CN109193325B - 一种光学谐振腔中的模式劈裂识别系统 - Google Patents

一种光学谐振腔中的模式劈裂识别系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，包括：激光器，光纤分束器，第一双锥形光纤，第二双锥形光纤，光学谐振腔，可调谐光纤衰减器，光纤相移器，光纤合束器，探测显示装置；光纤分束器位于激光输出束的光路上，将激光输出束分成第一路分光和第二路分光；第一路分光通过第一双锥形光纤部分耦合至谐振腔后又部分耦出,与直接沿第一双锥形光纤传输的光一同输出至探测显示装置，被光学谐振腔表面散射的部分光沿与入射光反方向传输，并耦合至第二双锥形光纤；第二路分光通过可调谐光纤衰减器和光纤相移器后与第二双锥形光纤中传输的光一同输出至光纤合束器后输出至探测显示装置。本发明模式劈裂识别系统可提高模式劈裂现象的波谱分辨能力。

Description

一种光学谐振腔中的模式劈裂识别系统
技术领域
本发明涉及微纳光学器件领域，特别涉及一种基于干涉效应的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统。
背景技术
光学谐振腔，例如，回音壁模式光学谐振腔是一种由高折射率材料构成的、具有圆形结构的谐振腔。光波沿谐振腔内表面通过连续的全反射传播，当沿圆周光程为波长整数倍时产生干涉增强。这种谐振腔模式体积小和品质因数高的特点可以增强腔内光与物质相互作用，是一种高灵敏度传感元件。谐振腔内沿正反两个方向传播的模式处于简并状态，谐振波长与模式分布均相同。当模式分布处谐振腔存在不均匀的折射率分布时(可以是表面缺陷或者纳米尺度粒子散射体)，这两个模式简并解除，在谐振腔耦合系统的透过谱或者背散射谱中表现为模式劈裂现象，即一个洛伦兹线型的谐振峰变为两个洛伦兹线型的谐振峰。这种现象是回音壁模式光学谐振腔内普遍存在的现象，模式劈裂的大小与折射率不均匀分布程度相关，因此这种现象被用于纳米粒子传感，在生化检测领域中具有重要意义。但是通过谱线识别模式劈裂现象的方法受限于谐振模式的品质因数。由于品质因数低的模式的光谱响应对应宽的线宽，当模式劈裂较小时两个模式透过谱响应重叠在一起而无法识别。
发明内容
本发明旨在克服光学谐振腔中模式劈裂较小时两个模式透过谱响应重叠在一起无法识别的缺陷，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，所述光学谐振腔中的模式劈裂识别系统包括：激光器，光纤分束器，第一双锥形光纤，第二双锥形光纤，光学谐振腔，可调谐光纤衰减器，光纤相移器，光纤合束器，以及探测显示装置；
所述激光器，用于产生处于激光频率上的激光输出束；
所述光纤分束器，位于所述激光输出束的光路上，并将所述激光输出束分成第一路分光和第二路分光；
所述第一路分光通过所述第一双锥形光纤与所述光学谐振腔耦合，所述第一双锥形光纤的束腰区域与所述光学谐振腔的表面接触，从所述光学谐振腔中耦合出来的光与直接沿所述第一双锥形光纤传输的光一同输出至所述探测显示装置，被所述光学谐振腔表面散射的部分光沿与入射光反方向传输，并耦合至所述第二双锥形光纤；
所述第二路分光通过所述可调谐光纤衰减器和所述光纤相移器后与所述第二双锥形光纤中传输的光一同输出至光纤合束器后输出至所述探测显示装置。
进一步的，所述探测显示装置包括：探测器以及显示装置；
所述探测器，用于探测输入至所述探测显示装置的光的光信号，并将所述光信号转换为电信号；所述显示装置，用于接收所述电信号并进行显示。
优选地，所述光信号为光的透过谱和背散射谱。
进一步的，所述探测器包括第一探测器和第二探测器；
所述第一探测器，与所述第一双锥形光纤耦合；
所述第二探测器，与所述第二双锥形光纤耦合。
优选地，所述光学谐振腔为回音壁模式光学谐振腔。
优选地，所述电信号为电压信号。
优选地，所述显示装置为示波器。
优选地，所述激光器为波长可调谐窄线宽激光器，所述激光器的线宽小于谐振峰的线宽。
进一步的，所述光学谐振腔的外表面处于所述第一双锥形光纤和所述第二双锥形光纤的束腰区消逝场内，且构成add-drop耦合结构。
进一步的，所述光学谐振腔的表面存在缺陷或者表面分布不均匀。
本发明的有益效果在于：
1、本发明公开的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，通过引入额外光路相干场与模式劈裂的背向散射场干涉会产生法诺线型的背散射谱，对谱线非对称性产生的新特征点的拟合可以得到模式劈裂的程度,从而提高模式劈裂现象的波谱分辨能力。
2、通过引入干涉场实现微小模式劈裂现象的识别，所采用的元件均容易获得，系统简单、且操作方便、成本低廉。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的一种光学谐振腔中的模式劈裂识别系统的示意图；
图2是根据本发明一个实施例的光学谐振腔的示意图；
图3是本发明实施例的第一探测器接收到的透过率谱和第二探测器接收到的背散射谱的对比图。
1、窄线宽波长可调谐激光器 2、光纤分束器 3、第一双锥形光纤
4、第一探测器 5、示波器 6、回音壁模式光学谐振腔
7、可调谐光纤衰减器 8、第二双锥形光纤 9、光纤合束器
10、第二探测器 11、光纤相移器 40、探测显示装置
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
术语解释部分：
WGM：Whispering Gallery Mode,回音壁模式；
add-drop：上路端-下路端。
本申请的发明人发现，回音壁模式光学谐振腔内普遍存在模式劈裂现象，模式劈裂的大小与折射率不均匀分布程度相关。但是通过谱线识别模式劈裂现象的方法受限于谐振模式的品质因数。由于品质因数低的模式的光谱响应对应宽的线宽，当模式劈裂较小时两个模式透过谱响应重叠在一起而无法识别，从而限制了模式劈裂现象的传感应用。据了解到的相关技术的情况，提高光谱分辨能力的方法可以包括：将谐振腔掺杂增益介质从而提升模式的品质因数，减小光谱响应的线宽；或使两个模式形成激光模式，测量两个劈裂模式产生的拍频。但是，上述方法会将系统复杂化且需要前处理等过程，因此，本发明实施例提供一种光学谐振腔中的模式劈裂识别系统来提高模式劈裂现象的波谱分辨能力。
图1是本发明一种光学谐振腔中的模式劈裂识别系统的示意图。
本发明实施例提供了一种光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，所述光学谐振腔中的模式劈裂识别系统包括：激光器1，光纤分束器2，第一双锥形光纤3，第二双锥形光纤8，光学谐振腔6，可调谐光纤衰减器7，光纤相移器11，光纤合束器9，以及探测显示装置40；
所述激光器1，用于产生处于激光频率上的激光输出束；
所述光纤分束器2，位于所述激光输出束的光路上，并将所述激光输出束分成第一路分光和第二路分光；
所述第一路分光通过所述第一双锥形光纤3与所述光学谐振腔6耦合，所述第一双锥形光纤3的束腰区域与所述光学谐振腔6的表面接触，从所述光学谐振腔6中耦合出来的光与直接沿所述第一双锥形光纤3传输的光一同输出至所述探测显示装置40，被所述光学谐振腔6表面散射的部分光沿与入射光反方向传输，并耦合至所述第二双锥形光纤8；
所述第二路分光通过所述可调谐光纤衰减器7和所述光纤相移器11后与所述第二双锥形光纤8中传输的光一同输出至光纤合束器9后输出至所述探测显示装置40。
所述可调谐光纤衰减器7可用于控制光场振幅。
所述纤相移器11可控制相位。
所述探测显示装置40包括：探测器以及显示装置；
所述探测器，用于探测输入至所述探测显示装置40的光的光信号，并将所述光信号转换为电信号；
所述显示装置，用于接收所述电信号并进行显示。
所述光信号为光的透过谱和背散射谱。所述背散射谱是指谐振腔内与第一锥形光纤耦合的光传播方向相反的光在耦合到第二锥形光纤后，所形成的光谱。
在一些实施例中，所述探测器包括第一探测器4和第二探测器10；
所述第一探测器4，与所述第一双锥形光纤3耦合；
所述第二探测器10，与所述第二双锥形光纤8耦合。
所述第一探测器4和第二探测器10都为光电探测器。
所述光学谐振腔6为回音壁模式光学谐振腔。
所述电信号为电压信号。
所述显示装置为示波器。
所述激光器1为波长可调谐窄线宽激光器，所述激光器1的线宽小于谐振峰的线宽。
所述光学谐振腔6的外表面处于所述第一双锥形光纤3和所述第二双锥形光纤8的束腰区消逝场内，且构成add-drop耦合结构。add-drop结构是使第一双锥形光纤3、第二双锥形光纤8与同一个谐振腔模式耦合，分别实现模式的耦入与耦出。
所述光学谐振腔6的表面存在缺陷或者表面分布不均匀，所述不均匀的表面尺寸为几十至几百纳米之间。
所述光学谐振腔6可包括微球谐振腔(microsphere)或微盘谐振腔(microdisk)或环形谐振腔(microring)或环芯谐振腔(Toroid)。
下面结合具体的实施例对本发明提供的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统进行详细的说明。
实施例1：
对于表面存在不均匀折射率分布的回音壁模式光学谐振腔，可以是加工缺陷或是环境中的纳米粒子吸附在谐振腔的表面。当这种不均匀与光学谐振腔的模式重叠时，部分散射光沿着与入射光的反方向传输，这部分光谱响应构成光学谐振腔中的模式劈裂识别系统的背散射谱。正常情况下，背散射谱与透射谱呈现一致的对应关系，透过谱为向下的两个洛伦兹谐振峰，而背散射谱为两个向上的洛伦兹谐振峰，谐振峰的线宽与深度相互对应。当引入另外一路光与背散射谱干涉时，这部分光与模式劈裂产生的反射光干涉产生法诺线型的背散射谱。法诺线型具有两个可探测的极值且中心波长相对洛伦兹线型的中心波长发生移动，因此可以反映出耦合在一起的模式。
下面分别描述产生干涉的两路光(即，激光输出束经过所述光纤分束器2所分成的第一路分光和第二路分光)。模式劈裂产生的背散射场L1。模式劈裂来自两个回音壁模式的耦合作用，会形成以散射点为中心的对称模式与非对称模式，耦合过程可以从数学上描述为：
Figure BDA0001795712500000061
Figure BDA0001795712500000062
其中，αcw和αccw分别表示谐振腔中沿顺时针和逆时针传播的两个回音壁模式，ωc表示两个回音壁模式(WGM)对应的光学谐振频率，κ0表示两个回音模式的本征损耗率，κex表示两个回音壁模式的外部耦合损耗，g表示模式劈裂产生的两个回音壁模式的谐振频率差，Γ表示对称模式与非对称模式之间的了线宽差，
Figure BDA0001795712500000063
和
Figure BDA0001795712500000064
表示与沿顺时针传播的回音壁模式αcw和沿逆时针传播的回音壁模式αccw耦合的外部场。对于透过谱，其输出电场强度为：
Figure BDA0001795712500000065
对应的波长响应透过谱为：
Figure BDA0001795712500000066
对于背散射谱，其输出电场强度为
Figure BDA0001795712500000067
这部分场将与另外一个光路的场在第二探测器10处干涉。
激光器1分束干涉场L2，这部分场可以表示为
Figure BDA0001795712500000068
其中，光场振幅可以通过光纤可调谐光纤衰减器7控制，相位可通过光纤相移器11控制，则在第二光电探测器10接收到的相干场为
Figure BDA0001795712500000069
结合以上分析可知，本发明实施例提供的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统通过引入额外光路相干场与模式劈裂的背向散射场干涉会产生法诺线型的背散射谱，对谱线非对称性产生的新特征点的拟合可以得到模式劈裂的程度,从而提高模式劈裂现象的波谱分辨能力。
下面结合附图对本实施例可实现微小模式劈裂识别的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统的结构做详细说明。
本发明实施例通过引入额外光路干涉场与光学谐振腔内模式劈裂的背散射场干涉的方式来分辨谐振腔内微小的模式劈裂现象。整个光学谐振腔中的模式劈裂识别系统包括窄线宽可调谐激光器1、光纤分束器2、光纤合束器9、第一双锥形光纤3、第二双锥形光纤8、回音壁模式光学谐振腔6、第一探测器4、第二探测器10、示波器5、可调谐光纤衰减器7和光纤相移器11。
各元件的连接方式如图1所示。窄线宽波长可调谐激光器1输出的窄线宽激光耦合进入光纤分束器2，其中一路将激光输出束输入至第一双锥形光纤3，回音壁模式光学谐振腔6的腔体贴近第一双锥形光纤3的束腰区域，二者之间的距离小于一个入射波长，第一双锥形光纤3内的光一部分耦合进入回音壁模式光学谐振腔6，一部分沿第一双锥形光纤3继续传播，同时从回音壁模式光学谐振腔6中耦合出来的能量和沿第一双锥形光纤3直接传输的能量一同被传入第一探测器4，并且通过示波器5探测电压。这样通过扫描窄线宽波长可调谐激光器1的波长，可以记录上述光学谐振腔中的模式劈裂识别系统对入射光响应，即透过谱。
另外，由于谐振腔加工过程中表面不可避免的存在折射率不均匀分布，如图2所示，光在传播过程中会发生散射，其中部分散射光沿与入射光反方向传播，被谐振腔散射的部分光从与回音壁模式光学谐振腔6的表面接触的第二双锥形光纤8耦合出来并传输至光纤合束器9，同时进入合束器9的还有激光器1经过光纤分束器2的第二路分光，二者进入光纤合束器9后输出至第二光电探测器10，调节光纤衰减器7和光纤相移器11可以调节相干场的振幅和相位。通过扫描激光器1的波长，可以记录上述光学谐振腔中的模式劈裂识别系统对背反射光的响应，即背散射谱。
通过调整第一双锥形光纤3与回音壁模式光学谐振腔6的耦合位置，可以改变折射率不均匀处与回音壁模式的重叠比例。当二者重叠时，模式劈裂背散射与激光器1分束光路在第二探测器10位置处干涉，通过调节光纤衰减器7和光纤相移器11，产生的透过谱和背散射谱如图3所示，在图3中，所述横坐标表征频率失谐，纵坐标表征光响应度，对比图中的透过率谱(即透过谱)与背散射谱(即反射谱)可以发现，透过率谱显示与单一模式的透过率谱相同的洛伦兹形状的谐振峰，而背散射谱则由于干涉形成非对称性法诺线型，这种变化证明了模式劈裂背散射的存在且通过对背散射谱的拟合可以获得模式劈裂的程度。
本发明采用的双锥形光纤和谐振腔均是采用康宁公司生产的单模光纤SMF-28e制作；采用的激光器1的是1520nm-1570nm范围内窄线宽波长可调激光器，探测器是FC-1801高速探测器，相移器可调谐范围大于2π，示波器5是安捷伦DSO3104A。上述系统只是为了证明通过引入相干场与背散射场干涉具有分辨谐振腔内微小模式劈裂的能力，至于回音壁模式光学谐振腔的形貌和材料、干涉后背散射谱的线型形貌均可以通过调节干涉场的振幅相位进行改变。
本领域内的技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，其特征在于，包括：激光器，光纤分束器，第一双锥形光纤，第二双锥形光纤，光学谐振腔，可调谐光纤衰减器，光纤相移器，光纤合束器，以及探测显示装置；所述激光器，用于产生处于激光频率上的激光输出束；所述光纤分束器，位于所述激光输出束的光路上，并将所述激光输出束分成第一路分光和第二路分光；所述第一路分光通过所述第一双锥形光纤与所述光学谐振腔耦合，所述第一双锥形光纤的束腰区域与所述光学谐振腔的表面接触，从所述光学谐振腔中耦合出来的光与直接沿所述第一双锥形光纤传输的光一同输出至所述探测显示装置，被所述光学谐振腔表面散射的部分光沿与入射光反方向传输，并耦合至所述第二双锥形光纤；所述第二路分光通过所述可调谐光纤衰减器和所述光纤相移器后与所述第二双锥形光纤中传输的光一同输出至光纤合束器后输出至所述探测显示装置。
2.根据权利要求1所述的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，其特征在于，所述探测显示装置包括：探测器以及显示装置；所述探测器，用于探测输入至所述探测显示装置的光的光信号，并将所述光信号转换为电信号；所述显示装置，用于接收所述电信号并进行显示。
3.根据权利要求2所述的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，其特征在于，所述光信号为光的透过谱和背散射谱。
4.根据权利要求2或3所述的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，其特征在于，所述探测器包括第一探测器和第二探测器；
所述第一探测器，与所述第一双锥形光纤耦合；
所述第二探测器，与所述第二双锥形光纤耦合。
5.根据权利要求2或3所述的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，其特征在于，所述光学谐振腔为回音壁模式光学谐振腔。
6.根据权利要求2所述的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，其特征在于，所述电信号为电压信号。
7.根据权利要求2所述的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，其特征在于，所述显示装置为示波器。
8.根据权利要求1所述的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，其特征在于，所述激光器为波长可调谐窄线宽激光器，所述激光器的线宽小于谐振峰的线宽。
9.根据权利要求5所述的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，其特征在于，所述光学谐振腔的外表面处于所述第一双锥形光纤和所述第二双锥形光纤的束腰区消逝场内，且构成add-drop耦合结构。
10.根据权利要求1所述的光学谐振腔中的模式劈裂识别系统，其特征在于，所述光学谐振腔的表面存在缺陷或者表面分布不均匀。
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