光纖諧振腔課件

光學(xué)諧振腔及其應(yīng)用----激光器和濾波器

一、光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔是一種重要的光學(xué)器件，廣泛應(yīng)用于濾波器、激光器和光譜分析儀中。傳統(tǒng)的光學(xué)諧振腔有平行腔和環(huán)形腔兩種結(jié)構(gòu)，無(wú)論是平行腔或環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，都是通過(guò)光學(xué)反射鏡控制光線傳播方向，使光波在諧振腔內(nèi)多次反射和傳輸并形成多光束干涉，因此，對(duì)反射鏡和諧振腔均有很高的要求。上世紀(jì)下半葉，低損耗光纖出現(xiàn)，光纖作為一種傳輸介質(zhì)和敏感元件，廣泛的應(yīng)用于通信和傳感領(lǐng)域。光纖出現(xiàn)帶來(lái)的最根本的變革在于改變了光的直線傳播規(guī)律，光線被約束在光纖中，可以沿光纖進(jìn)行任意方向傳輸。將光纖應(yīng)用于光學(xué)諧振腔中，產(chǎn)生了光纖環(huán)形諧振腔。光纖環(huán)形諧振腔由低損耗光纖和光纖耦合器構(gòu)成，用低損耗光纖代替光學(xué)腔，用光纖耦合器代替反射鏡，這不僅會(huì)大大降低諧振腔的制作難度，而且由于光纖可以彎曲繞制，腔長(zhǎng)可以大大加長(zhǎng)。這種光纖諧振腔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、通過(guò)加長(zhǎng)腔長(zhǎng)可獲得較高的分辨率，以其為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成光纖無(wú)源/有源濾波器、光纖激光器、高分辨率光譜分析儀、光纖環(huán)形腔陀螺等多種光纖器件。光纖諧振腔最基本的結(jié)構(gòu)有兩類:反射式與透射式，如圖1.1所示。反射式光纖諧振腔利用諧振腔的反射譜，輸出波形是亮背景下的暗峰;透射式光纖諧振腔利用諧振腔的透射譜，輸出波形是暗背景下的亮峰。圖1.1光纖諧振腔的基本結(jié)構(gòu)

。諧振腔可以選擇頻率一定的光波進(jìn)行反饋震蕩，再通過(guò)部分的反射端耦合出來(lái)。這可以在激光器中得到很好的應(yīng)用。諧振頻率的決定條件是諧振模式經(jīng)過(guò)一次完整的往返后相位延遲應(yīng)該等于2π的整數(shù)倍。滿足這個(gè)條件就可以沿軸自行建立一個(gè)穩(wěn)定駐波，且它的橫向電場(chǎng)分布與傳輸模相同。在大多數(shù)情況下，我們需要高諧振品質(zhì)因數(shù)和深的諧振濾波深度的光學(xué)諧振腔。在下面我們就是要介紹下光學(xué)微環(huán)諧振腔的傳輸特性，相速度。(2)光學(xué)微環(huán)諧振腔的傳輸特性圖1.3單波導(dǎo)耦合的環(huán)形諧振腔

如圖1.3所示為簡(jiǎn)單的單波導(dǎo)耦合光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)，其通過(guò)直接耦合器把光耦合出來(lái)，再反饋到一個(gè)輸入端。Ao、Ai分別是輸入端和輸出端場(chǎng)強(qiáng)，Ar、Al分別為耦合進(jìn)和耦合出環(huán)形諧振腔的能量。通過(guò)比較這幾個(gè)參數(shù)的基本關(guān)系，我們就可以得出光學(xué)諧振腔的基本特性。在頻域上，在耦合區(qū)域激發(fā)的Ar、Al與輸入和輸出的場(chǎng)具有以下關(guān)系：其中，k是耦合系數(shù)。通過(guò)長(zhǎng)度為2πR反饋路徑,環(huán)形諧振腔的輸出與輸入場(chǎng)強(qiáng)Ar、Al具有以公式（2）所示的關(guān)系，其中a代表了通過(guò)一次諧振腔回路的強(qiáng)度損耗，Φ代表了一次諧振腔回路的相位變化。將輸入與輸出的光強(qiáng)進(jìn)行相除，我們可以得到光學(xué)諧振腔的基本傳輸特性如公式（3）所示。（1）（2）圖（1.4）光學(xué)微環(huán)諧振腔的傳輸頻譜（3）零，諧振濾波深度可以達(dá)到最深。當(dāng)耦合損耗大于本征損耗時(shí)，是欠耦合狀態(tài)，相反為過(guò)耦合。一般情況下，在分叉復(fù)用器，濾波器，光學(xué)延遲線，生物傳感檢測(cè)上都需要高的品質(zhì)因數(shù)。(3)光學(xué)微環(huán)諧振腔的相位特性圖（1.5）色散介質(zhì)中波傳播的包絡(luò)圖，包絡(luò)以群速度傳播度因頻率而改變，這種現(xiàn)象稱為色散現(xiàn)象。實(shí)用系統(tǒng)的信號(hào)總是由許多頻率分量組成，在色散介質(zhì)中，各單色分量將以不同的相速傳播，因此要確定信號(hào)在色散介質(zhì)中的傳播速度就發(fā)生困難，為此引入群速的概念。如果介質(zhì)對(duì)這個(gè)波是色散的，那么，傳播中的波，由于各不同頻率的成分運(yùn)動(dòng)快慢不一致，會(huì)出現(xiàn)“擴(kuò)散”。但假若這個(gè)波是由一群頻率差別不大的簡(jiǎn)諧波組成，這時(shí)在相當(dāng)長(zhǎng)的傳播途程中總的波仍將維持為一個(gè)整體，以一個(gè)確定的速度運(yùn)行，如圖1.5所示。這個(gè)特殊的波群稱為波包，波包傳播的速度稱為群速度。群速度定義vg=dw/dk，波的群速度，或簡(jiǎn)稱群速，是指波的包絡(luò)傳播的速度，實(shí)際上就是波前進(jìn)的速度。假設(shè)在介質(zhì)中，v通過(guò)折射率n與波長(zhǎng)或者k相關(guān)聯(lián)，那么就有可以得到公式介質(zhì)中的群折射率vg（medium），（8）在正常色散區(qū)，脈沖前沿的為負(fù)，后沿的線性增加，紅光分量比藍(lán)光分量傳的快。在反常色散區(qū)則正好相反。

當(dāng)光脈沖在共振光學(xué)介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳輸?shù)娜核俣扰c真空中的光速大多時(shí)候有很大不同。在正常和反常高色散的介質(zhì)材料中，光波能夠分別以超慢和超快光的群速傳輸。因此產(chǎn)生慢光或者快光的材料關(guān)鍵的是要找到具有很強(qiáng)的窄帶光譜特征的物理過(guò)程。產(chǎn)生慢光實(shí)際上就是要求在沒(méi)有高階色散和吸收的情況下實(shí)現(xiàn)很大的正常色散。如吸收譜中出現(xiàn)一窄帶寬的透明窗口，根據(jù)Kramers-Kroning關(guān)系，在共振峰附近將伴隨較強(qiáng)的正常色散，導(dǎo)致慢光出現(xiàn)。相對(duì)的，出現(xiàn)吸收峰或者增益，將出現(xiàn)反常的色散和快光。

在光纖諧振腔中，光波在光纖環(huán)路內(nèi)多次循環(huán)傳輸，并在輸出端形成多光束干涉，使其具有和光纖Fabry一perot干涉儀相類似的濾波特性。反射式諧振腔為帶阻型，透射式諧振腔為帶通型。利用這個(gè)特點(diǎn)，光纖諧振腔被廣泛應(yīng)用于激光線寬光譜測(cè)量和光纖濾波器中。光纖諧振腔中的光纖不僅僅是傳輸介質(zhì)，還是一種敏感元件。外界因素對(duì)諧振腔腔長(zhǎng)等參數(shù)的影響將引起諧振腔單程相移的變化，從而引起諧振腔諧振頻率的變化。由于光波在諧振腔中循環(huán)傳輸并形成多光束干涉，諧振腔輸出為銳利的諧振峰，在諧振峰附近，諧振頻率變化將引起輸出光強(qiáng)的劇烈變化，這時(shí)諧振腔的輸出光強(qiáng)對(duì)諧振腔單程相移變化極為靈敏。利用這一特性，光纖諧振腔可以應(yīng)用于各種傳感系統(tǒng)中。光纖諧振腔主要的應(yīng)用領(lǐng)域如下:(l)光纖環(huán)形腔激光器

人們很早就開(kāi)始關(guān)注到環(huán)形腔結(jié)構(gòu)激光器的研究。自1982年LF.Stokes等人首次制成了光纖環(huán)形諧振腔以來(lái)，由于其具有類似于F一P腔的特性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，再加上近年來(lái)?yè)较⊥凉饫w的研究，各種波段的、性能各不相同的光纖環(huán)形激光器陸續(xù)發(fā)表。光纖環(huán)形激光器的研究主要集中在光纖環(huán)形激光器跳模抑制方法、可調(diào)諧光纖激光器、多波長(zhǎng)光纖激光器等方面。(2)光纖濾波器

通過(guò)多光束干涉，光纖諧振腔具有和光纖Fabry一perot干涉儀相類似的濾波特性。利用這一特點(diǎn)可以將之應(yīng)用在光纖濾波器和激光線寬測(cè)量之中。隨著摻餌光纖放大器的出現(xiàn)，通過(guò)在光纖諧振腔中加入EDFA(摻鉺光纖放大器)進(jìn)行腔損補(bǔ)償，可以獲得更高分辨率的光纖環(huán)形腔光譜分析儀和各種窄帶光纖濾波器。(3)光纖諧振腔傳感器

傳感是光纖諧振腔的一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域之一，它是利用光纖諧振腔輸出光強(qiáng)的大小在諧振峰附近對(duì)光纖環(huán)單程相移變化極為靈敏的特性來(lái)進(jìn)行傳感的。從1983年起，光纖諧振腔就開(kāi)始陸續(xù)應(yīng)用到各種光纖傳感系統(tǒng)中。首先，P.Mourouis進(jìn)行了光纖環(huán)形諧振腔水聽(tīng)器的研究，接著R.E.Meye:實(shí)現(xiàn)了無(wú)源的諧振腔光纖陀螺，到1988年，AD.Kersey又用光纖環(huán)形腔實(shí)現(xiàn)了能探測(cè)法拉第電流的傳感器，1990年，H.J.Lee制成了能辨別溫度變化方向的傳感器。二、光纖激光器近年來(lái)，由于新的激光泵浦技術(shù)的發(fā)展，以及光纖光柵等元器件的問(wèn)世，促進(jìn)了光纖激光技術(shù)研究的發(fā)展。摻稀土元素光纖激光技術(shù)受到世界各國(guó)的普遍重視，己成為國(guó)際學(xué)術(shù)界熱門(mén)前沿研究課題。光纖激光器具有激光閥值

圖2.1光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖的情況下，不同長(zhǎng)度的餌光纖輸出的ASE譜功率差別很大，一般要隨著餌光纖的長(zhǎng)度增加而增加，增加到某一長(zhǎng)度達(dá)到最大(我們定義此長(zhǎng)度為一定功率下、確定波長(zhǎng)的最佳長(zhǎng)度)，超過(guò)最佳長(zhǎng)度后，隨光纖長(zhǎng)度繼續(xù)增加，輸出的ASE譜功率開(kāi)始減小，這是因?yàn)殡S餌光纖的長(zhǎng)度增加，泵浦功率所能帶來(lái)的增益一直在減小(摻餌光纖對(duì)980nm波長(zhǎng)的光吸收損耗極大，實(shí)驗(yàn)中摻餌光纖對(duì)980nm波長(zhǎng)光的損耗為4500——5000dB/km)，泵浦功率所能帶來(lái)的增益恰好等于餌光纖的損耗時(shí)，即為餌光纖的最佳長(zhǎng)度。最佳長(zhǎng)度之后，餌光纖的吸收損耗大于增益，所以ASE熒光功率開(kāi)始減小，激光器輸出功率降低，其實(shí)輸出光為熒光輸出。

通過(guò)改變腔長(zhǎng)可以獲得不同功率的激光輸出，實(shí)質(zhì)改變的是諧振腔的損耗與增益的比值。改變輸出耦合比也會(huì)得到與改變腔長(zhǎng)相似的結(jié)果，有一最佳輸出耦合比存在。保證其他條件不變的情況下，輸出耦合比由90%(90%的光輸出，10%的光反射回環(huán)形腔內(nèi)振蕩)減小到10%(10%的光輸出，90%的光反射回環(huán)形腔內(nèi)振蕩)，光纖激光器輸出功率增大，光纖激光器輸出功率最大。沒(méi)有得到與理論相一致的結(jié)果，分析其原因，這說(shuō)明諧振腔內(nèi)摻餌光纖損耗過(guò)大，只有在不斷減小輸出禍合t匕即增大諧振腔內(nèi)的振蕩能量刁’能形成激光振蕩。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)餌光纖與普通光纖的連接損耗也很大，嚴(yán)重影響激光器輸出功率，可通過(guò)選擇合適的熔接參數(shù)降低熔接損耗。三、光纖諧振腔在光纖濾波器中的應(yīng)用光學(xué)濾波器是指能夠?qū)ζ渫ㄟ^(guò)的光信號(hào)進(jìn)行有選擇的通過(guò)的器件。它具有插入損耗低、中心波長(zhǎng)可調(diào)諧、構(gòu)緊湊、高頻率響應(yīng)、易于與光通信、光纖傳感等有點(diǎn)光纖環(huán)形腔：光纖環(huán)型腔具有帶寬窄、調(diào)制方便的特點(diǎn)由于它具有類似于法布里一帕羅腔的特性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，可以獲得較高的分辨本領(lǐng)，己被廣泛

下面介紹另一種帶有光纖諧振腔的濾波器——一種應(yīng)用廣泛的波長(zhǎng)選擇器件——微環(huán)諧振器微環(huán)諧振器的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2.3（a)水平直波導(dǎo)微環(huán)諧振器示意圖(b)垂直直波導(dǎo)微環(huán)諧振器示意圖

其中圖2.3（a）和上一種介紹到的單個(gè)光纖環(huán)型諧振腔Sagnac環(huán)濾波器結(jié)構(gòu)相同，所以說(shuō)微環(huán)諧振器的主要原理和光纖諧振腔相同。

按照耦合方向不同，微環(huán)諧振器也可分為水平藕合方向微環(huán)諧振器和垂直藕合方向微環(huán)諧振器，如下圖所示。兩者之間的區(qū)別主要是，水平的是兩個(gè)直波導(dǎo)和微環(huán)在一個(gè)平面上，而垂直的是兩個(gè)直波導(dǎo)和微環(huán)不在一個(gè)平面上。微環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)提出的最初是水平禍合方向的，但是這種結(jié)構(gòu)中微環(huán)和直波導(dǎo)間的間距在制作過(guò)程中對(duì)光刻蝕的要求很高，制作起來(lái)比較困難。后來(lái)人們提出了直波導(dǎo)和微環(huán)不在一個(gè)平面的垂直耦合方向的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在制作過(guò)程中通過(guò)薄膜沉積的方法控制沉積薄膜的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)控制直波導(dǎo)和微環(huán)之間間距的目的，大大降低了制作工藝的難度圖2.5(a)多環(huán)并聯(lián)結(jié)構(gòu)(b)多環(huán)串聯(lián)結(jié)構(gòu)(c)多環(huán)陣列結(jié)構(gòu)(d)馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x和微環(huán)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)

同時(shí)也可以把微環(huán)代替為橢圓、方形、跑道型的環(huán)，這些都將得到不同的濾波特性。其次，許多傳統(tǒng)的光波導(dǎo)器件也能和微環(huán)相結(jié)合來(lái)改良它們的功能，其中已報(bào)道的最常見(jiàn)的就是和馬赫曾德?tīng)柛缮鎯x相結(jié)合如圖2.5(d。作為一種光器件的基本元素，