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基于光学微腔模式劈裂的角速率测量方法
杨照华1, 韩晓伟1, 杨旭2    
1. 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100191;
2. 清华大学 低维量子物理国家重点实验室, 北京 100084
摘要:传统的光学谐振陀螺(ROG)把背向散射作为重要误差源之一,须尽量抑制其影响.在光学谐振腔的品质因数极高时,背散光得到足够的增强,不能再被简单地视为噪声.背向散射会引发模式劈裂,所形成的劈裂模谐振频率会随腔体旋转角速率发生变化.结合Sagnac效应,修正有源光学谐振腔模式劈裂传感原理的数学模型,推导出腔体旋转角速率与劈裂值的映射关系式.通过仿真分析不同掺杂增益系数以及不同光纤锥耦合强度下的反射谱线,发现谐振腔工作在欠耦合区域更适合角速率测量.掺杂增益介质可以提高品质因数,减小谐振峰线宽,使得模式劈裂谱线更容易观测.理论与计算机仿真分析表明品质因数为108的光学微腔测量分辨率可达10-6(°)/s,所提出的角速率敏感机制很有应用前景.
关键词光学谐振腔     Sagnac效应     角速率测量     背向散射     模式劈裂    
Angular rate sensing based on mode splitting in an optical microresonator
YANG Zhaohua1, HAN Xiaowei1, YANG Xu2     
1. School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China;
2. State Key Laboratory of Low-dimensional Quantum Physics, Tsinghua University, Beijing 100084, China
Abstract:Backscattering has been treated as one of the major error sources in resonant optic gyroscopes (ROG) in a traditional way, which has to be restrained. A microresonator with ultra-high quality factor can greatly enhance the backscattering light. As a result, it cannot be deemed as a disturbance noise anymore. Coupling of the scattering light and the original propagating light can induce mode splitting. The frequencies of the split modes change along with the angular rotation rate of the microresonator. Considering the Sagnac effect, the model that describes mode splitting in an active optical microresonator was modified and the explicit expression of angular rotation rate versus the splitting amount was derived. The resonator is preferred to work in the under-coupling regime by monitoring the reflection spectra at several excitation levels and taper fiber coupling conditions. Optical gain of the active medium can be utilized to manipulate the splitting profiles and to narrow the line widths, which helps the rate measurement. Theoretical analysis and simulation results show that the resolving power can reach 10-6 (°)/s in a microresonator with a quality factor of 108, providing a promising angular rate sensing mechanism.
Key words: optical resonators     Sagnac effect     angular rate measurement     backscattering     mode splitting    

回音壁式光学微腔具有低模式体积、高品质因数和可集成的特点,在基础物理及应用领域得到了广泛关注[1, 2].微腔内可同时存在一对频率上简并的行波模,分别沿顺时针(Clock Wise,CW)及逆时针(Counter-Clock Wise,CCW)方向传播.亚波长散射源会引发该简并模互相耦合,2个腔模借助散射发生以光子为中介的能量交换.该耦合达到一定强度后,简并解除,腔内出现2个正交的驻波模.相应地反射谱或透射谱上单谐振峰劈裂为2个独立的谐振峰,称之为模式劈裂[3].模式劈裂已经应用于生物医学传感领域,用来检测病毒或大分子[4, 5].腔体旋转同样可以解除CW和CCW模的频率简并,也就是Sagnac效应[6].Sagnac效应描述旋转引起的光谐振频率的变化.模式劈裂反映散射源导致的腔内光场能量的重新分布及2个行波模叠加生成驻波模.腔体旋转会影响模式劈裂的频谱分布.

早期模式劈裂辅助角速率测量的研究主要集中在劈裂所导致的高度色散特性,实现模式劈裂的结构是耦合谐振腔(Coupled-Resonator Optical Waveguide,CROW).Smith等论证了该结构的类电磁诱导透明效应及其在谐振频率处的高色散、低损耗性质[7, 8].Matsko等提出了一种类似的结构,借助其慢光特性来提高角速率测量的灵敏度[9, 10].Peng等分析了一种非定向的耦合谐振腔结构,Saganc效应在该结构中得到明显增强[11, 12].上述工作重点分析的是耦合腔的色散性质,模式劈裂被视为实现高色散或慢光的方法.然而色散能否提高角速率测量的灵敏度一直存在争议,Terrel等称耦合谐振腔慢光陀螺在提高灵敏度方面毫无优势[13].

单谐振腔内散射源所引发的模式劈裂应用于角速率测量的研究还处于初步阶段.一方面,劈裂所导致的色散对Sagnac效应的影响引起了研究者的广泛关注;另一方面,Sagnac效应对模式劈裂本身的影响,如劈裂值大小、2个劈裂模的线宽是否会随着腔体旋转角速率的大小发生变化,仍需进一步探索.生物医学传感中,大分子检测的方法有2种:其一基于模式漂移(mode shift)[14],另一种基于模式劈裂(mode splitting)[4, 5].角速率的测量同样可以通过这2种方法实现.

与目前的光学谐振陀螺相比,基于模式劈裂的角速率测量方法把背散光视为有用信号,而非噪声.该方法关键在于其足够高的品质因数,从而使得腔内背散光得到足够的增强.

1 单谐振腔的模式劈裂现象 1.1 静态腔模式劈裂简介

光从光密向光疏介质入射且入射角足够大时,在介质表面发生全反射.回音壁式谐振腔通过腔体内部连续全反射的方式存储光,光被囚禁在腔内保持稳定的行波传输模式.模式劈裂在理想的光学微腔内并不存在,然而由于腔体本身的不完美,如材料非同质、结构缺陷、表面瑕疵等不可避免,当光入射到这些缺陷上时就可能引起Rayleigh散射.在依赖介质构成腔体的光学腔中,Rayleigh散射是一种常见的散射机制,其特点是散射光保持与原入射光相同的频率,仍满足谐振条件.散射光与入射光发生以光子为中介的能量交换,称为模式耦合.模式耦合使得光场重新分布,其结果是腔内出现2个正交的驻波模,分别称为对称模(Symmetric Mode,SM)和非对称模(Asymmetric Mode,ASM).在频率上重叠的2个模式(CW与CCW模)出现频率分解,原来的一个回音壁模式劈裂为2个新模式(SM和ASM),称为模式劈裂.实验测量的模式劈裂透射谱如图 1所示.

图 1 实验测量的模式劈裂透射谱Fig. 1 Experimentally obtained splitting transmission spectrum

模式劈裂现象可以用费马原理解释.费马原理也称为平稳时间原理:光沿着所需时间为平稳的路径传播,即光传播的路径是需时最短或最长的路径.微腔本是旋转对称的,散射源将破坏对称性.2个驻波模在腔内排布时,散射源就成了唯一的参考基准.SM选择需时最长的路径,ASM选择需时最短的路径;散射源位于SM的波腹,位于ASM的波节.相对于原简并模式而言,SM将因散射源的作用出现谐振峰的漂移及谐振线宽的增加;而ASM因散射源位于其波节处而不受影响,仍保持简并解除前的谐振频率.2个驻波模相对于散射源位置的场分布如图 2所示.

图 2 2个驻波模相对于散射源位置的场分布Fig. 2 Field distribution of two standing wave modes relative to position of scattering source
1.2 旋转腔模式劈裂分析

模式劈裂发生后,在透射谱或反射谱上观察到的是SM和ASM 2个驻波模,而非CW与CCW 2个行波模.讨论腔体旋转导致的这2个驻波模谐振频率的变化,这是与Sagnac效应有区别的地方,Sagnac效应描述的是CW和CCW模光谐振频率的变化.

散射不仅仅是重分布腔内光场,同时还造成部分回音壁模耦合到辐射模,导致散射损耗.采用光纤锥来激励和输出腔内的回音壁模式,光纤锥耦合谐振腔系统示意图如图 3所示.

k0—谐振腔固有损耗系数(材料吸收及辐射耗散); kex—光纤锥耦合引入的损耗系数; ξ—掺杂增益系数;g—模式耦合系数; Γ—散射导致的损耗系数; aincw—顺时针方向的输入场强; aoutccw—逆时针方向的输出场强.图 3 光纤锥耦合谐振腔系统示意图Fig. 3 Illustration of fiber taper coupled microresonator

在品质因数极高的光学微腔中,2个简并模之间的互相散射是主要的散射过程,可以用耦合谐振子模型描述[3].假设光从顺时针方向输入,背向散射光主要从逆时针方向生成,则描述散射的动力学方程为[15]

反射光场为

式中:β=Γ+k0+kex-ξ,定义为谐振腔的有效损耗系数;ωc为简并解除前的谐振频率;acwaccw为CW及CCW模的场强.

假设光学微腔半径为R,旋转角速率为Ω,顺逆时针光绕行一周后的角频率差为

式中:neff为腔体介质的有效折射率;c为真空光速.光绕行一周的时间为τR=2πRneff/c,则单位时间内频率差为

顺时针光(或逆时针光)的频率变化量为

假设旋转方向为逆时针,考虑腔体旋转带来的谐振频率变化,式(1)和式(2)修正为

以反射谱为研究对象,振幅反射系数为

式中:Δω=ω-ωc表示入射频率与简并解除前谐振频率的差,即失谐量.功率反射系数定义为Re=r2.

为了获得SM和ASM各自的谐振频率,最直观的方法是找反射系数导数为零的点.这里用求特征值的方法,特征值的实部表示谐振模的损耗系数,虚部表示谐振频率.式(7)和式(8)的矩阵表述为

其对角标准型为

式中:本征模aSMaASM表示SM与ASM的场强.二者互相正交,说明2个劈裂模之间无能量传递.光场重新分布的效果是使谐振腔因散射所导致的损耗达到最小.λSMλASM表示SM和ASM这2个驻波模的本征值,其大小为

本征值包含了所对应腔模的谐振频率及损耗的信息:

式中:是为简化表达式而定义的变量;Im(·)与Re(·)分别对应取虚部与取实部运算;ωSMωASM分别为SM与ASM的谐振频率;kSMkASM分别为SM与ASM的损耗系数.

静态腔中,式(14)~式(17)式简化为

可见,散射粒子带来的额外损耗对ASM无影响,对SM有影响,这与图 2所示2个模的场分布相对应.劈裂值定义为反射谱(或透射谱)2个谐振峰之间的距离,大小为δ=ωASMωSM.静态腔中劈裂值大小为δ0=2g.式(14)与式(15)相减,得到劈裂值与角速率的对应表达式:

从式(16)和式(17)可知,谐振腔总体损耗kSM+kASM不受腔体旋转的影响,但是旋转会影响单个腔模(SM或ASM)的损耗系数,从而改变这2个模式的线宽.式(16)与式(17)相减,得到SM与ASM的线宽差与角速率的对应表达式:

式中:Δγ=kSMkASM,表示SM与ASM的线宽差;Δγ0=2Γ,表示腔体静止时线宽差.目前腔线宽差的获取是采用曲线拟合的方法[4, 5].对输入光进行扫频,测量不同频率点处的反射光强(或透射光强),再对所测得的这些离散点进行拟合,获得完整的反射谱(或透射谱)数据,进而得到线宽差.数据拟合方法不同,会对测量的准确性造成一定的影响.通过测量劈裂值来解算角速率,测量的是谐振峰的位置,可以借鉴现有的光学谐振陀螺的检测方法,如通过频率调制的方法进行测量,这样则不需要进行曲线拟合.

2 仿真分析

由文献[15]可知,静态腔模式劈裂的条件是2g>Γ+k0+kex-ξ.若散射过程不带来额外损耗(Γ=0),即所有散射光都满足谐振条件而不辐射到腔外空间,则腔体旋转时该条件变为>k0+kexξ.对光学微腔的某一个模式而言,k0Γg均为常数.耦合系数kex可通过改变光纤锥与微腔的距离调节,ξ可通过改变掺杂增益的密度等方式调节,因此重点分析这2个参数的影响.在用光纤锥耦合微腔进行探测时,观察与入射光相反方向是否有返回的光,可以来确认散射光是否存在,因此仿真时选择反射谱为研究对象.为满足模式劈裂的条件,设置k0=2×107Hz,g=-k0,Γ=0.01k0,有效折射率neff=1.3,简并解除前的谐振波长为780nm.2种增益系数(无掺杂ξ=0,有掺杂且系数ξ=k0)下,微腔处于3种耦合区域(欠耦合kex<k0,临界耦合kex=k0,过耦合kex>k0)时,几个腔体旋转角速率下的反射谱如图 4所示.

图 4 微腔处于不同工作区域时,几个腔体旋转角速率下的反射谱Fig. 4 Calculated reflection spectra as a function of the normalized frequency detuning for several performing regimes at different angular rates

欠耦合情况如图 4(a)和图 4(b)所示,谐振腔的总体损耗主要取决于固有损耗,掺杂增益的补偿效果明显.随着掺杂增益系数ξ的增加,模式劈裂现象越来越明显.若增益完全补偿模式的损耗,反射谱呈现2个尖峰,谐振腔输出频率相近的两束激光.这两束激光混合后生成拍频信号,且拍频刚好等于劈裂值[16].对该信号进行傅里叶变换获得拍频,可推算出腔体旋转角速率.散射损耗远小于固有损耗时,SM与ASM的损耗系数几乎相等(kSMkASM).相应地,反射谱的双谐振峰幅值及线宽几乎相等(见图 4(a)中Ω=0的谱线).腔体旋转会增加SM的损耗,减少ASM的损耗,从而破坏谱线的对称性.与临界耦合及过耦合相比,欠耦合区域2个劈裂模的损耗较小,线宽较窄,有利于角速率的测量.图 4(b)清晰地表示出了旋转导致的劈裂值变化.

临界耦合情况如图 4(c)和图 4(d)所示,kex越大,腔内模式的有效损耗越大.相对于欠耦合而言,临界耦合条件下模式劈裂条件的满足要求更高的掺杂增益系数.在相同增益条件下,临界耦合区域谐振峰的线宽要大于欠耦合区域的,易导致2个谐振峰在频谱上的重叠,不利于测量.

过耦合情况如图 4(e)和图 4(f)所示,单位时间内从光纤锥耦合进微腔的光能量要小于从微腔耦合到光纤锥的光能量,很难观测到模式劈裂现象.

光纤锥的主要作用是激励腔内的回音壁模式.耦合系数kex会增加腔的损耗,降低品质因数,不利于角速率的测量.从以上分析得知,谐振腔工作在欠耦合区域更适合角速率测量.

另一个会对测量造成影响的参数是腔内散射光与入射光的耦合系数g.根据文献[17]所述,g与2个因素有关:其一是谐振腔,其二是散射源.腔的品质因数变化或模式体积变化会导致不同大小的耦合系数;散射粒子的折射率变化或体积变化也会导致不同的耦合系数.概括地讲,2个谐振腔会提供2个不同数值的耦合系数g,进而导致旋转角速率相同时,2个谐振腔的劈裂值大小有异.图 5为耦合系数g对旋转角速率与劈裂值映射曲线的影响.计算参数为Γ=0.01k0,neff=1.3,谐振波长为780nm.仿真表明,静态时劈裂值较小的微腔更适合角速率测量.

图 5 旋转角速率与劈裂值的对应曲线Fig. 5 Calculated results of angular rate vs amount of splitting
3 结 论

1) 光纤锥激励腔内回音壁模式的同时,为腔内光场提供了一个能量泄漏通道,从而降低了腔的品质因数.对比欠耦合、临界耦合、过耦合3种耦合状态下的反射谱线,发现欠耦合更适合角速率测量.

2) 掺杂增益介质可补偿模式的损耗,提高品质因数,减小谐振峰线宽.

3) 仿真发现静态时劈裂值较小的微腔更有利于角速率测量.

利用模式劈裂的传感机制,计算机仿真分析表明品质因数为108的光学微腔角速率测量分辨率高达10-6(°)/s,预计利用该方法制成的微光学谐振陀螺在低成本、中等精度需求的角速度测量中具有重要的应用价值.

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http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0329
北京航空航天大学主办。
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文章信息

杨照华, 韩晓伟, 杨旭
YANG Zhaohua, HAN Xiaowei, YANG Xu
基于光学微腔模式劈裂的角速率测量方法
Angular rate sensing based on mode splitting in an optical microresonator
北京航空航天大学学报, 2015, 41(5): 770-775
Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronsutics, 2015, 41(5): 770-775.
http://dx.doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2014.0329

文章历史

收稿日期:2014-06-06
录用日期:2014-07-25
网络出版日期:2014-09-18

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