光纤谐振腔电子版本

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1、光纤谐振腔光纤谐振腔一、光学谐振腔 光学谐振腔是一种重要的光学器件，广泛应用于滤波器、激光器和光谱分析仪中。传统的光学谐振腔有平行腔和环形腔两种结构，无论是平行腔或环形腔结构，都是通过光学反射镜控制光线传播方向，使光波在谐振腔内多次反射和传输并形成多光束干涉，因此，对反射镜和谐振腔均有很高的要求。上世纪下半叶，低损耗光纤出现，光纤作为一种传输介质和敏感元件，广泛的应用于通信和传感领域。光纤出现带来的最根本的变革在于改变了光的直线传播规律，光线被约束在光纤中，可以沿光纤进行任意方向传输。将光纤应用于光学谐振腔中，产生了光纤环形谐振腔。光纤环形谐振腔由低损耗光纤和光纤耦合器构成，用低损耗光纤代替光

2、学腔，用光纤耦合器代替反射镜，这不仅会大大降低谐振腔的制作难度，而且由于光纤可以弯曲绕制，腔长可以大大加长。这种光纤谐振腔结构简单、制作方便、通过加长腔长可获得较高的分辨率，以其为基础结构，可以构成光纤无源/有源滤波器、光纤激光器、高分辨率光谱分析仪、光纤环形腔陀螺等多种光纤器件。光纤谐振腔最基本的结构有两类:反射式与透射式，如图 1.1所示。反射式光纤谐振腔利用谐振腔的反射谱，输出波形是亮背景下的暗峰;透射式光纤谐振腔利用谐振腔的透射谱，输出波形是暗背景下的亮峰。图1.1 光纤谐振腔的基本结构 图1.2 超高Q值的微环谐振腔(1)光学微环谐振腔的原理 光学谐振腔主要由较低的功率输入积累而建立

3、较强的场，光束在谐振腔内不断的反射、聚焦，最终形成谐振腔的模式。谐振腔的品质因数 Q 是对上述性质的一种普遍通用的度量，它由如下关系定义为 。谐振腔可以选择频率一定的光波进行反馈震荡，再通过部分的反射端耦合出来。这可以在激光器中得到很好的应用。谐振频率的决定条件是谐振模式经过一次完整的往返后相位延迟应该等于 2 的整数倍。满足这个条件就可以沿轴自行建立一个稳定驻波，且它的横向电场分布与传输模相同。在大多数情况下，我们需要高谐振品质因数和深的谐振滤波深度的光学谐振腔。在下面我们就是要介绍下光学微环谐振腔的传输特性，相速度。(2)光学微环谐振腔的传输特性 图1.3单波导耦合的环形谐振腔 如图1.3

4、所示为简单的单波导耦合光学谐振腔的结构，其通过直接耦合器把光耦合出来，再反馈到一个输入端。Ao、Ai 分别是输入端和输出端场强，Ar、Al 分别为耦合进和耦合出环形谐振腔的能量。通过比较这几个参数的基本关系，我们就可以得出光学谐振腔的基本特性。在频域上，在耦合区域激发的 Ar、Al与输入和输出的场具有以下关系：其中，k 是耦合系数。通过长度为 2R 反馈路径,环形谐振腔的输出与输入场强 Ar、Al 具有以公式（2）所示的关系，其中 a 代表了通过一次谐振腔回路的强度损耗，代表了一次谐振腔回路的相位变化。将输入与输出的光强进行相除，我们可以得到光学谐振腔的基本传输特性如公式（3）所示。（1）（2

5、）图（1.4）光学微环谐振腔的传输频谱（3）当光波与谐振腔周长达到相位匹配KneffC=2M，其K=2/,为光波长，neff 为有效折射率，C 为谐振腔的周长，则该波长的光波被限制在该谐振腔内，从而传输曲线上该波长对应的频率处功率减小（临界耦合时为零），则得到凹陷的传输光谱。另外，通过谐振腔的传输频谱我们可以利用公式（4）来得到品质因数 Q，其中，表示谐振出的频率，为 3dB 带宽。他的物理意义在表征 3dB 带宽的宽度与谐振频率的比值，高的品质因数意味着更深的谐振滤波深度。（4）临界耦合的条件是耦合进入谐振腔的光能量即耦合损耗 Qe 等于腔内的转换为热能的能量即本征损耗 Qi。为了达到临界耦

6、合，环形谐振腔的本征损耗 Qi 和耦合损耗Qe 必须要相等，这时谐振频率处功率为 零，谐振滤波深度可以达到最深。当耦合损耗大于本征损耗时，是欠耦合状态，相反为过耦合。一般情况下，在分叉复用器，滤波器，光学延迟线，生物传感检测上都需要高的品质因数。(3)光学微环谐振腔的相位特性 图（1.5）色散介质中波传播的包络图，包络以群速度传播（5）沿着 Z 轴方向传播的行波的传输方程如（5），其中 k=2/为波数，w 为角频率，为波长，E0 是场强的幅度，为相位常数，相位 。根据（6）麦克斯韦方程，我们可以得到在距离场源 r 的地方场强 E 的表达式为（7），其中 A为常数，（6）（7）当光波在介电中传播

7、时，相速度 其中 ,是真空下的介电常数和介质中的相对介电常数。在一般介质中，相速度是恒定的 ，但在某些介质中，相速 度因频率而改变，这种现象称为色散现象。实用系统的信号总是由许多频率分量组成，在色散介质中，各单色分量将以不同的相速传播，因此要确定信号在色散介质中的传播速度就发生困难，为此引入群速的概念。如果介质对这个波是色散的，那么，传播中的波，由于各不同频率的成分运动快慢不一致，会出现“扩散”。但假若这个波是由一群频率差别不大的简谐波组成，这时在相当长的传播途程中总的波仍将维持为一个整体，以一个确定的速度运行，如图 1.5 所示。这个特殊的波群称为波包，波包传播的速度称为群速度。群速度定义v

8、g=dw/dk，波的群速度，或简称群速，是指波的包络传播的速度，实际上就是波前进的速度。假设在介质中，v 通过折射率 n 与波长或者 k 相关联，那么就有可以得到公式介质中的群折射率 vg（medium），（8）（9）由此我们得到了介质中的群折射率通过介质中的群折射率，就能得到介质在群速度中的作用。目前有两种途径可以改变群速度，一种是利用量子相干通过调节原子响应和频谱的依赖关系，如电磁诱导透明（electromagneticallyinduced transparency EIT），第二种是利用人工的材料结构（如光子晶体）在宏观的水平来调节光学性质。如果群折射率与折射率不等，那么这种介质就为色

9、散介质。由色散导致的延时可以通过公式（10）来得到，（10）在正常色散区，脉冲前沿的 为负，后沿的 线性增加，红光分量比蓝光分量传的快。在反常色散区则正好相反。当光脉冲在共振光学介质中传播时，其传输的群速度与真空中的光速大多时候有很大不同。在正常和反常高色散的介质材料中，光波能够分别以超慢和超快光的群速 传输。因此产生慢光或者快光的材料关键的是要找到具有很强的窄带光谱特征的物理过程。产生慢光实际上就是要求在没有高阶色散和吸收的情况下实现很大的正常色散。如吸收谱中出现一窄带宽的透明窗口，根据 Kramers-Kroning 关系，在共振峰附近将伴随较强的正常色散，导致慢光出现。相对的，出现吸收峰

10、或者增益，将出现反常的色散和快光。在光纤谐振腔中，光波在光纤环路内多次循环传输，并在输出端形成多光束干涉，使其具有和光纤Fabry一perot干涉仪相类似的滤波特性。反射式谐振腔为带阻型，透射式谐振腔为带通型。利用这个特点，光纤谐振腔被广泛应用于激光线宽光谱测量和光纤滤波器中。光纤谐振腔中的光纤不仅仅是传输介质，还是一种敏感元件。外界因素对谐振腔腔长等参数的影响将引起谐振腔单程相移的变化，从而引起谐振腔谐振频率的变化。由于光波在谐振腔中循环传输并形成多光束干涉，谐振腔输出为锐利的谐振峰，在谐振峰附近，谐振频率变化将引起输出光强的剧烈变化，这时谐振腔的输出光强对谐振腔单程相移变化极为灵敏。利用这

11、一特性，光纤谐振腔可以应用于各种传感系统中。光纤谐振腔主要的应用领域如下:(l)光纤环形腔激光器 人们很早就开始关注到环形腔结构激光器的研究。自1982年LF.Stokes等人首次制成了光纤环形谐振腔以来，由于其具有类似于F一P腔的特性，结构简单，再加上近年来掺稀土光纤的研究，各种波段的、性能各不相同的光纤环形激光器陆续发表。光纤环形激光器的研究主要集中在光纤环形激光器跳模抑制方法、可调谐光纤激光器、多波长光纤激光器等方面。(2)光纤滤波器 通过多光束干涉，光纤谐振腔具有和光纤Fabry一perot干涉仪相类似的滤波特性。利用这一特点可以将之应用在光纤滤波器和激光线宽测量之中。随着掺饵光纤放大

12、器的出现，通过在光纤谐振腔中加入EDFA(掺铒光纤放大器)进行腔损补偿，可以获得更高分辨率的光纤环形腔光谱分析仪和各种窄带光纤滤波器。(3)光纤谐振腔传感器 传感是光纤谐振腔的一个主要应用领域之一，它是利用光纤谐振腔输出光强的大小在谐振峰附近对光纤环单程相移变化极为灵敏的特性来进行传感的。从1983年起，光纤谐振腔就开始陆续应用到各种光纤传感系统中。首先，P.Mourouis进行了光纤环形谐振腔水听器的研究，接着R.E.Meye:实现了无源的谐振腔光纤陀螺，到1988年，AD.Kersey又用光纤环形腔实现了能探测法拉第电流的传感器，1990年，H.J.Lee制成了能辨别温度变化方向的传感器。

13、二、光纤激光器 近年来，由于新的激光泵浦技术的发展，以及光纤光栅等元器件的问世，促进了光纤激光技术研究的发展。掺稀土元素光纤激光技术受到世界各国的普遍重视，己成为国际学术界热门前沿研究课题。光纤激光器具有激光阀值 图2.1 光纤激光器实验装置图 缩了激光输出带宽，即激光输出带宽与光纤光栅布拉格波长谱宽一致。另外光纤光栅在光纤激光器中的应用使得全光纤激光器得以实现，光纤光栅具有体积小、插入损耗低、与光纤兼容性好等特点。实验中得到了波长为1552.6nm的激光输出，线宽为0.1 nm，这主要由光纤光栅布拉格波长谱宽决定。输出功率不够理想，仅为0.6mw，比相关文献报道的小一个数量级，这主要由饵光纤

14、的质量所致。对影响激光器输出功率的其他因素进行了分析，如掺饵光纤长度(即腔长)、输出祸合比、连接损耗等因素。实验不同长度的掺饵光纤(保证持其他条件一致的情况下）对激光器输出功率的影响，测量其输出功率的变化，发现掺饵光纤从4m递减到1.5m过程中，激光器输出功率递增;低于1.5m以后，激光器输出功率陡降，几乎无激光输出，这说明掺饵光纤存在一最佳长度值。与理论分析一致。在泵浦功率固定的情况下，不同长度的饵光纤输出的ASE谱功率差别很大，一般要随着饵光纤的长度增加而增加，增加到某一长度达到最大(我们定义此长度为一定功率下、确定波长的最佳长度)，超过最佳长度后，随光纤长度继续增加，输出的ASE谱功率开

15、始减小，这是因为随饵光纤的长度增加，泵浦功率所能带来的增益一直在减小(掺饵光纤对980nm波长的光吸收损耗极大，实验中掺饵光纤对980nm波长光的损耗为 45005000dB/km)，泵浦功率所能带来的增益恰好等于饵光纤的损耗时，即为饵光纤的最佳长度。最佳长度之后，饵光纤的吸收损耗大于增益，所以ASE荧光功率开始减小，激光器输出功率降低，其实输出光为荧光输出。通过改变腔长可以获得不同功率的激光输出，实质改变的是谐振腔的损耗与增益的比值。改变输出耦合比也会得到与改变腔长相似的结果，有一最佳输出耦合比存在。保证其他条件不变的情况下，输出耦合比由90%(90%的光输出，10%的光反射回环形腔内振荡)

16、减小到10%(10%的光输出，90%的光反射回环形腔内振荡)，光纤激光器输出功率增大，光纤激光器输出功率最大。没有得到与理论相一致的结果，分析其原因，这说明谐振腔内掺饵光纤损耗过大，只有在不断减小输出祸合t匕即增大谐振腔内的振荡能量刁能形成激光振荡。实验中还发现饵光纤与普通光纤的连接损耗也很大，严重影响激光器输出功率，可通过选择合适的熔接参数降低熔接损耗。三、光纤谐振腔在光纤滤波器中的应用 光学滤波器是指能够对其通过的光信号进行有选择的通过的器件。它具有插入损耗低、中心波长可调谐、构紧凑、高频率响应、易于与光通信、光纤传感等有点光纤环形腔：光纤环型腔具有带宽窄、调制方便的特点由于它具有类似于法

17、布里一帕罗腔的特性，结构简单，制作方便，可以获得较高的分辨本领，己被广泛应用于光纤激光器和光谱测量等方面。而普通单个光纤环滤波器输出谱线是洛仑兹线形，这样就限制了它在某些方面的应用。环型谐振腔的基本理论：图2.2是一个光纤环型滤波器的基本结构图，当光波由1端口输入，经过耦合器E1进入光纤环传播，某些波长的光满足环的谐振条件经过藕合器E2由3端口输出，剩余的光由2端口输出 上图器件是在一种新型的带有单个光纤环型谐振腔Sagnac环滤波器中的应用，它可以通过对双折射光纤中双折射的放大来改变光谱的输出特性，使其输出谱线具有近似方波的线形，提高输出谱线的形状因子。图2.2 下面介绍另一种带有光纤谐振腔

18、的滤波器一种应用广泛的波长选择器件微环谐振器 微环谐振器的基本结构如下图所示：图2.3（a)水平直波导微环谐振器示意图(b)垂直直波导微环谐振器示意图 其中图2.3（a）和上一种介绍到的单个光纤环型谐振腔Sagnac环滤波器结构相同，所以说微环谐振器的主要原理和光纤谐振腔相同。按照耦合方向不同，微环谐振器也可分为水平藕合方向微环谐振器和垂直藕合方向微环谐振器，如下图所示。两者之间的区别主要是，水平的是两个直波导和微环在一个平面上，而垂直的是两个直波导和微环不在一个平面上。微环谐振器结构提出的最初是水平祸合方向的，但是这种结构中微环和直波导间的间距在制作过程中对光刻蚀的要求很高，制作起来比较困难

19、。后来人们提出了直波导和微环不在一个平面的垂直耦合方向的结构，这种结构在制作过程中通过薄膜沉积的方法控制沉积薄膜的厚度来实现控制直波导和微环之间间距的目的，大大降低了制作工艺的难度 图2.4(a)水平耦合方向微环谐振器示意图(b)垂直耦合方向微环谐振器示意图 其它更为复杂的结构则是以单环为基本排列而成的，已报道的如多环并联(图2.5(a)，多环串联(图2.5(b)，多环阵列(图2.5(c)等结构如图图2.5(a)多环并联结构(b)多环串联结构(c)多环阵列结构(d)马赫曾德尔干 涉仪和微环相结合的结构 同时也可以把微环代替为椭圆、方形、跑道型的环，这些都将得到不同的滤波特性。其次，许多传统的光

20、波导器件也能和微环相结合来改良它们的功能，其中已报道的最常见的就是和马赫曾德尔干涉仪相结合如图2.5(d。作为一种光器件的基本元素，微环可以通过各种不同的结构和组合方式来得到不同的功能和更好的性能，具有很大的开发和应用潜力。微环谐振器最突出的功能是选频，最早被人们关注的也是它的滤波特性。经过这些年的发展，利用微环谐振器进行滤波方面得到了扩展，人们从简单的使用单环滤波发展成多环，通过多环串联可以得到平坦的通带，而且串联的阶数越高，通带越平坦，滚降越快，如图2.6。用多环串联的方式组成的上下话路滤波器，可以在集成光学中得到广泛的应用，发挥巨大的作用。图（2.6）微环个数对上下话路滤波器滤波特性的影响结束结束