Оптические кольцевые резонаторы - Википедия - Optical ring resonators

Смоделированный на компьютере кольцевой резонатор, отображающий непрерывную волну в резонансе

An оптический кольцевой резонатор это набор волноводы в котором по крайней мере один из них представляет собой замкнутый контур, связанный с каким-либо типом входа и выхода света. (Это могут быть, но не ограничиваются волноводами.) Концепции оптических кольцевых резонаторов такие же, как и концепции, лежащие в основе шепчущие галереи за исключением того, что они используют свет и подчиняются свойствам, стоящим за конструктивное вмешательство и полное внутреннее отражение. Когда свет резонансный длина волны проходит через контур из входного волновода, его интенсивность нарастает в течение нескольких циклических обходов из-за конструктивное вмешательство и выводится в волновод выходной шины, который служит волноводом детектора. Поскольку только несколько выбранных длин волн будут находиться в резонансе внутри контура, оптический кольцевой резонатор действует как фильтр. Кроме того, как предполагалось ранее, два или более кольцевых волновода могут быть соединены друг с другом для формирования оптического фильтра ввода / вывода. ^[1].

Фон

Полное внутреннее отражение в ПММА

Оптические кольцевые резонаторы работают по принципам, лежащим в основе полное внутреннее отражение, конструктивное вмешательство, и оптическая связь.

Полное внутреннее отражение

Свет, проходящий через волноводы в оптическом кольцевом резонаторе, остается внутри волноводов из-за лучевая оптика явление, известное как полное внутреннее отражение (TIR). TIR - 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) и 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 завершает несколько контуров вокруг кольцевого компонента, он будет мешать другому свету, все еще находящемуся в контуре. Таким образом, при условии, что в системе нет потерь, например, из-за поглощения, мимолетность, или несовершенная связь и условие резонанса выполнено, интенсивность света, излучаемого кольцевым резонатором, будет равна интенсивности света, подаваемого в систему.

Оптическая связь

Наглядное представление коэффициентов связи

Для понимания того, как работает оптический кольцевой резонатор, важна концепция того, как линейные волноводы соединяются с кольцевым волноводом. Когда луч света проходит через волновод, как показано на графике справа, часть света попадает в оптический кольцевой резонатор. Причина этого - феномен мимолетного поля, которая выходит 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. Для оптимизации связи 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 исследовано, что по мере увеличения длины оптической связи сложность возникновения связи уменьшается.^{[нужна цитата ]} 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 имеет 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. ^[2] 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).^[3] Чтобы возникла связь без потерь, должно выполняться следующее уравнение:

{ Displaystyle | mathrm {K} | ^ {2} + | t | ^ {2} = mathbf {1}}

где t - коэффициент прохождения через ответвитель, а ${ Displaystyle mathrm {K}}$ - 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:

{ displaystyle mathbf {OPD} = 2 pi rn_ {eff}}

куда р - радиус кольцевого резонатора и ${ displaystyle n_ {eff}}$ эффективный показатель преломления материала волновода. Из-за требования полного внутреннего отражения, ${ displaystyle n_ {eff}}$ должен быть больше, чем показатель преломления окружающей жидкости, в которой находится резонатор (например, воздуха). Для возникновения резонанса необходимо выполнение следующего резонансного условия:

{ displaystyle mathbf {OPD} = m lambda _ {m}}

куда ${ displaystyle lambda _ {m}}$ - резонансная длина волны и м - номер режима 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 волны нескольких длин (например, белый свет), только резонансные длины волн смогут полностью пройти через кольцевой резонатор.

В фактор качества оптического кольцевого резонатора можно количественно описать с помощью следующей формулы:

{ displaystyle mathbf {Q} = m { mathcal {F}} = m { frac { nu _ {f}} { delta nu}}}

куда ${ displaystyle { mathcal {F}}}$ тонкость кольцевого резонатора, ${ displaystyle nu _ {f}}$ это свободный спектральный диапазон, и ${ displaystyle delta nu}$ это на всю ширину полумакс. 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 низкая добротность обычно связана с большими потерями.

Спектры пропускания, изображающие несколько резонансных мод (m = 1, m = 2, m = 3, ..., m = n) и свободный спектральный диапазон.

Двойные кольцевые резонаторы

Двойной кольцевой резонатор с кольцами разного радиуса последовательно, 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:

{ displaystyle 2 pi n_ {1} R_ {1} = m_ {1} lambda _ {1}}

{ displaystyle 2 pi n_ {2} R_ {2} = m_ {2} lambda _ {2}}

куда ${ displaystyle m_ {1}}$ и ${ displaystyle m_ {2}}$ являются номерами 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, ${ displaystyle lambda _ {1} = lambda _ {2}}$ для возникновения резонанса. Таким образом, мы получаем следующее уравнение, определяющее резонанс:

{ displaystyle { frac {n_ {1} R_ {1}} {m_ {1}}} = { frac {n_ {2} R_ {2}} {m_ {2}}}}

Обратите внимание, что оба ${ displaystyle m_ {1}}$ и ${ displaystyle m_ {2}}$ нужно оставаться целыми числами.

Оптическое зеркало (рефлектор) выполнено в виде двойной кольцевой системы, соединенной с одним волноводом. Прямые волны 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.^[4]

Также было показано, что система из двух кольцевых резонаторов, соединенных с одним волноводом, работает как настраиваемый отражающий фильтр (или оптическое зеркало).^[4] Волны, распространяющиеся вперед в волноводе, возбуждают волны, вращающиеся против часовой стрелки, в обоих кольцах. Из-за связи между резонаторами эти волны генерируют волны, вращающиеся по часовой стрелке в обоих кольцах, которые, в свою очередь, связаны с волнами, распространяющимися назад (отраженными) 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». ^[5] 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 испытывает механическое напряжение, размеры волокна будут изменены, что приведет к изменению резонансной длины волны излучаемого света. Это может быть использовано для контроля волокон или волноводов на предмет изменения их размеров.^[6]Процесс настройки также может быть осуществлен путем изменения показателя преломления с использованием различных средств, включая термооптические,^[7] электрооптический ^[8] или полностью оптический ^[9] последствия. 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. Кольцевой модулятор помещен в Лазер Фабри-Перо Сообщалось, что резонатор 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 оказались полезными в области биосенсор.,^[10]^[11]^[12]^[13]^[14] и важнейшим направлением исследований является повышение эффективности биосенсора ^[15]^[16]^[17] Одним из основных преимуществ использования кольцевых резонаторов в биодатчиках является небольшой объем образца образца, необходимый для получения заданного спектроскопия приводит к значительному уменьшению 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.^[18]

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.^[5]

Многие исследователи заинтересованы в создании трехмерных кольцевых резонаторов с очень высокими показателями качества. Эти диэлектрические сферы, также называемые микросферными резонаторами, «были предложены как оптические резонаторы с низкими потерями для изучения квантовой электродинамики резонатора с атомами, охлаждаемыми лазером, или в качестве сверхчувствительных детекторов для обнаружения одиночных захваченных атомов».^[19]

Кольцевые резонаторы также оказались полезными в качестве источников одиночных фотонов для экспериментов с квантовой информацией.^[20] Многие материалы, используемые для изготовления цепей кольцевого резонатора, имеют нелинейные отклики на свет достаточно высокой интенсивности. Эта нелинейность позволяет использовать такие процессы частотной модуляции, как четырехволновое смешение и Самопроизвольное параметрическое преобразование с понижением частоты которые генерируют фотонные пары. Кольцевые резонаторы усиливают эффективность этих процессов, поскольку они позволяют свету циркулировать по кольцу.

Смотрите также

внешняя ссылка

Анимация оптического кольцевого резонатора на YouTube

[1] Хреммос, Иоаннис; Швельб, Отто; Узуноглу, Николаос, ред. (2010). Исследования и применение фотонных микрорезонаторов. Серия Спрингера в оптических науках. 156. Бостон, Массачусетс: Springer США. Дои:10.1007/978-1-4419-1744-7. ISBN 9781441917430.

[Xiaoetal-2] Сяо, Мин; Цзян, Донг и Ян. Соединение микрополостей режима шепчущей галереи с модальным механизмом связывания. Журнал IEEE по квантовой электронике (44.11, ноябрь 2008 г.).

[Caietal-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.).

[:0-4] а ^б Chremmos, I .; Узуноглу, Н. (2010). «Отражающие свойства двухкольцевой резонаторной системы, связанной с волноводом». Письма IEEE Photonics Technology. 17 (10): 2110–2112. Дои:10.1109 / LPT.2005.854346. ISSN 1041-1135.

[IlchenkoandMatsko-5] а ^б Ильченко и Мацко. Оптические резонаторы с режимами шепчущей галереи - Часть II: Применения. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (12.1, январь 2006 г.).

[6] Westerveld, W.J .; Leinders, S.M .; Muilwijk, P.M .; Pozo, J .; van den Dool, T.C .; Verweij, M.D .; Юсефи, М .; Урбах, Х. (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. Дои:10.1109 / JSTQE.2013.2289992.

[osapublishing.org-7] 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 на легированном эрбием с качающейся длиной волны C-диапазона с высокодобротным перестраиваемым резонатором из кремниевого микрокольца с внутренним гребнем», Оптика Экспресс, Vol. 24, Issue 20, pp.22741-22748

[8] Садасиван, Висвас (2014). «Настроенный встроенный кольцевой модулятор QCSE». Журнал технологии световых волн. 32 (1): 107–114. Bibcode:2014JLwT ... 32..107S. Дои:10.1109 / JLT.2013.2289324.

[9] 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 (Оптическое общество Америки, 2003 г.). п. ITuE4. Дои:10.1364 / IPR.2003.ITuE4. ISBN 978-1-55752-751-6.

[10] Ксендзов А., Линь Ю. (2005). «Интегрированные оптические датчики с кольцевым резонатором для обнаружения белков». Опт. Латыш. 30 (24): 3344–3346. Bibcode:2005OptL ... 30,3344K. Дои:10.1364 / ол.30.003344.

[11] Фард, С. Т., Грист, С. М., Донцелла, В., Шмидт, С. А., Флюкигер, Дж., Ван, X., ... и Чунг, К. С. (2013, март). Кремниевые фотонные биосенсоры без этикеток для использования в клинической диагностике. В SPIE OPTO (стр. 862909-862909). Международное общество оптики и фотоники.

[12] К. Д. Вос; И. Бартолоцци; Э. Шахт; П. Бинстман и Р. Бейтс (2007). "Микрокольцевый резонатор кремний-на-изоляторе для чувствительного биодатчика без этикеток". Опт. выражать. 15 (12). С. 7610–7615.

[13] Witzens, J .; Хохберг, М. (2011). «Оптическое обнаружение индуцированной молекулой-мишенью агрегации наночастиц с помощью высокодобротных резонаторов». Оптика Экспресс. 19 (8): 7034–7061. Bibcode:2011OExpr..19.7034W. Дои:10.1364 / OE.19.007034. PMID 21503017.

[14] Lin S .; К. Б. Крозье (2013). «Зондирование с помощью улавливания частиц и белков с использованием встроенных оптических микрополостей». САУ Нано. 7 (2): 1725–1730. Дои:10.1021 / nn305826j. PMID 23311448.

[15] Донцелла В., Шервали А., Флюкигер Дж., Грист С. М., Фард С. Т. и Хростовски Л. (2015). Разработка и изготовление КНИ микрокольцевых резонаторов на основе субволновых решетчатых волноводов. Оптика экспресс, 23 (4), 4791-4803.

[16] Фард, С. Т., Донцелла, В., Шмидт, С. А., Флюкигер, Дж., Грист, С. М., Фард, П. Т., ... и Ратнер, Д. М. (2014). Характеристики ультратонких резонаторов на основе КНИ для измерительных приложений. Оптика экспресс, 22 (12), 14166-14179.

[17] Флюкигер, Дж., Шмидт, С., Донцелла, В., Шервали, А., Ратнер, Д. М., Хростовски, Л., и Чунг, К. С. (2016). Субволновая решетка для улучшенного биосенсора с кольцевым резонатором. Оптика экспресс, 24 (14), 15672-15686.

[BlairandChen-18] Блэр и Чен. Резонансно-усиленный флуоресцентный биосенсор с флуоресцентной волной с цилиндрическими оптическими полостями. Прикладная оптика (40.4, февраль 2001 г.).

[Gotzingeretal-19] Гётцингер; Бенсон и Сандогдар. Влияние острого наконечника волокна на высокодобротные режимы микросферного резонатора. Optics Letters (27 февраля 2002 г.).

[20] 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. Латыш. 21 (23): 27826–27834. arXiv:1204.4922. Bibcode:2013OExpr..2127826E. Дои:10.1364 / OE.21.027826. PMID 24514299.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]