光纖諧振腔課件

光學諧振腔及其應用----激光器和濾波器

一、光學諧振腔光學諧振腔是一種重要的光學器件，廣泛應用于濾波器、激光器和光譜分析儀中。傳統(tǒng)的光學諧振腔有平行腔和環(huán)形腔兩種結(jié)構，無論是平行腔或環(huán)形腔結(jié)構，都是通過光學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，對反射鏡和諧振腔均有很高的要求。上世紀下半葉，低損耗光纖出現(xiàn)，光纖作為一種傳輸介質(zhì)和敏感元件，廣泛的應用于通信和傳感領域。光纖出現(xiàn)帶來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，可以沿光纖進行任意方向傳輸。將光纖應用于光學諧振腔中，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成，用低損耗光纖代替光學腔，用光纖耦合器代替反射鏡，這不僅會大大降低諧振腔的制作難度，而且由于光纖可以彎曲繞制，腔長可以大大加長。這種光纖諧振腔結(jié)構簡單、制作方便、通過加長腔長可獲得較高的分辨率，以其為基礎結(jié)構，可以構成光纖無源/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

。諧振腔可以選擇頻率一定的光波進行反饋震蕩，再通過部分的反射端耦合出來。這可以在激光器中得到很好的應用。諧振頻率的決定條件是諧振模式經(jīng)過一次完整的往返后相位延遲應該等于2π的整數(shù)倍。滿足這個條件就可以沿軸自行建立一個穩(wěn)定駐波，且它的橫向電場分布與傳輸模相同。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諧振腔。在下面我們就是要介紹下光學微環(huán)諧振腔的傳輸特性，相速度。(2)光學微環(huán)諧振腔的傳輸特性圖1.3單波導耦合的環(huán)形諧振腔

如圖1.3所示為簡單的單波導耦合光學諧振腔的結(jié)構，其通過直接耦合器把光耦合出來，再反饋到一個輸入端。Ao、Ai分別是輸入端和輸出端場強，Ar、Al分別為耦合進和耦合出環(huán)形諧振腔的能量。通過比較這幾個參數(shù)的基本關系，我們就可以得出光學諧振腔的基本特性。在頻域上，在耦合區(qū)域激發(fā)的Ar、Al與輸入和輸出的場具有以下關系：其中，k是耦合系數(shù)。通過長度為2πR反饋路徑,環(huán)形諧振腔的輸出與輸入場強Ar、Al具有以公式（2）所示的關系，其中a代表了通過一次諧振腔回路的強度損耗，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進行相除，我們可以得到光學諧振腔的基本傳輸特性如公式（3）所示。（1）（2）圖（1.4）光學微環(huán)諧振腔的傳輸頻譜（3）零，諧振濾波深度可以達到最深。當耦合損耗大于本征損耗時，是欠耦合狀態(tài)，相反為過耦合。一般情況下，在分叉復用器，濾波器，光學延遲線，生物傳感檢測上都需要高的品質(zhì)因數(shù)。(3)光學微環(huán)諧振腔的相位特性圖（1.5）色散介質(zhì)中波傳播的包絡圖，包絡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。實用系統(tǒng)的信號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)對這個波是色散的，那么，傳播中的波，由于各不同頻率的成分運動快慢不一致，會出現(xiàn)“擴散”。但假若這個波是由一群頻率差別不大的簡諧波組成，這時在相當長的傳播途程中總的波仍將維持為一個整體，以一個確定的速度運行，如圖1.5所示。這個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，或簡稱群速，是指波的包絡傳播的速度，實際上就是波前進的速度。假設在介質(zhì)中，v通過折射率n與波長或者k相關聯(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，后沿的線性增加，紅光分量比藍光分量傳的快。在反常色散區(qū)則正好相反。

當光脈沖在共振光學介質(zhì)中傳播時，其傳輸?shù)娜核俣扰c真空中的光速大多時候有很大不同。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鍵的是要找到具有很強的窄帶光譜特征的物理過程。產(chǎn)生慢光實際上就是要求在沒有高階色散和吸收的情況下實現(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關系，在共振峰附近將伴隨較強的正常色散，導致慢光出現(xiàn)。相對的，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。利用這個特點，光纖諧振腔被廣泛應用于激光線寬光譜測量和光纖濾波器中。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。外界因素對諧振腔腔長等參數(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的劇烈變化，這時諧振腔的輸出光強對諧振腔單程相移變化極為靈敏。利用這一特性，光纖諧振腔可以應用于各種傳感系統(tǒng)中。光纖諧振腔主要的應用領域如下:(l)光纖環(huán)形腔激光器

人們很早就開始關注到環(huán)形腔結(jié)構激光器的研究。自1982年LF.Stokes等人首次制成了光纖環(huán)形諧振腔以來，由于其具有類似于F一P腔的特性，結(jié)構簡單，再加上近年來摻稀土光纖的研究，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、多波長光纖激光器等方面。(2)光纖濾波器

通過多光束干涉，光纖諧振腔具有和光纖Fabry一perot干涉儀相類似的濾波特性。利用這一特點可以將之應用在光纖濾波器和激光線寬測量之中。隨著摻餌光纖放大器的出現(xiàn)，通過在光纖諧振腔中加入EDFA(摻鉺光纖放大器)進行腔損補償，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主要應用領域之一，它是利用光纖諧振腔輸出光強的大小在諧振峰附近對光纖環(huán)單程相移變化極為靈敏的特性來進行傳感的。從1983年起，光纖諧振腔就開始陸續(xù)應用到各種光纖傳感系統(tǒng)中。首先，P.Mourouis進行了光纖環(huán)形諧振腔水聽器的研究，接著R.E.Meye:實現(xiàn)了無源的諧振腔光纖陀螺，到1988年，AD.Kersey又用光纖環(huán)形腔實現(xiàn)了能探測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，由于新的激光泵浦技術的發(fā)展，以及光纖光柵等元器件的問世，促進了光纖激光技術研究的發(fā)展。摻稀土元素光纖激光技術受到世界各國的普遍重視，己成為國際學術界熱門前沿研究課題。光纖激光器具有激光閥值

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

通過改變腔長可以獲得不同功率的激光輸出，實質(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得到與改變腔長相似的結(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。沒有得到與理論相一致的結(jié)果，分析其原因，這說明諧振腔內(nèi)摻餌光纖損耗過大，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。實驗中還發(fā)現(xiàn)餌光纖與普通光纖的連接損耗也很大，嚴重影響激光器輸出功率，可通過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用光學濾波器是指能夠?qū)ζ渫ㄟ^的光信號進行有選擇的通過的器件。它具有插入損耗低、中心波長可調(diào)諧、構緊湊、高頻率響應、易于與光通信、光纖傳感等有點光纖環(huán)形腔：光纖環(huán)型腔具有帶寬窄、調(diào)制方便的特點由于它具有類似于法布里一帕羅腔的特性，結(jié)構簡單，制作方便，可以獲得較高的分辨本領，己被廣泛

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

其中圖2.3（a）和上一種介紹到的單個光纖環(huán)型諧振腔Sagnac環(huán)濾波器結(jié)構相同，所以說微環(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，水平的是兩個直波導和微環(huán)在一個平面上，而垂直的是兩個直波導和微環(huán)不在一個平面上。微環(huán)諧振器結(jié)構提出的最初是水平禍合方向的，但是這種結(jié)構中微環(huán)和直波導間的間距在制作過程中對光刻蝕的要求很高，制作起來比較困難。后來人們提出了直波導和微環(huán)不在一個平面的垂直耦合方向的結(jié)構，這種結(jié)構在制作過程中通過薄膜沉積的方法控制沉積薄膜的厚度來實現(xiàn)控制直波導和微環(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(b)多環(huán)串聯(lián)結(jié)構(c)多環(huán)陣列結(jié)構(d)馬赫曾德爾干涉儀和微環(huán)相結(jié)合的結(jié)構

同時也可以把微環(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)的光波導器件也能和微環(huán)相結(jié)合來改良它們的功能，其中已報道的最常見的就是和馬赫曾德爾干涉儀相結(jié)合如圖2.5(d。作為一種光器件的基本元素，