高Q值回音壁模式光學(xué)微腔研究與實現(xiàn).pdf

1、回音壁模式光學(xué)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(yīng)用潛力，吸引了研究人員的廣泛關(guān)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(xué)效應(yīng)的關(guān)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(xué)微腔實現(xiàn)，對兩種代表性回音壁模式微諧振腔（SOI波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(gòu)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(xué)微腔所面臨的關(guān)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(dǎo)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(dǎo)表面粗糙度進行建模，并分別研究了相關(guān)長度和均方根粗糙度對直波導(dǎo)傳輸損耗及波導(dǎo)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(dǎo)表面形貌表征方法，指出目前在納米光波導(dǎo)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(dǎo)

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(shù)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(shù)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(gòu)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(xué)諧振腔的力學(xué)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(guān)系進行實驗測試。基于錐形光纖耦合的方法，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(xué)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(dǎo)傳輸特性的影響；利用氫退火方法降低了波導(dǎo)表面粗糙度，減小了波導(dǎo)表面散射損耗，提高了波導(dǎo)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(gòu)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