复合光学微球腔回音壁模共振谱选模特性分析

吕宏春,万洪丹,王瑾,杨超麟

(南京邮电大学,南京 210023)



复合光学微球腔回音壁模共振谱选模特性分析

吕宏春,万洪丹,王瑾,杨超麟

(南京邮电大学,南京 210023)

摘要:提出一种新型的基于复合微球腔WGM(回音壁模式)共振谱的全光纤激光腔内选模方法。通过多层介质和并联结构构造复合光学微球腔,基于FDTD(有限差分时域)算法仿真并分析了复合微球腔内WGM的光场分布特性。基于复合光学微球腔-拉锥光纤的最佳耦合条件,计算得到其传输透射谱。通过优化复合微球腔的参数并改进耦合条件,实现了WGM共振谱带宽的压缩和边模抑制比的提高。所获得的窄带透射谱对实现全光纤激光选模具有重要意义。

关键词:回音壁模式;微球腔;多层介质;双微球;透射谱

0　引 言

单纵模窄带光纤激光器由于其单色性好、波长灵活和结构紧凑等特性被广泛应用于光纤通信、传感等众多领域[1]。目前,窄带激光输出需要结合腔结构设计和腔内选模技术来实现,其中光学谐振腔主要包括线性腔和环形腔[2]。线性腔由于增益光纤长度较短而使得激光输出功率受限;环形腔内需要加入光纤滤波器,如FBG(光纤光栅)、F-P(法布里-珀罗)谐振腔、可饱和吸收体等以实现带宽压缩与单纵模激光输出[2]。由于受到材料和结构的限制,现有光纤滤波器的选模带宽通常在GHz以上。A.A.Savchenkov等人采用WGM(回音壁模式)微腔实现了选模带宽为10 MHz的滤波器[3]。WGM光学微腔具有稳定性高和易于集成等优点,其极高的品质因子Q为获得超窄带滤波谱提供了可行性[4]。各种形状(盘、环、球等)中,球形微腔光子寿命长、精细度和机械稳定性高,可激发稳定的窄带WGM共振滤波谱。纯石英介质、单一结构的WGM微球腔,由于其表面易受污染,熔融表面张力制作过程容易产生椭圆非对称性,因此,仍然需要从材料和结构上进行改进以提高其Q值。本文提出了一种新型的复合光学微球腔,采用复合材料和并联双微球结构提高微球腔Q值,改善腔内WGM的共振谱特性。基于FDTD(有限差分时域)算法分别研究了双层介质微球腔和双微球耦合腔内的光场分布特性。利用拉锥光纤实现光学谐振腔内光场耦合,通过优化微球腔参数实现了WGM共振谱带宽的压缩和边模抑制比的提升。该复合光学微球腔-拉锥光纤耦合系统在激光选模和光学滤波等方面具有潜在的应用价值。

1　理论模型

微球-拉锥光纤耦合系统中光场传输过程如图1所示。根据耦合模理论,其耦合系数[5]为

图1　微球-拉锥光纤耦合系统光场传输过程

式中,ηfs和ηsf分别为光从拉锥光纤耦合进入微球和光从微球耦合进入拉锥光纤的耦合系数;Δε为微球和拉锥光纤相对于空气的介电常数;Δβ=βf-βs为拉锥光纤和微球的传输常数之差;Ef和Es分别为光纤和微球的归一化电场;Vs为微球的体积;ω为角频率;υ为频率;i表示虚部。石英微球的本征品质因数为Q0,对于本文讨论的直径为35μm的石英微球,其弯曲损耗可以忽略不计[6]。在实际系统中,后向散射将导致顺时针和逆时针回音壁模的模式耦合,顺时针和逆时针方向模式场分布表达式为

2　数值模拟结果分析

2.1均匀介质单微球-拉锥光纤耦合系统

理论模型耦合参数如下:微球直径35μm,拉锥光纤直径1.4μm,微球和拉锥光纤的折射率均为1.46,耦合间距为0.3μm,光源波长为1 530～ 1 570 nm。图2所示为均匀介质单微球-拉锥光纤耦合系统回音壁模的光场分布和透射谱。由图2 (a)可见,能量主要集中在微球边缘;由图2(b)可以看出,透射谱在1 541.87和1 556.88 nm附近有较强的谐振峰,其透射率分别为0.510 05和0.454 74。

图2　均匀介质单微球-拉锥光纤耦合系统回音壁模光场分布和透射谱

2.2均匀介质双微球-拉锥光纤耦合系统

为了提高微球腔与拉锥光纤耦合系统的激光选模和光学滤波性能,本文提出将双微球相对拉锥光纤对称放置的方式进行微球与拉锥光纤的耦合,其他耦合参数与均匀介质单微球-拉锥光纤耦合系统相同。利用FDTD Solutions计算出的光场分布与透射谱如图3所示。图3(a)所示为光场分布图,由图可见,其能量集中于两个微球的表面。图3(b)所示为透射谱,可以看出,在1 541.84和1 556.85 nm波段,均匀介质双微球-拉锥光纤耦合系统的透射谱较均匀介质单微球-拉锥光纤耦合系统的透射谱具有更高的边模抑制比和更窄的滤波谱宽度,其滤波谱半高宽度压缩了约36%,峰值透射率降低了约69%。这是因为采用双微球提高了系统的耦合效率,从而改善了整个微球腔滤波器的窄带选模特性。

图3　均匀介质双微球-拉锥光纤耦合系统回音壁模光场分布与透射谱

2.3双层介质单微球-拉锥光纤耦合系统

为进一步优化微球腔-拉锥光纤耦合系统的选模特性,本文还研究了双层介质微球腔,即在均匀介质微球的基础上,在其表面镀一层折射率为2.4、厚度为0.1μm的高折射率介质,从而改善微球腔内回音壁模的共振谱。其他耦合条件不变,仿真得到的双层介质单微球-拉锥光纤耦合系统的光场分布和透射谱如图4所示。由图4(a)可知,双层介质单微球的能量也主要集中在微球表面,但能量集中度相对于均匀介质单微球腔-拉锥光纤耦合系统而言更高,模场能量更多分布于外包层。这是因为高折射率介质降低了微球中光的散射损耗,光在微球腔中的谐振效果更好,抑制了谐振腔的高阶模式,因此得到了更好的耦合效果。

由图4(b)可以发现,双层介质单微球-拉锥光纤耦合系统较均匀介质单微球-拉锥光纤耦合系统

图4　双层介质单微球-拉锥光纤耦合系统回音壁模光场分布与透射谱

具有更尖锐的谐振峰和更低的透射率。双层介质单微球-拉锥光纤耦合系统谐振峰的光谱带宽相对于均匀介质单微球-拉锥光纤耦合系统明显变窄,通过分析仿真结果可知,其半高宽度压缩了约34%;峰值透射率较均匀介质单微球-拉锥光纤耦合系统降低约56%。由于WGM共振谱更高的边模抑制比和更窄的光谱带宽,双层介质单微球-拉锥光纤耦合系统的激光选模和光学滤波效果明显更好,为提高微球腔激光选模和光学滤波能力提供了理论依据。

3　结束语

本文研究了WGM均匀介质微球腔场分布和透射谱特性,并对均匀介质单微球腔的材料与结构进行优化,提出了新型的复合光学微球腔结构。采用双微球相对拉锥光纤对称放置并与拉锥光纤进行耦合的方式,将谐振峰半高宽度压缩了36%;采用双层介质单微球与拉锥光纤耦合,使谐振峰半高宽度压缩了34%。两种方式均提高了微球-拉锥光纤耦合系统的边模抑制比,压缩了WGM光谱带宽,为实现高效光学滤波和模式选择提供了一种较

为实用的方法,在实现高相干性光纤光源方面具有潜在的应用价值。

参考文献:

[1] 李子强,吕辉.可调谐超稳定窄带宽光纤激光器[J].光通信研究,2014,(4):61-63.

[2] Wan H,Jiang W,Gong Y,et al.Single-longitudinalmode fiber ring laser stabilized by tandem all-fiber Fabry–Pérot microcavities[J].Photonics Technology Letters,IEEE,2012,24:404-406.

[3] Savchenkov A A,Liang W,Matsko A B,et al.Narrowband tunable photonic notch filter[J].Optics Letters,2009,34(9):1318-1320.

[4] Matsko A B,Savchenkov A A,Strekalov D,et al. Review of applications of whispering-gallery mode resonators in photonics and nonlinear optics[J].Interplanetary Network Progress Report,2005,42:162.

[5] Zou C L,Yang Y,Dong C H,et al.Taper-microsphere coupling with numerical calculation of coupledmode theory[J].Journal of the Optical Society of A-merica B,2008,25(11):1895-1898.

[6] Xiao Y F,Lin X M,Gao J,et al.Realizing quantum controlled phase flip through cavity QED[J].Physical Review A,2004,70(4):042314.

光纤光缆技术与应用

光电器件研究与应用

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

中图分类号:TN256

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-0048-03

收稿日期:2015-07-27

基金项目:江苏省自然科学基金青年项目(BK20150858);南京邮电大学引进人才项目(NY214059,NY213083)

作者简介:吕宏春(1990-),男,江苏南京人。硕士研究生,主要研究方向为光通信和光信息处理。

通信作者:万洪丹,讲师。E-mail:hdwan@njupt.edu.cn

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.015