ВОЛОКОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР МАХА-ЦЕНДЕРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОДНОЧАСТОТНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ ДИАПАЗОНА 1,32 МКМ И 1,55 МКМ
ÓÄÊ 535.412: 621.396
ÂÎËÎÊÎÍÍÛÉ ÈÍÒÅÐÔÅÐÎÌÅÒÐ ÌÀÕÀ–ÖÅÍÄÅÐÀ ÄËß ÈÇÌÅÐÅÍÈÉ ÑÏÅÊÒÐÀËÜÍÛÕ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊ ÎÄÍÎ×ÀÑÒÎÒÍÛÕ ÏÎËÓÏÐÎÂÎÄÍÈÊÎÂÛÕ ËÀÇÅÐΠÄÈÀÏÀÇÎÍÀ 1,32 ÌÊÌ È 1,55 ÌÊÌ
© 2008 ã.
Ñ. À. Áóëãàêîâà; À. Ë. Äìèòðèåâ
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
E-mail: lija84@mail.ru
Îïèñàíà êîíñòðóêöèÿ âîëîêîííîãî èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà–Öåíäåðà íà îñíîâå îäíîìîäîâîãî îïòîâîëîêíà ñ ðàçíîñòüþ õîäà îò 2 ì äî 10,3 êì. Ôàçîâûé ìîäóëÿòîð èíòåðôåðîìåòðà âûïîëíåí â âèäå êàòóøêè âîëîêíà íà ìåòàëëè÷åñêîì öèëèíäðå, â êîòîðîì ïüåçîýëåêòðè÷åñêèì ïðåîáðàçîâàòåëåì âîçáóæäàþòñÿ àêóñòè÷åñêèå êîëåáàíèÿ. Ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èíòåðôåðîìåòðè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé ïðîìûøëåííûõ îäíî÷àñòîòíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ ñ âîëîêîííûìè ðåøåòêàìè Áðýããà (ÂÐÁ) äèàïàçîíà 1,32 è 1,55 ìêì. Ïîêàçàíî, ÷òî êðàòêîâðåìåííàÿ (åäèíèöû–äåñÿòêè ñåêóíä) øèðèíà ëèíèé ñïåêòðà ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ ñ âîëîêîííûìè áðýããîâñêèìè îòðàæàòåëÿìè ìåíåå 20 êÃö, ïðè ýòîì òàêèå ëàçåðû íå ÿâëÿþòñÿ ñòðîãî îäíî÷àñòîòíûìè è ãåíåðèðóþò íà íåñêîëüêèõ (äâóõ èëè áîëåå) áëèçêî ðàñïîëîæåííûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèÿõ.
Êîäû OCIS: 060.2390, 060.2430, 060.5060.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 18.03.2008.
Ââåäåíèå
Îäíî÷àñòîòíûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ëàçåðû ñ øèðèíîé ëèíèè ãåíåðàöèè ìåíåå 1 ÌÃö è óðîâíåì áîêîâûõ ÷àñòîò, íå ïðåâûøàþùèì 20 äÁ, ïðèìåíÿþòñÿ â âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ ñèñòåìàõ ïåðåäà÷è ñ «ïëîòíûì» ñïåêòðàëüíûì óïëîòíåíèåì (dense wavelength division multiplexing, DWDM), â êîãåðåíòíûõ îïòè÷åñêèõ ñèñòåìàõ ñâÿçè è â ðàçëè÷íûõ îïòè÷åñêèõ èçìåðèòåëüíûõ óñòðîéñòâàõ, îñíîâàííûõ íà ïðèíöèïàõ èíòåðôåðîìåòðèè: â âîëîêîííîè èíòåãðàëüíî-îïòè÷åñêèõ ãèðîñêîïàõ ñ êîëüöåâûìè ïàññèâíûìè ðåçîíàòîðàìè, â âûñîêîòî÷íûõ èçìåðèòåëÿõ óïðóãèõ äåôîðìàöèé, äàâëåíèÿ, òåìïåðàòóðû è äð. [1–3]. Îäíî÷àñòîòíûé ðåæèì ãåíåðàöèè òàêèõ ëàçåðîâ äîñòèãàåòñÿ ñåëåêöèåé ìîä â ñâÿçàííûõ ðåçîíàòîðàõ ëèáî èñïîëüçîâàíèåì óäëèíåííûõ ðåçîíàòîðîâ ñ ÂÐÁ â êà÷åñòâå îòðàæàòåëÿ [4, 5].  ëàáîðàòîðíûõ óñëîâèÿõ ïðè âûñîêîé ñòàáèëèçàöèè òîêà íàêà÷êè, ðàáî÷åé òåìïåðàòóðû è çíà÷èòåëüíîì ïîäàâëåíèè ñëó÷àéíûõ ìåõàíè÷åñêèõ ïîìåõ â ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðàõ ñ âíåøíèì ðåçîíàòîðîì äëèíîé 50–90 ìì çàðåãèñòðèðîâàíà øèðèíà ëèíèè èçëó÷åíèÿ 10 êÃö [6]. Ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ïðîìûøëåííûõ îáðàçöîâ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ ñ ðàñïðåäåëåííûìè áðýããîâñêèìè çåðêàëàìè (ÐÁÇ) â îïòîâîëîêíå èçó÷åíû íåäîñòàòî÷íî. Ïðîèçâîäèòåëü, êàê ïðàâèëî, îãðàíè÷èâàåòñÿ óêàçàíèåì âåðõíåãî ýôôåêòèâíîãî çíà÷åíèÿ øèðèíû ñïåêòðà òàêèõ èçëó÷àòåëåé (íàïðèìåð, 0,5 èëè 1,0 ÌÃö), äîñòèãàåìîãî ïðè íîìèíàëüíûõ çíà÷åíè-
ÿõ òîêà íàêà÷êè è òîêà õîëîäèëüíèêà. Ïðè ýòîì òîíêàÿ ñòðóêòóðà ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ ëàçåðà è õàðàêòåð åãî èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè ÷àñòî îñòàþòñÿ íåèçâåñòíûìè.  íàñòîÿùåé ðàáîòå ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé êîãåðåíòíûõ (ñïåêòðàëüíûõ) õàðàêòåðèñòèê îòå÷åñòâåííûõ îäíî÷àñòîòíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ, ïîëó÷åííûå ñ ïðèìåíåíèåì ñêàíèðóþùåãî âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà–Öåíäåðà ñ áîëüøîé (äî 10,3 êì) ðàçíîñòüþ õîäà.
Ýëåìåíòàðíàÿ òåîðèÿ
Ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë áèåíèé S(t) íà âûõîäå ôîòîïðèåìíîãî óñòðîéñòâà äâóëó÷åâîãî ñêàíèðóþùåãî èíòåðôåðîìåòðà (Ìàõà–Öåíäåðà, Ìàéêåëüñîíà è äð.) â ñêàëÿðíîì ïðèáëèæåíèè îïèñûâàåòñÿ èçâåñòíîé ôîðìóëîé [7, 8]
⎡t ⎤
∫S(t) = A P1P2 γ12 (τ) cos ⎢ ω(x)dx + δ⎥ ,
⎢⎣ 0 ⎥⎦
(1)
ãäå A – êîýôôèöèåíò ÷óâñòâèòåëüíîñòè ôîòîïðèåìíèêà, P1 è P2 – ìîùíîñòè âûõîäíîãî èçëó÷åíèÿ â ðàáî÷èõ êàíàëàõ èíòåðôåðîìåòðà, |γ12(τ)| – ñòåïåíü âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè èíòåðôåðèðóþùèõ ñâåòîâûõ âîëí, τ = (l1 – l2)/c – ñðåäíÿÿ âðåìåííàÿ çàäåðæêà (l1,l2 – îïòè÷åñêèå äëèíû ïóòåé, c – ñêîðîñòü ñâåòà â âàêóóìå), ω(t) – ìãíîâåííàÿ ÷àñòîòà ìîäóëÿöèè ñèãíàëà áèåíèé, δ – ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ôàçû ñèãíàëà áèåíèé. Ìãíîâåííàÿ ÷àñòîòà ω(t) ñè-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
49
ãíàëà îïðåäåëÿåòñÿ ðåæèìîì ñêàíèðîâàíèÿ ôàçû ϕ(t) ñâåòîâîé âîëíû â èíòåðôåðîìåòðå, ïðè ýòîì
ω(t)
=
∂ϕ ∂t
=
2π λ
∂Δl(t) ∂t
,
(2)
ãäå Δl(t) – ïåðåìåííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ îïòè÷åñêîé ðàçíîñòè õîäà è λ – äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ â âàêóóìå.
Äëÿ óçêîïîëîñíûõ èñòî÷íèêîâ ñâåòà ñ ãàóññîâñêèì ïðîôèëåì ñïåêòðàëüíîé ëèíèè ñòåïåíü âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè, îïðåäåëÿåìàÿ êàê ìîäóëü íîðìèðîâàííîé àâòîêîððåëÿöèîííîé ôóíêöèè ñèãíàëà, ðàâíà
γ12 (τ)
=
exp
⎣⎡−
(
τ/τñ
)2
⎤ ⎦
,
(3)
ãäå τc – âðåìÿ êîãåðåíòíîñòè èçëó÷åíèÿ èñòî÷íèêà, ïðèìåðíî ðàâíîå îáðàòíîé øèðèíå Δυ ñïåêòðàëüíîé ëèíèè èñòî÷íèêà.
Åñëè ñïåêòð èñòî÷íèêà ñîäåðæèò äâå èëè áîëåå
ñðàâíèìûõ ïî ìîùíîñòè ñïåêòðàëüíûå êîìïîíåíòû, àâòîêîððåëÿöèîííàÿ ôóíêöèÿ γ12(τ) óæå íå ÿâëÿåòñÿ ìîíîòîííîé [9]. Äëÿ ãàóññîâñêîãî ñïåêòðàëü-
íîãî äóáëåòà ñ îäèíàêîâûìè øèðèíàìè ëèíèé Δυ ≈ τc–1 è ðàçíîñòüþ ÷àñòîò íåñóùèõ F âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå
γ12 (τ)
=
exp
⎡⎣−
(
τ/τñ
)2
⎤ ⎦
cos(πF τ)
.
(4)
Ãðàôèê ýòîé çàâèñèìîñòè ïðèâåäåí íà ðèñ. 1. Ñïåêòð ÷àñòîòíî-ìîäóëèðîâàííîãî ñèãíàëà áèåíèé îáû÷íî ñîäåðæèò íåñêîëüêî ãàðìîíèê, êðàòíûõ îñíîâíîé ÷àñòîòå ìîäóëÿöèè, à èõ àìïëèòóäû âûðàæàþòñÿ ôóíêöèÿìè Áåññåëÿ [10] è ïî áîëüøåé ÷àñòè îïðåäåëÿþòñÿ çíà÷åíèåì ôóíêöèè âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè |γ12(τ)|. Î÷åâèäíî, ìîùíîñòü è ýâîëþöèè ñïåêòðà ñèãíàëà áèåíèé, ðåãèñòðèðóåìîãî íà âûõîäå äâóëó÷åâîãî ñêàíèðóþùåãî èíòåðôåðîìåò-
ðà, õàðàêòåðèçóþò ôîðìó è âðåìåííûå èçìåíåíèÿ ñïåêòðà ñèãíàëà èñòî÷íèêà ñâåòà.
Äîñòèæåíèå óñòîé÷èâîãî ðåæèìà ãåíåðàöèè îäíî÷àñòîòíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ ñ òî÷íîñòüþ äî íåñêîëüêèõ åäèíèö–äåñÿòêîâ êÃö çàòðóäíèòåëüíî. Âñëåäñòâèå íåñòàáèëüíîñòè òîêà íàêà÷êè, èçìåíåíèé òåìïåðàòóðû àêòèâíîé ñðåäû ëàçåðà, ðàññòðîéêè åãî ðåçîíàòîðà è âëèÿíèÿ îáðàòíîðàññåÿííîãî èçëó÷åíèÿ â îïòè÷åñêîì êàíàëå ïåðåäà÷è ñïåêòð òàêèõ ëàçåðîâ ñîäåðæèò îäíó ëèáî äâå èëè áîëåå ëèíèè ãåíåðàöèè, ïîëîæåíèå è ìîùíîñòè êîòîðûõ ôëóêòóèðóþò âî âðåìåíè. Òàêèå èçìåíåíèÿ ñïåêòðàëüíîãî ñîñòàâà èçëó÷åíèÿ ëàçåðà ñèëüíî âëèÿþò íà àìïëèòóäó ñèãíàëà áèåíèé â èíòåðôåðîìåòðå, ÷òî ïîÿñíÿåò ðèñ. 1. Ñ ïåðåõîäîì îò îäíî÷àñòîòíîãî (À) ê äâóõ÷àñòîòíîìó (Â) ðåæèìó ãåíåðàöèè ïðè ïðîèçâîëüíûõ çíà÷åíèÿõ âðåìåíè çàäåðæêè âîçìîæíî çàìåòíîå èçìåíåíèå ñòåïåíè âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè èíòåðôåðèðóþùèõ âîëí, ÷òî ïðèâîäèò ê ñîîòâåòñòâóþùèì èçìåíåíèÿì óðîâíÿ ñèãíàëà áèåíèé â èíòåðôåðîìåòðå. Èññëåäîâàíèÿ ñòàòèñòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñèãíàëîâ áèåíèé íà âûõîäå èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà–Öåíäåðà äàþò ïîëåçíóþ èíôîðìàöèþ î õàðàêòåðå è äèíàìèêå èçìåíåíèé ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà è ïðîèñõîäÿùèõ â íåì ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññàõ.
Ýêñïåðèìåíò
Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà–Öåíäåðà, ïðåäíàçíà÷åííîãî äëÿ èññëåäîâàíèÿ êîãåðåíòíûõ (ñïåêòðàëüíûõ) õàðàêòåðèñòèê îäíî÷àñòîòíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ, ïîêàçàíà íà ðèñ. 2.
Ñîåäèíèòåëüíûå óñòðîéñòâà èíòåðôåðîìåòðà âûïîëíåíû íà îñíîâå îäíîìîäîâîãî îïòè÷åñêîãî âîëîêíà.  ëèíèè çàäåðæêè òàêæå èñïîëüçîâàëîñü
1 |γ12(τ)|
0,5
A B
0 20 40 60 80 τ, ìêñ
Ðèñ. 1. Ðàñ÷åòíàÿ çàâèñèìîñòü ñòåïåíè âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè îò âðåìåíè çàäåðæêè ñèãíàëà äëÿ îäíîïîëîñíîãî (À) èçëó÷åíèÿ (øòðèõîâàÿ ëèíèÿ) è ãàóññîâñêîãî ñïåêòðàëüíîãî äóáëåòà (Â) (ñïëîøíàÿ ëèíèÿ). Âðåìÿ êîãåðåíòíîñòè τc ≈ 50 ìêñ, ðàçíîñ íåñóùèõ – F = 155 êÃö.
54
11 12
1
23 2 2 2
2 2 62 8 2
9 10
22
13
7
Ðèñ. 2. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà èçìåðèòåëüíîãî ñòåíäà. 1 – ÐÁÇ-ëàçåð, 2 – ðàçúåìíûå ñîåäèíèòåëè (êîííåêòîðû FC-125-SM), 3, 6 – âîëîêîííî-îïòè÷åñêèå ðàçâåòâèòåëè, 4 – ôàçîâûé îïòè÷åñêèé ìîäóëÿòîð, 5 – ãåíåðàòîð ñèãíàëîâ, 7 – îïòè÷åñêàÿ ëèíèÿ çàäåðæêè, 8 – ñîáèðàþùàÿ ëèíçà, 9 – ëèíåéíûé ïîëÿðèçàòîð (ïðèçìà Ãëàíà), 10 – ôîòîïðèåìíèê PD-1180, 11 – øèðîêîïîëîñíûé óñèëèòåëü Ó2-8, 12 – öèôðîâîé îñöèëëîãðàô PC SCOPE 1Gs/ s-50 MHz Velleman Instruments, 13 – ÏÊ.
50 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
îäíîìîäîâîå (λ = 1,33 ìêì) îïòîâîëîêíî ñ ïîòåðÿìè 0,3–0,5 äÁ/êì, îáåñïå÷èâàþùåå ðàçíîñòè õîäà Δ = (l1 – l2), ãäå l1 è l2 – ïîëíûå äëèíû îïòîâîëîêíà, êîòîðûå â ïåðâîì è âòîðîì ïëå÷àõ èíòåðôåðîìåòðà ñîñòàâëÿþò 2–10320 ì, ñðåäíèé ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ñåðäöåâèíû îïòîâîëîêíà n ≈ 1,45. Èíòåðôåðîìåòð ñìîíòèðîâàí íà ìàññèâíîì àìîðòèçèðîâàííîì îïòè÷åñêîì ñòîëå. Îäíîìîäîâûå âîëîêîííûå êîìïîíåíòû èíòåðôåðîìåòðà, â òîì ÷èñëå îïòè÷åñêèå ðàçâåòâèòåëè è ëèíèè çàäåðæêè, ñîåäèíÿëèñü ñòàíäàðòíûìè FC-125-SM êîííåêòîðàìè. Ôàçîâûé àêóñòîîïòè÷åñêèé ìîäóëÿòîð (ÀÎÌ) âûïîëíåí â âèäå ïîëîãî öèëèíäðà èç äþðàëþìèíèÿ äèàìåòðîì 63 ìì è âûñîòîé 34 ìì, íà êîòîðûé óëîæåíî 16 ì îäíîìîäîâîãî âîëîêíà, ïðè ýòîì l2 ≈ 18 ì (ðèñ. 3).  ðàçðåçå ñòåíêè öèëèíäðà óñòàíîâëåí ïüåçîêåðàìè÷åñêèé óëüòðàçâóêîâîé ïðåîáðàçîâàòåëü, ïîäêëþ÷åííûé ê ãåíåðàòîðó ñèíóñîèäàëüíîãî ñèãíàëà íà ÷àñòîòå f â äèàïàçîíå 1–100 êÃö.
Ðàäèàëüíûå àêóñòè÷åñêèå êîëåáàíèÿ öèëèíäðà ñîïðîâîæäàþòñÿ óïðóãèìè äåôîðìàöèÿìè êàòóøêè îïòîâîëîêíà, âñëåäñòâèå ýôôåêòà ôîòîóïðóãîñòè îáåñïå÷èâàþùèìè äâóëó÷åïðåëîìëåíèå â âîëîêíå è ôàçîâóþ ìîäóëÿöèþ ñâåòà â èíòåðôåðîìåòðå [11]. Ìîäóëÿòîð ðàáîòàë â ðåæèìå ìèíèìàëüíûõ çíà÷åíèé óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé, ïðè êîòîðûõ ãëóáèíà ìîäóëÿöèè ìíîãî ìåíüøå îäíîãî ðàäèàíà. Ïàðàçèòíàÿ àìïëèòóäíàÿ ìîäóëÿöèÿ ïðè ïðÿìîì ïîäêëþ÷åíèè ìîäóëÿòîðà ê ôîòîïðèåìíèêó íå íàáëþäàëàñü. ÈÊ èçëó÷åíèå íà âûõîäå îáîèõ ïëå÷ èíòåðôåðîìåòðà â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè ëèíåéíî ïîëÿðèçîâàíî. Ñðàâíèòåëüíî âûñîêàÿ ïîëÿðèçàöèÿ èçëó÷åíèÿ íà âûõîäå èíòåðôåðîìåòðà ñâÿçàíà ñ ðàçëè÷èåì îïòè÷åñêèõ ïîòåðü â ìíîãîâèòêîâûõ êàòóø-
3 4
2
1 5
Ðèñ. 3. Ñõåìà âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî ôàçîâîãî ìîäóëÿòîðà. 1 – öèëèíäð, 2 – èçîëÿòîðû (ñëþäà), 3 – ýëåêòðîäû, 4 – ïüåçîêåðàìèêà, 5 – îïòîâîëîêîííàÿ êàòóøêà.
êàõ îäíîìîäîâîãî îïòîâîëîêíà äëÿ âîëíîâîäíûõ
ìîä, ïîëÿðèçîâàííûõ â ïëîñêîñòè âèòêîâ êàòóøêè
è ïåðïåíäèêóëÿðíûõ ê íåé. Èññëåäîâàëèñü êîãåðåí-
òíûå ñâîéñòâà èçëó÷åíèÿ ïðîìûøëåííûõ îäíî÷àñ-
òîòíûõ ïåðåäàþùèõ îïòîýëåêòðîííûõ ìîäóëåé ïðî-
èçâîäñòâà ÎÎÎ “ÍÎËÀÒÅÕ” òèïà ÏÎÌ-ÐÁÇ
(1,32 ìêì) è ÏÎÌ-14-1 ÐÁÇ (1,55 ìêì) ñ âûõîäíîé
ìîùíîñòüþ 1,5–2,0 ìÂò. Êîãåðåíòíûå õàðàêòåðèñ-
òèêè èçëó÷åíèÿ ýòèõ ìîäóëåé îêàçàëèñü âåñüìà áëèç-
êè äðóã ê äðóãó.
Îòìåòèì, ÷òî ïðè óâåëè÷åíèè ðàçíîñòè õîäà ñ
5810 äî 10320 ì, ìàêñèìàëüíàÿ àìïëèòóäà ñèãíàëà
óìåíüøèëàñü ïðèìåðíî íà 30%. Àìïëèòóäà ñèãíà-
ëà áèåíèé çàìåòíî ôëóêòóèðîâàëà, è óðîâåíü ôëóê-
òóàöèé âîçðàñòàë ïðè èçìåíåíèÿõ òîêà íàêà÷êè Ií è òîêà õîëîäèëüíèêà Iõ ëàçåðà, à òàêæå ïðè ñëó÷àéíûõ ìåõàíè÷åñêèõ äåôîðìàöèÿõ âîëîêîííîãî
êîíòóðà èíòåðôåðîìåòðà. Íàñòðîéêîé çíà÷åíèé
òîêîâ Ií è Iõ äîñòèãàëñÿ ñðàâíèòåëüíî ñòàáèëüíûé ðåæèì ñèãíàëà áèåíèé, ïðè ýòîì îïòèìàëüíûå çíà-
÷åíèÿ ýòèõ òîêîâ íå âñåãäà ñîîòâåòñòâîâàëè ðåêî-
ìåíäîâàííûì ïðîèçâîäèòåëåì. Íà ðèñ. 5 ïîêàçàíà
òèïè÷íàÿ âðåìåííàÿ çàâèñèìîñòü àìïëèòóäû âûõîä-
íîãî ñèãíàëà áèåíèé ïðè âêëþ÷åííîì è âûêëþ-
÷åííîì ÀÎÌ. Ëåâàÿ ÷àñòü îñöèëëîãðàììû íà ðèñ. 4
õàðàêòåðèçóåò íåóñòîé÷èâîñòü ñïåêòðà ÷àñòîò ãåíå-
ðàöèè èññëåäóåìîãî ëàçåðà. Ïðàâàÿ ÷àñòü îñöèëëî-
ãðàììû ïîêàçûâàåò âëèÿíèå ôëóêòóàöèé ïîñòîÿí-
íîé ðàçíîñòè ôàç δ (ñì. (1)), âûçâàííûõ ñëó÷àé-
íûìè òåìïåðàòóðíûìè è ìåõàíè÷åñêèìè âîçìó-
ùåíèÿìè â êîíòóðå èíòåðôåðîìåòðà.
Ñðàâíèòåëüíóþ îöåíêó ñòåïåíè âçàèìíîé êîãå-
ðåíòíîñòè ñâåòîâûõ âîëí íà âûõîäå èíòåðôåðîìåò-
ðà ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ îïòè÷åñêîé ðàçíîñòè
õîäà è óïðàâëÿþùèõ òîêàõ ëàçåðà óäîáíî âûïîëíèòü
ïîñðåäñòâîì êîýôôèöèåíòà Γ, ðàâíîãî îòíîøåíèþ
ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ âåëè÷èíû Smax ðåãèñòðèðóåìîãî ñèãíàëà áèåíèé ê ñðåäíåìó ãåîìåòðè÷åñ-
êîìó ìîùíîñòåé P1 è P2 èíòåðôåðèðóþùèõ âîëí,
/Γ = Smax P1P2 .
(5)
Ïðè ïîñòîÿííûõ çíà÷åíèÿõ êîýôôèöèåíòà A ÷óâ-
ñòâèòåëüíîñòè ôîòîïðèåìíèêà (1) è óñèëåíèÿ ýëåêò-
U, B
1
0 2,5 t, c Ðèñ. 4. Ëåâàÿ ÷àñòü îñöèëëîãðàììû – âðåìåííàÿ çàâèñèìîñòü àìïëèòóäû ñèãíàëà áèåíèé, ÷àñòîòà ìîäóëÿöèè 6 êÃö, ïðàâàÿ ÷àñòü – âûõîäíîé ñèãíàë ïðè îòêëþ÷åííîì ÀÎÌ. Èñòî÷íèê – ÏÎÌ-ÐÁÇ (1,32 ìêì).
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
51
ðîííîãî óñèëèòåëÿ, ïðèìåíÿåìûõ ïðè ðåãèñòðàöèè ñèãíàëà áèåíèé, âûïîëíÿåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíîñòü êîýôôèöèåíòà Γ è ñòåïåíè âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè
Γ ∝ γ12 (τ) .
(6)
Òèïè÷íûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà Ã, èçìåðåííûå ïðè ðàçíûõ ðåæèìàõ ïèòàíèÿ ëàçåðà òèïà ÏÎÌ-ÐÁÇ (1,32 ìêì) è ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ ðàçíîñòè õîäà Δ ïðèâåäåíû â òàáëèöå. Èç íåå âèäíî, ÷òî äàæå ïðè áîëüøèõ ðàçëè÷èÿõ ìîùíîñòåé èíòåðôåðèðóþùèõ ñèãíàëîâ êîýôôèöèåíòû Γ äëÿ ìèíèìàëüíûõ è ìàêñèìàëüíûõ çíà÷åíèé ðàçíîñòè õîäà îòëè÷àþòñÿ íåçíà÷èòåëüíî.
Îáñóæäåíèå ðåçóëüòàòîâ
Òî îáñòîÿòåëüñòâî, ÷òî èíòåíñèâíûé ñèãíàë áèåíèé íà âûõîäå èíòåðôåðîìåòðà óâåðåííî ðåãèñòðèðîâàëñÿ ïðè çíà÷åíèè Δ ñâûøå 10 êì, ïîäòâåðæäàåò, ÷òî ïðîìûøëåííûå îáðàçöû ëàçåðîâ ñ ÂÐÁ äàæå â óñëîâèÿõ ðàáîòû ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå ãåíåðèðóþò âûñîêîêîãåðåíòíîå ÈÊ èçëó÷åíèå ñ øèðèíîé ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ìåíåå 20 êÃö (ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû Δυ ≈ c/Δ). Âìåñòå ñ òåì, íàáëþäàåìàÿ íåñòàáèëüíîñòü àìïëèòóäû ñèãíàëà áèåíèé ïîêàçûâàåò, ÷òî ìãíîâåííûé, â ìàñøòàáå âðåìåíè ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ ñåêóíä, ñïåêòð èññëåäîâàííûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ èñòî÷íèêîâ ñâåòà íå ÿâëÿåòñÿ ñòðîãî êâàçèìîíîõðîìàòè÷åñêèì. Ïðè áîëüøèõ (íåñêîëüêî êì) ðàçíîñòÿõ õîäà â èíòåðôåðîìåòðå ñðåäíÿÿ âðåìåííàÿ çàäåðæêà èíòåðôåðèðóþùèõ ñèãíàëîâ ôëóêòóèðóåò âñëåäñòâèå êîëåáàíèé òåìïåðàòóðû îïòîâîëîêíà è óïðóãèõ íàïðÿæåíèé, âûçâàííûõ ñëó÷àéíûìè ìåõàíè÷åñêèìè äåôîðìàöèÿìè âîëîêíà [12].  ðåçóëüòàòå ñëó÷àéíûõ ñäâèãîâ ïîëîæåíèÿ ðàáî÷åé òî÷êè èíòåðôåðîìåòðà (ðèñ. 1) çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà γ12, à ñëåäîâàòåëüíî, è àìïëèòóäà ñèãíàëà áèåíèé òàêæå ôëóêòóèðóåò. Äðóãèìè âîçìîæíûìè ïðè÷èíàìè ôëóêòóàöèé àìïëèòóäû ñèãíàëà áèåíèé ÿâëÿþòñÿ èçìåíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ ïîëÿðèçàöèè èçëó÷åíèÿ â ïðîòÿæåííîì îïòîâîëîêíå è èçìåíåíèÿ
Çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà Γ äëÿ ðàçëè÷íûõ îïòè÷åñêèõ ðàçíîñòåé õîäà
Δ, ì Γ×10–3, Â/ìêÂò
2 22 42 5810 5810 10320
0,62 0,58 0,78 1,62 0,78 0,65
ðåæèìîâ ãåíåðàöèè ëàçåðà, âûçâàííûå îáðàòíûì ðàññåÿíèåì èçëó÷åíèÿ â èíòåðôåðîìåòðå [4]. Çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà Γ ïðèìåðíî îäèíàêîâû ïðè ñðàâíèòåëüíî ìàëûõ (30–60 ì) è ïðè áîëüøèõ (ñâûøå 10 êì) ðàçíîñòÿõ õîäà â èíòåðôåðîìåòðå, ÷òî óêàçûâàåò íà òî, ÷òî ñïåêòð ëàçåðà íå ÿâëÿåòñÿ ñòðîãî ìîíîõðîìàòè÷åñêèì è, ñêîðåå âñåãî, ñîäåðæèò äâå èëè áîëåå íåñòàáèëüíûõ ïî àìïëèòóäå è ÷àñòîòå óçêîïîëîñíûõ ëèíèè ãåíåðàöèè. Ýòî ïîäòâåðæäàåò îñöèëëîãðàììà íà ðèñ. 4. Íà íåé ôëóêòóàöèè ñèãíàëà áèåíèé ïðè îòêëþ÷åííîì ÀÎÌ, îáóñëîâëåííûå ñëó÷àéíûìè èçìåíåíèÿìè ôàçû δ (1), ñóùåñòâåííî ìåíüøå, ÷åì â ðàáî÷åì ñîñòîÿíèè èíòåðôåðîìåòðà. Ðàçíîñ F ñïåêòðàëüíûõ íåñóùèõ ìîæåò ñîñòàâëÿòü îò ñîòåí êÃö äî äåñÿòêà ÌÃö, ïðè ýòîì F ~ c/L, ãäå L – ïåðèîä èçìåíåíèÿ ôóíêöèè êîãåðåíòíîñòè (4) â åäèíèöàõ äëèíû.
Îáðàùàåò íà ñåáÿ âíèìàíèå ïîâûøåííîå çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà Γ, äîñòèãàåìîå ïðè ðàçíîñòè õîäà îêîëî 5,8 êì è îïðåäåëåííûõ çíà÷åíèÿõ òîêîâ íàêà÷êè è õîëîäèëüíèêà. Âîçìîæíîé ïðè÷èíîé òàêîãî óâåëè÷åíèÿ ñòåïåíè âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè èíòåðôåðèðóþùèõ âîëí ìîãóò áûòü íåëèíåéíûå ÿâëåíèÿ â îïòè÷åñêîé ëèíèè çàäåðæêè, â òîì ÷èñëå âûíóæäåííîå ðàññåÿíèå Ìàíäåëüøòàìà–Áðèëëþýíà, âëèÿíèå êîòîðîãî îñîáåííî ñèëüíî ïðè ñâåðõìàëûõ øèðèíàõ ñïåêòðà âîçáóæäàþùåãî èçëó÷åíèÿ è ïðè áîëüøèõ äëèíàõ âçàèìîäåéñòâèÿ èçëó÷åíèÿ ñî ñðåäîé. Ýòè ïðîöåññû äîñòàòî÷íî ñëîæíû è äîëæíû ÿâèòüñÿ ïðåäìåòîì ñàìîñòîÿòåëüíûõ èññëåäîâàíèé.
Èçìåðåíèÿ ñòàòèñòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñëó÷àéíûõ ñèãíàëîâ áèåíèé íà âûõîäå âîëîêîííîãî èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà–Öåíäåðà, èñïîëüçóåìîãî â àíàëèçå êîãåðåíòíûõ ñâîéñòâ øóìîâ ëàçåðíûõ èçëó÷àòåëåé, ïîçâîëÿò áîëåå òî÷íî óñòàíîâèòü õàðàêòåð øóìîâ è îñîáåííîñòè äèíàìèêè ñïåêòðà òàêèõ ëàçåðîâ, à òàêæå ñôîðìóëèðîâàòü ïðàêòè÷åñêèå ðåêîìåíäàöèè ïî èõ äàëüíåéøåìó óñîâåðøåíñòâîâàíèþ.
Âûâîäû
Ñêàíèðóþùèé âîëîêîííî-îïòè÷åñêèé èíòåðôåðîìåòð Ìàõà–Öåíäåðà ñ ðàçíîñòüþ õîäà äî 10,3 êì èñïîëüçîâàí äëÿ èññëåäîâàíèÿ êîãåðåíòíûõ õàðàêòåðèñòèê ïðîìûøëåííûõ îäíî÷àñòîòíûõ ëàçåðîâ ñ âîëîêîííîé ðåøåòêîé Áðýããà äèàïàçîíîâ 1,32 è 1,55 ìêì. Ñïåêòð è ôëóêòóàöèè ðåãèñòðèðóåìûõ ñèãíàëîâ áèåíèé ïîêàçûâàþò, ÷òî êðàòêîâðåìåííàÿ, äëèòåëüíîñòüþ íåñêîëüêî åäèíèö – äåñÿòêîâ ñåêóíä, øèðèíà ñïåêòðà ýòèõ ëàçåðîâ ìîæåò ñîñòàâëÿòü ìåíåå 20 êÃö, ïðè ýòîì òàêèå èçëó÷àòåëè, ïî-âèäèìîìó, íå ÿâëÿþòñÿ ñòðîãî îäíî÷àñòîòíûìè è ãåíåðè-
52 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
ðóþò íà íåñêîëüêèõ – äâóõ èëè áîëåå – áëèçêî ðàñïîëîæåííûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèÿõ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Îêîñè Ò., Îêàìîòî Ê., Îöó Ì., Íèñèõàðà Õ., Êþìà Ê., Õàòàòý Ê. Âîëîêîííî-îïòè÷åñêèå äàò÷èêè. Ïåð. ñ ÿïîí. Ì.: Ýíåðãîàòîìèçäàò, 1990. 256 ñ.
12. Øåðåìåòüåâ À.Ã. Êîãåðåíòíàÿ âîëîêîííî-îïòè÷åñêàÿ ñâÿçü. Ì.: Ðàäèî è ñâÿçü, 1991. 192 ñ.
13. Äìèòðèåâ À.Ë., ×æàí ßíüøåíü, Ìà Êñèíþ. Âîëîêîííî-îïòè÷åñêèé êîëüöåâîé ïàññèâíûé ðåçîíàòîð â ìàëîìîäîâîì ðåæèìå ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2000. Ò. 67. ¹ 3. Ñ. 19–23.
14. Ôèçèêà ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ / Ïîä ðåä. Õ. Òàêóìû. Ì.: Ìèð, 1989. 310 ñ.
15. Äóðàåâ Â.Ï., Íåäåëèí Å.Ò., Íåäîáûâàéëî Ò.Ï., Ñóìàðîêîâ Ì.À., Êëèìîâ Ê.È. Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ëàçåðû ñ âîëîêîííîé áðýããîâñêîé ðåøåòêîé è óçêèì ñïåêòðîì ãåíåðàöèè íà äëèíàõ âîëí 1530–1560 íì // Êâàíò. ýëåêòðîí. 2001. Ò. 31. ¹ 6. Ñ. 529–530.
16. Wyatt R., Devlin W.J. 10-kHz Linewidth 1–5/an InGaAsP External Cavity Laser with 55 nm Tuning Range // Electron. lett. 1983. V. 19. ¹ 2. P. 110–112.
17. Áîðí Ì., Âîëüô.Ý. Îñíîâû îïòèêè. Ì.: Íàóêà, 1973. 720 ñ.
18. Äåìòðåäåð Â. Ëàçåðíàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ. Ïåð. ñ àíãë. Ì.: Íàóêà, 1985. 608 ñ.
19. Êîëüåð Ð., Áåðêõàðò Ê., Ëèí Ë. Îïòè÷åñêàÿ ãîëîãðàôèÿ. Ì.: Ìèð, 1973. 161ñ.
10. Åâòèõååâ Í.Í., Åâòèõååâà Î.À., Êîìïàíåö È. Í., Êðàñíîâ À.Å., Êóëü÷èí Þ.Í., Îäèíîêîâ Ñ.Á., Ðèíêåâè÷óñ Á.Ñ. Èíôîðìàöèîííàÿ îïòèêà. Ì.: Èçä. ÌÝÈ, 2000. 612 ñ.
11. Ãóëÿåâ Þ.Â., Ìåø Ì.ß., Ïðîêëîâ Â.Â. Ìîäóëÿöèîííûå ýôôåêòû â âîëîêîííûõ ñâåòîâîäàõ è èõ ïðèìåíåíèå. Ì.: Ðàäèî è ñâÿçü, 1991. 152 ñ.
12. Êàðïà÷åâà Ò.À., Äìèòðèåâ À.Ë. Âëèÿíèå òåìïåðàòóðû íà ïîëÿðèçàöèîííûå ñâîéñòâà îäíîðîäíûõ è äâóëó÷åïðåëîìëÿþùèõ âîëîêîííûõ ñâåòîâîäîâ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2003. Ò. 70. ¹ 11. Ñ. 73–76.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
53
ÂÎËÎÊÎÍÍÛÉ ÈÍÒÅÐÔÅÐÎÌÅÒÐ ÌÀÕÀ–ÖÅÍÄÅÐÀ ÄËß ÈÇÌÅÐÅÍÈÉ ÑÏÅÊÒÐÀËÜÍÛÕ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊ ÎÄÍÎ×ÀÑÒÎÒÍÛÕ ÏÎËÓÏÐÎÂÎÄÍÈÊÎÂÛÕ ËÀÇÅÐΠÄÈÀÏÀÇÎÍÀ 1,32 ÌÊÌ È 1,55 ÌÊÌ
© 2008 ã.
Ñ. À. Áóëãàêîâà; À. Ë. Äìèòðèåâ
Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
E-mail: lija84@mail.ru
Îïèñàíà êîíñòðóêöèÿ âîëîêîííîãî èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà–Öåíäåðà íà îñíîâå îäíîìîäîâîãî îïòîâîëîêíà ñ ðàçíîñòüþ õîäà îò 2 ì äî 10,3 êì. Ôàçîâûé ìîäóëÿòîð èíòåðôåðîìåòðà âûïîëíåí â âèäå êàòóøêè âîëîêíà íà ìåòàëëè÷åñêîì öèëèíäðå, â êîòîðîì ïüåçîýëåêòðè÷åñêèì ïðåîáðàçîâàòåëåì âîçáóæäàþòñÿ àêóñòè÷åñêèå êîëåáàíèÿ. Ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èíòåðôåðîìåòðè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé ïðîìûøëåííûõ îäíî÷àñòîòíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ ñ âîëîêîííûìè ðåøåòêàìè Áðýããà (ÂÐÁ) äèàïàçîíà 1,32 è 1,55 ìêì. Ïîêàçàíî, ÷òî êðàòêîâðåìåííàÿ (åäèíèöû–äåñÿòêè ñåêóíä) øèðèíà ëèíèé ñïåêòðà ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ ñ âîëîêîííûìè áðýããîâñêèìè îòðàæàòåëÿìè ìåíåå 20 êÃö, ïðè ýòîì òàêèå ëàçåðû íå ÿâëÿþòñÿ ñòðîãî îäíî÷àñòîòíûìè è ãåíåðèðóþò íà íåñêîëüêèõ (äâóõ èëè áîëåå) áëèçêî ðàñïîëîæåííûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèÿõ.
Êîäû OCIS: 060.2390, 060.2430, 060.5060.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 18.03.2008.
Ââåäåíèå
Îäíî÷àñòîòíûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ëàçåðû ñ øèðèíîé ëèíèè ãåíåðàöèè ìåíåå 1 ÌÃö è óðîâíåì áîêîâûõ ÷àñòîò, íå ïðåâûøàþùèì 20 äÁ, ïðèìåíÿþòñÿ â âîëîêîííî-îïòè÷åñêèõ ñèñòåìàõ ïåðåäà÷è ñ «ïëîòíûì» ñïåêòðàëüíûì óïëîòíåíèåì (dense wavelength division multiplexing, DWDM), â êîãåðåíòíûõ îïòè÷åñêèõ ñèñòåìàõ ñâÿçè è â ðàçëè÷íûõ îïòè÷åñêèõ èçìåðèòåëüíûõ óñòðîéñòâàõ, îñíîâàííûõ íà ïðèíöèïàõ èíòåðôåðîìåòðèè: â âîëîêîííîè èíòåãðàëüíî-îïòè÷åñêèõ ãèðîñêîïàõ ñ êîëüöåâûìè ïàññèâíûìè ðåçîíàòîðàìè, â âûñîêîòî÷íûõ èçìåðèòåëÿõ óïðóãèõ äåôîðìàöèé, äàâëåíèÿ, òåìïåðàòóðû è äð. [1–3]. Îäíî÷àñòîòíûé ðåæèì ãåíåðàöèè òàêèõ ëàçåðîâ äîñòèãàåòñÿ ñåëåêöèåé ìîä â ñâÿçàííûõ ðåçîíàòîðàõ ëèáî èñïîëüçîâàíèåì óäëèíåííûõ ðåçîíàòîðîâ ñ ÂÐÁ â êà÷åñòâå îòðàæàòåëÿ [4, 5].  ëàáîðàòîðíûõ óñëîâèÿõ ïðè âûñîêîé ñòàáèëèçàöèè òîêà íàêà÷êè, ðàáî÷åé òåìïåðàòóðû è çíà÷èòåëüíîì ïîäàâëåíèè ñëó÷àéíûõ ìåõàíè÷åñêèõ ïîìåõ â ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðàõ ñ âíåøíèì ðåçîíàòîðîì äëèíîé 50–90 ìì çàðåãèñòðèðîâàíà øèðèíà ëèíèè èçëó÷åíèÿ 10 êÃö [6]. Ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ïðîìûøëåííûõ îáðàçöîâ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ ñ ðàñïðåäåëåííûìè áðýããîâñêèìè çåðêàëàìè (ÐÁÇ) â îïòîâîëîêíå èçó÷åíû íåäîñòàòî÷íî. Ïðîèçâîäèòåëü, êàê ïðàâèëî, îãðàíè÷èâàåòñÿ óêàçàíèåì âåðõíåãî ýôôåêòèâíîãî çíà÷åíèÿ øèðèíû ñïåêòðà òàêèõ èçëó÷àòåëåé (íàïðèìåð, 0,5 èëè 1,0 ÌÃö), äîñòèãàåìîãî ïðè íîìèíàëüíûõ çíà÷åíè-
ÿõ òîêà íàêà÷êè è òîêà õîëîäèëüíèêà. Ïðè ýòîì òîíêàÿ ñòðóêòóðà ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ ëàçåðà è õàðàêòåð åãî èçìåíåíèÿ âî âðåìåíè ÷àñòî îñòàþòñÿ íåèçâåñòíûìè.  íàñòîÿùåé ðàáîòå ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé êîãåðåíòíûõ (ñïåêòðàëüíûõ) õàðàêòåðèñòèê îòå÷åñòâåííûõ îäíî÷àñòîòíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ, ïîëó÷åííûå ñ ïðèìåíåíèåì ñêàíèðóþùåãî âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà–Öåíäåðà ñ áîëüøîé (äî 10,3 êì) ðàçíîñòüþ õîäà.
Ýëåìåíòàðíàÿ òåîðèÿ
Ýëåêòðè÷åñêèé ñèãíàë áèåíèé S(t) íà âûõîäå ôîòîïðèåìíîãî óñòðîéñòâà äâóëó÷åâîãî ñêàíèðóþùåãî èíòåðôåðîìåòðà (Ìàõà–Öåíäåðà, Ìàéêåëüñîíà è äð.) â ñêàëÿðíîì ïðèáëèæåíèè îïèñûâàåòñÿ èçâåñòíîé ôîðìóëîé [7, 8]
⎡t ⎤
∫S(t) = A P1P2 γ12 (τ) cos ⎢ ω(x)dx + δ⎥ ,
⎢⎣ 0 ⎥⎦
(1)
ãäå A – êîýôôèöèåíò ÷óâñòâèòåëüíîñòè ôîòîïðèåìíèêà, P1 è P2 – ìîùíîñòè âûõîäíîãî èçëó÷åíèÿ â ðàáî÷èõ êàíàëàõ èíòåðôåðîìåòðà, |γ12(τ)| – ñòåïåíü âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè èíòåðôåðèðóþùèõ ñâåòîâûõ âîëí, τ = (l1 – l2)/c – ñðåäíÿÿ âðåìåííàÿ çàäåðæêà (l1,l2 – îïòè÷åñêèå äëèíû ïóòåé, c – ñêîðîñòü ñâåòà â âàêóóìå), ω(t) – ìãíîâåííàÿ ÷àñòîòà ìîäóëÿöèè ñèãíàëà áèåíèé, δ – ïîñòîÿííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ôàçû ñèãíàëà áèåíèé. Ìãíîâåííàÿ ÷àñòîòà ω(t) ñè-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
49
ãíàëà îïðåäåëÿåòñÿ ðåæèìîì ñêàíèðîâàíèÿ ôàçû ϕ(t) ñâåòîâîé âîëíû â èíòåðôåðîìåòðå, ïðè ýòîì
ω(t)
=
∂ϕ ∂t
=
2π λ
∂Δl(t) ∂t
,
(2)
ãäå Δl(t) – ïåðåìåííàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ îïòè÷åñêîé ðàçíîñòè õîäà è λ – äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ â âàêóóìå.
Äëÿ óçêîïîëîñíûõ èñòî÷íèêîâ ñâåòà ñ ãàóññîâñêèì ïðîôèëåì ñïåêòðàëüíîé ëèíèè ñòåïåíü âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè, îïðåäåëÿåìàÿ êàê ìîäóëü íîðìèðîâàííîé àâòîêîððåëÿöèîííîé ôóíêöèè ñèãíàëà, ðàâíà
γ12 (τ)
=
exp
⎣⎡−
(
τ/τñ
)2
⎤ ⎦
,
(3)
ãäå τc – âðåìÿ êîãåðåíòíîñòè èçëó÷åíèÿ èñòî÷íèêà, ïðèìåðíî ðàâíîå îáðàòíîé øèðèíå Δυ ñïåêòðàëüíîé ëèíèè èñòî÷íèêà.
Åñëè ñïåêòð èñòî÷íèêà ñîäåðæèò äâå èëè áîëåå
ñðàâíèìûõ ïî ìîùíîñòè ñïåêòðàëüíûå êîìïîíåíòû, àâòîêîððåëÿöèîííàÿ ôóíêöèÿ γ12(τ) óæå íå ÿâëÿåòñÿ ìîíîòîííîé [9]. Äëÿ ãàóññîâñêîãî ñïåêòðàëü-
íîãî äóáëåòà ñ îäèíàêîâûìè øèðèíàìè ëèíèé Δυ ≈ τc–1 è ðàçíîñòüþ ÷àñòîò íåñóùèõ F âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå
γ12 (τ)
=
exp
⎡⎣−
(
τ/τñ
)2
⎤ ⎦
cos(πF τ)
.
(4)
Ãðàôèê ýòîé çàâèñèìîñòè ïðèâåäåí íà ðèñ. 1. Ñïåêòð ÷àñòîòíî-ìîäóëèðîâàííîãî ñèãíàëà áèåíèé îáû÷íî ñîäåðæèò íåñêîëüêî ãàðìîíèê, êðàòíûõ îñíîâíîé ÷àñòîòå ìîäóëÿöèè, à èõ àìïëèòóäû âûðàæàþòñÿ ôóíêöèÿìè Áåññåëÿ [10] è ïî áîëüøåé ÷àñòè îïðåäåëÿþòñÿ çíà÷åíèåì ôóíêöèè âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè |γ12(τ)|. Î÷åâèäíî, ìîùíîñòü è ýâîëþöèè ñïåêòðà ñèãíàëà áèåíèé, ðåãèñòðèðóåìîãî íà âûõîäå äâóëó÷åâîãî ñêàíèðóþùåãî èíòåðôåðîìåò-
ðà, õàðàêòåðèçóþò ôîðìó è âðåìåííûå èçìåíåíèÿ ñïåêòðà ñèãíàëà èñòî÷íèêà ñâåòà.
Äîñòèæåíèå óñòîé÷èâîãî ðåæèìà ãåíåðàöèè îäíî÷àñòîòíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ ñ òî÷íîñòüþ äî íåñêîëüêèõ åäèíèö–äåñÿòêîâ êÃö çàòðóäíèòåëüíî. Âñëåäñòâèå íåñòàáèëüíîñòè òîêà íàêà÷êè, èçìåíåíèé òåìïåðàòóðû àêòèâíîé ñðåäû ëàçåðà, ðàññòðîéêè åãî ðåçîíàòîðà è âëèÿíèÿ îáðàòíîðàññåÿííîãî èçëó÷åíèÿ â îïòè÷åñêîì êàíàëå ïåðåäà÷è ñïåêòð òàêèõ ëàçåðîâ ñîäåðæèò îäíó ëèáî äâå èëè áîëåå ëèíèè ãåíåðàöèè, ïîëîæåíèå è ìîùíîñòè êîòîðûõ ôëóêòóèðóþò âî âðåìåíè. Òàêèå èçìåíåíèÿ ñïåêòðàëüíîãî ñîñòàâà èçëó÷åíèÿ ëàçåðà ñèëüíî âëèÿþò íà àìïëèòóäó ñèãíàëà áèåíèé â èíòåðôåðîìåòðå, ÷òî ïîÿñíÿåò ðèñ. 1. Ñ ïåðåõîäîì îò îäíî÷àñòîòíîãî (À) ê äâóõ÷àñòîòíîìó (Â) ðåæèìó ãåíåðàöèè ïðè ïðîèçâîëüíûõ çíà÷åíèÿõ âðåìåíè çàäåðæêè âîçìîæíî çàìåòíîå èçìåíåíèå ñòåïåíè âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè èíòåðôåðèðóþùèõ âîëí, ÷òî ïðèâîäèò ê ñîîòâåòñòâóþùèì èçìåíåíèÿì óðîâíÿ ñèãíàëà áèåíèé â èíòåðôåðîìåòðå. Èññëåäîâàíèÿ ñòàòèñòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñèãíàëîâ áèåíèé íà âûõîäå èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà–Öåíäåðà äàþò ïîëåçíóþ èíôîðìàöèþ î õàðàêòåðå è äèíàìèêå èçìåíåíèé ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà è ïðîèñõîäÿùèõ â íåì ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññàõ.
Ýêñïåðèìåíò
Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà–Öåíäåðà, ïðåäíàçíà÷åííîãî äëÿ èññëåäîâàíèÿ êîãåðåíòíûõ (ñïåêòðàëüíûõ) õàðàêòåðèñòèê îäíî÷àñòîòíûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ, ïîêàçàíà íà ðèñ. 2.
Ñîåäèíèòåëüíûå óñòðîéñòâà èíòåðôåðîìåòðà âûïîëíåíû íà îñíîâå îäíîìîäîâîãî îïòè÷åñêîãî âîëîêíà.  ëèíèè çàäåðæêè òàêæå èñïîëüçîâàëîñü
1 |γ12(τ)|
0,5
A B
0 20 40 60 80 τ, ìêñ
Ðèñ. 1. Ðàñ÷åòíàÿ çàâèñèìîñòü ñòåïåíè âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè îò âðåìåíè çàäåðæêè ñèãíàëà äëÿ îäíîïîëîñíîãî (À) èçëó÷åíèÿ (øòðèõîâàÿ ëèíèÿ) è ãàóññîâñêîãî ñïåêòðàëüíîãî äóáëåòà (Â) (ñïëîøíàÿ ëèíèÿ). Âðåìÿ êîãåðåíòíîñòè τc ≈ 50 ìêñ, ðàçíîñ íåñóùèõ – F = 155 êÃö.
54
11 12
1
23 2 2 2
2 2 62 8 2
9 10
22
13
7
Ðèñ. 2. Ïðèíöèïèàëüíàÿ ñõåìà èçìåðèòåëüíîãî ñòåíäà. 1 – ÐÁÇ-ëàçåð, 2 – ðàçúåìíûå ñîåäèíèòåëè (êîííåêòîðû FC-125-SM), 3, 6 – âîëîêîííî-îïòè÷åñêèå ðàçâåòâèòåëè, 4 – ôàçîâûé îïòè÷åñêèé ìîäóëÿòîð, 5 – ãåíåðàòîð ñèãíàëîâ, 7 – îïòè÷åñêàÿ ëèíèÿ çàäåðæêè, 8 – ñîáèðàþùàÿ ëèíçà, 9 – ëèíåéíûé ïîëÿðèçàòîð (ïðèçìà Ãëàíà), 10 – ôîòîïðèåìíèê PD-1180, 11 – øèðîêîïîëîñíûé óñèëèòåëü Ó2-8, 12 – öèôðîâîé îñöèëëîãðàô PC SCOPE 1Gs/ s-50 MHz Velleman Instruments, 13 – ÏÊ.
50 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
îäíîìîäîâîå (λ = 1,33 ìêì) îïòîâîëîêíî ñ ïîòåðÿìè 0,3–0,5 äÁ/êì, îáåñïå÷èâàþùåå ðàçíîñòè õîäà Δ = (l1 – l2), ãäå l1 è l2 – ïîëíûå äëèíû îïòîâîëîêíà, êîòîðûå â ïåðâîì è âòîðîì ïëå÷àõ èíòåðôåðîìåòðà ñîñòàâëÿþò 2–10320 ì, ñðåäíèé ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ ñåðäöåâèíû îïòîâîëîêíà n ≈ 1,45. Èíòåðôåðîìåòð ñìîíòèðîâàí íà ìàññèâíîì àìîðòèçèðîâàííîì îïòè÷åñêîì ñòîëå. Îäíîìîäîâûå âîëîêîííûå êîìïîíåíòû èíòåðôåðîìåòðà, â òîì ÷èñëå îïòè÷åñêèå ðàçâåòâèòåëè è ëèíèè çàäåðæêè, ñîåäèíÿëèñü ñòàíäàðòíûìè FC-125-SM êîííåêòîðàìè. Ôàçîâûé àêóñòîîïòè÷åñêèé ìîäóëÿòîð (ÀÎÌ) âûïîëíåí â âèäå ïîëîãî öèëèíäðà èç äþðàëþìèíèÿ äèàìåòðîì 63 ìì è âûñîòîé 34 ìì, íà êîòîðûé óëîæåíî 16 ì îäíîìîäîâîãî âîëîêíà, ïðè ýòîì l2 ≈ 18 ì (ðèñ. 3).  ðàçðåçå ñòåíêè öèëèíäðà óñòàíîâëåí ïüåçîêåðàìè÷åñêèé óëüòðàçâóêîâîé ïðåîáðàçîâàòåëü, ïîäêëþ÷åííûé ê ãåíåðàòîðó ñèíóñîèäàëüíîãî ñèãíàëà íà ÷àñòîòå f â äèàïàçîíå 1–100 êÃö.
Ðàäèàëüíûå àêóñòè÷åñêèå êîëåáàíèÿ öèëèíäðà ñîïðîâîæäàþòñÿ óïðóãèìè äåôîðìàöèÿìè êàòóøêè îïòîâîëîêíà, âñëåäñòâèå ýôôåêòà ôîòîóïðóãîñòè îáåñïå÷èâàþùèìè äâóëó÷åïðåëîìëåíèå â âîëîêíå è ôàçîâóþ ìîäóëÿöèþ ñâåòà â èíòåðôåðîìåòðå [11]. Ìîäóëÿòîð ðàáîòàë â ðåæèìå ìèíèìàëüíûõ çíà÷åíèé óïðàâëÿþùèõ íàïðÿæåíèé, ïðè êîòîðûõ ãëóáèíà ìîäóëÿöèè ìíîãî ìåíüøå îäíîãî ðàäèàíà. Ïàðàçèòíàÿ àìïëèòóäíàÿ ìîäóëÿöèÿ ïðè ïðÿìîì ïîäêëþ÷åíèè ìîäóëÿòîðà ê ôîòîïðèåìíèêó íå íàáëþäàëàñü. ÈÊ èçëó÷åíèå íà âûõîäå îáîèõ ïëå÷ èíòåðôåðîìåòðà â çíà÷èòåëüíîé ñòåïåíè ëèíåéíî ïîëÿðèçîâàíî. Ñðàâíèòåëüíî âûñîêàÿ ïîëÿðèçàöèÿ èçëó÷åíèÿ íà âûõîäå èíòåðôåðîìåòðà ñâÿçàíà ñ ðàçëè÷èåì îïòè÷åñêèõ ïîòåðü â ìíîãîâèòêîâûõ êàòóø-
3 4
2
1 5
Ðèñ. 3. Ñõåìà âîëîêîííî-îïòè÷åñêîãî ôàçîâîãî ìîäóëÿòîðà. 1 – öèëèíäð, 2 – èçîëÿòîðû (ñëþäà), 3 – ýëåêòðîäû, 4 – ïüåçîêåðàìèêà, 5 – îïòîâîëîêîííàÿ êàòóøêà.
êàõ îäíîìîäîâîãî îïòîâîëîêíà äëÿ âîëíîâîäíûõ
ìîä, ïîëÿðèçîâàííûõ â ïëîñêîñòè âèòêîâ êàòóøêè
è ïåðïåíäèêóëÿðíûõ ê íåé. Èññëåäîâàëèñü êîãåðåí-
òíûå ñâîéñòâà èçëó÷åíèÿ ïðîìûøëåííûõ îäíî÷àñ-
òîòíûõ ïåðåäàþùèõ îïòîýëåêòðîííûõ ìîäóëåé ïðî-
èçâîäñòâà ÎÎÎ “ÍÎËÀÒÅÕ” òèïà ÏÎÌ-ÐÁÇ
(1,32 ìêì) è ÏÎÌ-14-1 ÐÁÇ (1,55 ìêì) ñ âûõîäíîé
ìîùíîñòüþ 1,5–2,0 ìÂò. Êîãåðåíòíûå õàðàêòåðèñ-
òèêè èçëó÷åíèÿ ýòèõ ìîäóëåé îêàçàëèñü âåñüìà áëèç-
êè äðóã ê äðóãó.
Îòìåòèì, ÷òî ïðè óâåëè÷åíèè ðàçíîñòè õîäà ñ
5810 äî 10320 ì, ìàêñèìàëüíàÿ àìïëèòóäà ñèãíàëà
óìåíüøèëàñü ïðèìåðíî íà 30%. Àìïëèòóäà ñèãíà-
ëà áèåíèé çàìåòíî ôëóêòóèðîâàëà, è óðîâåíü ôëóê-
òóàöèé âîçðàñòàë ïðè èçìåíåíèÿõ òîêà íàêà÷êè Ií è òîêà õîëîäèëüíèêà Iõ ëàçåðà, à òàêæå ïðè ñëó÷àéíûõ ìåõàíè÷åñêèõ äåôîðìàöèÿõ âîëîêîííîãî
êîíòóðà èíòåðôåðîìåòðà. Íàñòðîéêîé çíà÷åíèé
òîêîâ Ií è Iõ äîñòèãàëñÿ ñðàâíèòåëüíî ñòàáèëüíûé ðåæèì ñèãíàëà áèåíèé, ïðè ýòîì îïòèìàëüíûå çíà-
÷åíèÿ ýòèõ òîêîâ íå âñåãäà ñîîòâåòñòâîâàëè ðåêî-
ìåíäîâàííûì ïðîèçâîäèòåëåì. Íà ðèñ. 5 ïîêàçàíà
òèïè÷íàÿ âðåìåííàÿ çàâèñèìîñòü àìïëèòóäû âûõîä-
íîãî ñèãíàëà áèåíèé ïðè âêëþ÷åííîì è âûêëþ-
÷åííîì ÀÎÌ. Ëåâàÿ ÷àñòü îñöèëëîãðàììû íà ðèñ. 4
õàðàêòåðèçóåò íåóñòîé÷èâîñòü ñïåêòðà ÷àñòîò ãåíå-
ðàöèè èññëåäóåìîãî ëàçåðà. Ïðàâàÿ ÷àñòü îñöèëëî-
ãðàììû ïîêàçûâàåò âëèÿíèå ôëóêòóàöèé ïîñòîÿí-
íîé ðàçíîñòè ôàç δ (ñì. (1)), âûçâàííûõ ñëó÷àé-
íûìè òåìïåðàòóðíûìè è ìåõàíè÷åñêèìè âîçìó-
ùåíèÿìè â êîíòóðå èíòåðôåðîìåòðà.
Ñðàâíèòåëüíóþ îöåíêó ñòåïåíè âçàèìíîé êîãå-
ðåíòíîñòè ñâåòîâûõ âîëí íà âûõîäå èíòåðôåðîìåò-
ðà ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ îïòè÷åñêîé ðàçíîñòè
õîäà è óïðàâëÿþùèõ òîêàõ ëàçåðà óäîáíî âûïîëíèòü
ïîñðåäñòâîì êîýôôèöèåíòà Γ, ðàâíîãî îòíîøåíèþ
ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ âåëè÷èíû Smax ðåãèñòðèðóåìîãî ñèãíàëà áèåíèé ê ñðåäíåìó ãåîìåòðè÷åñ-
êîìó ìîùíîñòåé P1 è P2 èíòåðôåðèðóþùèõ âîëí,
/Γ = Smax P1P2 .
(5)
Ïðè ïîñòîÿííûõ çíà÷åíèÿõ êîýôôèöèåíòà A ÷óâ-
ñòâèòåëüíîñòè ôîòîïðèåìíèêà (1) è óñèëåíèÿ ýëåêò-
U, B
1
0 2,5 t, c Ðèñ. 4. Ëåâàÿ ÷àñòü îñöèëëîãðàììû – âðåìåííàÿ çàâèñèìîñòü àìïëèòóäû ñèãíàëà áèåíèé, ÷àñòîòà ìîäóëÿöèè 6 êÃö, ïðàâàÿ ÷àñòü – âûõîäíîé ñèãíàë ïðè îòêëþ÷åííîì ÀÎÌ. Èñòî÷íèê – ÏÎÌ-ÐÁÇ (1,32 ìêì).
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
51
ðîííîãî óñèëèòåëÿ, ïðèìåíÿåìûõ ïðè ðåãèñòðàöèè ñèãíàëà áèåíèé, âûïîëíÿåòñÿ ïðîïîðöèîíàëüíîñòü êîýôôèöèåíòà Γ è ñòåïåíè âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè
Γ ∝ γ12 (τ) .
(6)
Òèïè÷íûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà Ã, èçìåðåííûå ïðè ðàçíûõ ðåæèìàõ ïèòàíèÿ ëàçåðà òèïà ÏÎÌ-ÐÁÇ (1,32 ìêì) è ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ ðàçíîñòè õîäà Δ ïðèâåäåíû â òàáëèöå. Èç íåå âèäíî, ÷òî äàæå ïðè áîëüøèõ ðàçëè÷èÿõ ìîùíîñòåé èíòåðôåðèðóþùèõ ñèãíàëîâ êîýôôèöèåíòû Γ äëÿ ìèíèìàëüíûõ è ìàêñèìàëüíûõ çíà÷åíèé ðàçíîñòè õîäà îòëè÷àþòñÿ íåçíà÷èòåëüíî.
Îáñóæäåíèå ðåçóëüòàòîâ
Òî îáñòîÿòåëüñòâî, ÷òî èíòåíñèâíûé ñèãíàë áèåíèé íà âûõîäå èíòåðôåðîìåòðà óâåðåííî ðåãèñòðèðîâàëñÿ ïðè çíà÷åíèè Δ ñâûøå 10 êì, ïîäòâåðæäàåò, ÷òî ïðîìûøëåííûå îáðàçöû ëàçåðîâ ñ ÂÐÁ äàæå â óñëîâèÿõ ðàáîòû ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå ãåíåðèðóþò âûñîêîêîãåðåíòíîå ÈÊ èçëó÷åíèå ñ øèðèíîé ñïåêòðàëüíûõ ëèíèé ìåíåå 20 êÃö (ïî ïîðÿäêó âåëè÷èíû Δυ ≈ c/Δ). Âìåñòå ñ òåì, íàáëþäàåìàÿ íåñòàáèëüíîñòü àìïëèòóäû ñèãíàëà áèåíèé ïîêàçûâàåò, ÷òî ìãíîâåííûé, â ìàñøòàáå âðåìåíè ïîðÿäêà íåñêîëüêèõ ñåêóíä, ñïåêòð èññëåäîâàííûõ ïîëóïðîâîäíèêîâûõ èñòî÷íèêîâ ñâåòà íå ÿâëÿåòñÿ ñòðîãî êâàçèìîíîõðîìàòè÷åñêèì. Ïðè áîëüøèõ (íåñêîëüêî êì) ðàçíîñòÿõ õîäà â èíòåðôåðîìåòðå ñðåäíÿÿ âðåìåííàÿ çàäåðæêà èíòåðôåðèðóþùèõ ñèãíàëîâ ôëóêòóèðóåò âñëåäñòâèå êîëåáàíèé òåìïåðàòóðû îïòîâîëîêíà è óïðóãèõ íàïðÿæåíèé, âûçâàííûõ ñëó÷àéíûìè ìåõàíè÷åñêèìè äåôîðìàöèÿìè âîëîêíà [12].  ðåçóëüòàòå ñëó÷àéíûõ ñäâèãîâ ïîëîæåíèÿ ðàáî÷åé òî÷êè èíòåðôåðîìåòðà (ðèñ. 1) çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà γ12, à ñëåäîâàòåëüíî, è àìïëèòóäà ñèãíàëà áèåíèé òàêæå ôëóêòóèðóåò. Äðóãèìè âîçìîæíûìè ïðè÷èíàìè ôëóêòóàöèé àìïëèòóäû ñèãíàëà áèåíèé ÿâëÿþòñÿ èçìåíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ ïîëÿðèçàöèè èçëó÷åíèÿ â ïðîòÿæåííîì îïòîâîëîêíå è èçìåíåíèÿ
Çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà Γ äëÿ ðàçëè÷íûõ îïòè÷åñêèõ ðàçíîñòåé õîäà
Δ, ì Γ×10–3, Â/ìêÂò
2 22 42 5810 5810 10320
0,62 0,58 0,78 1,62 0,78 0,65
ðåæèìîâ ãåíåðàöèè ëàçåðà, âûçâàííûå îáðàòíûì ðàññåÿíèåì èçëó÷åíèÿ â èíòåðôåðîìåòðå [4]. Çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà Γ ïðèìåðíî îäèíàêîâû ïðè ñðàâíèòåëüíî ìàëûõ (30–60 ì) è ïðè áîëüøèõ (ñâûøå 10 êì) ðàçíîñòÿõ õîäà â èíòåðôåðîìåòðå, ÷òî óêàçûâàåò íà òî, ÷òî ñïåêòð ëàçåðà íå ÿâëÿåòñÿ ñòðîãî ìîíîõðîìàòè÷åñêèì è, ñêîðåå âñåãî, ñîäåðæèò äâå èëè áîëåå íåñòàáèëüíûõ ïî àìïëèòóäå è ÷àñòîòå óçêîïîëîñíûõ ëèíèè ãåíåðàöèè. Ýòî ïîäòâåðæäàåò îñöèëëîãðàììà íà ðèñ. 4. Íà íåé ôëóêòóàöèè ñèãíàëà áèåíèé ïðè îòêëþ÷åííîì ÀÎÌ, îáóñëîâëåííûå ñëó÷àéíûìè èçìåíåíèÿìè ôàçû δ (1), ñóùåñòâåííî ìåíüøå, ÷åì â ðàáî÷åì ñîñòîÿíèè èíòåðôåðîìåòðà. Ðàçíîñ F ñïåêòðàëüíûõ íåñóùèõ ìîæåò ñîñòàâëÿòü îò ñîòåí êÃö äî äåñÿòêà ÌÃö, ïðè ýòîì F ~ c/L, ãäå L – ïåðèîä èçìåíåíèÿ ôóíêöèè êîãåðåíòíîñòè (4) â åäèíèöàõ äëèíû.
Îáðàùàåò íà ñåáÿ âíèìàíèå ïîâûøåííîå çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà Γ, äîñòèãàåìîå ïðè ðàçíîñòè õîäà îêîëî 5,8 êì è îïðåäåëåííûõ çíà÷åíèÿõ òîêîâ íàêà÷êè è õîëîäèëüíèêà. Âîçìîæíîé ïðè÷èíîé òàêîãî óâåëè÷åíèÿ ñòåïåíè âçàèìíîé êîãåðåíòíîñòè èíòåðôåðèðóþùèõ âîëí ìîãóò áûòü íåëèíåéíûå ÿâëåíèÿ â îïòè÷åñêîé ëèíèè çàäåðæêè, â òîì ÷èñëå âûíóæäåííîå ðàññåÿíèå Ìàíäåëüøòàìà–Áðèëëþýíà, âëèÿíèå êîòîðîãî îñîáåííî ñèëüíî ïðè ñâåðõìàëûõ øèðèíàõ ñïåêòðà âîçáóæäàþùåãî èçëó÷åíèÿ è ïðè áîëüøèõ äëèíàõ âçàèìîäåéñòâèÿ èçëó÷åíèÿ ñî ñðåäîé. Ýòè ïðîöåññû äîñòàòî÷íî ñëîæíû è äîëæíû ÿâèòüñÿ ïðåäìåòîì ñàìîñòîÿòåëüíûõ èññëåäîâàíèé.
Èçìåðåíèÿ ñòàòèñòè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê ñëó÷àéíûõ ñèãíàëîâ áèåíèé íà âûõîäå âîëîêîííîãî èíòåðôåðîìåòðà Ìàõà–Öåíäåðà, èñïîëüçóåìîãî â àíàëèçå êîãåðåíòíûõ ñâîéñòâ øóìîâ ëàçåðíûõ èçëó÷àòåëåé, ïîçâîëÿò áîëåå òî÷íî óñòàíîâèòü õàðàêòåð øóìîâ è îñîáåííîñòè äèíàìèêè ñïåêòðà òàêèõ ëàçåðîâ, à òàêæå ñôîðìóëèðîâàòü ïðàêòè÷åñêèå ðåêîìåíäàöèè ïî èõ äàëüíåéøåìó óñîâåðøåíñòâîâàíèþ.
Âûâîäû
Ñêàíèðóþùèé âîëîêîííî-îïòè÷åñêèé èíòåðôåðîìåòð Ìàõà–Öåíäåðà ñ ðàçíîñòüþ õîäà äî 10,3 êì èñïîëüçîâàí äëÿ èññëåäîâàíèÿ êîãåðåíòíûõ õàðàêòåðèñòèê ïðîìûøëåííûõ îäíî÷àñòîòíûõ ëàçåðîâ ñ âîëîêîííîé ðåøåòêîé Áðýããà äèàïàçîíîâ 1,32 è 1,55 ìêì. Ñïåêòð è ôëóêòóàöèè ðåãèñòðèðóåìûõ ñèãíàëîâ áèåíèé ïîêàçûâàþò, ÷òî êðàòêîâðåìåííàÿ, äëèòåëüíîñòüþ íåñêîëüêî åäèíèö – äåñÿòêîâ ñåêóíä, øèðèíà ñïåêòðà ýòèõ ëàçåðîâ ìîæåò ñîñòàâëÿòü ìåíåå 20 êÃö, ïðè ýòîì òàêèå èçëó÷àòåëè, ïî-âèäèìîìó, íå ÿâëÿþòñÿ ñòðîãî îäíî÷àñòîòíûìè è ãåíåðè-
52 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
ðóþò íà íåñêîëüêèõ – äâóõ èëè áîëåå – áëèçêî ðàñïîëîæåííûõ ñïåêòðàëüíûõ ëèíèÿõ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Îêîñè Ò., Îêàìîòî Ê., Îöó Ì., Íèñèõàðà Õ., Êþìà Ê., Õàòàòý Ê. Âîëîêîííî-îïòè÷åñêèå äàò÷èêè. Ïåð. ñ ÿïîí. Ì.: Ýíåðãîàòîìèçäàò, 1990. 256 ñ.
12. Øåðåìåòüåâ À.Ã. Êîãåðåíòíàÿ âîëîêîííî-îïòè÷åñêàÿ ñâÿçü. Ì.: Ðàäèî è ñâÿçü, 1991. 192 ñ.
13. Äìèòðèåâ À.Ë., ×æàí ßíüøåíü, Ìà Êñèíþ. Âîëîêîííî-îïòè÷åñêèé êîëüöåâîé ïàññèâíûé ðåçîíàòîð â ìàëîìîäîâîì ðåæèìå ðàñïðîñòðàíåíèÿ èçëó÷åíèÿ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2000. Ò. 67. ¹ 3. Ñ. 19–23.
14. Ôèçèêà ïîëóïðîâîäíèêîâûõ ëàçåðîâ / Ïîä ðåä. Õ. Òàêóìû. Ì.: Ìèð, 1989. 310 ñ.
15. Äóðàåâ Â.Ï., Íåäåëèí Å.Ò., Íåäîáûâàéëî Ò.Ï., Ñóìàðîêîâ Ì.À., Êëèìîâ Ê.È. Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ëàçåðû ñ âîëîêîííîé áðýããîâñêîé ðåøåòêîé è óçêèì ñïåêòðîì ãåíåðàöèè íà äëèíàõ âîëí 1530–1560 íì // Êâàíò. ýëåêòðîí. 2001. Ò. 31. ¹ 6. Ñ. 529–530.
16. Wyatt R., Devlin W.J. 10-kHz Linewidth 1–5/an InGaAsP External Cavity Laser with 55 nm Tuning Range // Electron. lett. 1983. V. 19. ¹ 2. P. 110–112.
17. Áîðí Ì., Âîëüô.Ý. Îñíîâû îïòèêè. Ì.: Íàóêà, 1973. 720 ñ.
18. Äåìòðåäåð Â. Ëàçåðíàÿ ñïåêòðîñêîïèÿ. Ïåð. ñ àíãë. Ì.: Íàóêà, 1985. 608 ñ.
19. Êîëüåð Ð., Áåðêõàðò Ê., Ëèí Ë. Îïòè÷åñêàÿ ãîëîãðàôèÿ. Ì.: Ìèð, 1973. 161ñ.
10. Åâòèõååâ Í.Í., Åâòèõååâà Î.À., Êîìïàíåö È. Í., Êðàñíîâ À.Å., Êóëü÷èí Þ.Í., Îäèíîêîâ Ñ.Á., Ðèíêåâè÷óñ Á.Ñ. Èíôîðìàöèîííàÿ îïòèêà. Ì.: Èçä. ÌÝÈ, 2000. 612 ñ.
11. Ãóëÿåâ Þ.Â., Ìåø Ì.ß., Ïðîêëîâ Â.Â. Ìîäóëÿöèîííûå ýôôåêòû â âîëîêîííûõ ñâåòîâîäàõ è èõ ïðèìåíåíèå. Ì.: Ðàäèî è ñâÿçü, 1991. 152 ñ.
12. Êàðïà÷åâà Ò.À., Äìèòðèåâ À.Ë. Âëèÿíèå òåìïåðàòóðû íà ïîëÿðèçàöèîííûå ñâîéñòâà îäíîðîäíûõ è äâóëó÷åïðåëîìëÿþùèõ âîëîêîííûõ ñâåòîâîäîâ // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2003. Ò. 70. ¹ 11. Ñ. 73–76.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 9, 2008
53