復合光學微球腔回音壁模共振譜選模特性分析

呂宏春,萬洪丹,王瑾,楊超麟

(南京郵電大學,南京 210023)

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復合光學微球腔回音壁模共振譜選模特性分析

呂宏春,萬洪丹,王瑾,楊超麟

(南京郵電大學,南京 210023)

摘要:提出一種新型的基于復合微球腔WGM(回音壁模式)共振譜的全光纖激光腔內選模方法。通過多層介質和并聯結構構造復合光學微球腔,基于FDTD(有限差分時域)算法仿真并分析了復合微球腔內WGM的光場分布特性。基于復合光學微球腔-拉錐光纖的最佳耦合條件,計算得到其傳輸透射譜。通過優化復合微球腔的參數并改進耦合條件,實現了WGM共振譜帶寬的壓縮和邊模抑制比的提高。所獲得的窄帶透射譜對實現全光纖激光選模具有重要意義。

關鍵詞:回音壁模式;微球腔;多層介質;雙微球;透射譜

0　引 言

單縱模窄帶光纖激光器由于其單色性好、波長靈活和結構緊湊等特性被廣泛應用于光纖通信、傳感等眾多領域[1]。目前,窄帶激光輸出需要結合腔結構設計和腔內選模技術來實現,其中光學諧振腔主要包括線性腔和環形腔[2]。線性腔由于增益光纖長度較短而使得激光輸出功率受限;環形腔內需要加入光纖濾波器,如FBG(光纖光柵)、F-P(法布里-珀羅)諧振腔、可飽和吸收體等以實現帶寬壓縮與單縱模激光輸出[2]。由于受到材料和結構的限制,現有光纖濾波器的選模帶寬通常在GHz以上。A.A.Savchenkov等人采用WGM(回音壁模式)微腔實現了選模帶寬為10 MHz的濾波器[3]。WGM光學微腔具有穩定性高和易于集成等優點,其極高的品質因子Q為獲得超窄帶濾波譜提供了可行性[4]。各種形狀(盤、環、球等)中,球形微腔光子壽命長、精細度和機械穩定性高,可激發穩定的窄帶WGM共振濾波譜。純石英介質、單一結構的WGM微球腔,由于其表面易受污染,熔融表面張力制作過程容易產生橢圓非對稱性,因此,仍然需要從材料和結構上進行改進以提高其Q值。本文提出了一種新型的復合光學微球腔,采用復合材料和并聯雙微球結構提高微球腔Q值,改善腔內WGM的共振譜特性。基于FDTD(有限差分時域)算法分別研究了雙層介質微球腔和雙微球耦合腔內的光場分布特性。利用拉錐光纖實現光學諧振腔內光場耦合,通過優化微球腔參數實現了WGM共振譜帶寬的壓縮和邊模抑制比的提升。該復合光學微球腔-拉錐光纖耦合系統在激光選模和光學濾波等方面具有潛在的應用價值。

1　理論模型

微球-拉錐光纖耦合系統中光場傳輸過程如圖1所示。根據耦合模理論,其耦合系數[5]為

圖1　微球-拉錐光纖耦合系統光場傳輸過程

式中,ηfs和ηsf分別為光從拉錐光纖耦合進入微球和光從微球耦合進入拉錐光纖的耦合系數;Δε為微球和拉錐光纖相對于空氣的介電常數;Δβ=βf-βs為拉錐光纖和微球的傳輸常數之差;Ef和Es分別為光纖和微球的歸一化電場;Vs為微球的體積;ω為角頻率;υ為頻率;i表示虛部。石英微球的本征品質因數為Q0,對于本文討論的直徑為35μm的石英微球,其彎曲損耗可以忽略不計[6]。在實際系統中,后向散射將導致順時針和逆時針回音壁模的模式耦合,順時針和逆時針方向模式場分布表達式為

2　數值模擬結果分析

2.1均勻介質單微球-拉錐光纖耦合系統

理論模型耦合參數如下:微球直徑35μm,拉錐光纖直徑1.4μm,微球和拉錐光纖的折射率均為1.46,耦合間距為0.3μm,光源波長為1 530～ 1 570 nm。圖2所示為均勻介質單微球-拉錐光纖耦合系統回音壁模的光場分布和透射譜。由圖2 (a)可見,能量主要集中在微球邊緣;由圖2(b)可以看出,透射譜在1 541.87和1 556.88 nm附近有較強的諧振峰,其透射率分別為0.510 05和0.454 74。

圖2　均勻介質單微球-拉錐光纖耦合系統回音壁模光場分布和透射譜

2.2均勻介質雙微球-拉錐光纖耦合系統

為了提高微球腔與拉錐光纖耦合系統的激光選模和光學濾波性能,本文提出將雙微球相對拉錐光纖對稱放置的方式進行微球與拉錐光纖的耦合,其他耦合參數與均勻介質單微球-拉錐光纖耦合系統相同。利用FDTD Solutions計算出的光場分布與透射譜如圖3所示。圖3(a)所示為光場分布圖,由圖可見,其能量集中于兩個微球的表面。圖3(b)所示為透射譜,可以看出,在1 541.84和1 556.85 nm波段,均勻介質雙微球-拉錐光纖耦合系統的透射譜較均勻介質單微球-拉錐光纖耦合系統的透射譜具有更高的邊模抑制比和更窄的濾波譜寬度,其濾波譜半高寬度壓縮了約36%,峰值透射率降低了約69%。這是因為采用雙微球提高了系統的耦合效率,從而改善了整個微球腔濾波器的窄帶選模特性。

圖3　均勻介質雙微球-拉錐光纖耦合系統回音壁模光場分布與透射譜

2.3雙層介質單微球-拉錐光纖耦合系統

為進一步優化微球腔-拉錐光纖耦合系統的選模特性,本文還研究了雙層介質微球腔,即在均勻介質微球的基礎上,在其表面鍍一層折射率為2.4、厚度為0.1μm的高折射率介質,從而改善微球腔內回音壁模的共振譜。其他耦合條件不變,仿真得到的雙層介質單微球-拉錐光纖耦合系統的光場分布和透射譜如圖4所示。由圖4(a)可知,雙層介質單微球的能量也主要集中在微球表面,但能量集中度相對于均勻介質單微球腔-拉錐光纖耦合系統而言更高,模場能量更多分布于外包層。這是因為高折射率介質降低了微球中光的散射損耗,光在微球腔中的諧振效果更好,抑制了諧振腔的高階模式,因此得到了更好的耦合效果。

由圖4(b)可以發現,雙層介質單微球-拉錐光纖耦合系統較均勻介質單微球-拉錐光纖耦合系統

圖4　雙層介質單微球-拉錐光纖耦合系統回音壁模光場分布與透射譜

具有更尖銳的諧振峰和更低的透射率。雙層介質單微球-拉錐光纖耦合系統諧振峰的光譜帶寬相對于均勻介質單微球-拉錐光纖耦合系統明顯變窄,通過分析仿真結果可知,其半高寬度壓縮了約34%;峰值透射率較均勻介質單微球-拉錐光纖耦合系統降低約56%。由于WGM共振譜更高的邊模抑制比和更窄的光譜帶寬,雙層介質單微球-拉錐光纖耦合系統的激光選模和光學濾波效果明顯更好,為提高微球腔激光選模和光學濾波能力提供了理論依據。

3　結束語

本文研究了WGM均勻介質微球腔場分布和透射譜特性,并對均勻介質單微球腔的材料與結構進行優化,提出了新型的復合光學微球腔結構。采用雙微球相對拉錐光纖對稱放置并與拉錐光纖進行耦合的方式,將諧振峰半高寬度壓縮了36%;采用雙層介質單微球與拉錐光纖耦合,使諧振峰半高寬度壓縮了34%。兩種方式均提高了微球-拉錐光纖耦合系統的邊模抑制比,壓縮了WGM光譜帶寬,為實現高效光學濾波和模式選擇提供了一種較

為實用的方法,在實現高相干性光纖光源方面具有潛在的應用價值。

參考文獻:

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光纖光纜技術與應用

光電器件研究與應用

Whispering-Gallery-Mode Resonance Spectra of Composite Optical Microsphere Cavity and Their Mode-Selection Characteristics

LüHong-chun,WAN Hong-dan,WANG Jin,YANG Chao-lin
(Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210023,China)

Abstract:We propose a novel mode-selection method in all-fiber laser cavity based on composite optical microsphere cavity Whispering-Gallery-Mode(WGM)resonance spectra and simulate and analyze the optical field distribution of the microsphere cavities constructed with multilayer media and parallel structures by using the Finite Difference Time Domain(FDTD)algorithm.On the basis of the optimal conditions for coupling the microsphere cavities with tapered fibers,we calculate and obtain their transmission spectra.By optimizing the parameters of microsphere cavities and improve the coupling conditions,we compress the WGM resonance spectra bandwidth and enhance the side-mode suppression ratio.The acquired narrow-band transmission spectra are of major significance to all-fiber laser mode selection.

Key words:WGM;microsphere cavity;multilayer medium;double microsphere;transmission spectrum

中圖分類號:TN256

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0048-03

收稿日期:2015-07-27

基金項目:江蘇省自然科學基金青年項目(BK20150858);南京郵電大學引進人才項目(NY214059,NY213083)

作者簡介:呂宏春(1990-),男,江蘇南京人。碩士研究生,主要研究方向為光通信和光信息處理。

通信作者:萬洪丹,講師。E-mail:hdwan@njupt.edu.cn

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.015