Resonador de anillo

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Un resonador de anillo es un resonador óptico en el que la luz se propaga a lo largo de un camino cerrado en una dirección. Los resonadores de anillos volumétricos están formados por tres o más espejos orientados de manera que la luz se refleja sucesivamente en cada uno de ellos, realizando una revolución completa. El resonador de anillo más simple consiste en dos guías de onda rectilíneas paralelas y un resonador ubicado entre ellos en forma de guía de onda de anillo. Los resonadores de anillo encuentran una amplia aplicación en giroscopios láser y láseres . En los láseres de fibra, se utilizan diseños especiales de resonadores de anillo de fibra, generalmente en forma de fibra óptica cerrada en un anillo con acopladores WDM para la entrada de radiación de bombeo y la salida de radiación generada.

Resonadores de anillo en láseres
Esquema de un resonador de anillo de volumen con tres espejos. La línea punteada muestra la trayectoria de la luz en el resonador.
Resonador de anillo convencional integrado en un láser de fibra. En : bomba de radiación. Out : radiación de salida. 1 : fibra activa. 2 : polarizador. 3 : aislador óptico. Grifo de 4 WDM.
Láser de fibra con un resonador de anillo en forma de ocho. En : bomba de radiación. Out : radiación de salida. 1 : fibra activa. 2 : polarizador. 3 : aislador óptico. Grifo de 4 WDM. 50:50 divisor 50/50.
Resonador anular con medio activo y distribución de campo eléctrico.

Historia

El desarrollo de la fibra y la óptica integrada ha llevado al desarrollo de dispositivos ópticos de pequeño tamaño, filtros, moduladores , deflectores, etc. En la actualidad, los principios de construcción están bastante desarrollados y una amplia gama de híbridos, electro y acústicos. Se han creado elementos ópticos. Un mayor desarrollo de la óptica coherente y los sistemas de procesamiento de información óptica requiere una transición a dispositivos lineales y no lineales puramente ópticos, lo que abre el camino a una reducción significativa en el tamaño de los dispositivos, una disminución en el consumo de energía y un aumento en la velocidad.

Un elemento integral de casi cualquier dispositivo óptico y de microondas complejo es un resonador. Es el progreso en la mejora de los resonadores lo que a menudo condujo al logro de resultados cualitativamente nuevos. Así, la aparición de másers y láseres hubiera sido imposible sin la implementación de resonadores de alta calidad en los rangos óptico y de microondas. Los resonadores de alto Q se utilizan activamente para estrechar y estabilizar la línea de generación, como filtros y discriminadores, en varios sensores y transductores de alta sensibilidad, en metrología y en experimentos físicos de precisión.

Los resonadores juegan un papel esencial en estos estudios. Fue con la ayuda de resonadores en miniatura de alta calidad en el rango óptico que se demostraron por primera vez los estados no clásicos del campo electromagnético y se llevaron a cabo impresionantes experimentos por primera vez para observar los efectos de la interacción de fotones individuales y fotones individuales. átomos Estrechamente relacionadas con esta dirección están aplicaciones como las computadoras cuánticas y la criptografía cuántica que despiertan atención y expectativas activas. Uno de los principales requisitos para observar los efectos cuánticos es aislar el sistema del mundo clásico externo y reducir la disipación en él para ralentizar el decaimiento de los estados, lo que significa un aumento en el factor de calidad de los resonadores.

Cómo funciona

El funcionamiento de un resonador de anillo óptico se basa en las mismas propiedades que la galería susurrante , excepto que utiliza luz y está sujeto a las propiedades de interferencia constructiva y reflexión interna total. Cuando la luz de la frecuencia resonante pasa a través del circuito desde la guía de ondas de entrada, su intensidad se acumula durante varios ciclos debido a la interferencia constructiva y sale a la guía de ondas de salida. Dado que solo ciertas longitudes de onda resonantes se propagan en el resonador, el anillo del resonador óptico actúa como un filtro. Además, se pueden conectar dos o más resonadores de anillo entre sí para formar un filtro óptico.

Reflexión interna total

La luz que se propaga en un resonador de anillo óptico permanece dentro de la guía de ondas debido a un fenómeno en la óptica de rayos llamado reflexión interna total.

La reflexión interna total es un fenómeno óptico que ocurre cuando un haz de luz golpea el límite de un medio en un ángulo mayor que un ángulo crítico, y el índice de refracción del medio en el que se propaga el rayo es mayor que el índice de refracción del medio. al otro lado de la frontera.

Interferencia

La interferencia es el proceso por el cual varias ondas se superponen entre sí, formando una onda resultante de mayor o menor amplitud. La interferencia se refiere a la interacción de ondas que están correlacionadas o son coherentes entre sí.

La luz en el resonador se refleja repetidamente en los espejos. Los haces reflejados interfieren, causando que solo ciertas distribuciones de campo en ciertas frecuencias sean retenidas en el resonador, la radiación en otras frecuencias o con una distribución diferente sea suprimida por interferencia o abandone rápidamente el resonador. Las distribuciones que se repiten en un paso completo del resonador son las más estables y se denominan modos propios o modos de resonador.

Si suponemos que no hay pérdidas por absorción, pérdidas por radiación en el sistema y se cumple la condición de resonancia, entonces la intensidad de la luz que sale del resonador anular será igual a la intensidad de la luz suministrada al sistema.

Comunicación óptica (guías de ondas lineales con anular)

A medida que el haz pasa a través de la guía de ondas, parte de la radiación se acoplará al resonador de anillo óptico. La razón de esto es el fenómeno de un campo transitorio que va más allá del modo de guía de ondas en un perfil radial exponencialmente decreciente. En otras palabras, si el anillo y la guía de ondas se acercan, parte de la luz de la guía de ondas puede pasar al anillo.

El acoplamiento óptico se ve afectado por la distancia entre la guía de ondas y el resonador óptico, la longitud del enlace y los índices de refracción de la guía de ondas y el resonador. Muy a menudo, para mejorar el acoplamiento óptico, se reduce la distancia entre la guía de ondas y el resonador anular.

Diferencia de camino óptico

Sea un contorno a lo largo del cual la luz pueda propagarse. El tiempo que tarda la luz en hacer un circuito completo:

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

donde R es el radio del contorno, c es la velocidad de la luz. El camino que tomará un rayo que se propaga a lo largo de la dirección de rotación durante este tiempo:

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

Para un haz que se propaga en dirección opuesta a la dirección de rotación:

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

donde ν es la velocidad lineal. Entonces la diferencia entre los caminos en un recorrido es:

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

donde ν = ωR ˂˂ c, ω es la velocidad angular, А es el área del contorno.

Para n vueltas:

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

Frecuencia de resonancia

Las frecuencias predominantemente resonantes (longitudes de onda) se mantienen en el resonador, y las frecuencias pasan a través de la región de acoplamiento a otra guía de ondas rectilínea. Así, la transferencia se realiza en mayor o menor medida según el grado de comunicación. Las longitudes de onda restantes pasan sin interacción. La condición de resonancia viene dada por:

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

donde n eff es el índice de refracción efectivo, L es la circunferencia, R es el radio de curvatura del resonador anular y m es un número entero. [2]

Características

Factor de calidad

El factor de calidad es un parámetro de un sistema oscilatorio que determina el ancho de la resonancia y caracteriza cuántas veces las reservas de energía en el sistema son mayores que las pérdidas de energía en un ciclo de oscilaciones.

El factor de calidad de un resonador es el número de oscilaciones de campo antes de que la energía circulante se agote por debajo de la energía original. Para determinar el factor de calidad, el microrresonador se excita a un cierto nivel y se considera el nivel de descomposición de potencia. Es importante señalar que el factor de calidad se puede cargar y descargar. Un factor de calidad descargado ocurre cuando el resonador no está acoplado a las guías de ondas. Cuando se conecta a una guía de ondas, se introducen pérdidas adicionales en el resonador. $1/e$

Modos propios. Frecuencia

Los modos propios se describen utilizando los tres parámetros l , m y q , que se utilizan para los modos polar, acimutal y radial, respectivamente. 2l da el número de máximos en la dirección del acimut, y l–m+1 se usa para calcular el número de máximos en la dirección polar . El número de modo q determina los máximos en la dirección radial. A partir de las proporciones de parámetros anteriores, se puede ver que el modo fundamental se describe como q = 1 y l = m , donde l y m son números muy grandes. Los modos con q > 1 son más profundos en el resonador. [3]

Selección de moda

Considerando el modelo multimodo, se puede demostrar que en el sistema aparecerá una fuerte competencia entre los diferentes modos. Como resultado, algunos modos se atenúan, mientras que otros, por el contrario, se amplifican.

Estabilidad del resonador

Los resonadores estables incluyen aquellos en los que el haz después de la reflexión permanece en un volumen limitado cerca del eje del resonador; de lo contrario, los resonadores son inestables.

Materiales

Los resonadores están hechos de materiales cristalinos. dado que dichos materiales suelen tener una birrefringencia significativa, no hay diafonía entre los modos que tienen polarizaciones TE y TM. [cuatro]

Algunos ejemplos de tales materiales: cuarzo, CaF 2 , MnF 2 .

Aplicación

Los resonadores de anillo se utilizan ampliamente en muchas áreas de la tecnología: en muchos aviones militares, barcos, submarinos, misiles balísticos, tanques, torpedos, todos los cohetes espaciales, en aviones civiles modernos (pilotos automáticos), barcos, etc.

También hay otras aplicaciones de los giroscopios: robótica, medicina, láseres, giroscopios láser, sensores de velocidad angular, industria automotriz, así como diversas aplicaciones de consumo.

Véase también

Literatura

Zvelto O. Principios de los láseres = Principios de los láseres. - 3ra ed. — M .: Mir, 1990. — 558 p. — ISBN 5-03-001053-X .
Tecnología Agrawal GP Lightwave: componentes y dispositivos. - Wiley-IEEE, 2004. - 427 p. — ISBN 9780471215738 .
Agrawal GP Aplicaciones de fibra óptica no lineal. — 2ª ed. - Prensa Académica, 2008. - Vol. 10. - 508 pág. - (Serie Óptica y Photonis). — ISBN 9780123743022 .
W. Liang., et al. Giroscopio microfotónico resonante // Optica Vol. 4, núm. 1. 2017. R. 114 - 117.
V. Vukmirica. Giroscopio Interferométrico de Fibra Óptica: Principio de Funcionamiento y Determinación de Parámetros Básicos // Revista Científico Técnica, Vol.LVIII.No.3-4. 2008.
Schwefel HGL, Whispering Gallery Mode Resonators, Instituto de Óptica, Información y Fotónica, Universidad de Erlangen-Nuremberg, mar. 25, (2014) - actualmente inédito.
V.Sh. Berikashvili, N. T. Klyuchnik, M. Ya. Yakovlev. Moduladores y filtros electroópticos basados en microrresonadores de anillo para sistemas de comunicación de fibra óptica // tecnología y diseño en equipos electrónicos N° 4. 2011. pág. 3 - 9.

Enlaces

Resonador óptico - artículo de la Enciclopedia física

↑ Hervé C. Lefevre. Giroscopio interferométrico de fibra óptica // Sensores de fibra óptica: una revisión crítica. —SPIE, 1993-01-28. -doi : 10.1117/ 12.145202 .
↑ Tecnología y diseño en equipos electrónicos . — Empresa privada, Politehperiodika.
↑ Richard Zeltner, Florian Sedlmeir, Gerd Leuchs, Harald GL Schwefel. Detección refractométrica con resonadores de modo de galería susurrante MgF2 cristalino // Frontiers in Optics 2014. - Washington, DC: OSA, 2014. - ISBN 1-55752-286-3 . -doi : 10.1364/ ls.2014.lth3i.5 .
↑ Wei Liang, Vladimir S. Ilchenko, Anatoliy A. Savchenkov, Elijah Dale, Danny Eliyahu. Giroscopio microfotónico resonante // Optica. — 2017-01-12. - T. 4 , núm. 1 . - art. 114 . — ISSN 2334-2536 . - doi : 10.1364/optica.4.000114 .