高Q值回音壁模式光學微腔研究與實現(xiàn).pdf

1、回音壁模式光學微腔高品質(zhì)因子、小模式體積的特性，使其在光傳感、光通信及低閾值激光光源等諸多方面具有非常大的應用潛力，吸引了研究人員的廣泛關注。其中，高品質(zhì)因子是提高傳感器靈敏度、降低激光閾值、增強各種光學效應的關鍵參數(shù)。本論文工作集中于高品質(zhì)因子回音壁模式光學微腔實現(xiàn)，對兩種代表性回音壁模式微諧振腔（SOI波導環(huán)形諧振腔和二氧化硅空心微泡腔）進行深入的理論和實驗研究。
　　SOI波導環(huán)形諧振腔具有集成度高，與CMOS工藝相兼容的優(yōu)

2、點。但由于加工工藝水平的限制，波導表面都不可避免的存在一定的粗糙度。表面粗糙度顯著增加了波導的散射損耗，限制了諧振腔品質(zhì)因子的提高。二氧化硅空心微泡腔具有高品質(zhì)因子及制備工藝條件簡單的優(yōu)點，但是如何制備出結(jié)構對稱、厚度均勻的高品質(zhì)因子微泡腔一直是困擾許多研究者的難題。
　　本文針對上述兩種光學微腔所面臨的關鍵問題，從理論和實驗兩方面進行深入研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　1、對光波導傳輸損耗理論進行分析。提出了一種基于傅里葉變

3、換和時域差分的高精度建模分析方法。利用這種方法對光波導表面粗糙度進行建模，并分別研究了相關長度和均方根粗糙度對直波導傳輸損耗及波導諧振腔諧振特性的影響。通過理論計算及實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果的對比，驗證了所建立模型及其分析結(jié)果的正確性。
　　2、深入研究了光波導表面形貌表征方法，指出目前在納米光波導側(cè)壁形貌表征方面存在的問題。對氫退火表面光滑化機理進行分析，搭建了氫退火實驗裝置并進行高溫氫退火實驗。AFM測試結(jié)果表明，氫退火前后波導

4、表面粗糙度從1.75nm降低到0.59nm，證明了氫退火光滑工藝的可行性。
　　3、分析目前光纖微泡腔制備技術存在的問題和不足，提出一種基于高壓氣體輔助電弧放電技術的低成本、超薄、空心光纖微泡的制備方法。通過采用弱放電、緩釋壓強的方法，最終制備出了結(jié)構對稱、厚度均勻（2μm）、Q值達107的空心微泡腔。
　　4、從光纖微泡壓強傳感器基本原理出發(fā)，利用Ansys軟件對微泡光學諧振腔的力學特性進行分析。采用FP干涉方法，對微泡腔

5、填充氣壓與其頂部形變之間關系進行實驗測試?；阱F形光纖耦合的方法，研究微泡腔作為壓強傳感器的高靈敏度特性。
　　本論文針對提高光學微腔品質(zhì)因數(shù)這一核心問題開展研究，主要研究成果有如下兩個方面：1、通過理論仿真揭示了表面粗糙度對波導傳輸特性的影響；利用氫退火方法降低了波導表面粗糙度，減小了波導表面散射損耗，提高了波導環(huán)形諧振腔的Q值。2、解決了高品質(zhì)因子微泡腔制備過程中面臨的結(jié)構不對稱，厚度不均勻的問題。本論文研究成果可為實現(xiàn)高 Q