一种获取微谐振腔品质因子的方法转让专利
申请号 : CN201911104458.0
文献号 : CN110823530B
文献日 : 2021-04-27
发明人 : 刘晓平 , 张笑裴 , 吕海斌
申请人 : 南京大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种获取微谐振腔品质因子的方法,其特征在于,具体步骤包括:S1、将扫频激光分为两路,第一路光为参考光,第二路光耦合入微谐振腔,并采集微谐振腔的背反射信号光,所得背反射信号光与参考光在耦合器中发生拍频干涉,获取谐振光叠加的拍频干涉信号;
S2、对谐振光叠加的拍频干涉信号施加窗口傅里叶变换,获取微谐振腔在距离域上的功率衰减信号;
S3、对功率衰减信号进行线性拟合,获取微谐振腔的功率衰减因子;
S4、根据步骤S3的功率衰减因子,获取微谐振腔品质因子。
2.根据权利要求1所述的一种获取微谐振腔品质因子的方法,其特征在于,所述步骤S1中,第一路光直接送入耦合器作为参考光;第二路光通过环形器后进入微腔耦合器件,微腔耦合器件将第二路光耦合到微谐振腔中,并接收来自于微谐振腔的背反射信号光,然后将背反射信号光送回环形器,所述环形器将背反射信号光送入所述耦合器,在耦合器中参考光与背反射信号光发生拍频干涉并产生拍频干涉信号,拍频干涉信号由数据采集卡接收;
其中,参考光的光强表示为:
背反射信号光的光强表示为:
Es(t)表示背反射信号光的光强,E0表示初始扫频激光的光强, 为初始相位项,Eref(t)表示参考光的光强,βr(z)表示微谐振腔内瑞利散射的系数,α表示功率衰减因子,z表示微谐振腔内的光的传播距离, 为背反射信号光的相位项;
拍频干涉信号的功率I(t)表示为:I(t)∝|Eref(t)+Es(t)|2功率I(t)包含了多个谐振态的背反射信号光,为谐振光叠加的拍频干涉信号。
3.根据权利要求1所述的一种获取微谐振腔品质因子的方法,其特征在于,所述步骤S1中,扫频激光的光频率范围Δv应满足:Δv≥n*FSR,2≤n≤100
其中,FSR表示微谐振腔的自由波谱范围。
4.根据权利要求1所述一种获取微谐振腔品质因子的方法,其特征在于,所述步骤S2中,截取谐振光叠加的拍频干涉信号中的微谐振腔谐振部分[f1~f2],施加窗口傅里叶变换,其中f1为微谐振腔的谐振初始频率,f2为微谐振腔的谐振末尾频率;频率f1和f2满足条件:
f2=f1+2*δv
其中δv是微谐振腔在该谐振态下的谐振峰半高宽。
5.根据权利要求4所述一种获取微谐振腔品质因子的方法,其特征在于,拍频干涉信号中不位于[f1~f2]范围的部分为非谐振部分,不能对其施加傅里叶变换;判断非谐振部分的方法是:对谐振光叠加的拍频干涉信号进行频谱分析,非谐振部分的波形,其频率基本一致且低于微谐振腔谐振部分,然后对应非谐振部分和微谐振腔谐振部分的横坐标频率差异,将二者进行区分。
6.根据权利要求1所述一种获取微谐振腔品质因子的方法,其特征在于,所述步骤S3中,截取功率衰减信号中的微谐振腔环绕部分[D1~D2]进行线性拟合,D1为微谐振腔的入射光初始距离点,D2为微谐振腔的入射光末尾距离点;线性拟合的方式为一次系数拟合:其中ΔR(D1~D2)是微谐振腔环绕部分中功率衰减信号的幅值变化,ΔX(D1~D2)是微谐振腔环绕部分中功率衰减信号的距离变化;拟合之后即可提取功率衰减因子α。
7.根据权利要求6所述一种获取微谐振腔品质因子的方法,其特征在于,微谐振腔环绕部分[D1~D2]的判断方法是:首先判断距离点D2的坐标位置,对于到达距离点D2位置的微谐振腔环绕光,其功率已经衰减至本底噪声处,该坐标位置及以后的信号功率没有明显波动;
在距离点D2位置之前,呈现线性变化的功率衰减信号,直至距离点D1位置;距离点D1位置处有较为明显的反射峰,是入射光初始进入微谐振腔时,由于介质的折射率差异导致。
8.根据权利要求1所述一种获取微谐振腔品质因子的方法,其特征在于,所述步骤S4中,根据已经计算得出的功率衰减因子α,按照如下公式确定微谐振腔品质因子:其中Q表示微谐振腔品质因子,n为微谐振腔的折射率,λ为微谐振腔的谐振中心波长。
说明书 :
一种获取微谐振腔品质因子的方法
技术领域
背景技术
用。但是,常规光学共振腔的某些特性极大地限制了它的使用范围,比如尺寸、重量、对准难
度以及稳定性问题等等。为了解决以上这些问题,近些年来人们着力发展了集成微谐振腔,
包含集成微谐振腔的理论研究、制备加工、性能测试以及相关应用。
质因子,但是这种透射式总体测量会带来一个很大的缺点,就是当片上有不可避免的串联
的损耗或干扰时,得到的是一个总体值。普通的透射测量只能是混合式测量,无法定位提取
内部某一处的品质因子。
发明内容
振光叠加的拍频干涉信号;
附图说明
具体实施方式
振光叠加的拍频干涉信号。
然后将背反射信号光送回环形器,所述环形器将背反射信号光送入所述耦合器,在耦合器
中参考光与背反射信号光发生拍频干涉并产生拍频干涉信号,拍频干涉信号由数据采集卡
接收;
子,z表示微谐振腔内的光的传播距离, 为背反射信号光的相位项;
足条件:
的波形,其频率基本一致且低于微谐振腔谐振部分,然后对应非谐振部分和微谐振腔谐振
部分的横坐标频率差异,将二者进行区分。
合:
后的信号功率没有明显波动;在距离点D2位置之前,呈现线性变化的功率衰减信号,直至距
离点D1位置;距离点D1位置处有较为明显的反射峰,是入射光初始进入微谐振腔时,由于介
质的折射率差异导致。
激光产生和分束模块2和微腔耦合与背反射接收模块3进行了内部展示。现结合内部具体装
置对本发明的操作方法进行阐述。
耦合器件9耦合入被测微谐振腔10;微谐振腔10产生的背反射信号光,先通过微腔耦合器件
9原路返回至环形器8,再通过环形器8送入拍频干涉模块4;在拍频干涉模块4中,背反射信
号光与参考光发生拍频干涉,拍频干涉信号由信号处理模块5获取,并进行数据处理和公式
计算。
所示,被测微谐振腔的拍频干涉信号存在着等波长间隔的峰,这些峰对应着被测微谐振腔
的周期性的谐振峰。可以明显看出,大部分的拍频干涉信号并不处于微谐振腔的谐振状态,
这也和一般高Q的微谐振腔性质相一致。只有在如图4所示的微谐振腔谐振部分,比如从f1
=1533.01nm到f2=1533.07nm的部分,激光才会耦合入微谐振腔发生共振。所以,应当截取
拍频干涉信号中的微谐振腔谐振部分[f1~f2]施加傅里叶变换。拍频干涉信号中不位于[f1
~f2]的部分为非谐振部分,如果直接对所有信号进行变换,则结果会如图5所示,在耦合区
域(4.5m-6m),信号会有较大的噪声,对于Q值计算会有很大的误差。当然,如果从另一角度
分析,由于越大的扫频范围会对应越高的空间灵敏度,所以,在计算系统其它位置处的损耗
信息时,如果这些位置不具备像微谐振腔这样的波长选择性,就可以使用这种方法,来针对
性地诊断链路其它部分的光学特征。
输入位置,可以观测到一个数值为-55dB的强反射峰,这是光耦合器件与微谐振腔的耦合界
面处的反射信号,以此可作为坐标零点。选取传播距离处于0.5m-3.75m之间作为数据拟合
的样本。根据数据拟合,得出功率衰减因子为7.62dB/m。拟合得出被测微谐振腔的Q值为
3.85*106;当谐振光的传播距离大于3.75m时,此处的微谐振腔环绕光随着功率的不断衰
减,其信号最终混入探测系统的本底噪声(-110dB)之中。
说明起始耦合输入光的强度是一样的。但是随着传播的距离增加,品质因子越低的微谐振
腔,光在其中传播的损耗越大,而品质因子高的微谐振腔,光可以传播更远的距离,直到功
率强度混入系统噪声之中。图中测得的3个微谐振腔a、b、c,其功率衰减因子分别为6.80dB/
m、9.15dB/m和19.2dB/m,对应品质因子Q分别为3.81*106、2.82*106和1.34*106。
估算被测微谐振腔的品质因子,对应品质因子Q分别为3.79*106、2.80*106和1.35*106。比较
图7和图8的结果可知,常规的计算结果与使用本发明装置得到的结果基本一致。这说明了
本发明方法和装置的计算结果是精确的。但是本发明相对于传统的透射测量方法,其优势
在于,只需要一端输入,即可精确、便捷地获得微谐振腔的品质因子。