高品质光学微球腔谐振特性及鉴频特性分析

光学微球腔的回音壁模式使其存储能量大,从而获得高的品质因数。该文介绍了微球腔的制备方法;介绍了微球腔与锥形光纤的耦合理论,并对其耦合特性作出了分析;搭建了微球腔谐振谱探测系统并分析了不同耦合模式下的谐振特性;设计了微球腔谐振频率跟踪与锁定系统。通过仿真得到了不同调制频率下的鉴频曲线,分析了其吸收谱线与色散谱线特性。实验制得微球腔直径为440μm,耦合状态下的品质因数可达1.08×108;调制频率对鉴频曲线特性影响很大,低频调制下,优化调制后,可提升跟踪锁定效果,为后续的实验奠定了良好的基础。     

相位调制对高Q光学微球腔谐振特性的影响

光学微腔由于其极高的品质因数(Q)特性而具有广泛的应用前景。该文根据光学微球腔与锥形光纤的耦合原理对光学微球腔的谐振特性进行了实验研究。通过实验研究了相位调制参数对光学微球腔谐振深度的影响,并获得了相位调制电压和调制频率与光学微球腔谐振深度变化的关系。实验结果表明,相位调制参数的变化,对光学微球腔的谐振特性——谐振深度,有一定影响,在应用中根据需要选择合适的相位调制参数。     

相位调制对高Q光学微球腔谐振特性的影响

光学微腔由于其极高的品质因数(Q)特性而具有广泛的应用前景。该文根据光学微球腔与锥形光纤的耦合原理对光学微球腔的谐振特性进行了实验研究。通过实验研究了相位调制参数对光学微球腔谐振深度的影响,并获得了相位调制电压和调制频率与光学微球腔谐振深度变化的关系。实验结果表明,相位调制参数的变化,对光学微球腔的谐振特性——谐振深度,有一定影响,在应用中根据需要选择合适的相位调制参数。     

波导耦合回音壁模式光学微球腔结构耦合特性分析

提出了一种耦合微球和波导系统的有效方法,并在数值和实验上进行了论证.为了研究微球腔和波导系统的耦合特性,首先通过耦合模理论研究了这个系统的2D模型.通过有限时域差分法设计了一个数值仿真系统.在快速傅里叶变换(FFT)处理样本数据后,得到了波长范围从600 nm到1 000 nm的相对强度谱曲线和传输谱曲线.在实验中,采用熔融单模光纤顶端的方法制得了石英材料微球腔.采用热拉技术制得了锥形光纤,用来作为激发微球腔中回音壁模式的波导.测试了这个微球腔-锥形光纤耦合系统,通过优化微球腔与锥形光纤的相对位置得到其品质因数高达2.3×106,耦合效率高达92.5%.这些耦合特性可以很好地用理论结果解释.这些特性表明了其在实际微腔传感和微型激光器中极具潜力.     

大尺寸楔形腔封装技术研究

针对楔形腔锥形光纤倏逝场耦合结构无法脱离高精度调节系统的情况,设计制备了大尺寸楔形腔锥行光纤耦合点无胶封装结构,使得楔形腔耦合结构摆脱了三维调节平台。对封装前后品质因数以及温度非线性进行测试得到：楔形腔封装前后品质因数Q值与温度非线性不变,该封装结构封装前后不改变回音壁模式全反射界面介质,实现封装前后Q值不变,但在抗环境污染,抗破坏等方面能力较差。针对上述性能上的不足,首次设计制备大尺寸楔形腔锥形光纤低折射率紫外胶封装结构,对封装结果进行测试。结果表明：紫外胶封装结构封装前后使得楔形腔品质因数Q值降低约一个数量级,耦合效率、谐振模式到了优化,可以有效的抑制热噪声。封装结构实现Q值的长时间保持,不受环境中颗粒、粉尘、折射率变化等对谐振模式的影响,机械稳定性大于5G。     

基于回音壁模式的球形光学微腔实验研究

采用聚苯乙烯材料制作出不同直径(50～250μm)的球形光学微腔并实现了微腔与锥形光纤的耦合,测量了球形光学微腔在1570～1576nm波长范围内的吸收光谱,实验结果表明球形光学微腔在这一波长范围内可发生基于回音壁模式(WGM)的光学谐振,且WGM吸收峰的相邻波长间隔随着聚苯乙烯微球直径的增大而减小。通过吸收光谱计算了聚苯乙烯微球在其本征频率下的品质因子,结果表明微球品质因子数量级均在104以上。     

一种基于锥光纤微球腔的光分插复用器

利用锥光纤倏逝波与微球腔回廊模的耦合原理制成一种锥光纤-微球腔-锥光纤(TRT)型光分插复用器(OADM),可用于密集波复用(DWDM)光纤通信系统光节点中.设计制作了一种三锥光纤双微球结构的TRT型OADM.采用在硅片上光刻腐蚀制作V槽,双面光刻腐蚀制成固定微球上光纤柄的小通孔,将锥光纤与微球集合在硅片上成为OADM器件.对所制作的器件用光波测试系统进行了测试,对结果进行了分析.制作的器件对与微球谐振的光信号具有分出与插入功能,而不谐振的信号损耗很小.     

基于高圆度微球腔选模的单纵模窄带光纤激光器

提出了一种基于高圆度微球腔选模的双环腔光纤激光器。通过改进熔融加热和表面洁净化处理工艺,获得了高圆度、高Q值微球腔,利用二维可视的三维高精度耦合系统实现锥形光纤-微球腔的高效率耦合。通过优化入射光偏振态和锥形光纤直径,获得了耦合效率为99.5%,3dB带宽为1pm,边模抑制比为14.5dB的窄带回音壁模(WGM)共振谱。将高效耦合的锥形光纤-微球腔作为光纤子环腔选模单元,获得了3dB带宽小于0.01nm,边摸抑制比为40dB,稳定无跳模的单纵模窄带激光输出。     

波导耦合回音壁模式光学微球腔结构耦合特性分析（英文）

提出了一种耦合微球和波导系统的有效方法,并在数值和实验上进行了论证.为了研究微球腔和波导系统的耦合特性,首先通过耦合模理论研究了这个系统的2D模型.通过有限时域差分法设计了一个数值仿真系统.在快速傅里叶变换(FFT)处理样本数据后,得到了波长范围从600 nm到1 000 nm的相对强度谱曲线和传输谱曲线.在实验中,采用熔融单模光纤顶端的方法制得了石英材料微球腔.采用热拉技术制得了锥形光纤,用来作为激发微球腔中回音壁模式的波导.测试了这个微球腔-锥形光纤耦合系统,通过优化微球腔与锥形光纤的相对位置得到其品质因数高达2.3×106,耦合效率高达92.5%.这些耦合特性可以很好地用理论结果解释.这些特性表明了其在实际微腔传感和微型激光器中极具潜力.     

微球腔谐振频率的锁定及频移测量实验

对微球腔耳语回廊模式下的谐振特性所表现出的光学非线性进行了分析,对直径1 mm的SiO2微球腔的谐振谱线和解调曲线进行了仿真;搭建了微球腔耦合测试系统,得到了微球腔半高全宽值为78.42 MHz、Q值为2.5106的谐振谱线;基于正弦波相位调制技术对谐振谱线进行了同步解调,以减小相位复位脉冲噪声的影响;采用环路锁频技术实现了谐振频率的跟踪和锁定,对锁定精度和锁定时间进行了分析,实验结果为锁定透射谱强度至1%的时间为8 ms,锁定后可测频移分辨率为375 kHz,为微球腔的传感测量提供了实验依据。     

基于磷酸盐玻璃微球腔的全光调谐光纤滤波器

提出并研究了一种基于磷酸盐玻璃微球腔的全光调谐光纤滤波器。利用自制的磷酸盐玻璃预制棒,以拉丝的方式制作出直径为200~500μm、纤芯-包层折射率差为0.004的磷酸盐玻璃光纤。利用大功率CO_2激光器熔融加热光纤制备出Q值达7.28×10⁵的微球腔。利用1550 nm波段的可调谐激光器,通过锥形光纤耦合方式激发微球腔内回音壁模式(WGM)共振,获得带宽约2 pm、插入损耗小于0.3 dB的耦合共振谱。在不同功率泵浦光的注入下,磷酸盐玻璃微球腔具有比普通石英微球腔更高的光敏感特性。实验结果表明:当微腔泵浦光功率增加时,磷酸盐玻璃微球腔内的WGM共振谱向短波长漂移(蓝移),光热调谐灵敏度约为72.727 pm/mW,线性度大于0.99;在相同光功率变化下,普通石英微球腔内的WGM共振谱向长波长漂移(红移),光热调谐灵敏度约为0.086 pm/mW,线性度较低。本文提出的磷酸盐玻璃微球腔全光调谐滤波器具有全光控制、结构紧凑、稳定性好、超窄带宽和调谐效率高等优势,在光纤传感和光纤通信等领域具有重要应用。     

用于生物传感器的超薄壁微管

进行了空心光纤的回音壁谐振模理论分析,确定了微管结构的参数。研制出了直径为144.6μm、壁厚为9.2μm的微毛细管,并采用ZF13棱镜通过倏逝场耦合成功激发了微管的回音壁谐振模。利用不同浓度的乙醇水溶液初步展示了微管生物传感器回音壁谐振模谐振波长对折射率的敏感性,在1550nm谐振波长处,入射光角度为40°时,获得了13.4nm/RIU传感灵敏度。     

基于聚合物微球腔的高灵敏温度传感器（特邀）

提出了一种基于聚合物微球腔的温度传感器,该温度传感器利用微球腔谐振波长漂移量测量外界环境温度变化量,兼具结构紧凑和高度灵敏的特点。首先利用有限时域差分法对拉锥光纤耦合聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球的谐振结构进行了仿真分析,验证了拉锥光纤激发聚合物微球腔中回音壁模式的可行性。实验结果表明,束腰直径为1.8 μm的拉锥光纤与直径为数十微米的聚合物微球之间通过消逝场耦合的方式能够激发品质因子为104量级的回音壁模式。利用点式封装和全包裹封装相结合的方式将拉锥光纤和聚合物微球封装一体,一方面可保持两者之间稳定的耦合状态,另一方面保护拉锥光纤和微球腔免受外界污染。由于聚合物微球腔的负热光系数大于其热膨胀系数,其谐振光谱随外界温度降低发生红移。当外界环境温度在20~30 ℃范围内变化时,聚合物微球腔温度灵敏度为68 pm/℃。与传统光纤温度传感器相比,该传感器的高品质因子使其具有更低的探测极限,在受限空间内的原位温度精密测量中具有潜在的应用前景。     

光学微球腔尾纤曲率敏感特性研究

光学微球谐振腔由于其超高的Q值及极小的模式体积等优点,在高灵敏度传感和光通信等方面得到了广泛的研究,理论分析了尾纤弯曲产生的应力双折射,并分析了其对微球腔谐振特性的影响。定量地改变尾纤弯曲曲率,测试微球腔的谐振波长,研究了微球腔尾纤对弯曲曲率的敏感特性。实验结果表明,光学微球腔尾纤弯曲影响着微球腔的谐振模式,能够导致谐振波长变化,随其弯曲曲率的变大,微球腔的谐振波长持续红移,能够用来测量曲率。     

含色散增益介质光子晶体微腔的光学特性

为了理解光子晶体微腔的光学传输特性,探讨微腔的折射率对缺陷模放大特性和谐振频率的影响,采用时域有限差分法计算了含洛伦兹色散介质一维光子晶体微腔的透射谱,分析、比较了不同光子晶体微腔的透射谱。结果表明,微腔折射率的大小决定缺陷模的谐振频率,而介质色散特性将导致缺陷模频率的移动。另外,当通过复介电常数的虚部引入光学增益后,缺陷模在增益介质中被放大,其阈值特性和缺陷折射率的大小密切相关。模拟结果证明通过合理的选择微腔中介质折射率的大小,可以改善微腔的光学特性,降低激光器的阈值。     

三根平行微纳光纤耦合特性研究

微纳光纤具有大比例倏逝场传输的光学特性,相比于普通光纤,其耦合现象更加明显。利用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件对三根平行微纳光纤进行了详细的数值模拟研究。计算结果表明,纤芯间距改变时,三根平行微纳光纤随传输距离变化的功率耦合分布的规律是相似的,都呈周期性分布。纤芯间距不同时,耦合周期发生变化,且随着纤芯间距的增大,耦合周期也逐渐增大。且入射光的偏振态对耦合周期和耦合效率也有一定的影响。利用三根平行微纳光纤的耦合特性,设计了一种3×1微纳光纤耦合器,当选取恰当的纤芯间距和耦合区长度时,3×1微纳光纤耦合器的耦合效率最高可达93.3%。     

一种基于LPG的高灵敏度折射率传感器

报道了一种高灵敏折射率传感器.该传感器采用2个具有相似透射谱(3 dB透射深度)的长周期光纤光栅(LPG)组成光纤型Mach-Zehnder(M-Z)干涉仪,通过减小两LPG之间的光纤包层直径,以增强包层中的传输模在环境中的倏逝场,从而提高对环境折射率测量的灵敏度.实验结果表明,该折射率传感器比常规的LPG对构成的传感器能有效的提高灵敏度4倍左右.     

C波段微型光源研究

应用二氧化碳激光熔融法加工掺铒光纤顶端,依靠表面张力在光纤顶端形成球形度较高的掺铒微球腔。室温下测量熔融法制备的尺寸为21μm的掺铒微球,通过精确调节掺铒微球的位置使980nm的泵浦光照到合适的位置,得到了铒离子能级跃迁单一模式的荧光谱线,中心波长在1.55μm左右,证明了微腔的选频作用。通过进一步分析谱线计算出微球的Q值在108量级,实验测得自由频谱宽度与理论计算的结果基本一致。     

碳纳米管薄膜微光纤气体传感器的模场分析

基于包层薄膜折射率对微光纤中传输光能量分布的影响,进一步用模场分析仪观察碳纳米管薄膜微光纤在与二甲苯气体接触时,输出光的能量分布和倏逝场的变化。实验结果显示,未镀膜的微光纤暴露在一定浓度的二甲苯气体环境下时,表现出对光很弱的约束能力;而把碳纳米管薄膜微光纤置于与之相同浓度的气体环境时,微光纤的输出光强减小,高阶模的能量发生不稳定的变化,最后待气体挥发完全至浓度稳定后,薄膜微光纤输出光场高阶模能量减小,微光纤的能量分布趋向于高斯分布。     

柚子型光子晶体光纤布拉格光栅理论及实验研究

利用有限元法对一种柚子型光子晶体光纤中的传输模式进行了模拟,得到了各传输模式的有效折射率和模场分布。结合耦合模理论和相关函数方法,对柚子型光子晶体光纤布拉格光栅反射谱进行了理论分析,解释了柚子型光纤光栅出现多个谐振峰的原因;数值分析了光纤纤芯直径和空气孔尺寸对光栅传输谱的影响。结果表明谐振峰波长随纤芯直径的增大向长波方向漂移,而随空气孔增大向短波方向移动,并且不同谐振模式的变化幅度不同;利用相位模板法写制了光子晶体光纤光栅,实验结果与理论分析能够很好地吻合。