of the measuring channel.

Отметим, что предложенное устройство допускает дальнейшее его усовершенствование в направлении повышения точности и чувствительности за счет усовершенствования конструкции опорного и сигнального каналов, а также - применения одномодовых (одночастотных) волоконных лазеров с активной средой на основе поляризующих световодов.Note that the proposed device allows its further improvement in the direction of increasing accuracy and sensitivity by improving the design of the reference and signal channels, as well as the use of single-mode (single-frequency) fiber lasers with an active medium based on polarizing optical fibers.

Таким образом, предложенное решение позволяет повысить точность МВОП и улучшить его основные технические характеристики.Thus, the proposed solution can improve the accuracy of MVO and improve its basic technical characteristics.

Claims

A microresonator fiber-optic physical quantity converter containing a semiconductor pump laser, a fiber optic laser, a microcavity device, a photodetector, a spectrum analyzer, an autocollimator, characterized in that the converter is additionally equipped with a directional fiber coupler, the input end of which is optically coupled to a semiconductor pump laser, and a free the end of the coupler is interfaced with a measuring channel containing a segment of an active single-mode fiber, an autocollimator, and a micro-cutter at the same time, the microcavity is made in the form of a microcavity structure with obtaining the reference and signal channels configured to provide simultaneous excitation of self-oscillations of the microresonator structure in the reference and signal channels, and the fiber-optic laser is configured to excite harmonic oscillations at the difference frequencies of simultaneously excited self-oscillations of the microresonator structures in the reference and signal channels.