[发明专利]基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及光谱学中频率差或波长差的测量技术领域，具体是一种基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法。

背景技术

基于谐振腔的游标效应，可以拓宽系统有效FSR的范围，已在可调谐光开关、微腔滤波器、可调谐激光器、多路复用器等领域得到广泛的应用。2002年，D. H. Geuzebroek等利用环形谐振腔级联的游标效应拓宽FSR，得到可以对第三方通信窗口波长进行选择的热调谐宽频FSR光开关。2005年，Seung June Choi等在可调谐窄线宽全掩埋异质环形谐振腔滤波器的实验中，利用掩埋异质环形谐振腔的游标效应来扩大FSR和谐振波长的调谐范围，谐振时D端口输出的有效FSR 从0.65nm延长到10.2nm，谱线宽度为0.017nm，测量的精细度高达600。此外，在生化传感领域也取得新的进展。利用双级联环形谐振腔的游标效应可以提高有效折射率在生物传感器中的测量精度，实验得到随着溶液浓度的变化，测量精度高达1300nm/RIU (Refractive Index Unit)。同时还可以用于光子气体传感器探测空气中浓度很低的甲烷和乙烷气体，传感器测量的灵敏度达10⁵nm/RIU。

在传感器的应用中，测量结果的准确性直接影响着传感器的性能。近年来，环形谐振腔的研究越来越热。光纤环形谐振腔是基于波导环形谐振腔和定向耦合器的理论基础得到的，其主要由低损耗光纤和光纤耦合器组成，因其具有高谐振特性、结构简单、稳定可靠等优点成为光学传感的重要器件。本发明提出基于光纤环形谐振腔游标效应的测量方法，可以避免以往直接读取测量结果带来的读数误差。通过游标卡尺的差值等分测量原理及整数、小数分离读数的方法，来提高读数的精确度，为高灵敏传感器的制备提供途径。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种精确测量光纤环形谐振腔频率差或波长差的测量方法，具体是一种基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于环形谐振腔游标效应以提高频率差或波长差测量精度的方法，包括如下步骤：

1）选取初始两个相同的光纤环形谐振腔：第一光纤环形谐振腔和第二光纤环形谐振腔；假设第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR₁和第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR₂不相同，并且第一环形谐振腔的频谱和第二光纤环形谐振腔的频谱在相同的频段内满足两端谐振点对齐时第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR₁的个数比第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR₂的个数少1个，设第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR₂的个数为n个，则第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR₁的个数为（n-1）个，所以有（n-1）·FSR₁=n ·FSR₂；

2）通过示波器或频谱仪精确测出第一光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR₁的值，则第二光纤环形谐振腔的自由频谱宽度FSR₂的值为：FSR₂=[（n-1）/n]·FSR₁,测量精度为：△k= FSR₁- FSR₂= FSR₁/n，然后再根据公式：FSR=c/（n_eff·L），式中c为光速、取3×10⁸m/s，n_eff为有效折射率是常数、取1.45，进而计算出应设计的第二光纤环形谐振腔的腔长L ₂：L ₂= c/（n_eff·FSR₂）；第二光纤环形谐振腔的腔长L ₂按设计结果设计好后，第一环形谐振腔的频谱和第二环形谐振腔的频谱就能基于游标卡尺测量原理对频率差或波长差进行精确测量，其中，第一环形谐振腔的频谱作为标尺频谱、第二光纤环形谐振腔的频谱作为游尺频谱、第一环形谐振腔的频谱和第二环形谐振腔的频谱在相同频段内端部（最左端或最右端）的第一个对齐谐振点为起始零点进行读数；