單個(gè)光纖環(huán)形諧振器的輸出光學(xué)特性

廖陽清，蘇思琪，張曼妮，黃瀝鋒，武廣亮，張 敬

(大連民族大學(xué) 物理與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

21世紀(jì)是高度信息化的時(shí)代，信息技術(shù)將成為影響人類生活的重要技術(shù)之一. 隨著高性能半導(dǎo)體激光器和低損耗光纖的出現(xiàn)和發(fā)展，光纖通信已然成為目前信息技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)，有顯著的優(yōu)點(diǎn)：光波頻率高，可供利用的頻帶寬，光纖通信容量大；光纖損耗低，中繼距離比較長(zhǎng)；光信號(hào)在光纖傳輸中的泄露小，保密性好，抗電磁干擾性能強(qiáng). 光器件作為光通信系統(tǒng)的核心成分，對(duì)通信系統(tǒng)的性能和成本具有非常大的影響，因此光通信和光傳感器件的重要性已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出來. 基于環(huán)形諧振器的光器件是作為實(shí)現(xiàn)新一代光通信和高速全光信號(hào)處理系統(tǒng)的核心集成光子學(xué)功能器件，已被應(yīng)用于設(shè)計(jì)制作生物化學(xué)傳感器[1-3]、窄帶濾波器[4]、超低閾值激光器[5]、光信號(hào)處理器[6]、光開關(guān)[7]、光路由器[8]、光延時(shí)線[9]等領(lǐng)域，具有非常重要的研究意義和十分廣闊的應(yīng)用前景. 在環(huán)形諧振器中，損耗直接影響環(huán)形諧振器件的性能和整個(gè)諧振結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因子. 文獻(xiàn)[10-12]研究了結(jié)構(gòu)參量之間的匹配關(guān)系對(duì)諧振結(jié)構(gòu)光譜輸出特性的影響，而忽略了環(huán)形諧振結(jié)構(gòu)中損耗因素本身的取值對(duì)結(jié)構(gòu)光輸出特性的影響. 本文采用理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究單個(gè)光纖環(huán)形諧振器的光傳輸特性. 實(shí)驗(yàn)中選取光纖環(huán)形諧振器耦合區(qū)域的不同分束率，得到相應(yīng)的光透過率輸出特性曲線. 通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論推導(dǎo)進(jìn)行對(duì)比分析，歸納出諧振狀態(tài)下光透過特性隨諧振器分束率變化趨勢(shì)，得到單環(huán)結(jié)構(gòu)中的最佳損耗參量，進(jìn)而獲得環(huán)形諧振器的最佳諧振狀態(tài). 通過改變環(huán)形諧振器的耦合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)環(huán)形諧振器輸出光強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)可調(diào)，有助于諧振器在光傳感、光信息存儲(chǔ)和光通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.

1 理論推導(dǎo)

單個(gè)環(huán)形諧振器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過反饋的方式把光送入閉合的回路中，光波在閉合回路中傳播1個(gè)周期后的相位位移恰為2π的整數(shù)倍(即諧振條件)，此時(shí)諧振效應(yīng)使得回路中形成了極其穩(wěn)定的諧振模式. 當(dāng)諧振的腔長(zhǎng)足夠大時(shí)，諧振器中會(huì)出現(xiàn)很多諧振模式，不同的諧振模式與不同的諧振波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng).

圖1 單個(gè)光纖環(huán)形諧振器的基本結(jié)構(gòu)示意圖

采用傳輸矩陣?yán)碚撗芯科涔鈭?chǎng)傳輸特性[13]，其輸出場(chǎng)與輸入場(chǎng)的比值為

(1)

同時(shí)，也能夠得出光的透過率，透過率為輸出場(chǎng)與輸入場(chǎng)模的平方，即

(2)

(2)式的透過率是針對(duì)所有頻率的光波而言的. 當(dāng)cosφ=cos (2πm)=1，即光纖環(huán)處于諧振狀態(tài)下，諧振器的諧振波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的光透過率為

(3)

其中，r2定義為耦合器的分束率，正如諧振狀態(tài)下光纖環(huán)形諧振器的光透過率公式所反映的，諧振狀態(tài)下光纖環(huán)形諧振器的光透過率與耦合器的分束率r2有著明顯的非線性變化關(guān)系. 光纖環(huán)形諧振器的耦合具有3種狀態(tài)：欠耦合、過耦合和臨界耦合. 由式(1)可知：當(dāng)r>α?xí)r，內(nèi)部損耗大于耦合到腔外的光所產(chǎn)生的損耗，稱之為諧振腔欠耦合；當(dāng)r<α?xí)r，為過耦合；當(dāng)r=α?xí)r，為最佳諧振狀態(tài)臨界耦合.

對(duì)諧振狀態(tài)下光纖環(huán)形諧振器的光透過率關(guān)于r進(jìn)行求導(dǎo)得到：

(4)

由式(3)可知，光纖環(huán)形諧振器的諧振狀態(tài)與其光損耗系數(shù)α緊密相關(guān)，光損耗系數(shù)α可由式(3)推得：

(5)

由式(5)可知，光損耗系數(shù)的值主要與透過率和反射系數(shù)r相關(guān). 通過代入透過率Tm和反射系數(shù)r的數(shù)值可得到光損耗系數(shù)α的取值，再由α值出發(fā)，得到單個(gè)光纖環(huán)的最佳諧振狀態(tài).

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)中采用的信號(hào)源是窄線寬可調(diào)諧光纖激光器. 線寬小于50 kHz，中心波長(zhǎng)為1 550 nm. 信號(hào)發(fā)生器作為驅(qū)動(dòng)源，提供幅值為5 V、頻率為10 Hz周期性的三角波信號(hào)，對(duì)光纖激光器輸出波長(zhǎng)精確地線性調(diào)諧. 光纖激光器輸出的光首先經(jīng)過保偏型光纖隔離器(光纖隔離器是只允許光單向通過的無源光學(xué)器件). 經(jīng)過光隔離器和偏振控制器的光,再經(jīng)過由耦合器組成的單個(gè)光纖環(huán)的諧振裝置直接被探測(cè)器探測(cè)，通過探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換作用，在示波器中顯示隨時(shí)間變化的透過光譜. 通過選用合適的激光光源與檢測(cè)系統(tǒng)(包括光電探測(cè)器和示波器)，使實(shí)驗(yàn)中所用儀器的性能發(fā)揮良好，保證了輸出光源的穩(wěn)定性及光電檢測(cè)檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性. 在諧振裝置中，光纖環(huán)與直波導(dǎo)之間的耦合主要由光纖耦合器實(shí)現(xiàn). 實(shí)驗(yàn)中光纖激光器出射功率P=1 mW,光纖環(huán)長(zhǎng)度L=0.8 m. 實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)可變耦合器的分束比分別為：10∶90(r2=0.90)，15∶85(r2=0.85)，25∶75(r2=0.75)，40∶60(r2=0.60)，50∶50(r2=0.50),得到不同的光譜響應(yīng).

r=0.948,0.922,0.866,0.774,0.707的透過率曲線趨勢(shì)如圖3所示.

(a)r=0.948

(b)r=0.922

(c)r=0.866

(d)r=0.774

(e)r=0.707圖3 不同r時(shí)的透過率輸出曲線

由圖3得到Tm以及由(5)式計(jì)算α值如表1所示.

表1 不同r值的Tm及α

由表1可知，不同r值的光損耗系數(shù)α值非常接近. 實(shí)驗(yàn)中不同耦合器分束比的環(huán)形光纖耦合器都可以根據(jù)上述理論推導(dǎo)得到，取其平均值，可得到實(shí)驗(yàn)裝置中光纖環(huán)的光損耗系數(shù)α值為0.985.

根據(jù)圖3和表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)r和T的值進(jìn)行總結(jié)，可以得到光纖環(huán)形諧振器的輸出光透過率Tm與諧振器的分束比r2的關(guān)系線型圖像如圖4所示.

圖4 環(huán)形光纖諧振器輸出光的透過率與諧振器分束比的關(guān)系

當(dāng)處于臨界耦合情況下，r=α=0.985時(shí)透過率曲線趨勢(shì)如圖5所示.

圖5 r=α=0.985時(shí)透過率輸出線型

通過比較諧振器的分束比r2分別為0.97，0.90，0.85，0.75，0.60，0.50的透過率輸出線型，可以明顯地發(fā)現(xiàn)：諧振透過率越低輸出線型的諧振頻帶越窄，濾波特性就越好，也就意味著諧振器的響應(yīng)時(shí)間越短. 通過調(diào)節(jié)可變耦合器的耦合程度，可以調(diào)節(jié)單環(huán)諧振器作為濾波器的濾波頻率和濾波范圍寬度.

3 結(jié) 論

理論研究了環(huán)形光纖諧振結(jié)構(gòu)中光損耗系數(shù)與諧振點(diǎn)處的光透過率和透射系數(shù)之間的關(guān)系. 實(shí)驗(yàn)中通過比較耦合器分束比r2分別為0.97，0.90，0.85，0.75，0.60，0.50的透過率輸出線型，確定環(huán)形光纖諧振器的光損耗系數(shù)α，當(dāng)耦合器的反射系數(shù)r與諧振器損耗系數(shù)α相等時(shí)，輸出激光能夠達(dá)到最佳諧振狀態(tài). 通過在光纖環(huán)中將光損耗系數(shù)和反射系數(shù)這2個(gè)重要參量進(jìn)行有效匹配，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)形光纖諧振器的最佳諧振狀態(tài)，以及諧振器輸出光強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)可調(diào). 研究也發(fā)現(xiàn)諧振透過率越低，則輸出線型的諧振頻帶越窄，也即濾波特性就越好且諧振器的響應(yīng)時(shí)間就越短. 這一特性使得環(huán)形光纖諧振器能夠被廣泛應(yīng)用在全光開光、窄帶濾波器、光傳感、光存儲(chǔ)和光通信等領(lǐng)域.