單個光纖環(huán)形諧振器的輸出光學特性

廖陽清，蘇思琪，張曼妮，黃瀝鋒，武廣亮，張 敬

(大連民族大學 物理與材料工程學院，遼寧 大連 116600)

21世紀是高度信息化的時代，信息技術將成為影響人類生活的重要技術之一. 隨著高性能半導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發(fā)展的重要技術，有顯著的優(yōu)點：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；光信號在光纖傳輸中的泄露小，保密性好，抗電磁干擾性能強. 光器件作為光通信系統(tǒng)的核心成分，對通信系統(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逐漸顯現(xiàn)出來. 基于環(huán)形諧振器的光器件是作為實現(xiàn)新一代光通信和高速全光信號處理系統(tǒng)的核心集成光子學功能器件，已被應用于設計制作生物化學傳感器[1-3]、窄帶濾波器[4]、超低閾值激光器[5]、光信號處理器[6]、光開關[7]、光路由器[8]、光延時線[9]等領域，具有非常重要的研究意義和十分廣闊的應用前景. 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諧振結構的品質因子. 文獻[10-12]研究了結構參量之間的匹配關系對諧振結構光譜輸出特性的影響，而忽略了環(huán)形諧振結構中損耗因素本身的取值對結構光輸出特性的影響. 本文采用理論推導與實驗相結合的方法研究單個光纖環(huán)形諧振器的光傳輸特性. 實驗中選取光纖環(huán)形諧振器耦合區(qū)域的不同分束率，得到相應的光透過率輸出特性曲線. 通過實驗測量結果與理論推導進行對比分析，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，得到單環(huán)結構中的最佳損耗參量，進而獲得環(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)，實現(xiàn)環(huán)形諧振器輸出光強度的動態(tài)可調，有助于諧振器在光傳感、光信息存儲和光通信等領域廣泛應用.

1 理論推導

單個環(huán)形諧振器的結構如圖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個周期后的相位位移恰為2π的整數(shù)倍(即諧振條件)，此時諧振效應使得回路中形成了極其穩(wěn)定的諧振模式. 當諧振的腔長足夠大時，諧振器中會出現(xiàn)很多諧振模式，不同的諧振模式與不同的諧振波長相對應.

圖1 單個光纖環(huán)形諧振器的基本結構示意圖

采用傳輸矩陣理論研究其光場傳輸特性[13]，其輸出場與輸入場的比值為

(1)

同時，也能夠得出光的透過率，透過率為輸出場與輸入場模的平方，即

(2)

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

(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r>α時，內部損耗大于耦合到腔外的光所產生的損耗，稱之為諧振腔欠耦合；當r<α時，為過耦合；當r=α時，為最佳諧振狀態(tài)臨界耦合.

對諧振狀態(tài)下光纖環(huán)形諧振器的光透過率關于r進行求導得到：

(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，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. 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)，得到單個光纖環(huán)的最佳諧振狀態(tài).

2 實驗研究

實驗裝置如圖2所示.

圖2 實驗裝置圖

實驗中采用的信號源是窄線寬可調諧光纖激光器. 線寬小于50 kHz，中心波長為1 550 nm. 信號發(fā)生器作為驅動源，提供幅值為5 V、頻率為10 Hz周期性的三角波信號，對光纖激光器輸出波長精確地線性調諧. 光纖激光器輸出的光首先經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器件). 經過光隔離器和偏振控制器的光,再經過由耦合器組成的單個光纖環(huán)的諧振裝置直接被探測器探測，通過探測器的光電轉換作用，在示波器中顯示隨時間變化的透過光譜. 通過選用合適的激光光源與檢測系統(tǒng)(包括光電探測器和示波器)，使實驗中所用儀器的性能發(fā)揮良好，保證了輸出光源的穩(wěn)定性及光電檢測檢驗結果的準確性. 在諧振裝置中，光纖環(huán)與直波導之間的耦合主要由光纖耦合器實現(xiàn). 實驗中光纖激光器出射功率P=1 mW,光纖環(huán)長度L=0.8 m. 實驗中調節(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.

r=0.948,0.922,0.866,0.774,0.707的透過率曲線趨勢如圖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時的透過率輸出曲線

由圖3得到Tm以及由(5)式計算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. 實驗中不同耦合器分束比的環(huán)形光纖耦合器都可以根據(jù)上述理論推導得到，取其平均值，可得到實驗裝置中光纖環(huán)的光損耗系數(shù)α值為0.985.

根據(jù)圖3和表1中的實驗數(shù)據(jù)r和T的值進行總結，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系

當處于臨界耦合情況下，r=α=0.985時透過率曲線趨勢如圖5所示.

圖5 r=α=0.985時透過率輸出線型

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時間越短. 通過調節(jié)可變耦合器的耦合程度，可以調節(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 論

理論研究了環(huán)形光纖諧振結構中光損耗系數(shù)與諧振點處的光透過率和透射系數(shù)之間的關系. 實驗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，當耦合器的反射系數(shù)r與諧振器損耗系數(shù)α相等時，輸出激光能夠達到最佳諧振狀態(tài). 通過在光纖環(huán)中將光損耗系數(shù)和反射系數(shù)這2個重要參量進行有效匹配，可以實現(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度的動態(tài)可調. 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時間就越短. 這一特性使得環(huán)形光纖諧振器能夠被廣泛應用在全光開光、窄帶濾波器、光傳感、光存儲和光通信等領域.