復(fù)合光學(xué)微球腔回音壁模共振譜選模特性分析

呂宏春,萬(wàn)洪丹,王瑾,楊超麟

(南京郵電大學(xué),南京 210023)

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復(fù)合光學(xué)微球腔回音壁模共振譜選模特性分析

呂宏春,萬(wàn)洪丹,王瑾,楊超麟

(南京郵電大學(xué),南京 210023)

摘要:提出一種新型的基于復(fù)合微球腔WGM(回音壁模式)共振譜的全光纖激光腔內(nèi)選模方法。通過(guò)多層介質(zhì)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)合光學(xué)微球腔,基于FDTD(有限差分時(shí)域)算法仿真并分析了復(fù)合微球腔內(nèi)WGM的光場(chǎng)分布特性?；趶?fù)合光學(xué)微球腔-拉錐光纖的最佳耦合條件,計(jì)算得到其傳輸透射譜。通過(guò)優(yōu)化復(fù)合微球腔的參數(shù)并改進(jìn)耦合條件,實(shí)現(xiàn)了WGM共振譜帶寬的壓縮和邊模抑制比的提高。所獲得的窄帶透射譜對(duì)實(shí)現(xiàn)全光纖激光選模具有重要意義。

關(guān)鍵詞:回音壁模式;微球腔;多層介質(zhì);雙微球;透射譜

0　引 言

單縱模窄帶光纖激光器由于其單色性好、波長(zhǎng)靈活和結(jié)構(gòu)緊湊等特性被廣泛應(yīng)用于光纖通信、傳感等眾多領(lǐng)域[1]。目前,窄帶激光輸出需要結(jié)合腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和腔內(nèi)選模技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),其中光學(xué)諧振腔主要包括線性腔和環(huán)形腔[2]。線性腔由于增益光纖長(zhǎng)度較短而使得激光輸出功率受限;環(huán)形腔內(nèi)需要加入光纖濾波器,如FBG(光纖光柵)、F-P(法布里-珀羅)諧振腔、可飽和吸收體等以實(shí)現(xiàn)帶寬壓縮與單縱模激光輸出[2]。由于受到材料和結(jié)構(gòu)的限制,現(xiàn)有光纖濾波器的選模帶寬通常在GHz以上。A.A.Savchenkov等人采用WGM(回音壁模式)微腔實(shí)現(xiàn)了選模帶寬為10 MHz的濾波器[3]。WGM光學(xué)微腔具有穩(wěn)定性高和易于集成等優(yōu)點(diǎn),其極高的品質(zhì)因子Q為獲得超窄帶濾波譜提供了可行性[4]。各種形狀(盤(pán)、環(huán)、球等)中,球形微腔光子壽命長(zhǎng)、精細(xì)度和機(jī)械穩(wěn)定性高,可激發(fā)穩(wěn)定的窄帶WGM共振濾波譜。純石英介質(zhì)、單一結(jié)構(gòu)的WGM微球腔,由于其表面易受污染,熔融表面張力制作過(guò)程容易產(chǎn)生橢圓非對(duì)稱性,因此,仍然需要從材料和結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)以提高其Q值。本文提出了一種新型的復(fù)合光學(xué)微球腔,采用復(fù)合材料和并聯(lián)雙微球結(jié)構(gòu)提高微球腔Q值,改善腔內(nèi)WGM的共振譜特性?；贔DTD(有限差分時(shí)域)算法分別研究了雙層介質(zhì)微球腔和雙微球耦合腔內(nèi)的光場(chǎng)分布特性。利用拉錐光纖實(shí)現(xiàn)光學(xué)諧振腔內(nèi)光場(chǎng)耦合,通過(guò)優(yōu)化微球腔參數(shù)實(shí)現(xiàn)了WGM共振譜帶寬的壓縮和邊模抑制比的提升。該復(fù)合光學(xué)微球腔-拉錐光纖耦合系統(tǒng)在激光選模和光學(xué)濾波等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

1　理論模型

微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)中光場(chǎng)傳輸過(guò)程如圖1所示。根據(jù)耦合模理論,其耦合系數(shù)[5]為

圖1　微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)光場(chǎng)傳輸過(guò)程

式中,ηfs和ηsf分別為光從拉錐光纖耦合進(jìn)入微球和光從微球耦合進(jìn)入拉錐光纖的耦合系數(shù);Δε為微球和拉錐光纖相對(duì)于空氣的介電常數(shù);Δβ=βf-βs為拉錐光纖和微球的傳輸常數(shù)之差;Ef和Es分別為光纖和微球的歸一化電場(chǎng);Vs為微球的體積;ω為角頻率;υ為頻率;i表示虛部。石英微球的本征品質(zhì)因數(shù)為Q0,對(duì)于本文討論的直徑為35μm的石英微球,其彎曲損耗可以忽略不計(jì)[6]。在實(shí)際系統(tǒng)中,后向散射將導(dǎo)致順時(shí)針和逆時(shí)針回音壁模的模式耦合,順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蚰Ｊ綀?chǎng)分布表達(dá)式為

2　數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1均勻介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)

理論模型耦合參數(shù)如下:微球直徑35μm,拉錐光纖直徑1.4μm,微球和拉錐光纖的折射率均為1.46,耦合間距為0.3μm,光源波長(zhǎng)為1 530～ 1 570 nm。圖2所示為均勻介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)回音壁模的光場(chǎng)分布和透射譜。由圖2 (a)可見(jiàn),能量主要集中在微球邊緣;由圖2(b)可以看出,透射譜在1 541.87和1 556.88 nm附近有較強(qiáng)的諧振峰,其透射率分別為0.510 05和0.454 74。

圖2　均勻介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)回音壁模光場(chǎng)分布和透射譜

2.2均勻介質(zhì)雙微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)

為了提高微球腔與拉錐光纖耦合系統(tǒng)的激光選模和光學(xué)濾波性能,本文提出將雙微球相對(duì)拉錐光纖對(duì)稱放置的方式進(jìn)行微球與拉錐光纖的耦合,其他耦合參數(shù)與均勻介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)相同。利用FDTD Solutions計(jì)算出的光場(chǎng)分布與透射譜如圖3所示。圖3(a)所示為光場(chǎng)分布圖,由圖可見(jiàn),其能量集中于兩個(gè)微球的表面。圖3(b)所示為透射譜,可以看出,在1 541.84和1 556.85 nm波段,均勻介質(zhì)雙微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)的透射譜較均勻介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)的透射譜具有更高的邊模抑制比和更窄的濾波譜寬度,其濾波譜半高寬度壓縮了約36%,峰值透射率降低了約69%。這是因?yàn)椴捎秒p微球提高了系統(tǒng)的耦合效率,從而改善了整個(gè)微球腔濾波器的窄帶選模特性。

圖3　均勻介質(zhì)雙微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)回音壁模光場(chǎng)分布與透射譜

2.3雙層介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)

為進(jìn)一步優(yōu)化微球腔-拉錐光纖耦合系統(tǒng)的選模特性,本文還研究了雙層介質(zhì)微球腔,即在均勻介質(zhì)微球的基礎(chǔ)上,在其表面鍍一層折射率為2.4、厚度為0.1μm的高折射率介質(zhì),從而改善微球腔內(nèi)回音壁模的共振譜。其他耦合條件不變,仿真得到的雙層介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)的光場(chǎng)分布和透射譜如圖4所示。由圖4(a)可知,雙層介質(zhì)單微球的能量也主要集中在微球表面,但能量集中度相對(duì)于均勻介質(zhì)單微球腔-拉錐光纖耦合系統(tǒng)而言更高,模場(chǎng)能量更多分布于外包層。這是因?yàn)楦哒凵渎式橘|(zhì)降低了微球中光的散射損耗,光在微球腔中的諧振效果更好,抑制了諧振腔的高階模式,因此得到了更好的耦合效果。

由圖4(b)可以發(fā)現(xiàn),雙層介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)較均勻介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)

圖4　雙層介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)回音壁模光場(chǎng)分布與透射譜

具有更尖銳的諧振峰和更低的透射率。雙層介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)諧振峰的光譜帶寬相對(duì)于均勻介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)明顯變窄,通過(guò)分析仿真結(jié)果可知,其半高寬度壓縮了約34%;峰值透射率較均勻介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)降低約56%。由于WGM共振譜更高的邊模抑制比和更窄的光譜帶寬,雙層介質(zhì)單微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)的激光選模和光學(xué)濾波效果明顯更好,為提高微球腔激光選模和光學(xué)濾波能力提供了理論依據(jù)。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文研究了WGM均勻介質(zhì)微球腔場(chǎng)分布和透射譜特性,并對(duì)均勻介質(zhì)單微球腔的材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,提出了新型的復(fù)合光學(xué)微球腔結(jié)構(gòu)。采用雙微球相對(duì)拉錐光纖對(duì)稱放置并與拉錐光纖進(jìn)行耦合的方式,將諧振峰半高寬度壓縮了36%;采用雙層介質(zhì)單微球與拉錐光纖耦合,使諧振峰半高寬度壓縮了34%。兩種方式均提高了微球-拉錐光纖耦合系統(tǒng)的邊模抑制比,壓縮了WGM光譜帶寬,為實(shí)現(xiàn)高效光學(xué)濾波和模式選擇提供了一種較

為實(shí)用的方法,在實(shí)現(xiàn)高相干性光纖光源方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn):

[1] 李子強(qiáng),呂輝.可調(diào)諧超穩(wěn)定窄帶寬光纖激光器[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.

光纖光纜技術(shù)與應(yīng)用

光電器件研究與應(yīng)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

中圖分類(lèi)號(hào):TN256

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1005-8788(2016)01-0048-03

收稿日期:2015-07-27

基金項(xiàng)目:江蘇省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(BK20150858);南京郵電大學(xué)引進(jìn)人才項(xiàng)目(NY214059,NY213083)

作者簡(jiǎn)介:呂宏春(1990-),男,江蘇南京人。碩士研究生,主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ藕凸庑畔⑻幚怼?/p>

通信作者:萬(wàn)洪丹,講師。E-mail:hdwan@njupt.edu.cn

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.015