УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОКОГЕРЕНТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ

Предложение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано при производстве волоконно-оптических датчиков физических величин, таких, как бриллюэновские и когерентные рефлектометры.
При создании оптических рефлектометров, таких, как бриллюэновские и когерентные, возникает необходимость формирования импульсов оптического излучения длительностью в наносекундном диапазоне (типично 2-500 нс) с минимальной шириной спектра, предпочтительно, определяемой длительностью формируемого импульса.
Известно устройство (RU 2287131, 2005), в котором узкополосный спектр формируется при непосредственной модуляции одночастотного полупроводникового лазера током инжекции. Недостатком известного устройства является значительный чирп (перестройка частоты генерации) в течение длительности импульса и неустойчивость одночастотного режима генерации при импульсной накачке, что затрудняет эксплуатацию устройства.
Известны устройства (например, US 7504618, 2009), в которых формирование высококогерентных оптических импульсов достигается в двухступенчатой схеме, содержащей задающий генератор - непрерывный лазер и модулятор интенсивности, осуществляющий вырезание из непрерывного излучения импульса требуемой длительности. При этом используют либо электрооптический модулятор (как правило, на основе интегрального интерферометра Маха-Цандера), либо акустооптический модулятор.
Использование электрооптического модулятора достаточно удобно, однако обычно такие модуляторы обеспечивают контраст не более 20-23 дБ, что недостаточно для большинства применений. Частично этот недостаток устранен в работе (Нестеров Е.Т. и др., Метод увеличения дальности работы когерентного оптического рефлектометра. Письма в ЖТФ, 2011, том 37, вып.9, стр.55-63), где задающий лазер работает в режиме длинного импульса, который необходим для выхода одночастотного лазера с распределенной обратной связью на режим, близкий к непрерывному. Это усложняет схему, однако не приводит к радикальному улучшению контраста импульсов.
Наиболее подходящим для решения поставленной задачи является акустооптический модулятор, так как он может обеспечить контраст более 60 дБ.
Известен акустооптический модулятор (например, RU 2476916, 27.02.2013), используемый в акустооптике и лазерной технике, в частности, в качестве акустооптического модулятора пучка оптического излучения. Модулятор содержит кристаллический светозвукопровод с размещенным на его грани ультразвуковым излучателем и двумя боковыми гранями оптического качества для ввода и вывода указанного оптического излучения. Светозвукопровод выполнен из моноклинного кристалла. При этом ультразвуковой излучатель размещен на грани кристалла. Модулятор предназначен для лазерных пучков высокой мощности с достижением высокого коэффициента дифракции.
Однако известный модулятор требует применения сложной высокочастотной электронной схемы для осуществления акустооптического взаимодействия. Основной же его недостаток применительно к решаемой задаче - ограниченное скоростью звука в активной среде быстродействие, обычно не лучшее 100 нс.
Таким образом, технической задачей, на решение которой направлено предложение, является разработка устройства, обеспечивающего формирование высококогерентных оптических импульсов для увеличения дальности действия и разрешающей способности создаваемых оптических рефлектометров, обеспечивающих регистрацию рэлеевского, бриллюэновского и рамановского рассеяния света.
Технический результат - повышение контраста и получение произвольной длительности импульса в наносекундном диапазоне формируемых высококогерентных оптических импульсов.
Технический результат достигается тем, что согласно предложению устройство для формирования высококогерентных оптических импульсов содержит последовательно соединенные по свету непрерывный одночастотный лазер, оптический изолятор и полупроводниковый оптический усилитель в качестве модулятора интенсивности, связанный электрически с генератором импульсов тока накачки.
Способствует достижению технического результата то, что
- между непрерывным одночастотным лазером и оптическим полупроводниковым усилителем дополнительно включен после оптического изолятора или перед ним оптический аттенюатор, который может быть выполнен с возможностью фиксированного затухания;
- кристалл полупроводникового оптического усилителя имеет увеличенную длину - от 0,5 до 10 мм, а торцы кристалла просветлены или скошены на угол, достаточный для предотвращения оптической положительной обратной связи;
- полоса усиления полупроводникового оптического усилителя смещена в длинноволновую область спектра относительно спектра непрерывного одночастотного лазера;
- генератор импульсов тока накачки выполнен полупроводниковым на микросхемах или транзисторах в выходном каскаде с возможностью обеспечения получения импульсов наносекундного диапазона длительности с амплитудой тока типично 0,5 А при напряжении на полупроводниковом оптическом усилителе типично 2 В;
- в качестве непрерывного одночастотного лазера применен инжекционный полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью, выполненной непосредственно на полупроводниковом чипе или в виде волоконной брэгговской решетки в качестве зеркала оптического резонатора;
- полупроводниковый оптический усилитель может быть выполнен с пристыкованными к нему на входе и выходе оптическими волокнами.
В конкретном примере полупроводниковый оптический усилитель выполнен с возможностью введения выходного излучения в оптическое волокно.
В предложенном устройстве используется двухступенчатая схема. При этом используется малоизвестное свойство полупроводниковой гетероструктуры - при отсутствии тока инжекции существенно ослабляется оптическое излучение определенного спектрального состава.
Предлагаемое устройство показано на фиг.1, смещение полосы усиления оптического усилителя в длинноволновую область относительно линии генерации непрерывного одночастотного лазера - на графике (фиг.2) в координатах λ - длина волны, S(λ) - спектральная плотность.
Устройство для формирования высококогерентных оптических импульсов включает непрерывный одночастотный лазер 1, оптический изолятор 2, оптический аттенюатор 3, полупроводниковый оптический усилитель 4 и генератор 5 импульсов тока накачки оптического усилителя 4. Первые четыре элемента соединены последовательно по свету (предпочтительно - с использованием оптического волокна). Генератор 5 импульсов тока накачки электрически связан с полупроводниковым оптическим усилителем 4. Оптические аттенюатор 2 и изолятор 3 могут быть расположены в произвольном порядке, кроме того, оптический аттенюатор 2 может отсутствовать. Выходное излучение в типичном случае поступает в оптическое волокно 6.
В качестве непрерывного одночастотного лазера 1 может быть применен инжекционный полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (РОС - лазер), выполненной непосредственно на полупроводниковом чипе или в виде волоконной брэгговской решетки в качестве одного из зеркал резонатора.
Оптические аттенюаторы с ручным или электрическим управлением, а также оптические изоляторы (элементы с односторонним пропусканием) с волоконным входом-выходом выпускаются серийно. Аттенюатор также может быть выполнен с фиксированным затуханием.
Полупроводниковый оптический усилитель 4 представляет собой полупроводниковую гетероструктуру, аналогичную гетероструктуре непрерывного полупроводникового лазера, которая при отсутствии тока инжекции поглощает оптическое излучение. Наиболее удобно использовать оптический усилитель с пристыкованными к нему оптическими волокнами на входе и выходе. Для уменьшения влияния отражения от торцов кристалла они либо просветляются, либо скашиваются на угол, достаточный для предотвращения оптической положительной обратной связи.
Для повышения контраста оптических импульсов предлагается также смещать полосу усиления полупроводникового оптического усилителя 4 (кривая 7 на фиг.2) в длинноволновую область относительно линии 8 генерации непрерывного одночастотного лазеpa 1. Для диапазона 1550 нм рекомендуемая величина смещения полосы усиления оптического усилителя (кривая 7) составляет 5-10 нм.
Генератор 5 импульсов тока накачки обычно выполняется полупроводниковым (на микросхемах или транзисторах в выходном каскаде) и должен обеспечивать получение импульсов наносекундного диапазона длительности с амплитудой тока 0,5 А (типично) при напряжении 2 В (типично) на полупроводниковом оптическом усилителе 4. С целью получения минимальной ширины оптического спектра форма импульсов должна отличаться от прямоугольной (быть колоколообразной, например, гауссовой). Длительность импульса может варьироваться в широких пределах от 1 нc и более.
Устройство работает следующим образом. Непрерывный одночастотный лазер 1 с распределенной обратной связью (РОС-лазер) генерирует оптическое излучение с шириной спектра от 1 до 0,1 МГц (типично). Одночастотный режим генерации является устойчивым, если отсутствует обратное отражение от схемы, поэтому в схему введен оптический изолятор 2. Излучение после оптического изолятора 2 поступает в полупроводниковый оптический усилитель 4, где в результате межзонного поглощения ослабляется в случае отсутствия тока инжекции, и это ослабление малого сигнала может достигать 30 дБ. Если мощность непрерывного одночастотного лазера 1 достаточно велика, то происходит изменение населенностей лазерных уровней, приводящее к просветлению гетероструктуры полупроводникового оптического усилителя 4. Для уменьшения указанного эффекта в схему в конкретном примере введен оптический аттенюатор 3, ослабляющий входящее в полупроводниковый оптический усилитель 4 излучение.
Результирующий контраст оптических импульсов складывается (в логарифмической шкале) из ослабления в полупроводниковом оптическом усилителе 4 при нулевом токе инжекции (для малого сигнала типично 25-30 дБ) и усиления малого сигнала при наличии тока инжекции (типично 25-30 дБ) и может достигать 50-60 дБ, что достаточно для большинства применений.
Дальнейшее повышение контраста можно получить, специально увеличивая длину кристалла усилителя до величин 0,5-10 мм.
Для повышения контраста импульсов предлагается также смещать полосу усиления оптического усилителя (поз.7 на рис.2) в длинноволновую область относительно линии генерации непрерывного одночастотного лазера 1 (поз.8 на рис.2). Рекомендуемая величина смещения составляет 5-10 нм (для диапазона 1550 нм). При этом усиление при наличии тока инжекции через полупроводниковый оптический усилитель 4 изменяется незначительно (на 1-2 дБ), а ослабление в пассивном режиме возрастает в большей степени (более 10 дБ). Это приводит к возрастанию контраста для узкополосных сигналов на 8-10 дБ и более.
Дополнительное увеличение контраста можно получить, применив режим длинных импульсов для питания задающего лазера (Нестеров Е.Т. и др.. Метод увеличения дальности работы когерентного оптического рефлектометра. Письма в ЖТФ, 2011, том 37, вып.9, с.55-63).
При подаче на полупроводниковый оптический усилитель 4 тока инжекции достаточной величины происходит не ослабление, а усиление оптического сигнала, то есть формирование высококонтрастного оптического импульса с когерентностью, определяемой длительностью и формой импульса накачки. Согласно нашим измерениям, при использовании элементов телекоммуникационного качества, работающих на длине волны 1550 нм, удалось с использованием полупроводникового усилителя фирмы Nortel получить импульсы в диапазоне длительностей от 2,5 до 200 не с контрастом не менее 50 дБ. Выходная мощность импульса составляла при этом 5 дБм.
Для работы в составе рефлектометров предлагаемое устройство может дополняться одно- или двухступенчатым усилителем на основе легированных редкоземельными элементами оптических волокон (эрбиевых, иттербиевых или иных).
Описанное устройство может быть использовано и для получения оптических импульсов с широким спектром, однако, с несколько меньшим контрастом.
Использование предложения позволяет создавать оптические рефлектометры с регистрацией рэлеевского, бриллюэновского и рамановского рассеяния света с улучшенными характеристиками, прежде всего с увеличенной дальностью действия и разрешающей способностью.