CN117348164B - 光纤谐振器诱导透明效应的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种光纤谐振器诱导透明效应的方法及系统，首先将弯曲波导设置成包含第一平直段、第一回弯段、第二回弯段和第二平直段的结构，同时采用两个圆环波导，并将其中一个圆环波导置于第一回弯段围合的半封闭空间中，并将另一个圆环波导置于第二回弯段围合的半封闭空间中，从而使得第一平直段依次与第二回弯段、第二微环波导形成第一耦合区，并使得第二平直段依次与第一回弯段、第一微环波导形成第二耦合区。本申请提出的光纤谐振器可在任意波长处产生诱导透明效应，同时能够灵活调节其感应透明现象的透射谱带宽。
Description
技术领域
本申请涉及光电子技术领域，具体涉及一种光纤谐振器诱导透明效应的方法及系统。
背景技术
随着人们对信息容量和速度的迫切要求，传统微电子技术由于客观条件限制已经不能满足人们的需求。自耦合型微环谐振器以其自身独特的优势在当今光电子学中占据重要地位。在自耦合型微环谐振器结构基础上实现的透明效应，在光学调控器件、光学存储与缓冲、传感器与检测以及光滤波等领域具有重要的应用价值，耦合诱导透明是一种利用耦合模式在谐振器中形成透明窗口的现象。通过在自耦合型谐振器中实现耦合诱导透明，可以制造高性能的光学调控器件。这些器件可以用于光信号处理、光通信、光计算等领域，提供高速、低功耗和高集成度的解决方案。通过在自耦合谐振器中引入非线性材料或光学波导，可以将光信号存储在谐振器中并在需要时释放。这为光学存储器件的开发提供了新的途径，并具有潜在的应用于光子计算和量子信息处理等领域。
然而，现有技术中，目前普遍存在的光纤耦合器都是由一根或多根长直光纤平行耦合构成的，也就是说耦合方式较为简单，且所使用到的光纤较为单一，导致现有的光纤耦合器产生诱导透明效应的带宽不可变，导致其应用前景有限，难以适用于对环境参数例如温度、压力、折射率的高精度、高灵敏度测量等领域。
发明内容
基于此，本申请的目的是提出一种光纤谐振器诱导透明效应的方法及系统，以解决传统谐振器普遍存在的产生诱导透明效应的带宽不可变，应用前景有限的问题。
第一方面，本申请提供一种光纤谐振器，包括弯曲波导、第一微环波导以及第二微环波导，其中：
所述弯曲波导沿输入方向依次包括第一平直段、第一回弯段、第二回弯段和第二平直段，所述第一平直段和所述第二平直段平行设置；
所述第一微环波导设于所述第一回弯段围合成的半封闭空间中，所述第二微环波导设于所述第二回弯段围合的半封闭空间中，所述第一平直段的至少部分光纤依次与所述第二回弯段的至少部分光纤、所述第二微环波导的至少部分光纤构成第一耦合区，所述第二平直段的至少部分光纤依次与所述第一回弯段的至少部分光纤、所述第一微环波导的至少部分光纤构成第二耦合区。
综上，根据上述的光纤谐振器，本申请通过采用特殊结构包括一根弯曲波导和两根圆环波导，以全新的耦合方式并包括两个耦合区构成一种特定的3×3的谐振器，该光纤谐振器相比于传统的耦合器具有自由频谱范围更窄的优点。具体为，首先将弯曲波导设置成包含第一平直段、第一回弯段、第二回弯段和第二平直段的结构，同时采用两个圆环波导，并将其中一个圆环波导置于第一回弯段围合的半封闭空间中，并将另一个圆环波导置于第二回弯段围合的半封闭空间中，从而使得第一平直段依次与第二回弯段、第二微环波导形成第一耦合区，并使得第二平直段依次与第一回弯段、第一微环波导形成第二耦合区，通过设计这种崭新的结构，可在任意波长处产生诱导透明效应，同时能够调节其耦合诱导透明现象的透射谱带宽，解决了传统谐振器存在的难以适用于对环境参数例如温度、压力、折射率的高精度、高灵敏度测量的问题，具有较高的应用前景。
第二方面，本申请提供一种光纤谐振器诱导透明效应的方法，应用于上述的光纤谐振器，所述方法包括：
对第一耦合区和第二耦合区分别包含的至少一个输入端口和至少一个输出端口进行定义，以根据定义结果构建分别与所述第一耦合区和所述第二耦合区对应的散射矩阵方程式；
获取同一波导上任意相邻两个端口之间的长度，以根据相邻两个端口之间的长度计算得到同一波导上相邻两端口之间的振幅变化关系式；
联立所述振幅变化关系式和所述散射矩阵方程式，以得到光信号在所述光纤谐振器的输出端的输出函数表达式；
根据所述输出函数表达式对所述光纤谐振器进行性能评估，以根据评估结果获取与所述光纤谐振器发生诱导透明效应关联的至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势；
根据所述至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势对所述光纤谐振器进行优化。
综上，根据上述的光纤谐振器诱导透明效应的方法，通过提出一种专门适用于上述全新结构的光纤谐振器的优化方案，能够灵活地调节光纤谐振器发生诱导透明效应的自由频谱范围，使得诱导透明效应的带宽可变，以使器件满足不同情况下的自由频谱宽度要求，同时可在特殊波段会产生3个透明窗口，以适用于密集型光波复用和光滤波器等领域，同时可用于提取特定频率的光，对这部分光所携带的信息(强度、相位等)进行存储或修改。在光学传感方面，当外界温度或压力变化时，会导致感应透明现象透射谱位置的移动，通过检测透射谱移动的频率量，可获得外界温度或压力的变化量，自由频谱范围越窄，传感精度越高，更能高精度和高灵敏度地适用于该领域。
在一些实施例中，所述对第一耦合区和第二耦合区分别包含的至少一个输入端口和至少一个输出端口进行定义，以根据定义结果构建分别与所述第一耦合区和所述第二耦合区对应的散射矩阵方程式的步骤包括：
根据以下公式构建与第一耦合区对应的散射矩阵方程式：
根据以下公式构建与第二耦合区对应的散射矩阵方程式：
其中，T表示传输矩阵，2、E4、E6分别表示第一耦合区靠近输入端一侧定义的三个端口分别对应的振幅，“+”表示相对于光纤谐振器输入端从左往右的方向，E1、E3、E5表示第一耦合区远离输入端一侧定义的三个端口分别对应的振幅，/>8、E10、E12分别表示第二耦合区靠近输入端一侧定义的三个端口分别对应的振幅，/>7、E9、E11分别表示第二耦合区远离输入端一侧定义的三个端口分别对应的振幅。
在一些实施例中，根据以下公式计算所述传输矩阵：
其中，表示耦合区的传输系数，/>，/>，，/>，且d表示第一耦合区或第二耦合区的横向长度，k表示一常数。
在一些实施例中，所述获取同一波导上任意相邻两个端口之间的长度，以根据相邻两个端口之间的长度计算得到同一波导上相邻两端口之间的振幅变化关系式的步骤包括：
根据以下公式获取10号端口与2号端口之间的振幅变化：
根据以下公式获取9号端口与4号端口之间的振幅变化：
根据以下公式获取3号端口与11号端口之间的振幅变化：
根据以下公式获取5号端口与6号端口之间的振幅变化：
根据以下公式获取7号端口与8号端口之间的振幅变化：
其中，“-”表示相对于光纤谐振器输入端从右往左的方向，i2=-1，表示光信号从10号端口传播到2号端口或从2号端口传播到10号端口的相位变化值，/>表示光信号9号端口传播到4号端口或从4号端口传播到9号端口的相位变化值，/>表示光信号从3号端口传播到11号端口或从11号端口传播到3号端口的相位变化值，/>表示光信号绕第一微环波导传播一周后的相位变化值，/>表示光信号绕第二微环波导传播一周后的相位变化值，t表示微环波导的传输系数。
在一些实施例中，根据以下公式获取相位变化值：
其中，表示弯曲波导上的2号端口到10号端口的长度，/>表示弯曲波导上的4号端口到9号端口的长度，/>表示弯曲波导上的3号端口到11号端口的长度，/>表示第一微环波导的周长，/>表示第二微环波导的周长，/>表示弯曲波导的折射率，/>表示第一微环波导或第二微环波导的折射率，/>表示光信号的波长。
在一些实施例中，所述联立所述振幅变化关系式和所述散射矩阵方程式，以得到光信号在所述光纤谐振器的输出端的输出函数表达式的步骤包括：
设定初始条件为；则得到的输出函数表达式为：
其中：
；
；
；
其中，表示耦合区的传输系数，t表示微环波导的传输系数。
在一些实施例中，所述根据所述输出函数表达式对所述光纤谐振器进行性能评估，以根据评估结果获取与所述光纤谐振器发生诱导透明效应关联的至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势的步骤包括：
令，并采用控制变量法依次调整参数/>、/>、/>、/>、/>、/>、、/>、t，以对所述光纤谐振器的诱导透明效应进行测试，得到每种参数分别对所述光纤谐振器发生诱导透明效应的透射谱图，以根据透射谱图获取每种影响因子分别对诱导透明效应的影响趋势。
在一些实施例中，所述根据所述输出函数表达式对所述光纤谐振器进行性能评估，以根据评估结果获取与所述光纤谐振器发生诱导透明效应关联的至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势的步骤之后还包括：
获取所述光纤谐振器的初始设计标准，并根据所述初始设计标准以及每种影响因子分别对应的性能变化趋势调整各个影响因子，以优化所述光纤谐振器的诱导透明效应。
第三方面，本申请还提供一种光纤谐振器诱导透明效应的系统，用于实现所述的光纤谐振器诱导透明效应的方法，所述系统包括：
端口定义模块，用于对第一耦合区和第二耦合区分别包含的至少一个输入端口和至少一个输出端口进行定义，以根据定义结果构建分别与所述第一耦合区和所述第二耦合区对应的散射矩阵方程式；
端口振幅计算模块，用于获取同一波导上任意相邻两个端口之间的长度，以根据相邻两个端口之间的长度计算得到同一波导上相邻两端口之间的振幅变化关系式；
联立求解模块，用于联立所述振幅变化关系式和所述散射矩阵方程式，以得到光信号在所述光纤谐振器的输出端的输出函数表达式；
性能评估模块，用于根据所述输出函数表达式对所述光纤谐振器进行性能评估，以根据评估结果获取与所述光纤谐振器发生诱导透明效应关联的至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势；
性能优化模块，用于根据所述至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势对所述光纤谐振器进行优化。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实施例了解到。
附图说明
图1为本申请第一实施例中的光纤谐振器的结构示意图；
图2为本申请第二实施例中的一种光纤谐振器诱导透明效应的方法的流程图；
图3为本申请第二实施例中光纤谐振器两个耦合区的端口划分示意图；
图4为本申请第二实施例中耦合区的传输系数对CRIT效应的投射谱图；
图5为本申请第二实施例中微环波导的传输系数对CRIT效应的投射谱图；
图6为本申请第二实施例中不同有效折射率对CRIT效应的投射谱图；
图7为本申请第二实施例中透射峰和透射谷的线性关系图；
图8为本申请第二实施例中自由频谱宽度随微环波导和弯曲波导两种材料之间的折射率差变化的示意图；
图9为本申请第二实施例中当L1=L3=300um，L2=100um，L4=L5=150um时的投射谱图；
图10为本申请第二实施例中当L1=L3=300um，L2=100um，L4=L5=200um时的投射谱图；
图11为本申请第二实施例中当L1=L3=300um，L2=100um，L4=L5=250um时的投射谱图；
图12为本申请第二实施例中光纤谐振器的输出端的传输特性谱图；
图13为本申请第三实施例中光纤谐振器诱导透明效应的系统的结构示意图。
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的若干个实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
首先，申请人在3×3光纤耦合器的研究中发现：3×3光纤耦合器可以实现多个光通道之间的耦合和分配，可以同时传输多个信号，提高传输效率和带宽利用率；3×3光纤耦合器在光学传感中也具有广泛的应用前景。通过在耦合器中引入特定的敏感材料或结构，可以实现对环境参数的高灵敏度测量，如温度、应力等。3×3光纤耦合器也可以作为光学开关和调制器的关键组件。通过控制输入光信号的耦合和分配，可以实现光信号的开关、调制和切换。这对于光通信、光子计算和光学信息处理等应用具有重要意义。
在光学传感与检测方面，3×3光纤耦合器与自耦合型微环谐振器的耦合诱导透明研究在光学传感与检测领域也具有重要意义。微环谐振器的高品质因子和敏感性使其成为优秀的传感器，而3×3光纤耦合器的多路耦合能力可以实现多通道传感。通过耦合诱导透明现象的调控，可以提高传感器的灵敏度和选择性，实现对环境参数变化的高精度检测，对于生物传感、化学分析和环境监测等应用具有潜在的重要性。
综上所述，3×3弯曲波导耦合与自耦合型微环谐振器的耦合诱导透明研究在光学通信、光子学器件、光学传感和光滤波等领域具有重要的研究意义，有助于推动光学技术的发展和应用。
请参阅图1，所示为本申请第一实施例中的光纤谐振器的结构示意图，该光纤谐振器包括弯曲波导、第一微环波导20以及第二微环波导30，在一些实施例中，该弯曲波导、第一微环波导20、第二微环波导30均可以二氧化硅等材质，作为优选，第一微环波导20和第二微环波导30属于同一材质，微环波导可以与弯曲波导同一材质，也可以不同材质，其中：
所述弯曲波导沿输入方向依次包括第一平直段101、第一回弯段102、第二回弯段103和第二平直段104，所述第一平直段101和所述第二平直段104平行设置；需要说明的是，该第一回弯段102或者第二回弯段103可以是圆的一部分，也可以是椭圆的一部分，在一些实施例中，优选第一回弯段和第二回弯段均为一半圆。
所述第一微环波导20设于所述第一回弯段102围合成的半封闭空间中，所述第二微环波导30设于所述第二回弯段103围合的半封闭空间中，所述第一平直段101的至少部分光纤依次与所述第二回弯段103的至少部分光纤、所述第二微环波导30的至少部分光纤构成第一耦合区，所述第二平直段104的至少部分光纤依次与所述第一回弯段102的至少部分光纤、所述第一微环波导20的至少部分光纤构成第二耦合区，在一些实施例中，无论是第一耦合区或者是第二耦合区内，三种光纤趋于平行的部分才能形成耦合。
在一些实施例中，至少部分光纤可以是包括全部或者局部一部分，例如，第二回弯段的一小段或者全段与第二微环波导一小段或者全段以及与第二平直段一小段或者全段构成耦合区。
在一实施例中，所述第一回弯段自所述第一平直段的输出端顺时针回弯至所述第一平直段的中部，所述第二回弯段自所述第一回弯段的输出端逆时针回弯至所述第二平直段的输入端。
此外，还需说明的是，申请人在实际研究过程中，还尝试采用其他的耦合方式，例如将圆环波导置于弯曲段的背面，但是如此设置得到的光纤谐振器的诱导透明效应较差，甚至测不出是否会发生该效应，因此，本实施例是通过提出一种特定结构以及特定耦合方式的光纤谐振器，从而具有优良的诱导透明效应。
本申请提出的光纤谐振器具有以下优点：
1、波长可调性：新的耦合谐振器结构的感应透明特性可在任意波长处产生透明，这使得器件在不同波长的光信号处理中更加灵活和适用；
2.兼容性更佳和结构尺寸小：该结构采用光波导或光纤中的任一种制作，具有较小的器件尺寸，与目前的光学器件具有良好的兼容性，可以方便地集成到现有光学系统中；
3.广泛应用：感应透明特性使得新的耦合谐振器结构可以应用于全光可调延迟、波分复用、基于背向散射的色散、光开关等器件中，为光学通信和信息处理提供多种功能。
本申请提供的光纤谐振器的优化改进之处为：
1.窄带宽透射谱：相较于传统耦合谐振器，在相同材料尺寸下，新的耦合谐振器结构感应透明现象的透射谱带宽更窄。这使得滤波性能更佳，滤波后的光线宽更窄，表现出更好的单色性，有助于提高光信号的纯度和传输质量。
2.提高传感精度：新的耦合谐振器结构在光学传感方面具有优势。由于感应透明现象透射谱位置对外界温度或压力变化敏感，透射谱带宽越窄，传感精度越高，能够更准确地检测外界环境的变化量。
3.设计灵活性：新的耦合谐振器结构通过调整结构参数可以灵活地实现不同波长处的透明效应和感应特性。这使得器件的设计更加灵活，能够满足不同应用场景和需求的要求。
请参阅图2，所示为本申请第二实施例中的一种光纤谐振器诱导透明效应的方法的流程图，该方法应用于第一实施例中的光纤谐振器，该方法包括步骤S01至步骤S05，其中：
步骤S01：对第一耦合区和第二耦合区分别包含的至少一个输入端口和至少一个输出端口进行定义，以根据定义结果构建分别与所述第一耦合区和所述第二耦合区对应的散射矩阵方程式；
请参阅图3，所示为光纤谐振器两个耦合区的端口划分示意图，例如：在第一耦合区内，将弯曲波导靠近输入端的定义为1号端口，远离输入端的定义为2号端口，如此，直至将第一耦合区和第二耦合区的端口全部定义完成。
在一些实施例中，定义完端口后，具体根据以下公式构建与第一耦合区对应的散射矩阵方程式：
根据以下公式构建与第二耦合区对应的散射矩阵方程式：
其中，T表示传输矩阵，2、E4、E6分别表示第一耦合区靠近输入端一侧定义的三个端口分别对应的振幅，“+”表示相对于光纤谐振器输入端从左往右的方向，E1、E3、E5表示第一耦合区远离输入端一侧定义的三个端口分别对应的振幅，/>8、E10、E12分别表示第二耦合区靠近输入端一侧定义的三个端口分别对应的振幅，/>7、E9、E11分别表示第二耦合区远离输入端一侧定义的三个端口分别对应的振幅。
进一步地，根据以下公式计算所述传输矩阵：
其中，表示耦合区的传输系数，/>，/>，，/>，且d表示第一耦合区或第二耦合区的横向长度，k表示一常数。
在本步骤中，通过将光纤谐振器各个端口的参数融入到散射矩阵中，能够为后续优化光纤谐振器的诱导透明效应提供全面且更加可靠的理论支撑。
步骤S02：获取同一波导上任意相邻两个端口之间的长度，以根据相邻两个端口之间的长度计算得到同一波导上相邻两端口之间的振幅变化关系式；
需要说明的是，在实际耦合过程中，考虑到各个端口之间的长度是可以调整了，为了深入探究各个端口之间的长度为诱导透明的影响，申请人将该参数也融入到后续的算法中。
具体地，在一些实施例中，根据以下公式获取10号端口与2号端口之间的振幅变化：
根据以下公式获取9号端口与4号端口之间的振幅变化：
根据以下公式获取3号端口与11号端口之间的振幅变化：
根据以下公式获取5号端口与6号端口之间的振幅变化：
根据以下公式获取7号端口与8号端口之间的振幅变化：
其中，“-”表示相对于光纤谐振器输入端从右往左的方向，i2=-1，表示光信号从10号端口传播到2号端口或从2号端口传播到10号端口的相位变化值，/>表示光信号9号端口传播到4号端口或从4号端口传播到9号端口的相位变化值，/>表示光信号从3号端口传播到11号端口或从11号端口传播到3号端口的相位变化值，/>表示光信号绕第一微环波导传播一周后的相位变化值，/>表示光信号绕第二微环波导传播一周后的相位变化值，t表示微环波导的传输系数。
进一步地，根据以下公式获取相位变化值：
其中，表示弯曲波导上的2号端口到10号端口的长度，/>表示弯曲波导上的4号端口到9号端口的长度，/>表示弯曲波导上的3号端口到11号端口的长度，/>表示第一微环波导的周长，/>表示第二微环波导的周长，/>表示弯曲波导的折射率，/>表示第一微环波导或第二微环波导的折射率，/>表示光信号的波长。
通过将每种波导的折射率、相邻端口的长度，两个圆环波导的周长等参数融入到构建的评估模型当中，能够进一步全面且精准地调控光纤谐振器的诱导透明效应。
步骤S03：联立所述振幅变化关系式和所述散射矩阵方程式，以得到光信号在所述光纤谐振器的输出端的输出函数表达式；
由于传输函数较为复杂，为了简化表达式，作以下定义：
令：
设定初始条件为；则得到的输出函数表达式为：
其中：
；
；
；
其中，表示耦合区的传输系数，t表示微环波导的传输系数。
上述输出函数表达式融入了光纤谐振器的多种参数，为后续全面且准确评估光纤谐振器的诱导透明有效提供了可靠依据，此外，根据以上式子可以得到光纤谐振器的输出端的传输特性谱，即能够高效、全面地对光纤谐振器的各项参数进行测试，以利于后续步骤对多种参数的优化调整。
步骤S04：根据所述输出函数表达式对所述光纤谐振器进行性能评估，以根据评估结果获取与所述光纤谐振器发生诱导透明效应关联的至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势；
在本步骤汇总，具体地，通常令，并采用控制变量法依次调整参数、/>、/>、/>、/>、/>、/>、/>、t，以对所述光纤谐振器的诱导透明效应进行测试，得到每种参数分别对所述光纤谐振器发生诱导透明效应的透射谱图，以根据透射谱图获取每种影响因子分别对诱导透明效应的影响趋势。
又如，请参阅图4，所示为耦合区的传输系数对CRIT效应的投射谱图。本示例中将两个耦合区的传输系数设置相同，且/>取值分别为1，0.98，0.96。从图4可以看出随着/>的减小，谐振谷的带宽逐渐变宽，此时透明峰也变得越来越宽，说明/>值减小使得CRIT效应变弱。所以传输系数/>变小，我们这种结构的器件滤波性能就会变得越来越差，因此，/>为影响因子。
又如，请参阅图5，所示为微环波导的传输系数对CRIT效应的投射谱图，本示例中将两个微环波导的传输系数设置相等，且/>取值分别设置为1、0.95、0.9。从图5可以看出随着/>的减小，谐振谷的带宽逐渐变宽，此时透明峰也变得越来越宽，说明/>值减小使得CRIT效应变弱，我们这种结构的器件滤波性能就会变得越来越差，因此，t为影响因子。
再如，请参阅图6，所示为不同有效折射率对CRIT效应的投射谱图，在本示例中，将三种波导设置成同一材质，即三种波导的折射率相同，具体将/>取值分别设置为1.45、1.45005、1.45010、1.45015进行测试。从图6可以看出随着/>的增大，谐振谷的变化不大，透明效应变化不明显，但是谐振峰向右移动，因此，该光纤谐振器的折射率对诱导透明效应的频谱宽度影响并不明显，但是透射峰和透射谷的波长随折射率增加显示出近似的线性关系，线性关系请参阅图7，基于此，折射率变大使得谐振波长红移现象可以使得透射谷和透射峰发生重合，因此可以利用该结果来设计光电开关。基于此，折射率也为一影响因子。
如此，直至评估所有的参数，尽可得到影响诱导透明效应的自由频谱范围的影响因子。
步骤S05：根据所述至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势对所述光纤谐振器进行优化。
具体地，获取所述光纤谐振器的初始设计标准，例如，在初始设计时，一般会将光纤谐振器的材质、尺寸等参数确定，即可能确定圆环波导的半径、相邻端口之间的长度、折射率等参数，基于此，可以确定一部分初始的参数，进而能够将已知的参数输入到上述的输出端表达式中，从而根据所述初始设计标准以及每种影响因子分别对应的性能变化趋势调整各个影响因子，以优化所述光纤谐振器的诱导透明效应。
示例而非限定，在对折射率优化过程中，原始光纤结构的折射率为1.45，通过在光纤上放置加热器，对加热器加压使得光纤折射率变化，当光纤折射率变化为1.45015，结果显示如图7所示，当折射率为1.45时在（1544.4nm）时处于“开”状态，/>（1544.5nm）处为“闭”状态；对应的，当折射率为1.45015时，/>处变为开状态，/>处变成闭状态，这就构成了两个不同波长处的同步异步开关设计。同时，振幅调制度/>可以用来描述其同步异步光电开关的调制能力，可通过以下方式获得：
式中：、/>分别为“开”“关”状态下的信号强度，在本申请中 为 对 应 状 态的 透 射 率 大 小 。 因 此 在1544.4nm、 1544.5nm 处 可 以 实 现 的 开 关 调 制幅 度 分 别 为 98. 3%、99. 2%。 另 外 ，消 光 比/>也是描述光电开关特性的重要参数，可以通过/>(其中/>、/>分别为“开”“关”状态下的透射率)计算得到，由此可得到两个波长处的消光比为14.4dB和12.91dB。从开关的设计类型、振幅调制度和消光比的结果来看， 本申请的结果具有较高的研究和应用价值， 可以看出利用本实施例中的光纤谐振器得到的光电开关在振幅调制上具有较好的性能。
此外，对于本申请中3×3的光纤谐振器，若控制其中一种结构的折射率，对另一种结构的折射率进行调控，可以达到对FSR宽度的调控，在实际应用中，在微环结构上方和S形自耦合结构上方都设置了加热器，可通过只对微环结构上方的加热器进行电气控制，可以对FSR进行热光调谐，通过对微环上方加热器施加电压，有效折射率随外加功率产生的热量而变化，从而引起两个部分的折射率差，导致FSR变化，数据结果显示如图8所示，随着两种结构的折射率差的变大，FSR将会变窄，/>时/>；时/>；/>时/>；由此可见，折射率差为1时，FSR变窄0.5/>；微环波导与弯曲波导自耦合两部分的折射率差对谐振器FSR影响很大，设计中要重点考虑折射率差的影响，使器件满足不同情况下的自由频谱宽度要求。
示例而非限定，在优化过程中，当L1=L3=300，L2=100/>，L4=L5=150/>时；请参阅图9，在0.15/>宽的不透明谷中出现0.01/>的透明峰，消光比约等于30db；在某些波段中，单个CRIT峰被分成三个，间距几乎相等。例如在1509.4nm至1511.5nm的之间出现了三个透明窗口，各峰的消光比约为2.1dB；
当L1=L3=300，L2=100/>，L4=L5=200/>时；请参阅图10，在0.11/>宽的不透明谷中出现0.01/>的透明峰，消光比约等于30dB；在某些波段中，单个CRIT峰被分成三个，间距几乎相等。例如在1509.6nm至1511.3nm的之间出现了三个透明窗口，这三个透明窗口之间，各峰的消光比约为3.2dB；
当L1=L3=300，L2=100/>，L4=L5=250/>时；请参阅图11，在0.09/>宽的不透明谷中出现0.01/>的透明峰，CRIT峰的消光比约等于30db；在某些波段中，单个CRIT峰被分成三个，间距几乎相等。例如在1509.6nm至1511.2nm的之间出现了三个透明窗口，各峰的消光比约为4.3dB。也就是说，采用本申请提出的3×3的自耦合谐振器不仅能产生耦合诱导透明现象，在特殊波段会产生3个透明窗口，且通过调整微环大小可用于可调的CRIT线形状，在DWDM和光滤波器中有潜在的应用前景。
由图12中可以明显看出3×3光纤耦合与自耦合型微环谐振器在谐振波长处透射率发生了分裂。在自耦合谐振器结构中，器件处于谐振波长时在输出端会出现一个波谷。但在3×3光纤耦合与自耦合型微环谐振器中产生透明效应时，原来谐振波长处的波谷会分裂出一条狭窄的透明峰。
在一些实施例中，自耦合型微环谐振器的调控对于实现各种功能至关重要。通过优化微环的几何参数，如半径、宽度和耦合区域的长度，可以实现不同的自耦合效应的自耦合调控优化，研究其各自的输出特性，使其在光纤传感器、光纤滤波器、光开关、光存储和光延迟器等方面得到广泛应用。
在一些实施例中，还可通过减小光信号的损耗和干扰实现光路优化，通过优化耦合波导和微环的布局，可以最大限度地减小光信号在光学器件中的传输损耗。
综上，根据上述的光纤谐振器诱导透明效应的方法，通过提出一种专门适用于上述全新结构的光纤谐振器的优化方案，能够灵活地调节光纤谐振器发生诱导透明效应的自由频谱范围，使得诱导透明效应的带宽可变，使器件满足不同情况下的自由频谱宽度要求，同时可在特殊波段会产生3个透明窗口，以适用于密集型光波复用和光滤波器等领域，同时可用于提取特定频率的光，对这部分光所携带的信息(强度、相位等)进行存储或修改。在光学传感方面，当外界温度或压力变化时，会导致感应透明现象透射谱位置的移动，通过检测透射谱移动的频率量，可获得外界温度或压力的变化量，自由频谱范围越窄，传感精度越高，更能高精度和高灵敏度地适用于该领域。
请参阅图13，所示为本申请第三实施例中的光纤谐振器诱导透明效应的系统的结构示意图，该系统包括：
端口定义模块100，用于对第一耦合区和第二耦合区分别包含的至少一个输入端口和至少一个输出端口进行定义，以根据定义结果构建分别与所述第一耦合区和所述第二耦合区对应的散射矩阵方程式；
端口振幅计算模块200，用于获取同一波导上任意相邻两个端口之间的长度，以根据相邻两个端口之间的长度计算得到同一波导上相邻两端口之间的振幅变化关系式；
联立求解模块300，用于联立所述振幅变化关系式和所述散射矩阵方程式，以得到光信号在所述光纤谐振器的输出端的输出函数表达式；
性能评估模块400，用于根据所述输出函数表达式对所述光纤谐振器进行性能评估，以根据评估结果获取与所述光纤谐振器发生诱导透明效应关联的至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势；
性能优化模块500，用于根据所述至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势对所述光纤谐振器进行优化。
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申请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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种光纤谐振器诱导透明效应的方法，其特征在于，应用于光纤谐振器，所述光纤谐振器包括弯曲波导、第一微环波导以及第二微环波导，其中：
所述弯曲波导沿输入方向依次包括第一平直段、第一回弯段、第二回弯段和第二平直段，所述第一平直段和所述第二平直段平行设置；
所述第一微环波导设于所述第一回弯段围合成的半封闭空间中，所述第二微环波导设于所述第二回弯段围合的半封闭空间中，所述第一平直段的至少部分光纤依次与所述第二回弯段的至少部分光纤、所述第二微环波导的至少部分光纤构成第一耦合区，所述第二平直段的至少部分光纤依次与所述第一回弯段的至少部分光纤、所述第一微环波导的至少部分光纤构成第二耦合区，
所述方法包括：
对第一耦合区和第二耦合区分别包含的至少一个输入端口和至少一个输出端口进行定义，以根据定义结果构建分别与所述第一耦合区和所述第二耦合区对应的散射矩阵方程式；
获取同一波导上任意相邻两个端口之间的长度，以根据相邻两个端口之间的长度计算得到同一波导上相邻两端口之间的振幅变化关系式；
联立所述振幅变化关系式和所述散射矩阵方程式，以得到光信号在所述光纤谐振器的输出端的输出函数表达式；
根据所述输出函数表达式对所述光纤谐振器进行性能评估，以根据评估结果获取与所述光纤谐振器发生诱导透明效应关联的至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势；
根据所述至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势对所述光纤谐振器进行优化。
2.根据权利要求1所述的光纤谐振器诱导透明效应的方法，其特征在于，所述对第一耦合区和第二耦合区分别包含的至少一个输入端口和至少一个输出端口进行定义，以根据定义结果构建分别与所述第一耦合区和所述第二耦合区对应的散射矩阵方程式的步骤包括：
根据以下公式构建与第一耦合区对应的散射矩阵方程式：
根据以下公式构建与第二耦合区对应的散射矩阵方程式：
其中，T表示传输矩阵，E2、E4、E6分别表示第一耦合区靠近输入端一侧定义的三个端口分别对应的振幅，“+”表示相对于光纤谐振器输入端从左往右的方向，E1、E3、E5表示第一耦合区远离输入端一侧定义的三个端口分别对应的振幅，E8、E10、E12分别表示第二耦合区靠近输入端一侧定义的三个端口分别对应的振幅，E7、E9、E11分别表示第二耦合区远离输入端一侧定义的三个端口分别对应的振幅。
3.根据权利要求2所述的光纤谐振器诱导透明效应的方法，其特征在于，根据以下公式计算所述传输矩阵：
其中，l表示耦合区的传输系数，
且d表示第一耦合区或第二耦合区的横向长度，k表示一常数。
4.根据权利要求3所述的光纤谐振器诱导透明效应的方法，其特征在于，所述获取同一波导上任意相邻两个端口之间的长度，以根据相邻两个端口之间的长度计算得到同一波导上相邻两端口之间的振幅变化关系式的步骤包括：
根据以下公式获取10号端口与2号端口之间的振幅变化：
E10-＝E2+eiφ
E2-＝E10+eiφ
根据以下公式获取9号端口与4号端口之间的振幅变化：
E9+＝E4+eiγ
E4-＝E9-eiγ
根据以下公式获取3号端口与11号端口之间的振幅变化：
E11+＝E3-eiα
E3+＝E11-eiα
根据以下公式获取5号端口与6号端口之间的振幅变化：
E5+＝E6+teiθ1
E6-＝E5-teiθ1
根据以下公式获取7号端口与8号端口之间的振幅变化：
其中，“-”表示相对于光纤谐振器输入端从右往左的方向，i2＝-1，φ表示光信号从10号端口传播到2号端口或从2号端口传播到10号端口的相位变化值，γ表示光信号9号端口传播到4号端口或从4号端口传播到9号端口的相位变化值，α表示光信号从3号端口传播到11号端口或从11号端口传播到3号端口的相位变化值，θ1表示光信号绕第一微环波导传播一周后的相位变化值，θ2表示光信号绕第二微环波导传播一周后的相位变化值，t表示微环波导的传输系数。
5.根据权利要求4所述的光纤谐振器诱导透明效应的方法，其特征在于，根据以下公式获取相位变化值：
φ＝2π*L1*neff1/λ
γ＝2π*L2*neff1/λ
α＝2π*L3*neff1/λ
θ1＝2π*L4*neff2/λ
θ2＝2π*L5*neff2/λ
其中，L1表示弯曲波导上的2号端口到10号端口的长度，L2表示弯曲波导上的4号端口到9号端口的长度，L3表示弯曲波导上的3号端口到11号端口的长度，L4表示第一微环波导的周长，L5表示第二微环波导的周长，neff1表示弯曲波导的折射率，neff2表示第一微环波导或第二微环波导的折射率，λ表示光信号的波长。
6.根据权利要求5所述的光纤谐振器诱导透明效应的方法，其特征在于，所述联立所述振幅变化关系式和所述散射矩阵方程式，以得到光信号在所述光纤谐振器的输出端的输出函数表达式的步骤包括：
H＝il2bcA2eiα+il3cb2A1A2ei(α+θ1)
设定初始条件为 则得到的输出函数表达式为：
其中：
其中，l表示耦合区的传输系数，t表示微环波导的传输系数。
7.根据权利要求6所述的光纤谐振器诱导透明效应的方法，其特征在于，所述根据所述输出函数表达式对所述光纤谐振器进行性能评估，以根据评估结果获取与所述光纤谐振器发生诱导透明效应关联的至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势的步骤包括：
令并采用控制变量法依次调整参数L1、L2、L3、L4、L5、neff1、neff2、l、t，以对所述光纤谐振器的诱导透明效应进行测试，得到每种参数分别对所述光纤谐振器发生诱导透明效应的透射谱图，以根据透射谱图获取每种影响因子分别对诱导透明效应的影响趋势。
8.根据权利要求7所述的光纤谐振器诱导透明效应的方法，其特征在于，所述根据所述输出函数表达式对所述光纤谐振器进行性能评估，以根据评估结果获取与所述光纤谐振器发生诱导透明效应关联的至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势的步骤之后还包括：
获取所述光纤谐振器的初始设计标准，并根据所述初始设计标准以及每种影响因子分别对应的性能变化趋势调整各个影响因子，以优化所述光纤谐振器的诱导透明效应。
9.一种光纤谐振器诱导透明效应的系统，用于实现如权利要求1-8任一项所述的光纤谐振器诱导透明效应的方法，其特征在于，应用于光纤谐振器，所述光纤谐振器包括弯曲波导、第一微环波导以及第二微环波导，其中：
所述弯曲波导沿输入方向依次包括第一平直段、第一回弯段、第二回弯段和第二平直段，所述第一平直段和所述第二平直段平行设置；
所述第一微环波导设于所述第一回弯段围合成的半封闭空间中，所述第二微环波导设于所述第二回弯段围合的半封闭空间中，所述第一平直段的至少部分光纤依次与所述第二回弯段的至少部分光纤、所述第二微环波导的至少部分光纤构成第一耦合区，所述第二平直段的至少部分光纤依次与所述第一回弯段的至少部分光纤、所述第一微环波导的至少部分光纤构成第二耦合区，
所述系统包括：
端口定义模块，用于对第一耦合区和第二耦合区分别包含的至少一个输入端口和至少一个输出端口进行定义，以根据定义结果构建分别与所述第一耦合区和所述第二耦合区对应的散射矩阵方程式；
端口振幅计算模块，用于获取同一波导上任意相邻两个端口之间的长度，以根据相邻两个端口之间的长度计算得到同一波导上相邻两端口之间的振幅变化关系式；
联立求解模块，用于联立所述振幅变化关系式和所述散射矩阵方程式，以得到光信号在所述光纤谐振器的输出端的输出函数表达式；
性能评估模块，用于根据所述输出函数表达式对所述光纤谐振器进行性能评估，以根据评估结果获取与所述光纤谐振器发生诱导透明效应关联的至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势；
性能优化模块，用于根据所述至少一种影响因子以及与每种影响因子分别对应的性能变化趋势对所述光纤谐振器进行优化。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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