Ringresonator

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 12 december 2019; kontroller kräver 14 redigeringar .

En ringresonator är en optisk resonator i vilken ljus utbreder sig längs en sluten bana i en riktning. Volumetriska ringresonatorer består av tre eller flera speglar orienterade så att ljus successivt reflekteras från var och en av dem, vilket gör ett fullständigt varv. Den enklaste ringresonatorn består av två parallella rätlinjiga vågledare och en resonator placerad mellan dem i form av en ringvågledare. Ringresonatorer finner bred användning i lasergyroskop och lasrar . I fiberlasrar används speciella konstruktioner av fiberringresonatorer, vanligtvis i form av en optisk fiber sluten i en ring med WDM-kopplare för inmatning av pumpstrålning och utmatning av genererad strålning.

Ringresonatorer i lasrar
Schema för en volymringresonator med tre speglar. Den streckade linjen visar ljusets väg i resonatorn.
Konventionell ringresonator inbyggd i en fiberlaser. I : pumpstrålning. Ut : utstrålning. 1 : aktiv fiber. 2 : polarisator. 3 : optisk isolator. 4 WDM kran.
Fiberlaser med en åtta-ringresonator. I : pumpstrålning. Ut : utstrålning. 1 : aktiv fiber. 2 : polarisator. 3 : optisk isolator. 4 WDM kran. 50:50 avdelare 50/50.
Ringresonator med aktiv medium och elektrisk fältfördelning.

Historik

Utvecklingen av fiber och integrerad optik har lett till utvecklingen av små optiska enheter, filter, modulatorer , deflektorer, etc. För närvarande är konstruktionsprinciperna ganska fullt utvecklade och ett brett utbud av hybrid-, elektro- och akusto- optiska element har skapats. Ytterligare utveckling av koherent optik och optiska informationsbehandlingssystem kräver en övergång till rent optiska linjära och olinjära enheter, vilket öppnar vägen för en betydande minskning av storleken på enheter, en minskning av energiförbrukningen och en ökning av hastigheten.

En integrerad del av nästan alla komplexa optiska enheter och mikrovågsenheter är en resonator. Det är framstegen i förbättringen av resonatorer som ofta ledde till uppnåendet av kvalitativt nya resultat. Sålunda skulle utseendet av masrar och lasrar ha varit omöjligt utan implementeringen av högkvalitativa resonatorer i mikrovågsområdet och det optiska området. High-Q-resonatorer används aktivt för att avsmalna och stabilisera generationslinjen, som filter och diskriminatorer, i olika mycket känsliga sensorer och givare, i metrologi och i fysikaliska precisionsexperiment.

Resonatorer spelar en viktig roll i dessa studier. Det var med hjälp av miniatyrresonatorer av hög kvalitet i det optiska området som det elektromagnetiska fältets icke-klassiska tillstånd först demonstrerades och imponerande experiment genomfördes för första gången för att observera effekterna av interaktionen mellan enskilda fotoner och individuella atomer. Nära besläktade med denna riktning är applikationer som kvantdatorer och kvantkryptografi som orsakar aktiv uppmärksamhet och förväntningar. Ett av huvudkraven för att observera kvanteffekter är att isolera systemet från den yttre klassiska världen och minska förlusten i den för att bromsa förfallet av tillstånd, vilket innebär en ökning av kvalitetsfaktorn för resonatorer.

Hur det fungerar

Funktionen av en optisk ringresonator är baserad på samma egenskaper som viskgalleriet , förutom att den använder ljus och är föremål för egenskaperna konstruktiv interferens och total intern reflektion. När ljus med resonansfrekvensen passerar genom kretsen från den ingående vågledaren, ackumuleras dess intensitet under flera cykler på grund av konstruktiv interferens och matas ut till den utgående vågledaren. Eftersom endast vissa resonansvåglängder utbreder sig i resonatorn, fungerar den optiska resonatorringen som ett filter. Dessutom kan två eller flera ringresonatorer vara anslutna till varandra för att bilda ett optiskt filter.

Total intern reflektion

Ljus som utbreder sig i en optisk ringresonator förblir inuti vågledaren på grund av ett fenomen i stråloptik som kallas total intern reflektion.

Total intern reflektion är ett optiskt fenomen som uppstår när en ljusstråle träffar gränsen för ett medium i en vinkel som är större än någon kritisk vinkel, och brytningsindexet för mediet där strålen utbreder sig är större än mediets brytningsindex. på andra sidan gränsen.

Interferens

Interferens är den process genom vilken flera vågor överlagras på varandra och bildar en resulterande våg med större eller mindre amplitud. Interferens hänvisar till interaktionen av vågor som är korrelerade eller koherenta med varandra.

Ljuset i resonatorn reflekteras upprepade gånger från speglarna. De reflekterade strålarna interfererar, vilket gör att endast vissa fältfördelningar vid vissa frekvenser bibehålls i resonatorn, strålning vid andra frekvenser eller med en annan fördelning undertrycks av interferens eller snabbt lämnar resonatorn. Fördelningarna som upprepas i ett helt pass av resonatorn är de mest stabila och kallas egenmoder eller resonatormoder.

Om vi antar att det inte finns några absorptionsförluster, strålningsförluster i systemet och att resonansvillkoret är uppfyllt, kommer intensiteten av ljuset som lämnar ringresonatorn att vara lika med intensiteten av ljuset som tillförs systemet.

Optisk kommunikation (linjära vågledare med ringformiga)

När strålen passerar genom vågledaren kommer en del av strålningen att kopplas till den optiska ringresonatorn. Anledningen till detta är fenomenet med ett transientfält som går bortom vågledarmoden i en exponentiellt minskande radiell profil. Med andra ord, om ringen och vågledaren förs nära varandra kan en del ljus från vågledaren passera in i ringen.

Optisk koppling påverkas av avståndet mellan vågledaren och den optiska resonatorn, längden på länken och brytningsindexen för vågledaren och resonatorn. Oftast, för att förbättra den optiska kopplingen, reduceras avståndet mellan vågledaren och ringresonatorn.

Optisk vägskillnad

Låt det finnas en kontur längs vilken ljus kan fortplanta sig. Tiden det tar för ljuset att göra en komplett krets:

${\displaystyle T={2\pi R\over c))$

där R är konturens radie, c är ljusets hastighet. Vägen som en stråle som utbreder sig längs rotationsriktningen kommer att ta under denna tid:

$L_{cw}=2\pi R+\nu T$

För en stråle som utbreder sig motsatt rotationsriktningen:

$L_{ccw}=2\pi R-\nu T$ ,

där ν är den linjära hastigheten. Då är skillnaden mellan banorna i en genomgång:

${\displaystyle \bigtriangleup L={4\pi R\nu \over c}={4A\omega \over c))$

där ν = ωR ˂˂ c, ω är vinkelhastigheten, А är konturarean.

För n varv:

${\displaystyle \bigtriangleup L={n4A\omega \över c))$ [ett]

Resonansfrekvens

Övervägande resonansfrekvenser (våglängder) bibehålls i resonatorn, och frekvenserna passerar genom kopplingsområdet in i en annan rätlinjig vågledare. Överlåtelsen genomförs således i större eller mindre utsträckning beroende på graden av kommunikation. De återstående våglängderna passerar utan interaktion. Resonansvillkoret ges av:

$\lambda _{res}={n_{eff}L \over m}={n_{eff}2\pi R \over m},m=1,2,3,...$

där n eff är det effektiva brytningsindexet, L är omkretsen, R är krökningsradien för ringresonatorn och m är ett heltal. [2]

Egenskaper

Kvalitetsfaktor

Kvalitetsfaktorn är en parameter för ett oscillerande system som bestämmer resonansens bredd och kännetecknar hur många gånger energireserverna i systemet är större än energiförlusterna i en svängningscykel.

Kvalitetsfaktorn för en resonator är antalet fältsvängningar innan den cirkulerande energin förbrukas till mindre än den ursprungliga energin. För att bestämma kvalitetsfaktorn exciteras mikroresonatorn till en viss nivå och nivån av effektnedbrytning beaktas. Det är viktigt att notera att kvalitetsfaktorn kan lastas och lossas. En obelastad kvalitetsfaktor uppstår när resonatorn inte är kopplad till vågledarna. När den är ansluten till en vågledare införs ytterligare förluster i resonatorn. $1/e$

Egna mods. Frekvens

Egenmoder beskrivs med hjälp av de tre parametrarna l , m och q , som används för de polära, azimut- respektive radiella moderna. 2l anger antalet maxima i azimutriktningen, och l–m+1 används för att beräkna antalet maxima i polarriktningen . Modnumret q bestämmer maxima i radiell riktning. Av parameterförhållandena ovan kan man se att grundmoden beskrivs som q = 1 och l = m , där l och m är mycket stora tal. Lägen med q > 1 är djupare i resonatorn. [3]

Modeval

Med tanke på multimode-modellen kan det visas att stark konkurrens mellan olika lägen kommer att uppstå i systemet. Som ett resultat dämpas vissa lägen, medan andra tvärtom förstärks.

Resonatorstabilitet

Stabila resonatorer inkluderar de där strålen efter reflektion förblir i en begränsad volym nära resonatorns axel, annars är resonatorerna instabila.

Material

Resonatorer är gjorda av kristallina material. eftersom sådana material typiskt har signifikant dubbelbrytning, finns det ingen överhörning mellan moder som har TE- och TM-polarisationer. [fyra]

Några exempel på sådana material: kvarts, CaF 2 , MnF 2 .

Applikation

Ringresonatorer används i stor utsträckning inom många teknikområden: på många militära flygplan, fartyg, ubåtar, ballistiska missiler, stridsvagnar, torpeder, alla rymdraketer, på moderna civila flygplan (autopiloter), fartyg, etc.

Det finns också andra tillämpningar av gyroskop: robotik, medicin, lasrar, lasergyroskop, vinkelhastighetssensor, bilindustrin, såväl som olika konsumenttillämpningar.

Se även

Litteratur

Zvelto O. Principles of Lasers = Principles of Lasers. - 3:e uppl. — M .: Mir, 1990. — 558 sid. — ISBN 5-03-001053-X .
Agrawal GP Lightwave-teknik: komponenter och enheter. - Wiley-IEEE, 2004. - 427 sid. — ISBN 9780471215738 .
Agrawal GP Tillämpningar av olinjär fiberoptik. — 2:a uppl. - Academic Press, 2008. - Vol. 10. - 508 sid. - (Optik och Photonis-serien). — ISBN 9780123743022 .
W. Liang., et al. Resonant mikrofotoniskt gyroskop // Optica Vol. 4, nr. 1. 2017. R. 114 - 117.
V. Vukmirica. Interferometriskt fiberoptiskt gyroskop: Funktionsprincip och bestämning av grundläggande parametrar // Scientific Technical Review, Vol.LVIII.No.3-4. 2008.
Schwefel HGL, Whispering Gallery Mode Resonators, Institutet för optik, information och fotonik, University of Erlangen-Nuremberg, Mar. 25:e (2014) - för närvarande opublicerad.
V.Sh. Berikashvili, N.T. Klyuchnik, M.Ya. Jakovlev. Elektrooptiska modulatorer och filter baserade på ringmikroresonatorer för fiberoptiska kommunikationssystem // teknik och design i elektronisk utrustning nr 4. 2011. P. 3 - 9.

Länkar

Optisk resonator - artikel från Physical Encyclopedia

↑ Herve C. Lefevre. Interferometriskt fiberoptiskt gyroskop // Fiberoptiska sensorer: en kritisk granskning. — SPIE, 1993-01-28. - doi : 10.1117/12.145202 .
↑ Teknik och design i elektronisk utrustning . — Privat Företag, Politehperiodika.
↑ Richard Zeltner, Florian Sedlmeir, Gerd Leuchs, Harald GL Schwefel. Refractometric Sensing with Crystalline MgF2 Whispering Gallery Mode Resonators // Frontiers in Optics 2014. - Washington, DC: OSA, 2014. - ISBN 1-55752-286-3 . - doi : 10.1364/ls.2014.lth3i.5 .
↑ Wei Liang, Vladimir S. Ilchenko, Anatoliy A. Savchenkov, Elijah Dale, Danny Eliyahu. Resonant mikrofotoniskt gyroskop // Optica. — 2017-01-12. - T. 4 , nej. 1 . - S. 114 . — ISSN 2334-2536 . - doi : 10.1364/optica.4.000114 .