不同结构光学微光纤结型谐振器慢光的理论研究

【作者】 徐益平； 任立勇； 马成举； 梁健； 王英利；

【机构】 中科院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室； 中国科学院大学；

【摘要】 在过去的十几年里,慢光(减小光的群速度)因其在通讯网络时域全光信号处理中有着潜在的应用价值,吸引了人们极大的研究兴趣[1,2]。就目前提出的许多产生慢光的方法中,基于波导或光纤的方法,因其具有可与通讯系统兼容等优点,具有更好的应用前景。在平面光学波导上制作的具有小的折射率差的慢光单元中,已经取得了传输损耗小于1dB/m。然而,对于大的时延应用而言,目前这些微型的波导还不能满足实际的应用。这主要是因为当这些波导的弯曲半径小于1cm时,插入损耗变得非常大。虽然具有大的折射率差的平面波导其弯曲半径可达到几毫米,但是由于增加的表面粗糙度引起的大的传输损耗成了另一个问题。就目前基于光纤构成的慢光设备来看,直接利用单模光纤构成的设备,因其大的尺寸限制了其在微型光子回路中的应用。为了克服这个缺点,微球型谐振器和微环型谐振器已经分别被提出来了。然而,这些谐振器的带宽仅仅只有1MHz。最近,从单模光纤拉制的微光纤因其成本低、损耗小和容易耦合到单模光纤,吸引了研究人员的广泛关注。微米直径的微光纤其传输损耗在1550nm波长处小于0.1dB/mm[3]。Sumetsky等人提出了基于微光纤的微型慢光单元—光学微光纤环型延时线[4]。理论上,可利用直径为1μm的微光纤制作最小的微光纤环型延时线[5,6]。然而,微光纤和中心棒接触界面的光散射造成了极大的损耗,使得这个设备在目前的微光纤光子学发展阶段不能满足实际应用。Jiang等人提出了一种由微光纤构成的新型的谐振器——微光纤结型谐振器[7]。由于其具有易于制作、高的稳定性、微小的结构、低的损耗、高的Q值和高的精细度等优点,微光纤结型谐振器已成为最具有吸引力的谐振器之一。基于单环微光纤结型谐振器的理论模型,本文提出了并联结构的微光纤结型谐振器和串联结构的微光纤结型谐振器,详细地分析了其间的输出光场与输入光场的关系。数值模拟了不同结构的微光纤结型谐振器中群时延对波长的依赖关系,比较了他们的群时延特点。我们发现在N环并联的微光纤结型谐振器中可以获得窄线宽的极大群时延,而在N环串联的微光纤结型谐振器中可以获得宽带宽的群时延。我们证明了这些特点在1550nm波长处,在2环并联的微光纤结型谐振器中获得了3-dB带宽为1.2pm的2151ps群时延;在2环串联的微光纤结型谐振器中获得了3-dB带宽为90.4pm的127ps群时延。由于不同结构的微光纤结型谐振器慢光单元具有简单的结构、容易制作和对外界强的抗干扰能力等特点,我们相信它们可能被广泛应用于光开关、光学缓存、数据延时线和光学存储器等。更多还原