回音壁模式微腔的耦合特性與封裝技術(shù)研究.pdf

1、近年來，回音壁模式（WGM）光學(xué)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(guān)注，它們?cè)谥T多領(lǐng)域比如基礎(chǔ)物理理論研究以及實(shí)用化光電子器件（光開關(guān)、光調(diào)制器、極窄線寬濾波器和高靈敏度傳感器等）領(lǐng)域都具有非常大的應(yīng)用潛力。盡管如此，目前它們基本還僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，并沒有走向?qū)嵱没蛏唐坊?。很重要的原因是WGM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(huì)嚴(yán)重降低系統(tǒng)的Q值;其次，WGM的諧

2、振波長(zhǎng)易受外界溫度變化的影響而產(chǎn)生偏移。這些都會(huì)導(dǎo)致基于微腔的傳感器的性能下降，并阻礙微腔的實(shí)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(huì)導(dǎo)致整個(gè)耦合系統(tǒng)非常脆弱且缺乏健壯性，外部極小的振動(dòng)甚至微弱空氣流動(dòng)都可能引起WGM耦合狀態(tài)的顯著變化。以往的研究中，人們?cè)诜忾]的環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(gè)系統(tǒng)非常笨重、復(fù)雜，不便于應(yīng)用在實(shí)際環(huán)境中。為了促進(jìn)微腔耦合系統(tǒng)的實(shí)用化，需要設(shè)計(jì)一種合適的封裝結(jié)構(gòu)。
　　針對(duì)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(shí)驗(yàn)。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(shí)探測(cè)溫度的

4、變化。然后，實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了溫度傳感實(shí)驗(yàn)以及抗振動(dòng)性能的測(cè)試。詳細(xì)的研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)基于FDTD方法，實(shí)現(xiàn)了三層結(jié)構(gòu)微球腔與光波導(dǎo)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(duì)諧振特性的影響，發(fā)現(xiàn)只要三個(gè)膜層所選擇的折射率以及厚度合適，內(nèi)外兩個(gè)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(duì)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(shí)，外層模式的諧振波長(zhǎng)會(huì)顯著改變，但內(nèi)層模式的諧振波長(zhǎng)變化非常小，這個(gè)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(lǐng)域有重要的應(yīng)用價(jià)值。
　　(2)利用COMSOL軟件的弱解型偏微分方程模塊實(shí)現(xiàn)了微腔中諧振模式的穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算，并利用微擾理論，推導(dǎo)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(dá)式。我們發(fā)現(xiàn)，內(nèi)外層兩模式的溫度響應(yīng)特性非常接近，但它們對(duì)外界折射率變化的

6、響應(yīng)差異巨大。詳細(xì)研究了膜層厚度對(duì)內(nèi)外層模式的影響，通過優(yōu)化最外層的厚度，理論上實(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(dá)1.08×108的Q值。我們研究了微球腔取向和位置對(duì)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(gè)干凈的有機(jī)玻璃制作的盒子中，獲得了Q值的長(zhǎng)時(shí)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(yīng)用于Add-Drop濾波器，制作出的器件參數(shù)為:Q值達(dá)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(jī)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(diǎn)實(shí)現(xiàn)了腔內(nèi)諧振模式的選擇性激發(fā)。在數(shù)值仿真以