광학 링 공명기

광학 링 공명기는 적어도 하나가 어떤 종류의 빛 입력과 출력에 결합된 폐쇄 루프인 도파관이다.(이러한 것들은 도파관일 수 있지만 존재에 한정되지 않는다.)광학 링 공명기의 이면에 있는 개념은 그들이 빛을 사용하고 건설적인 간섭과 완전한 내부반사 뒤에 있는 성질을 준수한다는 점을 제외하고는 속삭이는 갤러리 뒤의 개념들과 동일하다.입력 도파관에서 나오는 루프를 통해 공명 파장의 빛이 통과하면 건설적인 간섭으로 인해 복수 라운드 트립에 걸쳐 강도가 높아져 검출기 도파관의 역할을 하는 출력 버스 도파관에 출력된다.선택된 몇 개의 파장만이 루프 내에서 공명하므로 광학 링 공명기는 필터로서 기능한다.또한 앞에서 암시했듯이 두 개 이상의 링 도파관을 서로 결합하여 추가/삭제 광학 필터를 만들 수 있다.^[1]

배경

광학 링 공명기는 전체 내부 반사, 건설적 간섭 및 광학 커플링 이면의 원리에 대해 작동한다.

내부반영합계

광학 링 공명기에서 도파관을 통해 이동하는 빛은 총 내부 반사(TIR)로 알려진 광학 현상으로 도파관 내에 남아 있다.TIR은 광선이 매질의 경계와 부딪혀 그 경계를 굴절하지 못할 때 발생하는 광학 현상이다.입사각이 임계각(표면의 정상과 관련)보다 크고, 입사광선에 상대적인 경계의 반대편에서 굴절률이 낮다는 점에서 TIR이 발생하고 빛이 통과할 수 없게 된다.광학 링 공명기가 잘 작동하려면 전체 내부 반사 조건을 충족해야 하며 도파관을 통과하는 빛이 어떤 방법으로도 빠져나가지 못하게 해야 한다.

간섭

간섭은 두 파동이 겹쳐서 더 크거나 더 적은 진폭의 결과 파동을 형성하는 과정이다.간섭은 보통 서로 상관되거나 일관성 있는 파장의 상호작용을 가리킨다.건설적인 간섭에서 두 파장은 동일한 위상 간섭을 일으켜 결과 진폭이 개별 진폭의 합과 같을 것이다.광학 링 공명기의 조명은 링 구성 요소 주위의 여러 회로를 완성하므로, 루프에 있는 다른 조명을 방해할 것이다.이와 같이 흡수, 이반 또는 불완전한 커플링으로 인한 시스템 손실이 없고 공명 조건이 충족된다고 가정하면 링 공명기에서 방출되는 빛의 세기는 시스템에 공급되는 빛의 세기와 동일할 것이다.

광학 커플링

광학 링 공명기의 작동 방식을 이해하는 데 중요한 것은 선형 도파관이 링 도파관과 어떻게 결합되는가에 대한 개념이다.광선이 오른쪽 그래프에 나타난 것처럼 파동 가이드를 통과할 때 빛의 일부가 광학 링 공명기에 결합된다.그 이유는 기하급수적으로 감소하는 방사상 프로파일에서 도파관 모드 바깥으로 확장되는 반사장의 현상 때문이다.즉, 반지와 도파관이 서로 가깝게 붙으면 도파관에서 나오는 어떤 빛이 반지에 결합할 수 있다는 것이다.광학 커플링에 영향을 미치는 측면은 도파관과 광학 링 공명기 사이의 거리, 연결 길이 및 굴절 지수 등 세 가지가 있다.커플링을 최적화하기 위해서는 링 공명기와 도파관 사이의 거리를 좁히는 것이 보통이다.거리가 가까울수록 광학 커플링이 쉬워진다.또한 연결 장치 길이는 연결 장치에도 영향을 미친다.연결 장치 길이는 도파관과 함께 발생하는 연결 현상에 대한 링 공명기의 유효 곡선 길이를 나타낸다.광학 커플링 길이가 증가할수록 커플링 발생의 어려움이 감소하는 것으로 연구되었다.^{[citation needed]}또한 도파관 재료, 링 공명 재료 및 도파관과 링 공명기 사이의 중간 재료의 굴절률도 광학 커플링에 영향을 미친다.중간재료는 광파의 전달에 큰 영향을 미치기 때문에 보통 연구 대상의 가장 중요한 특징이다.매질의 굴절률은 다양한 용도와 목적에 따라 크거나 작을 수 있다.

광학 커플링에 대한 또 다른 특징은 중요한 커플링이다.임계 커플링은 라이트 빔이 광학 링 공명기에 결합한 후 도파관을 통과하는 빛이 없음을 보여준다.그 빛은 그 후에 공명기 안에 저장되고 없어질 것이다.^[2] 무손실 커플링은 어떤 빛도 입력 도파관을 통해 자체 출력으로 내내 전송되지 않을 때 대신 모든 빛이 링 도파관에 결합된다(이 페이지의 맨 위에 있는 이미지에 묘사된 것 등).^[3]무손실 커플링이 발생하려면 다음 방정식을 충족해야 한다.

${\displaystyle \mathrm {K} ^{2}+ t ^{2}=\mathbf {1} }$

여기서 t는 커플러를 통한 전송 계수이고 $K{\displaystyle \mathrm{}}$ ${\$는) 테이퍼-sphere 모드 커플링 진폭이며 연결 계수라고도 한다.

이론

광학 링 공진기가 어떻게 작동하는지 이해하려면 먼저 링 공진기의 광학 경로 길이 차이(OPD)를 이해해야 한다.단링 링 공명기의 경우 다음과 같이 주어진다.

${\displaystyle \mathbf {OPD} =2\pi rn_{\text{eff}}}$

여기서 r은 링 공명기의 반지름이며 $n{\displaystyle {}_{}}$ ${\$은 도파관 재료의 효과적인 굴절 지수다.전체 내부 반사 요건으로 인해$n{\displaystyle {}_{}}$ $eff${\$displaystyle n_{\${eff$}}$은(는) 공명기가 배치된 주변 액체의 굴절 지수(예: 공기)보다 커야$$ 한다.공명이 일어나려면 다음과 같은 공명 조건을 만족시켜야 한다.

${\displaystyle \mathbf {OPD} =m\lambda _{m}}$

여기서 ${\displaystyle {\lambda m}_{}}$ ${\$는 공명 파장이고 m은 링 공명기의 모드 번호다.이 방정식은 빛이 링 공명기 내부에서 구조적으로 간섭하기 위해서는 링의 원주가 빛의 파장의 정수 배수가 되어야 함을 의미한다.이와 같이 공명이 일어나려면 모드 번호는 양의 정수여야 한다.그 결과 입사광에 복수의 파장(백색광 등)이 포함되면 공명파장만이 링 공명기를 완전히 통과할 수 있게 된다.

광학 링 공명기의 품질 계수와 정밀도는 다음 공식(eq: 2.37 in , 또는 eq:19+20 in )을 사용하여 정량적으로 설명할 수 있다.

${\displaystyle \mathbf {Q} ={\frac {\nu }{\delta \nu }}}}$

${\displaystyle {\mathcal{F}={\frac {\nu_{f}{{f}{\delta \nu}}}$

$여기$서 F ${\$은(는) 링 공명기의 정밀도, $\nu {\displaystyle }$ ${\displaystyle \nu }$은(는) 작동 주파수, $\nu {\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle f_{}}$ ${\$ $\nu$ $_{f}$은$($는) 자유 스펙트럼 범위, ${\displaystyle \Delta }${\$displaysty$ \$delta \$max.품질 계수는 주어진 링 공명기에 대한 공명 조건의 스펙트럼 범위를 결정하는 데 유용하다.Q$[\displaystyle Q}$인자가$$ 낮은 $것$은 대개 손실이 크기 때문에 공명기의 손실량을 정량화하는 데도 품질인자가 유용하다.

더블 링 공명기

이중 링 공명기에는 하나의 링 대신 두 개의 링 도파관이 사용된다.그것들은 (오른쪽에 표시된 것과 같이) 직렬로 배열되거나 병렬로 배열될 수 있다.두 개의 링 도파관을 직렬로 사용할 경우, 더블 링 공명기의 출력은 입력과 같은 방향(횡방향 시프트가 거의 없음)이 된다.입력등이 첫 번째 고리의 공명 조건을 충족시키면 고리에 결합하여 그 안쪽을 돌아다닐 것이다.이후 첫 번째 고리를 중심으로 한 고리가 빛을 두 번째 고리의 공명 상태로 가져옴에 따라 두 개의 고리가 함께 결합되어 두 번째 고리로 빛이 전달된다.같은 방법으로, 빛은 결국 버스 출력 도파관에 전달될 것이다.따라서 이중 링 공명 시스템을 통해 빛을 전달하기 위해서는 다음과 같이 두 링에 대한 공명 조건을 만족시켜야 할 것이다.

${\displaystyle \ 2\pi n_{1}R_{1}=m_{1}\lambda _{1}:{1}$

${\displaystyle \ 2\pi n_{2}R_{2}=m_{2}\lambda _{2}$

여기서 $m{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$ ${\$및$$ ${\displaystyle {m\mathrm{}}_{}}$ $2{\displaystyle {}_{}}$ ${\$}}은 각각 첫 번째 링과 두 번째 링의 모드 번호로$$, 양수 정수 번호로 유지되어야 한다.빛이 출력 버스 도파관에 대한 링 공명기를 빠져나가려면 각 링에 있는 빛의 파장은 같아야 한다.즉, 공명이 발생하기$$ $위해{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$1 = ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}}$ 2$${\$displaystyle \lambda _{1}=\lambda _{2}}.$이와 같이 공명을 다스리는 방정식은 다음과 같다.

${\displaystyle \{n_{1}R_{1}{1}:{m_{1}}={\frac {n_{2}R_{2}}:{m_{2}}:$

$m{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$ ${\$및$$ $m{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}}$ ${\$}} 모두 정수를 유지해야 한다는$$ 점에 유의하십시오.

단일 도파관에 연결된 두 개의 링 공명기의 시스템은 튜닝 가능한 반사 필터(또는 광학 미러)로도 작동하는 것으로 나타났다.^[6]도파관 내 전방 전파파는 양쪽 고리에서 반시계방향 회전파를 자극한다.발전기 간 커플링으로 인해 이러한 파동은 두 링에서 시계방향으로 회전하는 파동을 생성하며, 이 파동은 도파관 내 역방향 전파(반사) 파동과 차례로 결합된다.

적용들

광학 링 공진기의 특성과 특정 파장의 통과를 '필터링'하는 방식 때문에 다수의 광학 링 공진기를 직렬로 계단식으로 배치해 고차 광학 필터를 만들 수 있다.이를 통해 "기존의 광통신망에 대한 작은 크기, 낮은 손실 및 통합성"^[7]을 허용할 수 있을 것이다.또한 각 고리의 반지름을 단순히 증가시키거나 감소시킴으로써 공명 파장을 변경할 수 있기 때문에 필터는 튜닝이 가능한 것으로 간주할 수 있다.이 기본 특성은 일종의 기계식 센서를 만드는 데 사용될 수 있다.광섬유가 기계적 변형을 경험하면 광섬유의 치수가 변경되어 방출되는 빛의 공명 파장의 변화를 초래한다.이것은 섬유 또는 도파관 치수의 변화를 감시하는 데 사용될 수 있다.^[8]튜닝 공정은 열광학, 전기 ^[9]광학 또는 모든 광학 효과를 포함한 다양한 수단을 사용하여 굴절률의 변화에 의해서도 영향을 받을 수 있다.전기 광학 및 광학 튜닝은 열 및 기계적 수단보다 빠르기 때문에 광통신 등 다양한 용도를 찾을 수 있다.고Q 마이크로링의 광학적 변조기는 광원의 파장과 일치하는 튜닝 전력의 비용으로 50 Gbit/s 이상의 속도로 현저하게 작은 변조 전력을 산출하는 것으로 보고되고 있다.Fabry-Perot 레이저 캐비티에 배치된 링 모듈레이터는 Si 마이크로링 모듈레이터의 고속 초저전력 변조를 유지하면서 링 모듈레이터의 그것과 레이저 파장의 자동 매칭으로 튜닝 파워를 제거하는 것으로 보고되었다.

광학 반지, 원통형과 구체의 resonators 또한 유용한 biosensing.,[12][13][14][15][16]의 분야에서biosensing 성능의 어느 biosensing에 반지 resonators를 사용하는 주요 이점 중의[17][18][19][20]중요한 연구 초점은 향상 입증되지 않았다 샘플의 작은 책. 시편을 줍니다. 가져오는 데 필요하다.크게 주목에 N분광학 결과이다.용제 및 기타 불순물로부터 얻은 강제 배경 라만 및 형광 신호공진기는 특히 기체 단계에서 화학적 식별을 위한 다양한 흡수 스펙트럼의 특성화에도 사용되었다.^[21]

광학 링 공명기의 또 다른 잠재적 적용은 속삭이는 갤러리 모드 스위치의 형태다.마이크로디스크 레이저가 안정적이고 안정적으로 전환돼 모든 광통신망에서 전환요소로 적합하다.고품질 계수 원통형 공명기에 기초한 모든 광학 스위치가 제안되어 저전력 재료에서 빠른 바이너리 스위칭이 가능하다.^[7]

많은 연구자들이 매우 높은 품질의 요인을 가진 3차원 링 공명기를 만드는 데 관심이 있다.마이크로스피어 공명기라고도 불리는 이 유전체 구들은 "레이저 냉각 원자를 가진 캐비티 양자 전자역학을 연구하거나 갇힌 단일 원자를 검출하기 위한 초감도 검출기로서 저손실 광학 공명기로 제안되었다."^[22]

링 공진기는 양자 정보 실험을 위한 단일 광자 소스로도 유용하다는 것이 입증되었다.^[23]링 공진기 회로를 제작하는 데 사용되는 많은 재료는 충분히 높은 강도에서의 빛에 대한 비선형 반응을 가진다.이 비선형성은 광자 쌍을 생성하는 4파 혼합과 자발적 파라메트릭 다운-변환과 같은 주파수 변조 프로세스를 허용한다.링 공명기는 빛이 링 주위를 순환할 수 있도록 하기 때문에 이러한 프로세스의 효율성을 증폭시킨다.

참고 항목

• 공명기
• 링 레이저
• 내부반영합계
• 커플링
• 필터(광학)
• 광 스위치
• 커플링 모드 이론

참조

외부 링크

• 유투브에서 광학 링 공명기의 애니메이션