单个光纤环形谐振器的输出光学特性

廖阳清，苏思琪，张曼妮，黄沥锋，武广亮，张 敬

(大连民族大学 物理与材料工程学院，辽宁 大连 116600)

21世纪是高度信息化的时代，信息技术将成为影响人类生活的重要技术之一. 随着高性能半导体激光器和低损耗光纤的出现和发展，光纤通信已然成为目前信息技术发展的重要技术，有显著的优点：光波频率高，可供利用的频带宽，光纤通信容量大；光纤损耗低，中继距离比较长；光信号在光纤传输中的泄露小，保密性好，抗电磁干扰性能强. 光器件作为光通信系统的核心成分，对通信系统的性能和成本具有非常大的影响，因此光通信和光传感器件的重要性已经逐渐显现出来. 基于环形谐振器的光器件是作为实现新一代光通信和高速全光信号处理系统的核心集成光子学功能器件，已被应用于设计制作生物化学传感器[1-3]、窄带滤波器[4]、超低阈值激光器[5]、光信号处理器[6]、光开关[7]、光路由器[8]、光延时线[9]等领域，具有非常重要的研究意义和十分广阔的应用前景. 在环形谐振器中，损耗直接影响环形谐振器件的性能和整个谐振结构的品质因子. 文献[10-12]研究了结构参量之间的匹配关系对谐振结构光谱输出特性的影响，而忽略了环形谐振结构中损耗因素本身的取值对结构光输出特性的影响. 本文采用理论推导与实验相结合的方法研究单个光纤环形谐振器的光传输特性. 实验中选取光纤环形谐振器耦合区域的不同分束率，得到相应的光透过率输出特性曲线. 通过实验测量结果与理论推导进行对比分析，归纳出谐振状态下光透过特性随谐振器分束率变化趋势，得到单环结构中的最佳损耗参量，进而获得环形谐振器的最佳谐振状态. 通过改变环形谐振器的耦合状态，实现环形谐振器输出光强度的动态可调，有助于谐振器在光传感、光信息存储和光通信等领域广泛应用.

1 理论推导

单个环形谐振器的结构如图1所示，通过反馈的方式把光送入闭合的回路中，光波在闭合回路中传播1个周期后的相位位移恰为2π的整数倍(即谐振条件)，此时谐振效应使得回路中形成了极其稳定的谐振模式. 当谐振的腔长足够大时，谐振器中会出现很多谐振模式，不同的谐振模式与不同的谐振波长相对应.

图1 单个光纤环形谐振器的基本结构示意图

采用传输矩阵理论研究其光场传输特性[13]，其输出场与输入场的比值为

(1)

同时，也能够得出光的透过率，透过率为输出场与输入场模的平方，即

(2)

(2)式的透过率是针对所有频率的光波而言的. 当cosφ=cos (2πm)=1，即光纤环处于谐振状态下，谐振器的谐振波长所对应的光透过率为

(3)

其中，r2定义为耦合器的分束率，正如谐振状态下光纤环形谐振器的光透过率公式所反映的，谐振状态下光纤环形谐振器的光透过率与耦合器的分束率r2有着明显的非线性变化关系. 光纤环形谐振器的耦合具有3种状态：欠耦合、过耦合和临界耦合. 由式(1)可知：当r>α时，内部损耗大于耦合到腔外的光所产生的损耗，称之为谐振腔欠耦合；当r<α时，为过耦合；当r=α时，为最佳谐振状态临界耦合.

对谐振状态下光纤环形谐振器的光透过率关于r进行求导得到：

(4)

由式(3)可知，光纤环形谐振器的谐振状态与其光损耗系数α紧密相关，光损耗系数α可由式(3)推得：

(5)

由式(5)可知，光损耗系数的值主要与透过率和反射系数r相关. 通过代入透过率Tm和反射系数r的数值可得到光损耗系数α的取值，再由α值出发，得到单个光纤环的最佳谐振状态.

2 实验研究

实验装置如图2所示.

图2 实验装置图

实验中采用的信号源是窄线宽可调谐光纤激光器. 线宽小于50 kHz，中心波长为1 550 nm. 信号发生器作为驱动源，提供幅值为5 V、频率为10 Hz周期性的三角波信号，对光纤激光器输出波长精确地线性调谐. 光纤激光器输出的光首先经过保偏型光纤隔离器(光纤隔离器是只允许光单向通过的无源光学器件). 经过光隔离器和偏振控制器的光,再经过由耦合器组成的单个光纤环的谐振装置直接被探测器探测，通过探测器的光电转换作用，在示波器中显示随时间变化的透过光谱. 通过选用合适的激光光源与检测系统(包括光电探测器和示波器)，使实验中所用仪器的性能发挥良好，保证了输出光源的稳定性及光电检测检验结果的准确性. 在谐振装置中，光纤环与直波导之间的耦合主要由光纤耦合器实现. 实验中光纤激光器出射功率P=1 mW,光纤环长度L=0.8 m. 实验中调节可变耦合器的分束比分别为：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),得到不同的光谱响应.

r=0.948,0.922,0.866,0.774,0.707的透过率曲线趋势如图3所示.

(a)r=0.948

(b)r=0.922

(c)r=0.866

(d)r=0.774

(e)r=0.707图3 不同r时的透过率输出曲线

由图3得到Tm以及由(5)式计算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值的光损耗系数α值非常接近. 实验中不同耦合器分束比的环形光纤耦合器都可以根据上述理论推导得到，取其平均值，可得到实验装置中光纤环的光损耗系数α值为0.985.

根据图3和表1中的实验数据r和T的值进行总结，可以得到光纤环形谐振器的输出光透过率Tm与谐振器的分束比r2的关系线型图像如图4所示.

图4 环形光纤谐振器输出光的透过率与谐振器分束比的关系

当处于临界耦合情况下，r=α=0.985时透过率曲线趋势如图5所示.

图5 r=α=0.985时透过率输出线型

通过比较谐振器的分束比r2分别为0.97，0.90，0.85，0.75，0.60，0.50的透过率输出线型，可以明显地发现：谐振透过率越低输出线型的谐振频带越窄，滤波特性就越好，也就意味着谐振器的响应时间越短. 通过调节可变耦合器的耦合程度，可以调节单环谐振器作为滤波器的滤波频率和滤波范围宽度.

3 结 论

理论研究了环形光纤谐振结构中光损耗系数与谐振点处的光透过率和透射系数之间的关系. 实验中通过比较耦合器分束比r2分别为0.97，0.90，0.85，0.75，0.60，0.50的透过率输出线型，确定环形光纤谐振器的光损耗系数α，当耦合器的反射系数r与谐振器损耗系数α相等时，输出激光能够达到最佳谐振状态. 通过在光纤环中将光损耗系数和反射系数这2个重要参量进行有效匹配，可以实现环形光纤谐振器的最佳谐振状态，以及谐振器输出光强度的动态可调. 研究也发现谐振透过率越低，则输出线型的谐振频带越窄，也即滤波特性就越好且谐振器的响应时间就越短. 这一特性使得环形光纤谐振器能够被广泛应用在全光开光、窄带滤波器、光传感、光存储和光通信等领域.