波導(dǎo)直接耦合的光學(xué)微腔及其應(yīng)用.pdf

1、光學(xué)微腔的研究中，在較小的空間中提高對(duì)光的限制能力是被廣泛關(guān)注的一個(gè)方向。和傳統(tǒng)的微腔結(jié)構(gòu)相比如平面微腔，回音壁模式（Whispering-gallery mode）光學(xué)微腔能夠通過全反射的作用將光長(zhǎng)時(shí)間限制在微腔中，從而形成了非常高的品質(zhì)因子（Q值）和較小的模式體積。因此，回音壁模式微腔中光和物質(zhì)的相互作用被大大提高。在過去的幾年中，這類光學(xué)微腔被成功地應(yīng)用在了無標(biāo)記的光學(xué)探測(cè)器上，并提高了它們的靈敏度。一般來說，一個(gè)回音壁模式光學(xué)傳

2、感器由一個(gè)高Q值的微腔和一根拉錐光纖組成。采用倏逝波耦合的方式，光源從光纖耦合進(jìn)微腔中，同時(shí)探測(cè)到的信號(hào)由微腔耦合進(jìn)波導(dǎo)中輸出。因此，微腔和耦合波導(dǎo)的間距往往需要被精確地控制在幾百個(gè)納米以內(nèi)。然而實(shí)際的探測(cè)中，由于外界環(huán)境擾動(dòng)，這一間距很難被精確地控制在某一特定值。為了解決這一問題，本文提出了一種直接耦合的機(jī)制來激發(fā)出微腔內(nèi)高Q值的模式，同時(shí)該結(jié)構(gòu)還表現(xiàn)出了較好的傳感特性。
　　本論文主要取得以下成果：
　　建立了一種直接耦

3、合的微腔結(jié)構(gòu)，即一個(gè)圓形微腔直接與波導(dǎo)相連的微腔-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過在波導(dǎo)中直接輸入光源激發(fā)出了圓形微腔內(nèi)的高Q值的回音壁模式。為了解釋微腔內(nèi)較高的耦合效率，建立了諧振輔助耦合的模型，同時(shí)使用有限元法（FEM）和時(shí)域有限差分法（FDTD）的仿真結(jié)果驗(yàn)證了這個(gè)模型。
　　接著，分別以有效折射率n=3.3和n=1.45的微腔為例，采用直接耦合的方式激發(fā)出了腔內(nèi)的高Q模式，并詳細(xì)研究了其對(duì)外界折射率改變和單納米顆粒的傳感特性。仿真結(jié)果表明，

4、這種微腔-波導(dǎo)的傳感系統(tǒng)擁有非常高的傳感精度，能夠?qū)崿F(xiàn)折射率10-7量級(jí)的改變的探測(cè)和半徑為5 nm的單納米顆粒的傳感。此外，這種傳感系統(tǒng)展示出了對(duì)微腔折射率，波導(dǎo)寬度和波導(dǎo)偏移的不敏感性，表明其在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)制備誤差較高的容忍性。
　　此外，以微腔-波導(dǎo)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在微腔附近增加一個(gè)耦合波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了濾波的效果。并采用局部折射率微擾的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出端口的輸出能量比例的調(diào)控。
　　本文提出的直接耦合的微腔系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)倏逝波