Ring resonator

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 12. december 2019; checks kræver 14 redigeringer .

En ringresonator er en optisk resonator , hvor lys udbreder sig langs en lukket bane i én retning. Volumetriske ringresonatorer består af tre eller flere spejle orienteret således, at lys successivt reflekteres fra hver af dem, hvilket foretager en komplet omdrejning. Den enkleste ringresonator består af to parallelle retlinede bølgeledere og en resonator placeret mellem dem i form af en ringbølgeleder. Ringresonatorer finder bred anvendelse i lasergyroskoper og lasere . I fiberlasere anvendes specielle designs af fiberringresonatorer, som normalt har form af en lukket ringoptisk fiber med WDM-koblere til input af pumpestråling og output af genereret stråling.

Ringresonatorer i lasere
Ordning af en volumenringresonator med tre spejle. Den stiplede linje viser lysets vej i resonatoren.
Konventionel ringresonator indbygget i en fiberlaser. I : pumpestråling. Ud : udgangsstråling. 1 : aktiv fiber. 2 : polarisator. 3 : optisk isolator. 4 WDM hane.
Fiberlaser med en otte-ring resonator. I : pumpestråling. Ud : udgangsstråling. 1 : aktiv fiber. 2 : polarisator. 3 : optisk isolator. 4 WDM hane. 50:50 divider 50/50.
Ringresonator med aktiv medium og elektrisk feltfordeling.

Historie

Udviklingen af fiber og integreret optik har ført til udviklingen af små optiske enheder, filtre, modulatorer , deflektorer osv. På nuværende tidspunkt er konstruktionsprincipperne ret fuldt udviklede og en bred vifte af hybrid-, elektro- og akusto- optiske elementer er blevet skabt. Yderligere udvikling af sammenhængende optik og optiske informationsbehandlingssystemer kræver en overgang til rent optiske lineære og ikke-lineære enheder, som åbner vejen for en betydelig reduktion af enhedernes størrelse, et fald i strømforbruget og en stigning i hastigheden.

Et integreret element i næsten enhver kompleks optisk og mikrobølgeanordning er en resonator. Det er fremskridtene i forbedringen af resonatorer, der ofte førte til opnåelse af kvalitativt nye resultater. Således ville udseendet af masere og lasere have været umuligt uden implementeringen af højkvalitetsresonatorer i mikrobølge- og optiske områder. High-Q resonatorer bruges aktivt til at indsnævre og stabilisere generationslinjen, som filtre og diskriminatorer, i forskellige meget følsomme sensorer og transducere, i metrologi og i præcisionsfysiske eksperimenter.

Resonatorer spiller en væsentlig rolle i disse undersøgelser. Det var ved hjælp af miniature-resonatorer af høj kvalitet i det optiske område, at de ikke-klassiske tilstande af det elektromagnetiske felt for første gang blev demonstreret, og der blev udført imponerende eksperimenter for første gang for at observere virkningerne af interaktionen mellem individuelle fotoner og individuelle atomer. Tæt forbundet med denne retning er applikationer som kvantecomputere og kvantekryptografi, der forårsager aktiv opmærksomhed og forventninger. Et af hovedkravene for at observere kvanteeffekter er at isolere systemet fra den ydre klassiske verden og reducere dissipation i det for at bremse nedbrydningen af tilstande, hvilket betyder en stigning i kvalitetsfaktoren for resonatorer.

Sådan virker det

Driften af en optisk ringresonator er baseret på de samme egenskaber som hviskegalleriet , bortset fra at den bruger lys og er underlagt egenskaberne konstruktiv interferens og total intern refleksion. Når lys med resonansfrekvensen passerer gennem kredsløbet fra inputbølgelederen, akkumuleres dets intensitet over flere cyklusser på grund af konstruktiv interferens og udsendes til outputbølgelederen. Da kun visse resonansbølgelængder udbreder sig i resonatoren, fungerer den optiske resonatorring som et filter. Derudover kan to eller flere ringresonatorer være forbundet til hinanden for at danne et optisk filter.

Total intern refleksion

Lys, der forplanter sig i en optisk ringresonator, forbliver inde i bølgelederen på grund af et fænomen i stråleoptikken kaldet total intern refleksion.

Total intern refleksion er et optisk fænomen, der opstår, når en lysstråle rammer grænsen af et medium i en vinkel, der er større end en kritisk vinkel, og brydningsindekset for mediet, hvori strålen udbreder sig, er større end brydningsindekset for mediet. på den anden side af grænsen.

Interferens

Interferens er den proces, hvorved flere bølger overlejres på hinanden og danner en resulterende bølge med større eller mindre amplitude. Interferens refererer til interaktionen mellem bølger, der er korrelerede eller kohærente med hinanden.

Lyset i resonatoren reflekteres gentagne gange fra spejlene. De reflekterede stråler interfererer, hvilket bevirker, at kun bestemte feltfordelinger ved bestemte frekvenser fastholdes i resonatoren, stråling ved andre frekvenser eller med en anden fordeling undertrykkes af interferens eller hurtigt forlader resonatoren. De fordelinger, der gentages i et helt gennemløb af resonatoren, er de mest stabile og kaldes egenmodes eller resonatortilstande.

Hvis vi antager, at der ikke er absorptionstab, strålingstab i systemet, og resonansbetingelserne er opfyldt, så vil intensiteten af lyset, der forlader ringresonatoren, være lig med intensiteten af det lys, der tilføres systemet.

Optisk kommunikation (lineære bølgeledere med ringformet)

Når strålen passerer gennem bølgelederen, vil noget af strålingen blive koblet til den optiske ringresonator. Årsagen til dette er fænomenet med et transient felt, der går ud over bølgeledertilstanden i en eksponentielt aftagende radial profil. Med andre ord, hvis ringen og bølgelederen bringes tæt sammen, kan noget lys fra bølgelederen passere ind i ringen.

Optisk kobling påvirkes af afstanden mellem bølgelederen og den optiske resonator, længden af forbindelsen og brydningsindekserne for bølgelederen og resonatoren. Oftest reduceres afstanden mellem bølgelederen og ringresonatoren for at forbedre den optiske kobling.

Optisk vejforskel

Lad der være en kontur, langs hvilken lyset kan forplante sig. Den tid det tager lyset at lave et komplet kredsløb:

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

hvor R er konturens radius, c er lysets hastighed. Den vej, som en stråle, der udbreder sig langs rotationsretningen, vil tage i løbet af denne tid:

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

For en stråle, der udbreder sig modsat rotationsretningen:

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

hvor ν er den lineære hastighed. Så er forskellen mellem stierne i en krydsning:

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

hvor ν = ωR ˂˂ c, ω er vinkelhastigheden, А er konturarealet.

For n omgange:

${\displaystyle \bigtriangleup L={n4A\omega \over c))$ [en]

Resonansfrekvens

Overvejende resonansfrekvenser (bølgelængder) opretholdes i resonatoren, og frekvenserne passerer gennem koblingsområdet ind i en anden retlinet bølgeleder. Overførslen gennemføres således i større eller mindre omfang afhængig af kommunikationsgraden. De resterende bølgelængder passerer uden interaktion. Resonanstilstanden er givet af:

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

hvor n eff er det effektive brydningsindeks, L er omkredsen, R er krumningsradius for ringresonatoren, og m er et heltal. [2]

Karakteristika

Kvalitetsfaktor

Kvalitetsfaktoren er en parameter for et oscillerende system, der bestemmer bredden af resonansen og karakteriserer, hvor mange gange energireserverne i systemet er større end energitabene i én svingningscyklus.

Kvalitetsfaktoren for en resonator er antallet af feltoscillationer, før den cirkulerende energi er opbrugt til mindre end den oprindelige energi. For at bestemme kvalitetsfaktoren exciteres mikroresonatoren til et vist niveau, og niveauet af effektnedbrydning tages i betragtning. Det er vigtigt at bemærke, at kvalitetsfaktoren kan læsses og losses. En ubelastet kvalitetsfaktor opstår, når resonatoren ikke er koblet til bølgelederne. Når den er forbundet til en bølgeleder, indføres yderligere tab i resonatoren. $1/e$

Egne mods. Frekvens

Egentilstande er beskrevet ved hjælp af de tre parametre l , m og q , som bruges til henholdsvis den polære, azimut- og radiale tilstand. 2l angiver antallet af maksima i azimutretningen, og l–m+1 bruges til at beregne antallet af maksima i den polære retning . Modenummeret q bestemmer maksima i radial retning. Ud fra parameterforholdene ovenfor kan det ses, at den fundamentale tilstand er beskrevet som q = 1 og l = m , hvor l og m er meget store tal. Modes med q > 1 er dybere i resonatoren. [3]

Modevalg

I betragtning af multimode modellen kan det påvises, at der vil opstå stærk konkurrence mellem forskellige modes i systemet. Som følge heraf dæmpes nogle tilstande, mens andre tværtimod forstærkes.

Resonator stabilitet

Stabile resonatorer omfatter dem, hvor strålen efter refleksion forbliver i et begrænset volumen nær resonatorens akse, ellers er resonatorerne ustabile.

Materialer

Resonatorer er lavet af krystallinske materialer. da sådanne materialer typisk har signifikant dobbeltbrydning, er der ingen krydstale mellem tilstande med TE- og TM-polariseringer. [fire]

Nogle eksempler på sådanne materialer: kvarts, CaF2 , MnF2 .

Ansøgning

Ringresonatorer er meget udbredt inden for mange teknologiområder: på mange militærfly, skibe, ubåde, ballistiske missiler, kampvogne, torpedoer, alle rumraketter, på moderne civile fly (autopiloter), skibe osv.

Der er også andre anvendelser af gyroskoper: robotteknologi, medicin, lasere, lasergyroskoper, vinkelhastighedssensor, bilindustrien samt forskellige forbrugerapplikationer.

Se også

Litteratur

Zvelto O. Principles of Lasers = Principles of Lasers. - 3. udg. — M .: Mir, 1990. — 558 s. — ISBN 5-03-001053-X .
Agrawal GP Lightwave-teknologi: komponenter og enheder. - Wiley-IEEE, 2004. - 427 s. — ISBN 9780471215738 .
Agrawal GP Anvendelser af ikke-lineær fiberoptik. — 2. udg. - Academic Press, 2008. - Vol. 10. - 508 s. - (Optik og Photonis-serien). — ISBN 9780123743022 .
W. Liang., et al. Resonant mikrofotonisk gyroskop // Optica Vol. 4, nr. 1. 2017. R. 114 - 117.
V. Vukmirica. Interferometrisk fiberoptisk gyroskop: Funktionsprincip og bestemmelse af grundlæggende parametre // Scientific Technical Review, Vol.LVIII.No.3-4. 2008.
Schwefel HGL, Whispering Gallery Mode Resonators, Institute for Optics, Information and Photonics, University of Erlangen-Nuremberg, Mar. 25. (2014) - i øjeblikket ikke udgivet.
V.Sh. Berikashvili, N.T. Klyuchnik, M.Ya. Yakovlev. Elektro-optiske modulatorer og filtre baseret på ringmikroresonatorer til fiberoptiske kommunikationssystemer // teknologi og design i elektronisk udstyr nr. 4. 2011. P. 3 - 9.