CN106785853B - 一种光学谐振腔耦合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学谐振腔耦合系统，包括激光器、第一光纤和光学谐振腔；第一光纤具有由光纤延伸出的锥形区以及与锥形区连接的束腰区；光学谐振腔由光学介质形成，呈中间宽两端窄，并且光学谐振腔沿轴向半径渐变；激光器用于产生激光，输入第一光纤，使光依次沿锥形区、束腰区传播；第一光纤的锥形区对应位于光学谐振腔外表面，由第一光纤的束腰区一端输出光。本发明光学谐振腔耦合系统，可实现增强的电磁感应诱导透明线型响应，与现有方法相比，具有结构简单、操作简单方便的特点。

Description

一种光学谐振腔耦合系统

技术领域

本发明涉及微纳光学器件技术领域，特别是涉及一种光学谐振腔耦合系统。

背景技术

回音壁模式光学谐振腔是一种由高折射率材料制成的、具有圆形结构的谐振腔，光波通过在谐振腔内表面连续的全反射，经过干涉而增强，形成谐振。该类光学谐振腔具有模式体积小、品质因数高的特点，使其在传感、光信号处理等领域被广泛应用。

现有技术中，采用这种谐振腔和锥形光纤构成耦合系统，可产生Lorentz线型响应，并且，通过构建多个光纤与多个谐振腔模式构成耦合系统，或者在谐振腔内掺入增益介质，通过模式耦合相互作用，耦合系统会产生电磁感应诱导透明线型响应，这种线型响应可增强传感灵敏度，或者对光信号进行快光或者慢光的调制作用，尤其产生增强的电磁感应诱导透明线型，可以将传感灵敏度提高更高的数量级。

但是，采用上述方法构建耦合系统，包括：1)增加谐振腔或者光波导(即光纤)的数目；2)掺入增益介质，这两种方法在实现上均存在一定难度。对于第1)种方法，需要实现多个微纳米器件间的耦合，比如现有技术中的基于光纤和微球谐振腔的耦合，或者光纤与集成谐振腔的耦合，都存在一定的制作困难；而第2)种方法需要对谐振腔进行掺杂处理，会增加工艺的复杂度，且需要在增益介质的激光阈值功率下进行。

因此，设计一种结构简单、容易操作实现的谐振腔耦合系统，能产生增强的电磁感应诱导透明线型响应，就成为本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学谐振腔耦合系统，可实现增强的电磁感应诱导透明线型响应，具有结构简单、操作简单方便的特点。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种光学谐振腔耦合系统，包括激光器、第一光纤和光学谐振腔；

所述第一光纤具有由光纤延伸出的锥形区以及与所述锥形区连接的束腰区；

所述光学谐振腔由光学介质形成，呈中间宽两端窄，并且所述光学谐振腔沿轴向半径渐变；

所述激光器用于产生激光，输入所述第一光纤，使光依次沿所述锥形区、所述束腰区传播；

所述第一光纤的所述锥形区对应位于所述光学谐振腔外表面，由所述第一光纤的所述束腰区一端输出光。

可选地，所述第一光纤的所述锥形区的轴向与所述光学谐振腔的轴向垂直。

可选地，所述第一光纤的所述锥形区外表面到所述光学谐振腔外表面的距离小于一个入射光波长。

可选地，所述第一光纤的束腰区的半径小于所述第一光纤内传播光的高阶模式的截止半径。

可选地，所述光学谐振腔以中线轴对称。

可选地，还包括通过光纤与所述激光器连接的、用于调节光的偏振状态的偏振控制器，所述偏振控制器的输出端与所述第一光纤一端连接。

可选地，还包括：

用于接收所述第一光纤的输出光、所述光学谐振腔的输出光的光电探测器；

与所述光电探测器连接的、用于显示输出波形的示波器。

可选地，所述激光器为输出窄线宽且波长可调谐的激光器。

可选地，所述第一光纤的制作方法包括：

将光纤中间预设长度区段的保护层去除；

将所述光纤的两端固定在光纤拉锥机上，使所述光纤的轴向与光纤拉锥机导轨的移动方向具有预设夹角，以预设速率对所述光纤拉伸预设时间。

可选地，所述光学谐振腔采用光纤形成，所述光学谐振腔的制作方法包括：

将光纤中间预设长度区段的保护层去除；

将所述光纤固定在光纤熔接机上，将裸露的包层区段与所述光纤熔接机的电极对准；

沿轴向将所述光纤的一端向内侧移动预设距离，通过电极放电，对所述光纤进行熔接。

由上述技术方案可知，本发明所提供的光学谐振腔耦合系统，包括激光器、第一光纤和光学谐振腔。其中，第一光纤具有由光纤延伸出的锥形区和与锥形区连接的束腰区，激光器产生激光，输入第一光纤，光依次沿锥形区、束腰区传播；第一光纤的锥形区对应位于光学谐振腔外表面，沿第一光纤传播的光传播到光纤锥形区时，一部分光会耦合进入光学谐振腔，另一部分光继续沿第一光纤传播；由光学谐振腔耦合出的光和由第一光纤传播的光一同输出，形成所述耦合系统的输出光。

在所述光学谐振腔内具有密集的模式谱，第一光纤中传播的多个波导模式，同时分别与光学谐振腔内两个谐振频率接近的谐振模式耦合，多个波导模式通过与谐振腔内谐振光波模式的耦合会发生能量转换，通过能量转换，对于其中的某一波导模式的输出可以产生增强的电磁感应诱导透明线型响应。

因此，本发明光学谐振腔耦合系统，可实现增强的电磁感应诱导透明现象，其采用单个光学谐振腔和单个传导光纤实现耦合，与现有技术相比，具有结构简单、操作简单方便的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种光学谐振腔耦合系统的示意图；

图2为本发明实施例中第一光纤的示意图；

图3为本发明实施例中光学谐振腔的一种示意图；

图4为本发明实施例光学谐振腔耦合系统监测到的基模的透过谱；

图5为本发明又一实施例提供的一种光学谐振腔耦合系统的示意图；

图6为本发明实施例中制备的第一光纤是示意图；

图7为本发明实施例中在制备第一光纤过程中测试到的透过谱。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的一种光学谐振腔耦合系统，包括激光器、第一光纤和光学谐振腔；

所述第一光纤具有由光纤延伸出的锥形区以及与所述锥形区连接的束腰区；

所述光学谐振腔由光学介质形成，呈中间宽两端窄，并且所述光学谐振腔沿轴向半径渐变；

所述激光器用于产生激光，输入所述第一光纤，使光依次沿所述锥形区、所述束腰区传播；

所述第一光纤的所述锥形区对应位于所述光学谐振腔外表面，由所述第一光纤的所述束腰区一端输出光。

本实施例光学谐振腔耦合系统，所述第一光纤具有由光纤延伸出的锥形区，第一光纤的锥形区对应位于光学谐振腔外表面，使第一光纤中传播的光通过锥形区耦合进入光学谐振腔内。

所述光学谐振腔由光学介质形成，其形状呈中间宽两端窄，并且沿其轴向半径渐变。本光学谐振腔为一种回音壁式谐振腔，光波在其内表面进行连续的全反射，形成谐振。基于其几何形状，在光学谐振腔内具有密集的模式谱，不同模式之间的波长间隔较小，不同模式可以被同时激励。

由激光器产生激光，输入第一光纤，沿第一光纤传播，传播到锥形区时一部分光耦合进入光学谐振腔，另一部分光则继续沿第一光纤传播，由光学谐振腔耦合出的光和由第一光纤传播的光一同输出，形成所述耦合系统的输出光。

第一光纤中传播的多个波导模式，同时分别与光学谐振腔内的两个谐振频率接近的谐振模式(即指回音壁模式，简称WGM)耦合，多个波导模式通过与谐振腔内谐振光波模式的耦合会发生能量转换，通过能量转换，对于其中的某一波导模式的输出可以产生增强的电磁感应诱导透明现象。

因此，本发明光学谐振腔耦合系统，可实现增强的电磁感应诱导透明现象，本发明光学谐振腔耦合系统具有结构简单、容易操作实现的特点。

下面对本光学谐振腔耦合系统的原理做进一步详细说明。

考虑在第一光纤内传播的两个波导模式，两个波导模式与光学谐振腔内的两个谐振频率接近的谐振光波模式的耦合过程，可描述为：

其中，a₁、a₂分别表示所述光学谐振腔中两个谐振光波模式的电场强度，ω₁、ω₂分别表示两个谐振光波模式的谐振频率，k₀₁、k₀₂分别表示两个谐振光波模式的本征损耗率，k_ex1与k_ex2分别表示第一波导模式、第二波导模式与第一谐振光波模式之间的耦合系数，k'_ex1与k'_ex2分别表示第一波导模式、第二波导模式与第二谐振光波模式之间的耦合系数。

分别表示第一波导模式、第二波导模式与第一谐振光波模式或者第二谐振光波模式耦合产生的相位差。E₁、E₂分别表示第一波导模式、第二波导模式的电场强度。

此时，只监测其中一个波导模式的输出电场强度，考虑两个模式的等效性，对第一波导模式其输出电场强度为：

该模式对应的波长响应透过率为：

结合以上分析可知，在两个波导模式同时与两个谐振频率接近的谐振光波模式耦合构成的系统中，两个波导模式分别与每一个谐振光波模式耦合，两个谐振光波模式之间也发生相互耦合，两个波导模式中的能量通过与谐振光波模式的耦合发生转换，当对其中的一个波导模式的输出进行探测时，这种转换会使耦合系统的输出产生增强的电磁诱导透明效应的透过谱。因此，本光学谐振耦合系统基于这一原理实现增强的电磁感应诱导透明现象的线型响应输出。

一个波导模式与两个谐振频率接近的谐振光波模式耦合，可以产生电磁感应诱导透明现象，但透明窗口的透过率小于1；当两个波导模式与两个谐振光波模式耦合，能量通过两个波导模式与谐振光波模式耦合时发生转换，当对光纤中一个波导模式透过率进行探测时，透明窗口的透过率会大于1。

下面结合附图对本实施例光学谐振腔耦合系统的结构做详细说明。

请参考图1，本实施例光学谐振腔耦合系统包括激光器1、第一光纤2和光学谐振腔3。

所述激光器1用于产生激光，输入所述第一光纤2。

优选的，所述激光器1可采用输出窄线宽且波长可调谐的激光器。

所述第一光纤2具有由光纤延伸出的锥形区以及与所述锥形区连接的束腰区，可参考图2，锥形区202由光纤延伸出，并延伸出束腰区203。其中，光纤包括芯层200和包层201。

本系统中，第一光纤2的锥形区对应位于光学谐振腔3外表面，激光器1产生的激光输入第一光纤2，依次沿光纤、锥形区202、束腰区203传播，传播到锥形区202时耦合进入光学谐振腔3。所述光学谐振腔3由光学介质形成，呈中间宽两端窄，并且所述光学谐振腔3沿轴向半径渐变，在一种优选实施方式中，所述光学谐振腔3以中线轴对称，便于设计和制作。可参考图3所示，图3为本实施例提供的一种光学谐振腔的正视图。

优选的，第一光纤2的所述锥形区的轴向与所述光学谐振腔3的轴向垂直。这样可以保证使第一光纤内传播的波导模式与谐振腔内谐振光波能较好地耦合，即使得谐振腔内谐振光波模式能够被较好地激励。在实际应用中，第一光纤2锥形区的轴向与光学谐振腔3的轴向通常不能严格满足垂直要求，通常有小于5度的偏差，这种情况下也可以满足谐振腔模式的激励。

另外，所述第一光纤2的锥形区202外表面到所述光学谐振腔3外表面的距离小于一个入射光波长。在第一光纤内传播的光是通过消逝场耦合进入光学谐振腔中，而消逝场存在的有效距离约为光纤表面沿半径方向一个波长范围内，因此为实现谐振腔模式的有效激励，要求第一光纤2锥形区外表面到光学谐振腔3外表面的距离小于一个光波长。

通过第一光纤2的束腰区203可进行输出模式的选择，在一种具体实施例中，所述第一光纤2的束腰区的半径小于所述第一光纤内传播光的高阶模式的截止半径。

本光学谐振腔耦合系统中，当两个波导模式与两个谐振光波模式耦合，能量在两个波导模式间通过谐振光波模式进行转换，可使其中一个波导模式的输出实现增强的电磁感应诱导透明现象，可使其透明窗口的透过率大于1。第一光纤2的束腰区的半径小于所述第一光纤内传播光的高阶模式的截止半径，使第一光纤2束腰区中只传输基模，高阶模式的能量通过与谐振腔内谐振光波模式的耦合向基模转换，监测基模的透过谱，可产生增强的电磁感应透明现象，参考图4所示，图4为本实施例光学谐振腔耦合系统监测到的基模的透过谱。

在本光学谐振腔耦合系统的又一实施例中，请参考图5，在上述实施例内容的基础上，还包括通过光纤与所述激光器1连接的、用于调节光的偏振态的偏振控制器4，所述偏振控制器4的输出端与所述第一光纤2一端连接。

本耦合系统实现的光纤内传播的波导模式与光学谐振腔内谐振光波模式间的耦合，是相同偏振态的模式之间的耦合产生的。通过偏振控制器4，将激光器1的输出光变换为偏振光，输入第一光纤2。

优选的，所述偏振控制器4具体用于将输入光变换为线偏振光。

本实施例光学谐振腔耦合系统，还包括：

用于接收所述第一光纤2的输出光、所述光学谐振腔3的输出光的光电探测器5；

与所述光电探测器5连接的、用于显示输出波形的示波器6。

由第一光纤2输出的光和由光学谐振腔3耦合出的光一同输出至光电探测器5，光电探测器5将接收到的光信号转换为电压信号，传输给示波器6显示输出波形，并通过扫描激光器的波长，可以记录上述耦合系统对入射波长的响应，即可测试得到透过谱。

下面对本发明光学谐振腔耦合系统中第一光纤及光学谐振腔的制作方法进行说明。

在上述各实施例中，第一光纤可采用光纤通过熔融拉伸制成，其制作方法具体包括：

S10：将光纤中间预设长度区段的保护层去除。

示例性的，可取一段标准光纤，如长度为50cm，将中间长约4cm的一区段用光纤剥皮钳(型号CFS-2)去除保护层，使光纤包层裸露在空气中，并用酒精将其擦干净。标准光纤可采用SMF-28e光纤，可采用型号CFS-2光纤剥皮钳。

S11：将所述光纤的两端固定，使所述光纤的轴向与拉伸方向具有预设夹角，以预设速率对所述光纤拉伸预设时间。

可采用光纤拉锥机，可将光纤两端固定在光纤拉锥机的光纤夹具上，使光纤的轴向与拉锥机导轨的移动方向具有预设夹角，约5度，在一种实际操作中，在70μm/s的拉伸速率下拉伸300s，得到具有两个锥形区域的光纤。在此拉伸条件下制得的光纤其束腰区只有光纤基模能够传输。

通过本方法制作得到的光纤具有两个锥形区域，如图6所示，在应用到耦合系统中时，以输入光一端的锥形区对应位于光学谐振腔外表面，将传播光耦合进谐振腔。

在拉伸过程中，可采用激光器向光纤输入探测光，监测拉伸过程中光纤透过率的变化。例如，采用输出波长为1550nm的激光器(例如可采用New Focus TLB-6728激光器)，向光纤输入光，监测拉伸过程中光纤透过率的变化，测试得到的透过谱如图7所示。

所述光学谐振腔由光学介质形成，其形状满足以上描述即可达到耦合效果。本实施例中，所述光学谐振腔可采用光纤制成，其制作方法具体包括：

S20：将光纤中间预设长度区段的保护层去除。

示例性的，可取一段标准光纤，如长度为50cm，将中间长约4cm的一区段用光纤剥皮钳(型号CFS-2)去除保护层，使光纤包层裸露在空气中，并用酒精将其擦干净。标准光纤可采用SMF-28e光纤，可采用型号CFS-2光纤剥皮钳。

S21：将所述光纤固定在光纤熔接机上，将裸露的包层区段与所述光纤熔接机的电极对准。

S22：沿所述光纤的轴向将所述光纤一端向内侧移动预设距离，通过电极放电，对所述光纤进行熔接。

示例性的，将光纤固定在光纤熔接机上后，沿光纤轴向移动光纤一端，使其向内侧移动约5μm，使光纤内部产生压力；在放电电流100mA，熔接时间100ms条件下进行熔接。

在本实施例光学谐振腔的一种具体实施例中，所述激光器1采用输出窄线宽且波长可调谐的激光器，其输出光波长范围为1520nm-1570nm；第一光纤2以及光学谐振腔3可采用单模光纤SMF-28e制作；光电探测器5可采用FC-1801高速探测器，示波器6可采用安捷伦DSO3104A型号。

以上对本发明所提供的一种光学谐振腔耦合系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学谐振腔耦合系统，其特征在于，包括激光器、第一光纤和光学谐振腔；

所述第一光纤具有由光纤延伸出的锥形区以及与所述锥形区连接的束腰区；

所述光学谐振腔由光学介质形成，呈柱状且中间宽两端窄，并且所述光学谐振腔沿轴向半径渐变；

所述激光器用于产生激光，输入所述第一光纤，使光依次沿所述锥形区、所述束腰区传播；

所述第一光纤的所述锥形区对应位于所述光学谐振腔外表面，由所述第一光纤的所述束腰区一端输出光，所述第一光纤中传播的多个波导模式通过所述锥形区同时分别与所述光学谐振腔内的两个谐振频率接近的谐振光波模式耦合，多个波导模式通过与所述光学谐振腔内谐振光波模式的耦合发生能量转换，通过能量转换，对于其中的某一波导模式的输出产生增强的电磁感应诱导透明现象的线型响应。

2.根据权利要求1所述的光学谐振腔耦合系统，其特征在于，所述第一光纤的所述锥形区的轴向与所述光学谐振腔的轴向垂直。

3.根据权利要求1所述的光学谐振腔耦合系统，其特征在于，所述第一光纤的所述锥形区外表面到所述光学谐振腔外表面的距离小于一个入射光波长。

4.根据权利要求3所述的光学谐振腔耦合系统，其特征在于，所述第一光纤的所述束腰区的半径小于所述第一光纤内传播光的高阶模式的截止半径。

5.根据权利要求1所述的光学谐振腔耦合系统，其特征在于，所述光学谐振腔以中线轴对称。

6.根据权利要求1-5任一项所述的光学谐振腔耦合系统，其特征在于，还包括通过光纤与所述激光器连接的、用于调节光的偏振状态的偏振控制器，所述偏振控制器的输出端与所述第一光纤一端连接。

7.根据权利要求1-5任一项所述的光学谐振腔耦合系统，其特征在于，还包括：

用于接收所述第一光纤的输出光、所述光学谐振腔的输出光的光电探测器；

与所述光电探测器连接的、用于显示输出波形的示波器。

8.根据权利要求1-5任一项所述的光学谐振腔耦合系统，其特征在于，所述激光器为输出窄线宽且波长可调谐的激光器。

9.根据权利要求1所述的光学谐振腔耦合系统，其特征在于，所述第一光纤的制作方法包括：

将光纤中间预设长度区段的保护层去除；

将所述光纤的两端固定在光纤拉锥机上，使所述光纤的轴向与光纤拉锥机导轨的移动方向具有预设夹角，以预设速率对所述光纤拉伸预设时间。

10.根据权利要求1所述的光学谐振腔耦合系统，其特征在于，所述光学谐振腔采用光纤形成，所述光学谐振腔的制作方法包括：

将光纤中间预设长度区段的保护层去除；

将所述光纤固定在光纤熔接机上，将裸露的包层区段与所述光纤熔接机的电极对准；

沿轴向将所述光纤的一端向内侧移动预设距离，通过电极放电，对所述光纤进行熔接。

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