單個光纖環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和發展，光纖通信已然成為目前信息技術發展的重要技術，有顯著的優點：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的核心成分，對通信系統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出來. 基于環形諧振器的光器件是作為實現新一代光通信和高速全光信號處理系統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. 在環形諧振器中，損耗直接影響環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形諧振器的光傳輸特性. 實驗中選取光纖環形諧振器耦合區域的不同分束率，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，歸納出諧振狀態下光透過特性隨諧振器分束率變化趨勢，得到單環結構中的最佳損耗參量，進而獲得環形諧振器的最佳諧振狀態. 通過改變環形諧振器的耦合狀態，實現環形諧振器輸出光強度的動態可調，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的整數倍(即諧振條件)，此時諧振效應使得回路中形成了極其穩定的諧振模式. 當諧振的腔長足夠大時，諧振器中會出現很多諧振模式，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，即光纖環處于諧振狀態下，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，正如諧振狀態下光纖環形諧振器的光透過率公式所反映的，諧振狀態下光纖環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. 光纖環形諧振器的耦合具有3種狀態：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，為最佳諧振狀態臨界耦合.

對諧振狀態下光纖環形諧振器的光透過率關于r進行求導得到：

(4)

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

(5)

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

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(包括光電探測器和示波器)，使實驗中所用儀器的性能發揮良好，保證了輸出光源的穩定性及光電檢測檢驗結果的準確性. 在諧振裝置中，光纖環與直波導之間的耦合主要由光纖耦合器實現. 實驗中光纖激光器出射功率P=1 mW,光纖環長度L=0.8 m. 實驗中調節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α值非常接近. 實驗中不同耦合器分束比的環形光纖耦合器都可以根據上述理論推導得到，取其平均值，可得到實驗裝置中光纖環的光損耗系數α值為0.985.

根據圖3和表1中的實驗數據r和T的值進行總結，可以得到光纖環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，可以明顯地發現：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. 通過調節可變耦合器的耦合程度，可以調節單環諧振器作為濾波器的濾波頻率和濾波范圍寬度.

3 結 論

理論研究了環形光纖諧振結構中光損耗系數與諧振點處的光透過率和透射系數之間的關系. 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，確定環形光纖諧振器的光損耗系數α，當耦合器的反射系數r與諧振器損耗系數α相等時，輸出激光能夠達到最佳諧振狀態. 通過在光纖環中將光損耗系數和反射系數這2個重要參量進行有效匹配，可以實現環形光纖諧振器的最佳諧振狀態，以及諧振器輸出光強度的動態可調. 研究也發現諧振透過率越低，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.