Оптические кольцевые резонаторы - Optical ring resonators

Смоделированный на компьютере кольцевой резонатор, отображающий непрерывную волну на входе в резонанс.

Кольцевой резонатор представляет собой набор волноводов , в которых по меньшей мере , один замкнутый контур , соединенный с какой - то световой вход и выход. (Это могут быть волноводы, но не ограничиваться ими.) Концепции оптических кольцевых резонаторов такие же, как и концепции шепчущих галерей, за исключением того, что они используют свет и подчиняются свойствам, лежащим в основе конструктивной интерференции и полного внутреннего отражения . Когда свет с резонансной длиной волны проходит через контур из входного волновода, он нарастает по интенсивности за несколько обходов из-за конструктивной интерференции и выводится в волновод выходной шины, который служит детекторным волноводом. Поскольку только несколько выбранных длин волн будут находиться в резонансе внутри контура, оптический кольцевой резонатор функционирует как фильтр. Кроме того, как предполагалось ранее, два или более кольцевых волновода могут быть соединены друг с другом для формирования оптического фильтра ввода / вывода.

Фон

Полное внутреннее отражение в ПММА

Оптические кольцевые резонаторы работают на принципах полного внутреннего отражения , конструктивной интерференции и оптической связи.

Полное внутреннее отражение

Свет, проходящий через волноводы в оптическом кольцевом резонаторе, остается внутри волноводов из-за явления лучевой оптики, известного как полное внутреннее отражение (TIR). ПВО - это оптическое явление, которое возникает, когда луч света попадает на границу среды и не может преломиться через границу. Учитывая, что угол падения больше критического угла (по отношению к нормали к поверхности), а показатель преломления ниже на другой стороне границы относительно падающего луча, произойдет ПВО, и свет не сможет пройти. Для хорошей работы оптического кольцевого резонатора должны быть соблюдены условия полного внутреннего отражения, и свет, проходящий через волноводы, не должен ускользать никакими средствами.

Вмешательство

Интерференция - это процесс, при котором две волны накладываются друг на друга, образуя результирующую волну большей или меньшей амплитуды. Интерференция обычно относится к взаимодействию волн, которые коррелированы или когерентны друг с другом. При конструктивной интерференции две волны одинаковой фазы интерферируют таким образом, что результирующая амплитуда будет равна сумме индивидуальных амплитуд. Поскольку свет в оптическом кольцевом резонаторе замыкает несколько контуров вокруг кольцевого компонента, он будет мешать другому свету, все еще находящемуся в контуре. Таким образом, если предположить, что в системе нет потерь, например, из-за поглощения, затухания или несовершенного взаимодействия, и выполняется условие резонанса, интенсивность света, излучаемого из кольцевого резонатора, будет равна интенсивности подаваемого света. в систему.

Оптическая связь

Наглядное представление коэффициентов связи
Визуализация того, как свет от точечного источника направляется волноводом, как волновод соединяется с кольцевым резонатором и как кольцевой резонатор, в свою очередь, соединяется с другим волноводом.

Для понимания того, как работает оптический кольцевой резонатор, важна концепция подключения линейных волноводов к кольцевому волноводу. Когда луч света проходит через волновод, как показано на графике справа, часть света попадает в оптический кольцевой резонатор. Причиной этого является явление затухающего поля , которое распространяется за пределы волноводной моды в виде экспоненциально уменьшающегося радиального профиля. Другими словами, если кольцо и волновод сближены, часть света из волновода может попасть в кольцо. На оптическую связь влияют три аспекта: расстояние, длина связи и показатели преломления между волноводом и оптическим кольцевым резонатором. Чтобы оптимизировать связь, обычно требуется уменьшить расстояние между кольцевым резонатором и волноводом. Чем ближе расстояние, тем легче происходит оптическая связь. Кроме того, длина муфты также влияет на муфту. Длина связи представляет собой эффективную длину кривой кольцевого резонатора для явления связи, которое происходит с волноводом. Было изучено, что с увеличением длины оптической связи сложность возникновения связи уменьшается. Кроме того, показатель преломления материала волновода, материала кольцевого резонатора и материала среды между волноводом и кольцевым резонатором также влияет на оптическую связь. Материал среды обычно является наиболее важной исследуемой характеристикой, поскольку он оказывает большое влияние на передачу световой волны. Показатель преломления среды может быть большим или малым в зависимости от различных приложений и целей.

Еще одна особенность оптической связи - критическая связь. Критическая связь показывает, что свет не проходит через волновод после того, как световой луч попадает в оптический кольцевой резонатор. После этого свет будет сохраняться и теряться внутри резонатора. Связь без потерь - это когда свет не проходит через входной волновод к собственному выходу; вместо этого весь свет попадает в кольцевой волновод (например, то, что изображено на изображении вверху этой страницы). Чтобы возникла связь без потерь, должно выполняться следующее уравнение:

где t - коэффициент прохождения через ответвитель, а - амплитуда связи мод с конической сферой, также называемая коэффициентом связи.

Теория

Чтобы понять, как работают оптические кольцевые резонаторы, мы должны сначала понять разницу оптических путей (OPD) кольцевого резонатора. Для кольцевого резонатора с одним кольцом это дается следующим образом:

где r - радиус кольцевого резонатора, а - эффективный показатель преломления материала волновода. Из-за требований к полному внутреннему отражению он должен быть больше, чем показатель преломления окружающей жидкости, в которой находится резонатор (например, воздуха). Для возникновения резонанса необходимо выполнение следующего резонансного условия:

где - резонансная длина волны, m - номер моды кольцевого резонатора. Это уравнение означает, что для того, чтобы свет конструктивно интерферировал внутри кольцевого резонатора, длина окружности кольца должна быть целым числом, кратным длине волны света. Таким образом, номер моды должен быть положительным целым числом, чтобы имел место резонанс. В результате, когда падающий свет содержит несколько длин волн (например, белый свет), только резонансные длины волн смогут полностью пройти через кольцевой резонатор.

Фактор качества и утонченность оптического кольцевого резонатора могут быть количественно описаны с использованием следующих формул (см: э: 2,37 в, или э: 19 + 20 , в):

где - точность кольцевого резонатора, - рабочая частота, - свободный спектральный диапазон и - полуширина спектров пропускания. Добротность полезна при определении спектрального диапазона условия резонанса для любого данного кольцевого резонатора. Добротность также полезна для количественной оценки потерь в резонаторе, поскольку низкий коэффициент обычно связан с большими потерями.

Спектры пропускания, отображающие несколько резонансных мод ( ) и свободный спектральный диапазон .

Двойные кольцевые резонаторы

Двойной кольцевой резонатор с последовательно соединенными кольцами разного радиуса, показывающими относительную интенсивность света, проходящего через первый цикл. Обратите внимание, что свет, проходящий через двойной кольцевой резонатор, чаще будет проходить по нескольким петлям вокруг каждого кольца, а не как показано на рисунке.

В двойном кольцевом резонаторе используются два кольцевых волновода вместо одного. Они могут быть расположены последовательно (как показано справа) или параллельно. При последовательном использовании двух кольцевых волноводов выход двойного кольцевого резонатора будет в том же направлении, что и вход (хотя и с боковым сдвигом). Когда входной свет соответствует условию резонанса первого кольца, он входит в кольцо и перемещается внутри него. Поскольку последующие петли вокруг первого кольца приводят свет в состояние резонанса второго кольца, два кольца будут соединены вместе, и свет будет проходить во второе кольцо. Таким же способом свет в конечном итоге будет передан в выходной волновод шины. Следовательно, чтобы пропускать свет через систему двойного кольцевого резонатора, нам необходимо выполнить условие резонанса для обоих колец следующим образом:

где и - номера режима первого и второго кольца соответственно, и они должны оставаться положительными целыми числами. Чтобы свет выходил из кольцевого резонатора в волновод выходной шины, длина волны света в каждом кольце должна быть одинаковой. То есть для возникновения резонанса. Таким образом, мы получаем следующее уравнение, определяющее резонанс:

Обратите внимание, что оба и должны оставаться целыми числами.

Оптическое зеркало (отражатель) выполнено в виде двойной кольцевой системы, соединенной с одним волноводом. Волны, распространяющиеся вперед в волноводе (зеленый цвет), возбуждают бегущие волны против часовой стрелки в обоих кольцах (зеленый цвет). Из-за межрезонаторной связи эти волны генерируют волны, вращающиеся по часовой стрелке (красные) в обоих кольцах, которые, в свою очередь, возбуждают обратно распространяющиеся (отраженные) волны (красные) в волноводе. Отраженная волна существует только в части волновода слева от точки связи с правым кольцом.

Также было показано, что система из двух кольцевых резонаторов, соединенных с одним волноводом, работает как настраиваемый отражающий фильтр (или оптическое зеркало). Волны, распространяющиеся вперед в волноводе, возбуждают волны, вращающиеся против часовой стрелки, в обоих кольцах. Из-за межрезонаторной связи эти волны генерируют вращающиеся по часовой стрелке волны в обоих кольцах, которые, в свою очередь, связаны с назад распространяющимися (отраженными) волнами в волноводе.

Приложения

Из-за природы оптического кольцевого резонатора и того, как он «фильтрует» определенные длины волн проходящего через него света, можно создавать оптические фильтры высокого порядка путем последовательного каскадирования многих оптических кольцевых резонаторов. Это обеспечит «малый размер, низкие потери и интегрируемость в [существующие] оптические сети». Кроме того, поскольку резонансные длины волн можно изменять, просто увеличивая или уменьшая радиус каждого кольца, фильтры можно считать настраиваемыми. Это основное свойство можно использовать для создания своего рода механического датчика. Если оптическое волокно подвергается механической деформации , размеры волокна изменятся, что приведет к изменению резонансной длины волны излучаемого света. Это можно использовать для контроля волокон или волноводов на предмет изменения их размеров. Процесс настройки также может осуществляться путем изменения показателя преломления с использованием различных средств, включая термооптические, электрооптические или полностью оптические эффекты. Электрооптическая и полностью оптическая настройка выполняется быстрее, чем тепловые и механические средства, и поэтому находит различные применения, в том числе в оптической связи. Сообщается, что оптические модуляторы с высокодобротным микрокольцом обеспечивают исключительно малую мощность модуляции на скорости> 50 Гбит / с за счет мощности настройки, соответствующей длине волны источника света. Сообщалось, что кольцевой модулятор, помещенный в резонатор лазера Фабри-Перо, устраняет перестраивающую мощность за счет автоматического согласования длины волны лазера с длиной волны кольцевого модулятора, сохраняя при этом высокоскоростную модуляцию сверхмалой мощности кремниевого микрокольцевого модулятора.

Оптические кольцевые, цилиндрические и сферические резонаторы также зарекомендовали себя как полезные в области биодатчика , и ключевым направлением исследований является улучшение характеристик биосенсора. для получения заданной спектроскопии приводит к значительному снижению фоновых рамановских сигналов и сигналов флуоресценции от растворителя и других примесей. Резонаторы также использовались для характеристики различных спектров поглощения с целью химической идентификации, особенно в газовой фазе.

Другое возможное применение оптических кольцевых резонаторов - переключатели режимов шепчущей галереи. «Лазеры на микродисках [Whispering Gallery Resonator] стабильны и надежно переключаются и, следовательно, подходят в качестве переключающих элементов в полностью оптических сетях». Был предложен полностью оптический переключатель на основе цилиндрического резонатора с высокой добротностью, который обеспечивает быстрое двоичное переключение при малой мощности. материал.

Многие исследователи заинтересованы в создании трехмерных кольцевых резонаторов с очень высокими показателями качества. Эти диэлектрические сферы, также называемые микросферными резонаторами, «были предложены в качестве оптических резонаторов с низкими потерями для изучения квантовой электродинамики резонатора с атомами, охлаждаемыми лазером, или в качестве сверхчувствительных детекторов для обнаружения одиночных захваченных атомов».

Кольцевые резонаторы также оказались полезными в качестве источников одиночных фотонов для экспериментов с квантовой информацией. Многие материалы, используемые для изготовления цепей кольцевого резонатора, имеют нелинейные отклики на свет достаточно высокой интенсивности. Эта нелинейность позволяет осуществлять процессы частотной модуляции, такие как четырехволновое смешение и спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты, которые генерируют пары фотонов. Кольцевые резонаторы повышают эффективность этих процессов, поскольку они позволяют свету циркулировать по кольцу.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Хреммос, Иоаннис; Швельб, Отто; Узуноглу, Николаос, ред. (2010). Исследования и применение фотонных микрорезонаторов . Серия Спрингера в оптических науках. 156 . Бостон, Массачусетс: Springer США. DOI : 10.1007 / 978-1-4419-1744-7 . ISBN 9781441917430.
  2. ^ Сяо, Мин; Цзян, Донг и Ян. Соединение микрополостей в режиме "шепчущей галереи" с помощью механизма модального связывания . Журнал IEEE по квантовой электронике (44.11, ноябрь 2008 г.).
  3. ^ Цай; Художник и Вахала. Наблюдение критического взаимодействия в конусе волокна с системой режима шепчущей галереи кремнезем-микросфера . Письма с физическим обзором (85.1, июль 2000 г.).
  4. ^ Rabus, Доминик Герхард (2002-07-16). «Реализация оптических фильтров с использованием кольцевых резонаторов со встроенными полупроводниковыми оптическими усилителями в GaInAsP / InP» . DOI : 10,14279 / depositonce-565 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  5. ^ Хаммер, Манфред; Hiremath, Kirankumar R .; Стоффер, Ремко (2004-05-10). «Аналитические подходы к описанию оптических микрорезонаторов» . Материалы конференции AIP . 709 (1): 48–71. DOI : 10.1063 / 1.1764013 . ISSN  0094-243X .
  6. ^ a b Chremmos, I .; Узуноглу, Н. (2010). «Отражающие свойства двойной кольцевой резонаторной системы, связанной с волноводом». Письма IEEE Photonics Technology Letters . 17 (10): 2110–2112. DOI : 10,1109 / LPT.2005.854346 . ISSN  1041-1135 .
  7. ^ а б Ильченко и Мацко. Оптические резонаторы с режимами шепчущей галереи - Часть II: Приложения . IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (12.1, январь 2006 г.).
  8. ^ Вестервельд, WJ; Leinders, SM; Muilwijk, PM; Pozo, J .; ван ден Дул, ТК; Verweij, MD; Юсефи, М .; Урбах, HP (10 января 2014 г.). «Характеристика интегрированных оптических датчиков деформации на основе кремниевых волноводов» . IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 20 (4): 101. Bibcode : 2014IJSTQ..20..101W . DOI : 10.1109 / JSTQE.2013.2289992 .
  9. ^ Н. Ли, Э. Тимурдоган, К. В. Поултон, М. Берд, Э. С. Магден, З. Су, Г. Лик, Д. Кулбау, Д. Вермёлен, М. Р. Уоттс (2016) «Волоконный лазер с эрбиевым легированным эрбием с качающейся длиной волны C-диапазона. с высокодобротным перестраиваемым резонатором из кремниевого микрокольца с внутренним гребнем ” , Optics Express , Vol. 24, выпуск 20, стр 22741-22748
  10. ^ Садасиван, Viswas (2014). «Настроенный встраиваемый кольцевой модулятор QCSE». Журнал Lightwave Technology . 32 (1): 107–114. Bibcode : 2014JLwT ... 32..107S . DOI : 10,1109 / JLT.2013.2289324 .
  11. ^ Ибрагим, и Тарек А .; Гровер, Рохит; Куо, Ли-Чан; Канакараджу, Субраманиам; Calhoun, Lynn C .; Хо, Пинг-Тонг (2003). Полностью оптическое переключение с использованием критически связанного резонатора InP Micro-Racetrack . OSA Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America, 2003) . п. ITuE4. DOI : 10.1364 / IPR.2003.ITuE4 . ISBN 978-1-55752-751-6.
  12. ^ А. Ксендзы & Ю. Лин (2005). «Интегрированные оптические датчики с кольцевым резонатором для обнаружения белков». Опт. Lett . 30 (24): 3344–3346. Bibcode : 2005OptL ... 30,3344K . DOI : 10.1364 / ol.30.003344 .
  13. ^ Fard, ST, шрот, SM, Donzella, В. Шмидт, С. А., Флюкигер, J., Wang, X., ... & Cheung, KC (2013, март). Кремниевые фотонные биосенсоры без этикеток для использования в клинической диагностике. В SPIE OPTO (стр. 862909-862909). Международное общество оптики и фотоники.
  14. ^ К.Д. Вос; И. Бартолоцци; Э. Шахт; П. Бинстман и Р. Баец (2007). "Микрокольцевый резонатор кремний-на-изоляторе для чувствительной биодетекции без этикеток". Опт. Экспресс . 15 (12). С. 7610–7615.
  15. ^ Witzens, J .; Хохберг, М. (2011). «Оптическое обнаружение целевой молекулы, вызванной агрегацией наночастиц с помощью высокодобротных резонаторов». Оптика Экспресс . 19 (8): 7034–7061. Bibcode : 2011OExpr..19.7034W . DOI : 10,1364 / OE.19.007034 . PMID  21503017 .
  16. ^ Lin S .; КБ Крозье (2013). «Зондирование с помощью улавливания частиц и белков с использованием встроенных оптических микрополостей». САУ Нано . 7 (2): 1725–1730. DOI : 10.1021 / nn305826j . PMID  23311448 .
  17. ^ Donzella, В., Sherwali, А., Флюкигер J., шрот, С.М., Fard, ST & Chrostowski, Л. (2015). Разработка и изготовление КНИ микрокольцевых резонаторов на основе субволновых решетчатых волноводов. Оптика экспресс, 23 (4), 4791-4803.
  18. ^ Fard, ST, Donzella, В. Шмидт, С. А., Флюкигер, J., шрот, SM, Fard, PT, ... и Ратнер, DM (2014). Характеристики ультратонких резонаторов на основе КНИ для измерительных приложений. Оптика экспресс, 22 (12), 14166-14179.
  19. ^ Флюкигер J., Шмидт, С., Donzella, В., Sherwali, А., Ратнер, ДМ, Chrostowski, Л., и Ченг, KC (2016). Субволновая решетка для улучшенного биосенсора с кольцевым резонатором. Оптика экспресс, 24 (14), 15672-15686.
  20. ^ Блер и Чен. Резонансно-усиленный флуоресцентный биосенсор с флуоресцентной волной с цилиндрическими оптическими полостями . Прикладная оптика (40.4, февраль 2001 г.).
  21. ^ Гётцингер; Бенсон и Сандогдар. Влияние острого наконечника волокна на высокодобротные режимы микросферного резонатора . Optics Letters (27 февраля 2002 г.).
  22. ^ Э. Энгин; Д. Бонно; К. Натараджан; А. Кларк; М. Таннер; Р. Хэдфилд; С. Доренбос; В. Цвиллер; К. Охира; Н. Сузуки; Х. Йошида; Н. Иидзука; М. Эзаки; Дж. О'Брайен и М. Томпсон (2013). «Генерация фотонных пар в кремниевом микрокольцевом резонаторе с усилением обратного смещения». Опт. Lett . 21 (23): 27826–27834. arXiv : 1204,4922 . Bibcode : 2013OExpr..2127826E . DOI : 10,1364 / OE.21.027826 . PMID  24514299 .

внешние ссылки