回音壁模式微腔的耦合特性與封裝技術研究.pdf

1、近年來，回音壁模式（WGM）光學微腔因其極高的品質(zhì)因子(Q值)和極小的模式體積（V)得到了很大的關注，它們在諸多領域比如基礎物理理論研究以及實用化光電子器件（光開關、光調(diào)制器、極窄線寬濾波器和高靈敏度傳感器等）領域都具有非常大的應用潛力。盡管如此，目前它們基本還僅限于實驗室研究，并沒有走向?qū)嵱没蛏唐坊：苤匾脑蚴荳GM的諧振特性受外界環(huán)境的影響非常大。首先，吸附到微腔表面的水汽或者微小灰塵顆粒會嚴重降低系統(tǒng)的Q值;其次，WGM的諧

2、振波長易受外界溫度變化的影響而產(chǎn)生偏移。這些都會導致基于微腔的傳感器的性能下降，并阻礙微腔的實用化。另外，為了獲得較高的耦合效率，通常使用錐形光纖來激發(fā)微腔中的諧振模式，這會導致整個耦合系統(tǒng)非常脆弱且缺乏健壯性，外部極小的振動甚至微弱空氣流動都可能引起WGM耦合狀態(tài)的顯著變化。以往的研究中，人們在封閉的環(huán)境中進行實驗，以保證微腔周邊干凈的環(huán)境以及穩(wěn)定的氣流。這種方式雖然可以極大限度的排除污染物的干擾以及溫度噪聲的影響，但巨大的密閉容器以

3、及分立的耦合結(jié)構(gòu)使得整個系統(tǒng)非常笨重、復雜，不便于應用在實際環(huán)境中。為了促進微腔耦合系統(tǒng)的實用化，需要設計一種合適的封裝結(jié)構(gòu)。
　　針對以上問題，本論文提出了一些解決方案，論文內(nèi)容大體上可以分為兩大部分:理論仿真和實驗。首先，利用FDTD方法以及COMSOL軟件的PDE求解器，研究了具有內(nèi)參考功能的三層結(jié)構(gòu)微球腔的耦合特性和傳感性能，仿真結(jié)果說明我們提出的這種新型結(jié)構(gòu)的傳感器不僅能夠降低折射率傳感中的熱噪聲影響，還能同時探測溫度的

4、變化。然后，實驗研究了微球腔、柱形腔和瓶口腔的耦合特性，將它們封裝成為了一體化的器件，并進行了溫度傳感實驗以及抗振動性能的測試。詳細的研究內(nèi)容如下:
　　(1)基于FDTD方法，實現(xiàn)了三層結(jié)構(gòu)微球腔與光波導耦合的仿真，三層膜的折射率從內(nèi)到外依次為高、低、高。研究了膜層厚度對諧振特性的影響，發(fā)現(xiàn)只要三個膜層所選擇的折射率以及厚度合適，內(nèi)外兩個高折射率膜層能夠束縛光波并支持它們各自的WGM。另外，我們還研究了微腔外的環(huán)境折射率變化對內(nèi)

5、外層WGM諧振特性的影響，仿真結(jié)果說明:環(huán)境折射率變化時，外層模式的諧振波長會顯著改變，但內(nèi)層模式的諧振波長變化非常小，這個性質(zhì)使得三層結(jié)構(gòu)微腔在高精度折射率和溫度傳感領域有重要的應用價值。
　　(2)利用COMSOL軟件的弱解型偏微分方程模塊實現(xiàn)了微腔中諧振模式的穩(wěn)態(tài)仿真計算，并利用微擾理論，推導出了三層微腔的內(nèi)外層諧振模式用于溫度和折射率傳感的靈敏度表達式。我們發(fā)現(xiàn)，內(nèi)外層兩模式的溫度響應特性非常接近，但它們對外界折射率變化的

6、響應差異巨大。詳細研究了膜層厚度對內(nèi)外層模式的影響，通過優(yōu)化最外層的厚度，理論上實現(xiàn)了溫度噪聲的完美去除。
　　(3)使用一種全新的封裝方案加工出了微腔與錐形光纖耦合系統(tǒng)的一體化器件，借助一個石英玻璃管、兩片石英玻璃以及紫外光固膠，在不改變已經(jīng)調(diào)諧好的耦合狀態(tài)的前提下完成了器件的封裝。實驗中，讓微球腔與錐形光纖保持接觸，以提高耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種情況下依然獲得了高達1.08×108的Q值。我們研究了微球腔取向和位置對諧振譜的影響

7、，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整微球腔的位置以及取向可以獲得不同的諧振譜。將封裝器件密封在一個干凈的有機玻璃制作的盒子中，獲得了Q值的長時間保持。另外，還制作了雙光纖耦合微球腔的封裝器件，可以應用于Add-Drop濾波器，制作出的器件參數(shù)為:Q值達到2.7×106，F(xiàn)SR約為0.016nm，最大Drop口輸出為42％。
　　(4)通過光纖熔接機的電弧放電，我們制作出了高質(zhì)量的柱形腔和瓶口腔，在不同的耦合點實現(xiàn)了腔內(nèi)諧振模式的選擇性激發(fā)。在數(shù)值仿真以