CN103256982A - 基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法 - Google Patents
基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明为一种基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法，具体是基于环形谐振腔的谐振原理，选取两个自由频谱宽度FSR不同的谐振腔，通过改变其光程差，得到符合游标卡尺原理的两个透射谱线，以其中一个作为标尺频谱，另一个作为游尺频谱，当满足谐振频段相同且FSR个数差值为1时，根据差值等分测量原理，可以实现对光谱学中频率差或波长差的精确测量。本发明方法步骤简单、操作容易、测量结果准确，极大的提高了光谱学中频率差或波长差的测量精度，可为基于高精度频率差的温度、压力传感器等的研究提供一种有效的方案。
Description
技术领域
本发明涉及光谱学中频率差或波长差的测量技术领域，具体是一种基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法。
背景技术
基于谐振腔的游标效应，可以拓宽系统有效FSR的范围，已在可调谐光开关、微腔滤波器、可调谐激光器、多路复用器等领域得到广泛的应用。2002年，D. H. Geuzebroek等利用环形谐振腔级联的游标效应拓宽FSR，得到可以对第三方通信窗口波长进行选择的热调谐宽频FSR光开关。2005年，Seung June Choi等在可调谐窄线宽全掩埋异质环形谐振腔滤波器的实验中，利用掩埋异质环形谐振腔的游标效应来扩大FSR和谐振波长的调谐范围，谐振时D端口输出的有效FSR 从0.65nm延长到10.2nm，谱线宽度为0.017nm，测量的精细度高达600。此外，在生化传感领域也取得新的进展。利用双级联环形谐振腔的游标效应可以提高有效折射率在生物传感器中的测量精度，实验得到随着溶液浓度的变化，测量精度高达1300nm/RIU (Refractive Index Unit)。同时还可以用于光子气体传感器探测空气中浓度很低的甲烷和乙烷气体，传感器测量的灵敏度达105nm/RIU。
在传感器的应用中，测量结果的准确性直接影响着传感器的性能。近年来，环形谐振腔的研究越来越热。光纤环形谐振腔是基于波导环形谐振腔和定向耦合器的理论基础得到的，其主要由低损耗光纤和光纤耦合器组成，因其具有高谐振特性、结构简单、稳定可靠等优点成为光学传感的重要器件。本发明提出基于光纤环形谐振腔游标效应的测量方法，可以避免以往直接读取测量结果带来的读数误差。通过游标卡尺的差值等分测量原理及整数、小数分离读数的方法，来提高读数的精确度，为高灵敏传感器的制备提供途径。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种精确测量光纤环形谐振腔频率差或波长差的测量方法，具体是一种基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法，包括如下步骤：
1）选取初始两个相同的光纤环形谐振腔：第一光纤环形谐振腔和第二光纤环形谐振腔；假设第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1和第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2不相同，并且第一环形谐振腔的频谱和第二光纤环形谐振腔的频谱在相同的频段内满足两端谐振点对齐时第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1的个数比第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2的个数少1个，设第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2的个数为n个，则第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1的个数为（n-1）个，所以有（n-1）·FSR1=n ·FSR2；
2）通过示波器或频谱仪精确测出第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1的值，则第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2的值为：FSR2=[（n-1）/n]·FSR1,测量精度为：△k= FSR1- FSR2= FSR1/n，然后再根据公式：FSR=c/（neff·L），式中c为光速、取3×108m/s，neff为有效折射率是常数、取1.45，进而计算出应设计的第二光纤环形谐振腔的腔长L 2：L 2= c/（neff·FSR2）；第二光纤环形谐振腔的腔长L 2按设计结果设计好后，第一环形谐振腔的频谱和第二环形谐振腔的频谱就能基于游标卡尺测量原理对频率差或波长差进行精确测量，其中，第一环形谐振腔的频谱作为标尺频谱、第二光纤环形谐振腔的频谱作为游尺频谱、第一环形谐振腔的频谱和第二环形谐振腔的频谱在相同频段内端部（最左端或最右端）的第一个对齐谐振点为起始零点进行读数；
3）改变第二环形谐振腔的外界环境，使得作为游尺频谱的第二光纤环形谐振腔的频谱相对于作为标尺频谱的第一光纤环形谐振腔的频谱进行移动，待第二光纤环形谐振腔的频谱移动完毕后即可进行读数：在作为标尺频谱的第一环形谐振腔的频谱上读出整数部分S1，在作为游尺频谱的第二光纤环形谐振腔的频谱上读出小数部分S2，则第二光纤环形谐振腔的频谱移动的精确距离，即第二光纤环形谐振腔频谱的频率差或波长差为：S= S1+ S2=x·FSR1+（m-1）·△k，式中x表示第一环形谐振腔频谱上FSR1的整数个数、m表示第二光纤环形谐振腔频谱上第m条谱线与第一环形谐振腔频谱上的谱线对齐。
本发明是基于环形谐振腔在不同特定频率的谐振效应及游标卡尺测量机理，来实现一定频率差或波长差的精确测量。光学谐振腔设计时，考虑灵敏性与精确度，使用光纤环形谐振腔，光纤环形谐振腔用低损耗光纤代替光学腔，用光纤耦合器代替反射镜，降低谐振腔的加工制作难度，具有结构简单、带宽窄、高分辨率等特性。设计两个长度不同的光纤环形谐振腔，通过改变谐振腔光程差，从而得到自由频谱宽度（FSR=c/（neff·L））不同的两个谐振频谱，以其中一个谐振谱线作为标尺频谱，另一个作为游尺频谱。基于游标卡尺差值等分的测量原理，在相同频段且FSR个数差值为1时，对标尺的一个FSR等分作为游尺的测量精度。通过外界环境的变化（温度、压力等），改变游尺谐振特性，使游尺谐振谱线移动，与标尺相结合，可以精确测量一定的频率差或波长差。改变谐振腔的尺寸差，增加FSR差值的等分刻度数，可以提高测量精度。测量精度越高，环形谐振腔的尺寸差越小，如针对实际需求，可以设计不同长度差的光纤环形谐振腔，把谐振腔自由频谱宽度个数比设计为不同值（49：50、99：100、999：1000等），对FSR差值进行50、100甚至1000等分，可以极大提高游尺测量精度。
本发明方法步骤简单、操作容易、测量结果准确，极大的提高了光谱学中频率差或波长差的测量精度，可为基于高精度频率差传感器的研究提供一种有效的方案。本发明方法基于微谐振腔对外界环境变化的敏感特性，可建立频率与外界变化量的关系，可用作温度、压力传感器等。
附图说明
图1为实施例1中光纤环形谐振腔的游标原理初始图。
图2为实施例1中光纤环形谐振腔的游标原理测量图。
图3为实施例2中光纤环形谐振腔的游标原理初始图。
图4为实施例2中光纤环形谐振腔的游标原理测量图。
图中：1-标尺频谱；2-对齐点；3-游尺频谱。
具体实施方式
以下结合具体实施例及相应附图对本发明作进一步描述：
实施例1
一种基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法，包括如下步骤：
1）选取两个相同的光纤环形谐振腔：第一光纤环形谐振腔和第二光纤环形谐振腔，初始腔长都为2.24m；假设第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1和第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2不相同，并且第一环形谐振腔的频谱和第二光纤环形谐振腔的频谱在相同的频段内满足两端谐振点对齐时第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1的个数比第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2的个数少1个，设第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2的个数为9个，则第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1的个数为8个，所以有8·FSR1=9 ·FSR2，如图1所示；
2）通过示波器或频谱仪精确测出第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1的值：FSR1=94MHz，则第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2的值为：FSR2=[（n-1）/n]·FSR1=84 MHz，，测量精度为：△k= FSR1- FSR2= FSR1/n=10MHz，然后再根据公式：FSR=c/（neff·L），式中c为光速、取3×108m/s，neff为有效折射率是常数、取1.45，进而计算出应设计的第二光纤环形谐振腔的腔长L 2：L 2= c/（neff·FSR2）=2.48m；第二光纤环形谐振腔的腔长L 2按设计结果L 2=2.48m设计好后，第一环形谐振腔的频谱和第二环形谐振腔的频谱就能基于游标卡尺测量原理对频率差或波长差进行精确测量，其中，第一环形谐振腔的频谱作为标尺频谱、第二光纤环形谐振腔的频谱作为游尺频谱、第一环形谐振腔的频谱和第二环形谐振腔的频谱在相同频段内其端部的第一个对齐谐振点为起始零点进行读数；
3）改变第二环形谐振腔的外界环境（温度、压力等），使得作为游尺频谱的第二光纤环形谐振腔的频谱实现移动，待第二光纤环形谐振腔的频谱移动完毕后即可进行读数：在作为标尺频谱的第一环形谐振腔的频谱上读出整数部分S1，在作为游尺频谱的第二光纤环形谐振腔的频谱上读出小数部分S2，则第二光纤环形谐振腔的频谱移动的精确距离，即第二光纤环形谐振腔频谱的频率差为：S= S1+ S2=x·FSR1+（m-1）·△k=2×FSR1+（3-1）×FSR1/n =208 MHz，式中2表示第一环形谐振腔频谱上FSR1的整数个数、3表示第二光纤环形谐振腔频谱上第3条谱线与第一环形谐振腔频谱上的谱线对齐，如图2所示。
实施例2
一种基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法，包括如下步骤：
1）选取两个相同的光纤环形谐振腔：第一光纤环形谐振腔和第二光纤环形谐振腔，初始腔长都为2.9m；假设第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1和第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2不相同，并且第一环形谐振腔的频谱和第二光纤环形谐振腔的频谱在相同的频段内满足两端谐振点对齐时第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1的个数比第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2的个数少1个，设第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2的个数为30个，则第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1的个数为29个，所以有29·FSR1=30·FSR2，如图3所示；
2）通过示波器或频谱仪精确测出第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1的值：FSR1=71MHz，则第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2的值为：FSR2=[（n-1）/n]·FSR1=69 MHz，，测量精度为：△k= FSR1- FSR2= FSR1/n=2.4MHz，然后再根据公式：FSR=c/（neff·L），式中c为光速、取3×108m/s，neff为有效折射率是常数、取1.45，进而计算出应设计的第二光纤环形谐振腔的腔长L 2：L 2= c/（neff·FSR2）=3.0m；第二光纤环形谐振腔的腔长L 2按设计结果L 2=3.0m设计好后，第一环形谐振腔的频谱和第二环形谐振腔的频谱就能基于游标卡尺测量原理对频率差或波长差进行精确测量，其中，第一环形谐振腔的频谱作为标尺频谱、第二光纤环形谐振腔的频谱作为游尺频谱、第一环形谐振腔的频谱和第二环形谐振腔的频谱在相同频段内其端部的第一个对齐谐振点为起始零点进行读数；
3）改变第二环形谐振腔的外界环境（温度、压力等），使得作为游尺频谱的第二光纤环形谐振腔的频谱实现移动，待第二光纤环形谐振腔的频谱移动完毕后即可进行读数：在作为标尺频谱的第一环形谐振腔的频谱上读出整数部分S1，在作为游尺频谱的第二光纤环形谐振腔的频谱上读出小数部分S2，则第二光纤环形谐振腔的频谱移动的精确距离，即第二光纤环形谐振腔频谱的频率差为：S= S1+ S2=x·FSR1+（m-1）·△k=7×FSR1+（14-1）×FSR1/n =528.2MHz，式中7表示第一环形谐振腔频谱上FSR1的整数个数、14表示第二光纤环形谐振腔频谱上第14条谱线与第一环形谐振腔频谱上的谱线对齐，如图4所示。
Claims (1)
1.一种基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）选取两个相同的光纤环形谐振腔：第一光纤环形谐振腔和第二光纤环形谐振腔；假设第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1和第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2不相同，并且第一环形谐振腔的频谱和第二光纤环形谐振腔的频谱在相同的频段内满足两端谐振点对齐时第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1的个数比第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2的个数少1个，设第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2的个数为n个，则第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1的个数为（n-1）个，所以有（n-1）·FSR1=n ·FSR2；
2）通过示波器或频谱仪精确测出第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR1的值，则第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR2的值为：FSR2=[（n-1）/n]·FSR1,测量精度为：△k= FSR1- FSR2= FSR1/n，然后再根据公式：FSR=c/（neff·L），式中c为光速、取3×108m/s，neff为有效折射率是常数、取1.45，进而计算出应设计的第二光纤环形谐振腔的腔长L 2：L 2= c/（neff·FSR2）；第二光纤环形谐振腔的腔长L 2按设计结果设计好后，第一环形谐振腔的频谱和第二环形谐振腔的频谱就能基于游标卡尺测量原理对频率差或波长差进行精确测量，其中，第一环形谐振腔的频谱作为标尺频谱、第二光纤环形谐振腔的频谱作为游尺频谱、第一环形谐振腔的频谱和第二环形谐振腔的频谱在相同频段内端部的第一个对齐谐振点为起始零点进行读数；
3）改变第二环形谐振腔的外界环境，使得第二光纤环形谐振腔的频谱相对于第一光纤环形谐振腔的频谱进行移动，待第二光纤环形谐振腔的频谱移动完毕后即可进行读数：在作为标尺频谱的第一环形谐振腔的频谱上读出整数部分S1，在作为游尺频谱的第二光纤环形谐振腔的频谱上读出小数部分S2，则第二光纤环形谐振腔的频谱移动的精确距离，即第二光纤环形谐振腔频谱的频率差或波长差为：S= S1+ S2=x·FSR1+（m-1）·△k，式中x表示第一环形谐振腔频谱上FSR1的整数个数、m表示第二光纤环形谐振腔频谱上第m条谱线与第一环形谐振腔频谱上的谱线对齐。
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