CC BY
32ВКВО-2019- ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
МНОГОМОДОВЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВОЛОКОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП
1* 2 Сахаров В.К. , Машинский С.С.
1АО «Центр ВОСПИ», Москва 2Пермская научно-производственная приборостроительная компания, Пермь
E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16012
Чувствительность полупроводникового лазерного гироскопа была существенно повышена при использовании световода большой длины в качестве кольцевого резонатора и частотной подставки, создаваемой с помощью внутрирезонаторной фазовой модуляции [1]. Экспериментальную часть дальнейшей работы составили исследования вариантов схемы устройства, характеристик излучения, способов создания частотной подставки и пр. В теоретической части была предложена модель ЛГ, описывающая взаимодействие встречных волн в кольцевом резонаторе через обратное рассеяние с помощью рекуррентных уравнений [2].
С самого начала неожиданным и необъяснимым оказалась большая амплитуда биений, возникающая в результате интерференции многомодового излучения, а также динамика амплитуды биений с периодически повторяющимся постепенным спадом, а затем быстрым восстановлением. Объяснение этих неординарных и стабильно повторявшихся особенностей является главной целью настоящей работы.
В качестве активного элемента в экспериментах использовались два образца полупроводникового оптического усилителя на кристалле InGaAsP/InP - один фирмы «Govega», а другой «Нолатех»; оба лазерные структуры с квантовыми ямами. Для создания подставки применялись фазовые модуляторы на основе пьезокерамики и кристалла LiNbO3. На Рис.1 a представлена блок-схема устройства, в котором использовался электрооптический модулятор.
Рис.1 Блок-схема устройства (а), осциллограмма биений при вращении и сигнал фазовой модуляции
треугольной формы (Ь)
На Рис.16 показаны биения на выходе устройства при вращении и сигнал фазовой модуляции в форме треугольника, создающий реверсивную частотную подставку в виде меандра. Биения с большой амплитудой стабильно воспроизводились при накачке в диапазоне 80-200 мА, полная спектральная ширина излучения составляла 2-5 нм. В интервале токов накачки 200-250 мА амплитуда
биений резко падала, а ширина спектра увеличивалась до 10 нм.
Оптический спектр в оптимальном режиме работы представлял собой структуру из узких линий с преимущественным интервалом между соседними линиями, равным примерно ДА,«0,3 нм (Рис.2). Ширина линий не разрешалась оптическим спектрометром, но о ней позволял судить спектр межмодовых биений в фототоке, измеряемый с помощью быстродействующего фотодиода и
радиоспектрометра. Он представлял собой частотную гребенку в относительно небольшой полосе 150-200 МГц с интервалом
1 - 5565 U2 1 - 5565
Рис.2 Оптический спектр
34
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
ВКВО-2019 Волоконно-оптические датчики
324,5 кГц. Ширина полосы позволяла оценить ширину линий в оптическом спектре, составлявшую в нанометрах 5А«(1-1.5)-10- нм, а интервал определял частоту биений соседних мод. В отсутствие подставки «зубцы» частотной гребенки имели небольшую ширину, не более 1 кГц, из чего следовало, что спектральная ширина мод была около 0,5 кГц. При подставке ширина «зубцов» увеличивалась до 20-50 кГц, но в этом случае она определялась амплитудой частотной подставки.
Как можно видеть на Рис.1, выводимые из кольцевого резонатора встречные волны сбивались и направлялись к фотоприемнику, фототок которого далее пропускался через узкополосный фильтр. Так как частота отсечки фильтра, около 100 кГц, была ниже частоты межмодовых биений, то суммарная амплитуда биений на выходе формировалась в результате сложения биений пар встречных мод, имеющих одинаковые продольные индексы. Очевидно, причиной большой амплитуды биений была синхронность биений всех, или большого числа, участвующих в генерации пар мод. В свою очередь синхронность биений была результатом, как полагаем, механизма самоорганизации мод в полупроводниковой среде усиления.
Представить действие данного механизма возможно, предполагая однородный характер спектрального уширения в полупроводнике, так как только в этом случае моды могут взаимодействовать. Механизм заключается, по-видимому, в следующем. Пары мод с одинаковыми индексами, циркулирующие в кольцевом резонаторе навстречу друг другу, образуют в резонаторе стоячие волны. Благодаря однородному характеру излучения каждый носитель заряда в полупроводнике усиливает и/или поглощает излучение всех пар мод равным образом. Чтобы при этом моды не подавляли друг друга, их пары должны создавать в пределах небольшой длины полупроводника максимально одинаковые структуры стоячих волн. Таким образом, рассматриваемый механизм осуществляет синхронизацию мод в области полупроводника, тогда как за пределами полупроводника синхронизация мод быстро теряется, но встречные моды одного индекса благодаря своей малой спектральной ширине способны интерферировать в любой точке протяженного кольцевого резонатора.
Рассмотренный механизм синхронизации мод не тождествен хорошо известному явлению синхронизации мод, используемому для формирования сверхкоротких оптических импульсов. Основное отличие в различном механизме возникновения, а также в том, что в нашем случае область синхронизации локализована, тогда как в известном явлении она циркулирует в резонаторе вместе с оптическим импульсом.
Так как профиль стоячих волн описывается гармонической функцией с аргументом 2кх (к — волновое число, х — координата), то ширина каждой отдельной линии в оптическом спектре определяется требованием, чтобы для всех мод, формирующих линию, значения данного аргумента были максимально равными в пределах полупроводника. Из этого условия следует малая величина ЗА. Интервал же между соседними линиями АА определяется тем, что значения данного аргумента для мод соседних линий должны отличаться на 2п, откуда АЛ~Л2/21п. Тогда при длине полупроводника 7=1200-1600 мкм, п=3.6 и А=1.55 мкм интервал между линиями должен составлять 0,21-0,28 нм.
Постепенное падение амплитуды биений на периодах действия подставки определяется процессом накопления фазовых флуктуаций в модах в результате спонтанной эмиссии фотонов. Учет статистического характера данного процесса приводит к тому, что амплитуда биений определяется распределением разности фазовых флуктуаций в парах мод, которое в результате каждого очередного пробега через среду усилении уширяется, вызывая постепенное падение амплитуды биений.
Восстановление амплитуды биений происходит в короткие промежутки времени между соседними периодами подставки, когда реально действует явление захвата. Модель работы ЛГ [2] показывает, что благодаря захвату случайная разность случайных фаз в парах мод, какой бы она ни была, быстро уменьшается. Это приводит в итоге к скорому возрастанию амплитуды биений.
В заключение отметим, что рассмотренное устройство требует дальнейших исследований, так как далеко не все стороны физики его работы и возможности практического использования исследованы.
Литература
1. Прокофьева Л, Сахаров В, Щербаков В, Квантовая электроника, 44, 362-363 (2014)
2. Сахаров В, Квантовая электроника, 46, 567-573 (2016)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected] 35
