本發(fā)明涉及光學(xué)微腔傳感，尤其涉及一種快速線性調(diào)頻連續(xù)波導(dǎo)致的輸出光譜畸變的恢復(fù)方法。

背景技術(shù)：

1、光學(xué)微諧振腔是一種能夠?qū)⒐庀拗圃谝粋€很小區(qū)域內(nèi)的光學(xué)器件，而且由于光的諧振作用，微腔中的光強會被不斷的增強，能夠增強光與物質(zhì)的相互作用。光學(xué)微腔得益于其體積小、品質(zhì)因子高、對光場有強束縛作用等特點，極大的推動了基礎(chǔ)物理學(xué)的研究，并被廣泛的應(yīng)用于光電子器件領(lǐng)域。光學(xué)微腔以其在小模式體積中捕獲光子，使受限光壽命更長而聞名。微腔內(nèi)光子積累產(chǎn)生一個巨大的衰減場，使其成為研究光與物質(zhì)之間相互作用的重要平臺。因此，微腔已經(jīng)推動了基礎(chǔ)物理學(xué)的廣泛發(fā)展，包括宇稱時間(反)對稱性、光機(jī)械學(xué)、光子封鎖、磁機(jī)械系統(tǒng)和光學(xué)參量的生成等方面的研究。此外，它們還被廣泛應(yīng)用于微激光器、混沌源、濾波器和頻率梳等領(lǐng)域。

2、假設(shè)我們使用一個回音壁模式微腔和直波導(dǎo)耦合，直波導(dǎo)有兩端，在一端裝有光電檢測器作為輸出端，另一端作為輸入端輸入光波。當(dāng)我們使用較慢啁啾率的線性調(diào)頻連續(xù)波掃描回音壁模式微腔的共振時，在輸出端可以得到一個確定的頻譜圖。特定頻率的光波由于耦合作用，進(jìn)入回音壁模式微腔中，并被限制在其中，在頻譜圖中表現(xiàn)為以該特定頻率為中心的共振峰。由于回音壁模式微腔對外部因素的高靈敏度，例如壓力、溫度、濕度、電磁場和雜質(zhì)的微小變化影響到回音壁模式微腔的幾何形狀或周圍環(huán)境的折射率，就會使共振峰在頻譜的位置發(fā)生明顯的變化，因此非常適合于傳感應(yīng)用。

3、主流微腔傳感器通常是基于探測穩(wěn)態(tài)透射光譜或反射光譜，這種方法通常是使用線性調(diào)頻連續(xù)波以較慢的速度掃描微腔的共振。因為當(dāng)輸入線性調(diào)頻連續(xù)波的頻率變化速率(啁啾率)超過洛倫茲線型寬度的平方時，振鈴現(xiàn)象會使讀出光譜失真。由于高品質(zhì)因子微腔的洛倫茲線型寬度更窄，這種失真在高q值的微腔中變得更加明顯，這使得僅僅提高掃描速度無法獲得高分辨率的讀出光譜。目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)提出了兩種利用振鈴現(xiàn)象的方法來滿足對瞬態(tài)響應(yīng)不斷增長的需求。第一種方法是為振鈴光譜開發(fā)設(shè)計一種新的傳感協(xié)議。在這種方法的研究上，科學(xué)家們已經(jīng)發(fā)文說明了基本物理原理，并基于這些研究，利用振鈴光譜各種特性實現(xiàn)傳感目的。但是，想要理解振鈴光譜給出的難以捉摸的數(shù)據(jù)特性仍是個挑戰(zhàn)，這阻礙了光學(xué)微腔在瞬態(tài)傳感中的應(yīng)用。第二種方法則聚焦于利用振鈴尾重建光譜。例如，與眾所周知的“ring-down”光譜技術(shù)相對應(yīng)的“ring-up”光譜技術(shù)，該技術(shù)使用一個固定波長的脈沖激光器來監(jiān)測微腔的瞬態(tài)響應(yīng)。然而，光譜分辨率受限于振鈴尾的時間尺度，使其在快速衰減的情況下無效。

4、故此，本申請?zhí)岢隽艘环N快速線性調(diào)頻連續(xù)波導(dǎo)致的輸出光譜畸變的恢復(fù)方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，以解決背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種快速線性調(diào)頻連續(xù)波導(dǎo)致的輸出光譜畸變的恢復(fù)方法。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種快速線性調(diào)頻連續(xù)波導(dǎo)致的輸出光譜畸變的恢復(fù)方法，二次相位取決于輸入的線性調(diào)頻連續(xù)波的啁啾率，而與微腔的類型無關(guān)，其包括以下步驟：

4、步驟一：基于線性時不變系統(tǒng)，其微腔系統(tǒng)的響應(yīng)表示由下式表示：

5、αout(f)＝h(f)×αin(f)

6、其中，h(f)為系統(tǒng)的格林函數(shù)，αin(f)和αout(f)分別為輸入和輸出；

7、步驟二：引入波導(dǎo)耦合微腔的條件，其由輸入信號和微腔系統(tǒng)的反射譜組成，系統(tǒng)的格林函數(shù)由下式表示：

8、h(f)＝1-r(f)

9、且反射譜描述的是微腔吸收，而吸收引起的色散由下式表示：

10、

11、其中，γ(τ)表示振幅，表示相位，τ表示時延；

12、步驟三：將線性調(diào)頻連續(xù)光輸入微腔系統(tǒng)，其輸出由下式表示：

13、

14、其中，α0eiθ(t)＝αin(t)，θ(t)＝2π(fs+kt/2)，α0為輸入的線性調(diào)頻連續(xù)波的振幅，fs為輸入的線性調(diào)頻連續(xù)波的起始頻率，k為輸入的線性調(diào)頻連續(xù)波的啁啾率；

15、步驟四：基于步驟一至步驟三，其讀出的強度在時域上由下式表示：

16、

17、優(yōu)選地，s(t)由下式表示：

18、

19、其中，θ1＝-2πfsτ為起始頻率相位，θ2＝πkτ2為具有二次函數(shù)特性的相移。

20、優(yōu)選地，當(dāng)不受θ1和θ2影響時，s(t)項能夠映射r(t)，其θ1帶來線性偏移，θ2產(chǎn)生振鈴震蕩，使得光譜讀出失真。

21、優(yōu)選地，在產(chǎn)生振鈴效應(yīng)時，輸入系統(tǒng)的線性調(diào)頻連續(xù)波的頻率變化速率超過光學(xué)微腔洛倫茲線型寬度的平方，使得讀出光譜產(chǎn)生振鈴效應(yīng)。

22、優(yōu)選地，對二次相位進(jìn)行補償，實現(xiàn)從任意振鈴失真的讀出光譜中恢復(fù)其穩(wěn)態(tài)光譜，其具體包括以下步驟：

23、s1：通過傅立葉變換在頻域上實現(xiàn)對θ1和θ2的去除，其如下所示：

24、

25、如果f＝±kτ為δ(f＝±kτ)的項，則方程定義明確；

26、s2：將s(f)由下式表示：

27、

28、其為θ1和θ2相位造成的結(jié)果；

29、s3：將應(yīng)用于頻譜，讀出失真將被消除；

30、最后，進(jìn)行反傅里葉變換，得到時域上的恢復(fù)讀出

31、

32、其中，τk＝|f/k|表示光譜分辨率，僅取決于啁啾率，由于項γ和與微腔系統(tǒng)的頻譜無關(guān)，因此這種方法可以恢復(fù)任何具有任意線性調(diào)頻連續(xù)波啁啾率的讀出光譜。

33、本發(fā)明的有益效果是：

34、本發(fā)明通過級聯(lián)三個不同的類fano線型來模擬復(fù)雜的光譜，生成了穩(wěn)態(tài)光譜，證實了所提出的方法適用于各種線型；另外，通過引入相位補償?shù)墓庾V恢復(fù)算法，使任意失真的讀出光譜恢復(fù)成其穩(wěn)態(tài)光譜，得益于長光子壽命和光子局域特性，光學(xué)微腔已經(jīng)成為了一種有前途的高性能傳感工具，通過提出振鈴效應(yīng)源于微腔發(fā)出的光與波導(dǎo)輸入輸出之間干涉的二次相位，這種二次相位取決于輸入的線性調(diào)頻連續(xù)波的啁啾率，而與微腔的類型無關(guān)，在對引入的相位補償后，可以從失真的讀出光譜中恢復(fù)任意穩(wěn)態(tài)光譜，實現(xiàn)了在瞬態(tài)振鈴光譜和穩(wěn)態(tài)光譜之間架起了一座橋梁，為高速傳感、光通信和先進(jìn)的集成芯片技術(shù)開辟了一條新途徑。

技術(shù)特征：

1.一種快速線性調(diào)頻連續(xù)波導(dǎo)致的輸出光譜畸變的恢復(fù)方法，其特征在于，二次相位取決于輸入的線性調(diào)頻連續(xù)波的啁啾率，而與微腔的類型無關(guān)，其包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速線性調(diào)頻連續(xù)波導(dǎo)致的輸出光譜畸變的恢復(fù)方法，其特征在于，s(t)由下式表示：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種快速線性調(diào)頻連續(xù)波導(dǎo)致的輸出光譜畸變的恢復(fù)方法，其特征在于，當(dāng)不受θ1和θ2影響時，s(t)項能夠映射r(t)，其θ1帶來線性偏移，θ2產(chǎn)生振鈴震蕩，使得光譜讀出失真。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種快速線性調(diào)頻連續(xù)波導(dǎo)致的輸出光譜畸變的恢復(fù)方法，其特征在于，在產(chǎn)生振鈴效應(yīng)時，輸入系統(tǒng)的線性調(diào)頻連續(xù)波的頻率變化速率超過光學(xué)微腔洛倫茲線型寬度的平方，使得讀出光譜產(chǎn)生振鈴效應(yīng)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種快速線性調(diào)頻連續(xù)波導(dǎo)致的輸出光譜畸變的恢復(fù)方法，其特征在于，對二次相位進(jìn)行補償，實現(xiàn)從任意振鈴失真的讀出光譜中恢復(fù)其穩(wěn)態(tài)光譜，其具體包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及光學(xué)微腔傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種快速線性調(diào)頻連續(xù)波導(dǎo)致的輸出光譜畸變的恢復(fù)方法；通過引入相位補償?shù)墓庾V恢復(fù)算法，使任意失真的讀出光譜恢復(fù)成其穩(wěn)態(tài)光譜，得益于長光子壽命和光子局域特性，光學(xué)微腔已經(jīng)成為了一種有前途的高性能傳感工具，通過提出振鈴效應(yīng)源于微腔發(fā)出的光與波導(dǎo)輸入輸出之間干涉的二次相位，這種二次相位取決于輸入的線性調(diào)頻連續(xù)波的啁啾率，而與微腔的類型無關(guān)，在對引入的相位補償后，可以從失真的讀出光譜中恢復(fù)任意穩(wěn)態(tài)光譜，實現(xiàn)了在瞬態(tài)振鈴光譜和穩(wěn)態(tài)光譜之間架起了一座橋梁，為高速傳感、光通信和先進(jìn)的集成芯片技術(shù)開辟了一條新途徑。

技術(shù)研發(fā)人員：陳雷,龔向陽,劉貴師,陳耀飛,羅云瀚,陳哲
受保護(hù)的技術(shù)使用者：暨南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6