級(jí)聯(lián)聲光器件與回音壁模式微腔實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱傳輸*

呂宇曦 王晨 段添期 趙彤 常朋發(fā)? 王安幫2)

1) (太原理工大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院,新型傳感器與智能控制教育部(山西省)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030024)

2) (廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院,廣東省信息光子技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣州 510006)

1 引言

光學(xué)非互易和非對(duì)稱傳輸對(duì)于現(xiàn)代光通信系統(tǒng)至關(guān)重要,基于其實(shí)現(xiàn)的器件廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中[1–3].非對(duì)稱傳輸雖然不能用于制備基于非互易原理才能實(shí)現(xiàn)的器件,例如光隔離器[3,4].但其在通信和信息處理的集成光子系統(tǒng)中仍具有重要的潛在應(yīng)用,如實(shí)現(xiàn)方向敏感分束[5]、多路復(fù)用[6]和光互連[7,8]等功能.非對(duì)稱傳輸可以通過精細(xì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),例如光子晶體[7,8]、非對(duì)稱光柵[9]和分裂環(huán)諧振器[10]等;也可利用回音壁微腔結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn),如回音壁模式微腔組成的多腔結(jié)構(gòu)[11]、受激布里淵散射[12]和模式耗散[13]等.這些工作都打破了空間反演對(duì)稱性,但對(duì)于實(shí)際應(yīng)用仍存在許多無法回避的問題.對(duì)于片上方案,其實(shí)現(xiàn)方法固有的復(fù)雜性使得這類方案在制造和校準(zhǔn)方面普遍存在挑戰(zhàn),而且這些方案也存在著與當(dāng)前商用光纖通信網(wǎng)絡(luò)兼容性的問題[7–10].基于腔體中非線性效應(yīng)的非對(duì)稱傳輸方案可設(shè)計(jì)成全光纖結(jié)構(gòu),且其所用的非線性狀態(tài)可進(jìn)行切換控制,這極大程度地提升了器件的便捷性和兼容性.但由于非線性效應(yīng)具有固定的激發(fā)閾值,在實(shí)際使用中不僅對(duì)傳輸光強(qiáng)度具有要求,且會(huì)增大功耗[11,12].因此,實(shí)現(xiàn)一種全光纖結(jié)構(gòu)、可切換工作狀態(tài)且無工作閾值要求的非對(duì)稱傳輸方案對(duì)于實(shí)際應(yīng)用十分重要.

光纖中聲光效應(yīng)具有響應(yīng)迅速、調(diào)諧性強(qiáng)等優(yōu)勢[14,15],被廣泛應(yīng)用于光開關(guān)[14]、可調(diào)諧濾波[16]、移頻以及探測等研究方向[17,18].研究表明,利用光纖中聲光效應(yīng)不僅可以實(shí)現(xiàn)光纖基模到包層模式的轉(zhuǎn)換[16,17],也能夠?qū)崿F(xiàn)光偏振轉(zhuǎn)換[19,20],這種偏振變化在濾波和光的空間分布調(diào)制方面具有重要應(yīng)用[21–23].基于聲光效應(yīng)的高速偏振轉(zhuǎn)換和模式轉(zhuǎn)換能力具有實(shí)現(xiàn)全光纖的偏振相關(guān)隔離器件的潛力,但仍需尋找一種能夠?qū)崿F(xiàn)偏振濾波以及提取光纖包層模式的光纖器件.回音壁模式微腔因其優(yōu)異的性能近年來受到廣泛研究,其模式分布特性具有天然的偏振選擇作用[24],且通過耦合回音壁模式也可以實(shí)現(xiàn)光能量在不同波導(dǎo)或不同模式的轉(zhuǎn)換[25,26].2016年,Huang 等[27]提出了基于耦合回音壁模式微腔實(shí)現(xiàn)光纖內(nèi)不同模式間轉(zhuǎn)換機(jī)制,并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了高效的模式轉(zhuǎn)換效果.

本文提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過級(jí)聯(lián)光纖中聲光效應(yīng)和耦合回音壁模式微腔的非對(duì)稱傳輸方案.利用光纖聲光效應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換和偏振轉(zhuǎn)換功能,以及回音壁模式微腔模式轉(zhuǎn)換與偏振選擇功能,實(shí)現(xiàn)了可控的全光纖偏振相關(guān)單向傳輸.首先理論分析了光纖中不同模式同回音壁模式的耦合效率,以及存在偏振變化時(shí)相反方向的傳輸特性;然后使用Matlab 進(jìn)行模擬計(jì)算,探究了透射強(qiáng)度隨入射光偏振的影響,得到兩個(gè)方向傳輸隔離度的變化規(guī)律與周期.最后,通過實(shí)驗(yàn)對(duì)理論預(yù)測進(jìn)行了驗(yàn)證并對(duì)實(shí)驗(yàn)存在的問題和后續(xù)的改進(jìn)方法進(jìn)行了討論.該方案具有高速可控、全光纖、無閾值要求的優(yōu)勢,在光傳輸、移頻和濾波方面具有重要的應(yīng)用潛力.

2 理論與仿真

本方案利用聲光效應(yīng)帶來的偏振變化和回音壁模式的偏振選擇作用,由于兩種作用存在關(guān)聯(lián)性,當(dāng)改變其前后順序時(shí)會(huì)帶來不同的透射特性,故可利用此特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的非對(duì)稱傳輸效果.核心裝置如圖1 所示,包含兩部分: 左側(cè)為聲光效應(yīng)區(qū)(AO effect area),右側(cè)為耦合球腔區(qū)(CWGM area).

圖1 非對(duì)稱傳輸原理示意圖.Polarizer,可調(diào)諧線性偏振濾波器;Horn,聲波耦合使用角錐;PZT,壓電陶瓷片;Input,入射光;LP01,線偏纖芯基模;LP11,線偏包層模式;TE01,TM01 為一階橫電、橫磁模式;WGM,回音壁模式;PD,光探測器;AO effect area,聲光效應(yīng)區(qū);C-WGM area,耦合回音壁微腔區(qū);κ0,回音壁模式的本征損耗;κ1,LP01 與回音壁模式的耦合損耗;κ2,LP11 與回音壁模式的耦合損耗Fig.1.Schematic diagram of asymmetric transmission principle.Polarizer,tunable linear polarization filter;Horn,the corner cone for sonic coupling;PZT,piezoelectric ceramics;Input,input light;LP01,liner polarization mode in the fiber core;LP11,liner polarization mode in the fiber cladding;TE01 and TM01,first order transverse electric mode and transverse magnetic mode;WGM,whispering gallery mode cavity;PD,photodetector;AO effect area,the acousto-optic effect area;C-WGM area,coupling the WGM cavity area.κ0,the intrinsic loss of WGM;κ1,the coupling loss between the LP01 and the WGM;κ2,the coupling loss between the LP11 and the WGM.

在光纖中激發(fā)聲光效應(yīng)時(shí),其中傳輸?shù)墓饽芰?LP01)將受到聲波場的作用,滿足相位匹配條件的光波長,可以實(shí)現(xiàn)纖芯基模和包層模式(LP11,LP21等)間互相轉(zhuǎn)換.纖芯模式是由兩個(gè)垂直的簡并模式()構(gòu)成,當(dāng)通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài),使其中一個(gè)模式與LP11模式進(jìn)行能量交換,而另外一個(gè)模式保持在纖芯時(shí),聲光光纖就會(huì)起到雙折射作用,從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換纖芯模式光能量偏振的功能[19,20].類似地,如果纖芯的兩個(gè)模式能夠同時(shí)和包層中的多個(gè)矢量模式產(chǎn)生耦合,此時(shí)包層中多個(gè)矢量模式就會(huì)成為光能量的多路徑通道,而多路徑通道提供的光程差會(huì)對(duì)光偏振造成影響.下文以LP01中矢量模式同時(shí)耦合到LP11中TE01和TM01的情況為例進(jìn)行說明.

如圖1 所示,在聲波作用下,LP01模式中的和被泵浦到LP11中的TE01和TM01模式.在許多情況下TE01和TM01容易實(shí)現(xiàn)退簡并,此時(shí)兩個(gè)模式的傳播常數(shù)分別記為β1和β2,它們的有效傳播長度記為L1.則兩個(gè)模式中光能量間的相位差可以表示為

式中,L1和β2–β1可通過改變泵浦聲波強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)諧.因此,可使此相位差等于π,也就意味著其中一個(gè)矢量模式的電場方向取反,這就使二者受到擾動(dòng)后合成的LP11模式光能量相對(duì)于泵浦LP01模式產(chǎn)生90°偏振旋轉(zhuǎn).同樣,如果最終出射模式是LP12或其他高階模式,同理只需要通過調(diào)整等效傳播長度和選擇波矢,就可以實(shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換.

根據(jù)以上分析,聲光作用將LP01模式中兩個(gè)矢量模式泵浦到包層中不同的矢量模式,同時(shí)使包層模式的偏振方向發(fā)生改變.圖1 利用模場圖附近的羅盤指針用來表示光纖中光能量和回音壁微腔的偏振方向,其中紅色和藍(lán)色箭頭表示入射光的偏振方向,黑色長箭頭表示回音壁模式偏振取向方向.由于回音壁模式具有偏振選擇作用,所以由聲光效應(yīng)產(chǎn)生的偏振變化將會(huì)影響回音壁模式的耦合效率.當(dāng)光能量從正反向兩個(gè)方向傳輸時(shí),正向傳輸光會(huì)先經(jīng)過聲光區(qū),會(huì)攜帶額外偏振變化而后與回音壁模式微腔產(chǎn)生耦合;而反向傳輸光是先經(jīng)過耦合球腔區(qū),此時(shí)未攜帶偏振變化,耦合效果與正向不同,所以此系統(tǒng)可使不同方向傳輸?shù)墓饽芰慨a(chǎn)生透射差異.

錐形光纖與回音壁模式進(jìn)行耦合時(shí),光纖不同線偏模式與WGM 的耦合損耗由該模式倏逝場和WGM 倏逝場在諧振波長處的重疊區(qū)域決定,可用以下公式描述[28]:

式中,ηsf(ηfs) 是光纖(WGM)和WGM (光纖)的耦合系數(shù);τ=2πnsrs/c是光在回音壁模式中傳播一周所需的時(shí)間,ns是該模式的有效折射率,rs是微球的半徑,c是真空中光速;?ε是微球和空氣中介電常數(shù)的差值,?β=βf-βs是光纖和WGM 中光傳播常數(shù)的差值;Vs是球的體積;η是光在WGM傳播時(shí),每一周期內(nèi)光纖模式同WGM 耦合的功率比;Ef和是光纖模式和WGM的歸一化場強(qiáng),且滿足歸一化式子

在過耦合狀態(tài)下,纖芯模式和包層模式同WGM 的耦合損耗一般相差不大,且遠(yuǎn)大于WGM的本征損耗,可表示為κ1≈κ2?κ0,其中κ0是WGM 的本征損耗,κ1,κ2分別是纖芯基模和包層模式與WGM 的耦合損耗,此時(shí)κτ=η.此處由于同一包層模式中不同矢量模式同WGM 的耦合損耗很小,可以略去.實(shí)際中,泵浦模式內(nèi)光偏振與WGM 偏振取向并不總是重合,根據(jù)(2)式和(3)式,此時(shí)泵浦模式與WGM 間的耦合損耗可以近似表示為[29–31]

其中φ是泵浦光偏振與WGM 偏振取向間的夾角,κm是當(dāng)二者重合時(shí)所能獲得的最大耦合損耗.

根據(jù)本文理論模型,聲光效應(yīng)使纖芯基模轉(zhuǎn)換到包層模式時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏振變化.而纖芯基模中剩余光能量由于未受到聲光作用,其偏振狀態(tài)不變.當(dāng)聲波作用未開啟時(shí),正反兩個(gè)方向入射的光能量均維持在纖芯基模傳輸,此時(shí)與WGM 耦合時(shí)光能量變化可用以下公式描述[26,27]:

其中,T表示泵浦模式(纖芯基模)的透射效率,D表示纖芯基模到包層模式的轉(zhuǎn)換效率,δω是偏離模式諧振中心頻率的失諧.需要注意的是,在實(shí)驗(yàn)中并未加入包層模式能量探測裝置.所以當(dāng)聲波未產(chǎn)生作用時(shí),只有纖芯基模的透射能量能夠被收集探測,包層模式能量會(huì)逐漸耗散到環(huán)境中.

開啟聲波作用時(shí),在聲光效應(yīng)區(qū)可將光纖基模能量轉(zhuǎn)換到包層模式,并產(chǎn)生偏振變化.此時(shí),能夠維持在纖芯模式傳輸并與WGM 微腔發(fā)生耦合的光能量只占很小比例.經(jīng)與WGM 耦合帶來的能量轉(zhuǎn)換主要為以下兩種,分別是正向傳輸時(shí)包層模式到纖芯模式的轉(zhuǎn)換以及反向傳輸時(shí)纖芯模式到包層模式的轉(zhuǎn)換.此時(shí),能量轉(zhuǎn)換的公式表示為

式中,?是聲光效應(yīng)引入的偏振變化.由于聲光效應(yīng)對(duì)光纖中傳輸模式具有很高的轉(zhuǎn)換效率[19],此時(shí)耦合WGM 實(shí)現(xiàn)的模式轉(zhuǎn)換效率(DF和DB)將約等于最終的透射率.通過對(duì)比(8)式和(9)式可以發(fā)現(xiàn),偏振變化?的出現(xiàn)使得正向入射和反向入射的最終透射率不再相同.

利用Matlab 程序?qū)Σ煌较虻耐干淝闆r進(jìn)行模擬計(jì)算.程序中設(shè)定κ0=2×10-7,κ2=κ1=2.5κ0,?=90°,忽略聲光效應(yīng)作用下模式間互相轉(zhuǎn)換所帶來的損耗,得到的結(jié)果如圖2 所示.

圖2 兩入射方向傳輸歸一化透射率,“F”和“B”分別指代正向和反向傳輸?shù)那闆r;“on”(紅線)和“off”(黑線)分別指代有無光效應(yīng)時(shí)的情況,角度表示入射光偏振與回音壁模式偏振取向間的夾角φFig.2.Transmission of the two directions.“F” and “B” refer to the cases of forward and backward transmission respectively;“on”(red line) and “off” (black line) represent the situations of with and without the acousto-optic effect respectively;the angle (φ) is determined by the angle between the polarization directions of the input light and the WGM.

圖2 分別是改變?nèi)肷浞较颉⒙暡ㄗ饔脿顟B(tài)以及入射偏振角度φ所得到的8 種情況歸一化透射譜.對(duì)比圖2(a)和圖2(c),在聲波未開啟時(shí)(黑線所示),正向和反向的透射譜線相同,說明入射光方向并不會(huì)影響系統(tǒng)透射特性.開啟聲波作用后,對(duì)于φ=0?和90?兩種狀態(tài),正向和反向入射時(shí)的傳輸透射譜線均不相同.對(duì)于模式諧振中心頻率處(0 Hz),兩個(gè)方向的傳輸透射率相差很大,證明了非對(duì)稱傳輸效果.而且對(duì)于正向傳輸光能量,聲波作用的有無并不改變其透射或截止特性.如圖2(a),(b)所示,在頻移為0 Hz 處,φ=0?時(shí)均為低透射率,φ=90?時(shí)均為高透射率.而對(duì)于反方向傳輸?shù)墓饽芰?聲波作用則會(huì)使透射特性反轉(zhuǎn),故可通過控制聲波效應(yīng)的開啟與關(guān)閉實(shí)現(xiàn)傳輸透射性的切換.

考慮模式諧振波長中心透射強(qiáng)度,(8)式和(9)式可簡化為

其中,DF為正向傳輸時(shí)模式諧振頻率中心處透射強(qiáng)度,DB為反向傳輸時(shí)透射強(qiáng)度.逐漸改變?nèi)肷淦窠嵌圈?對(duì)(10)式和(11)式進(jìn)行計(jì)算,得到結(jié)果如圖3 所示.

圖3 兩個(gè)入射方向透射強(qiáng)度隨入射偏振角度 φ 的變化情況Fig.3.Transmission of the two directions over the incident polarization angle φ.

由圖3 可知,兩種入射方向下諧振中心波長透射強(qiáng)度均隨著入射光偏振角度變化而變化.隨著入射角度φ增大,正向入射時(shí)的透射強(qiáng)度先增大后減小,最大值約0.70,出現(xiàn)在φ=90?時(shí).反向入射時(shí)的透射強(qiáng)度先減小后增大,最大值同樣為0.70,出現(xiàn)在φ=90?和180?時(shí).兩種情況透射強(qiáng)度曲線相位差為 90?,與聲光效應(yīng)引起的偏振變化量一致.且當(dāng)入射角φ等于 90?(π/2)的整數(shù)倍時(shí),兩方向透射強(qiáng)度對(duì)比度達(dá)到最大,可以實(shí)現(xiàn)最好的非對(duì)稱傳輸效果.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于以上理論搭建實(shí)驗(yàn)裝置,對(duì)正反兩個(gè)方向入射的傳輸效果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究.如圖1 所示,裝置的核心部分由一根兩段式光纖和微球腔組成,其中左側(cè)為聲光效應(yīng)區(qū),右側(cè)為WGM 微腔耦合區(qū).所用光纖由聲光效應(yīng)區(qū)和回音壁微腔耦合區(qū)兩段組成,其中聲光效應(yīng)區(qū)光纖利用氫氧焰掃描加熱兩端拉伸制備得到,其直徑約為45 μm,長度80 mm;耦合微腔區(qū)由固定加熱位置對(duì)稱拉錐制得,其束腰直徑約為2.5 μm.所用球腔是將一根普通商用光纖端頭放電熔融得到,其半徑約為100 μm,具體形貌如圖1 中子圖所示.聲光效應(yīng)區(qū)所用聲波由壓電陶瓷產(chǎn)生,其泵浦信號(hào)由一射頻發(fā)生器(Agilent 33120 A)產(chǎn)生,經(jīng)過特制角錐放大后耦合進(jìn)入光纖.在聲光區(qū)尾端利用低折射率膠水對(duì)光纖進(jìn)行固定,同時(shí)起到吸收聲波的作用.聲光區(qū)前端置有一可調(diào)諧線偏振濾波器(Thorlabs PC-FFB-1550),用來實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)入射光的偏振角度.實(shí)驗(yàn)所用光源為一窄線寬可調(diào)諧激光器(Yenista-T100S),線寬400 kHz.

實(shí)驗(yàn)中,需首先測試聲光效應(yīng)作用的波長以及纖芯基模到包層模式的轉(zhuǎn)換效率.利用光譜儀(Yokogawa-6370B)內(nèi)置光源掃描,對(duì)聲光作用的基模濾波效果進(jìn)行測試,得到結(jié)果如圖4 所示.

圖4 不同驅(qū)動(dòng)頻率下聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的基模濾波(轉(zhuǎn)換)透射譜Fig.4.LP01 mode filtering (conversion) effect achieved by acousto-optic effect at different pump frequencies.

圖4 展示了在不同驅(qū)動(dòng)頻率下,聲光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的濾波效果.由于普通單模光纖內(nèi)只能穩(wěn)定傳輸纖芯基模,當(dāng)開啟聲光效應(yīng)后基模能量會(huì)被激發(fā)到其他模式,從而使透射譜上能量會(huì)產(chǎn)生凹陷.其中,同一泵浦頻率下幾個(gè)明顯的向下凹陷對(duì)應(yīng)纖芯模式耦合到不同的包層模式,由左至右分別是耦合到LP11,LP12和LP13模式的情況.圖例中由上到下分別是無聲光作用以及聲驅(qū)動(dòng)頻率為173,170,167 和165 kHz 時(shí)的情況,對(duì)應(yīng)透射譜上黑色和由左至右的幾條譜線.從圖中可以看到,在聲光作用下,纖芯模式具有較高的濾除(轉(zhuǎn)換)效率,普遍接近甚至超過10 d B.同時(shí),各模式濾波諧振波長會(huì)隨著聲波驅(qū)動(dòng)頻率的改變而逐漸改變,調(diào)節(jié)范圍超過20 nm.綜合多個(gè)模式,其模式轉(zhuǎn)換作用區(qū)間基本能夠覆蓋1490—1570 nm.但與刻蝕法制光纖實(shí)現(xiàn)聲光濾波工作相比[14],本實(shí)驗(yàn)中聲驅(qū)動(dòng)頻率明顯降低,而且包層模式諧振波長間距也明顯減小.這是由于所用光纖不同的緣故,相比于刻蝕法所得光纖,加熱拉制法制得的光纖中折射率分布不同,原來纖芯直徑被拉細(xì),使得光纖中各模式的模場和間距同步減小,從而降低了聲激發(fā)頻率以及各頻率間波長間隔,降低了纖芯模式同步激發(fā)到不同包層模式的要求.從圖中也可看到,未開啟聲驅(qū)動(dòng)時(shí),其透射譜上也存在近似周期性的波動(dòng).這是由于拉制過程中引入了周期性的應(yīng)力噪聲,使得光纖中存在了周期性折射率變化,表現(xiàn)出了類光柵特性.類光柵的存在會(huì)使同一線偏模式下的幾個(gè)矢量模式退簡并,具有不同的傳播常數(shù).圖上聲光諧振波長處每個(gè)凹陷對(duì)應(yīng)一個(gè)線偏模式的幾個(gè)矢量模式,它們雖然已退簡并,但在透射譜上并未完全分開,僅表現(xiàn)為透射凹陷展寬.同時(shí),類光柵會(huì)對(duì)不同矢量模式產(chǎn)生擾動(dòng),使它們產(chǎn)生能量交換或耦合.

在測試模式轉(zhuǎn)換的諧振波長后,切換光源為窄線寬激光器,并使其輸出波長在1545—1547 nm內(nèi)進(jìn)行周期性掃描.將微球腔耦合至錐形光纖束腰處,使用探測器對(duì)出射光信號(hào)進(jìn)行探測,并將測得光強(qiáng)信號(hào)輸入示波器.實(shí)驗(yàn)中分別通過控制聲光效應(yīng)的開啟與關(guān)閉,調(diào)整入射端線偏振器的角度以及入射光的接入方向,可對(duì)系統(tǒng)在不同情況下的透射特性進(jìn)行測試.

如圖5 所示,黑線為聲光效應(yīng)未開啟時(shí)耦合球腔透射譜,紅線為開啟時(shí)的透射譜,所顯示強(qiáng)度均已根據(jù)入射光強(qiáng)進(jìn)行歸一化.未開啟聲光效應(yīng)時(shí),光能量主要在纖芯基模傳輸,此時(shí)透射譜與使用單模錐形光纖耦合回音壁模式微腔時(shí)的情況一致,為一系列向下的峰值.開啟聲光效應(yīng)后,滿足波矢匹配條件的纖芯基模將被激發(fā)至包層模式,但只有滿足球腔模式諧振條件的光能量才能夠被轉(zhuǎn)換回纖芯基模,使得透射譜上呈現(xiàn)一系列向上的峰值.其中最大峰值強(qiáng)度超過0.7,說明聲光效應(yīng)與耦合WGM 均具有很高的模式轉(zhuǎn)換效率.對(duì)比圖5 中透射譜,二者在波長和耦合強(qiáng)度上不存在嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系.根據(jù)理論分析,這是由于聲光效應(yīng)帶來的偏振變化使纖芯模式和包層模式具有不同偏振狀態(tài),造成耦合效果不同.

圖5 有無聲光效應(yīng)時(shí)系統(tǒng)的透射譜Fig.5.Transmissions of the system with and without acousto-optic effect.

利用加載外部掃描電壓的方式對(duì)激光器輸出波長進(jìn)行精細(xì)掃描,使其在1546.264 nm 附近很小范圍內(nèi)重復(fù)掃描.在此范圍內(nèi)只包含幾個(gè)回音壁模式,分別對(duì)入射光方向、偏振角度以及聲波作用進(jìn)行測試,結(jié)果如圖6 所示.

圖6 不同情況下的傳輸透射譜Fig.6.Transmissions at different states.

圖6 橫坐標(biāo)為激光器掃描頻率范圍,其中頻率移動(dòng)0 (波長1546.264 nm)處為所要分析模式.當(dāng)該模式透射譜線無法辨別時(shí),可利用附近模式的特殊透射譜線作為參照.圖6(a)為關(guān)閉聲光效應(yīng)時(shí)正向入射情況,此時(shí)模式中心70%能量未能透射,說明在該狀態(tài)下光纖模式可與WGM 產(chǎn)生高效耦合.而開啟聲光效應(yīng)后,WGM 對(duì)應(yīng)頻率處未出現(xiàn)峰值,其透射率接近于0.這是由于聲光效應(yīng)帶來了偏振變化,使得包層模式無法與回音壁模式耦合.當(dāng)將入射光偏振旋轉(zhuǎn)90°后,情況則剛好相反,如圖6(b)所示.關(guān)閉聲光效應(yīng)時(shí),0 Hz 附近呈現(xiàn)高透射率,未發(fā)現(xiàn)向下的耦合峰.但開啟聲光效應(yīng)后,透射譜上出現(xiàn)強(qiáng)度超過0.5 的峰值,說明包層模式產(chǎn)生了偏振變化并與微腔模式發(fā)生了高效耦合.光由反向入射時(shí)與正向入射情況剛好相反,由圖6(c),(d)所示.在無聲光效應(yīng)時(shí),只有纖芯基模與微腔模式產(chǎn)生了高效耦合,開啟聲光效應(yīng)后才能看到較強(qiáng)峰值,與使用多波導(dǎo)耦合回音壁模式微腔時(shí)的透射情況一致[26,27].對(duì)比圖6(a),(c)或圖6(b),(d)可以發(fā)現(xiàn),在無聲光效應(yīng)時(shí),兩個(gè)方向入射時(shí)的透射特性一致;當(dāng)開啟聲波后,兩種情況的透射特性完全相反,出現(xiàn)隔離傳輸效果.上述結(jié)果與模擬所得結(jié)果相符,表明聲光效應(yīng)在實(shí)現(xiàn)纖芯模式到包層模式轉(zhuǎn)換的同時(shí)會(huì)帶來偏振變化,且基于此變化可使光能量按照設(shè)定方向傳輸,具有較高隔離度.

對(duì)圖6 兩個(gè)方向入射時(shí)光在不同偏振角度下的透射強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖7 所示.圖中藍(lán)線(方塊)為正向入射時(shí)透射強(qiáng)度,紅線(圓)為反向入射時(shí)透射強(qiáng)度.隨著偏振夾角φ增大,正向透射強(qiáng)度先增大后減小,在70°附近達(dá)到最大值0.505.反向透射率先減小后增大,在90°附近達(dá)到最小值0.010.此時(shí)正向透射強(qiáng)度為0.482,系統(tǒng)的傳輸隔離度達(dá)到最大值,約17 d B.對(duì)比兩條曲線可以發(fā)現(xiàn),傳輸隔離度在0°,90°和接近160°處達(dá)到最大值,周期大約為π/2.此結(jié)果與文中模擬計(jì)算結(jié)果相符.根據(jù)WGM 耦合特性,估測由于聲光效應(yīng)帶來的偏振變化角度約80°.該方法也可以用于探究波導(dǎo)中高階模式的偏振角度.圖中曲線并不是對(duì)稱的三角函數(shù)曲線,其原因可能由兩方面: 1)纖芯模式轉(zhuǎn)換到兩個(gè)矢量模式的能量不均衡,得到的偏振不是標(biāo)準(zhǔn)的90°;2)實(shí)驗(yàn)中光纖制備時(shí)應(yīng)力導(dǎo)致的類光柵沿光纖軸線不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱,從而使輸出的包層模式產(chǎn)生了偏振畸變.

圖7 兩方向透射率隨偏振變化Fig.7.Transmission of the two directions varies with polarization.

為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)換的不同包層模式都會(huì)產(chǎn)生偏振變化,對(duì)波長處于1558.055 nm 的回音壁模式兩個(gè)方向的透射特性進(jìn)行測試,得到結(jié)果如圖8 所示.與圖7 相似,圖8 中正向和反向的透射率隨著偏振角度變化具有大致相反的趨勢,在0°和80°達(dá)到最大的對(duì)比度,可以看到明顯的不對(duì)稱傳輸效果.但在圖8 中,兩個(gè)方向透射強(qiáng)度曲線的相位差不是90°,更接近70°或110°.這可能是由于該波長處,兩個(gè)矢量模式間相位差不為π,帶來的偏振改變?cè)?0°附近所致.此外在最低點(diǎn),其透射強(qiáng)度也超過了0.135,而且強(qiáng)度波動(dòng)更大.這應(yīng)該是由于該波長處的散射效果較強(qiáng),纖芯模式轉(zhuǎn)換到包層模式的效率不夠高,使得基模剩余能量過高,降低了傳輸對(duì)比度.

圖8 兩方向透射率隨偏振變化Fig.8.Transmission of the two directions varies with polarization.

從現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,基于級(jí)聯(lián)聲光效應(yīng)與耦合回音壁微腔系統(tǒng)的確可以在多個(gè)波長實(shí)現(xiàn)明顯的非對(duì)稱傳輸效果,且結(jié)果與理論預(yù)測基本相符.但此工作僅提供了一種實(shí)驗(yàn)上可行的方案,距離實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用還有較大差距,目前在以下幾方面需要改進(jìn).例如,非對(duì)稱傳輸器件通常需要較大的工作帶寬,受限于回音壁模式帶寬,目前的工作帶寬只有百M(fèi)Hz.實(shí)驗(yàn)中我們使用的是SiO2微球腔,通常具有很高的品質(zhì)因數(shù),從而導(dǎo)致其諧振線寬較小.后續(xù)可以考慮改變微腔材質(zhì),如使用具有更高折射率的鈮酸鋰微盤腔.由于更高的折射率,意味著可以使光纖和腔內(nèi)回音壁模式產(chǎn)生更大的耦合損耗,這樣就可以在具有較低品質(zhì)因數(shù)的同時(shí)保證高耦合效率,同步提升模式諧振帶寬與綜合轉(zhuǎn)換效率.同時(shí),鈮酸鋰微腔也具有良好的電光調(diào)諧特性,其中的回音壁模式諧振波長可以實(shí)現(xiàn)幾十GHz 的大范圍調(diào)諧[32],可以有效拓展使用場景.目前綜合透射率不夠高的另外一個(gè)重要原因是光纖的聲光轉(zhuǎn)模效率不夠高且散射損耗較大,而真正工業(yè)化應(yīng)用時(shí),在光纖制備方法與工藝方面具有很大的提升潛力,可以有效降低插入損耗,提升綜合效率.

4 結(jié)論

本文利用級(jí)聯(lián)聲光轉(zhuǎn)模裝置和回音壁模式微腔的方案實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱傳輸,并進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.文中提出了聲光效應(yīng)下光纖包層模式產(chǎn)生偏振變化的理論模型,同時(shí)利用模式耦合理論分析了錐形光纖中不同偏振光與回音壁模式的耦合損耗,并利用Matlab 程序分別對(duì)光纖中不同線偏(LP)模式、不同偏振以及不同方向入射光同回音壁模式微腔耦合的透射特性進(jìn)行了模擬計(jì)算.實(shí)驗(yàn)上利用光纖中聲光效應(yīng)將光纖中纖芯基模轉(zhuǎn)換到包層模式并與回音壁微球腔進(jìn)行了高效耦合,結(jié)果表明,光纖中聲光效應(yīng)與耦合回音壁模式實(shí)現(xiàn)的復(fù)合轉(zhuǎn)換效率可超過70%,遠(yuǎn)高于其他基于聲光方案的包層模式提取效率.而后,利用波長在1546.264 nm的模式的透射譜線對(duì)非對(duì)稱傳輸效果進(jìn)行了驗(yàn)證,觀測到兩個(gè)方向透射率的巨大差異.然后,探究了透射強(qiáng)度隨入射光偏振的影響,得到兩個(gè)方向傳輸隔離度的變化規(guī)律與周期,實(shí)現(xiàn)的隔離度高達(dá)17 dB,同時(shí)測得由聲光效應(yīng)帶來的偏振變化角度約80°.

本文提出并驗(yàn)證的非對(duì)稱傳輸方案繼承了聲光可調(diào)諧濾波器實(shí)時(shí)可控、調(diào)節(jié)速度快的特點(diǎn),并且具全光纖結(jié)構(gòu)、無閾值等優(yōu)勢,在光開關(guān)、光隔離器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力.