光学微腔的原理及制作研究

科研实践文献综述

学院物理与信息工程学院

专业应用物理学

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题目光学微腔的原理及制作研究

光学微腔的原理及制作研究

一、光学微腔发展背景

光学微腔是一种尺寸在微米量级或者亚微米量级的光学谐振腔，它利用在折射率不连续的界面上的反射、全反射、散射或者衍射等效应，将光限制在一个很小的区域。基于回音壁模式( Whispering Gallery Mode，简称WGM[1])的光学微腔成为了近年来研究的热点。首先它作为一种尺寸可与光波长相比拟的光学谐振腔，使得凝聚态中的一些量子电动力学现象得以研究[2]；其次作为一种低阈值激光微腔，在集成光学、信息光学等诸多应用领域有很好的应用前景。目前光学介质微腔的形状也多种多样，主要有微球腔[3]、微盘腔[4]、微环腔[5]、微芯环腔[6]几种。本文主要总结了近年来国内外光学微腔的一些研究现状及成果，并分析了未来的发展趋势。

目前信息与通信技术正以前所未有的速度发展,根据摩尔定

律的预测,大约每18个月处理器的速度和内存的大小就会翻倍,

而且这个速度还将持续十年。如果光学能够在信息与通信领域发挥重大的作用,无疑它将以飞快的速度发展。全光信号处理技术,由于不需要进行光-电-光转换,逐渐成为全光网络系统中前景广

阔的领域之一。对于全光网络设想的实现更需要一些体积更小,结构简单,性能较稳定的光学器件。光学谐振腔是一个重要的光学器件,它在光通讯器件、光纤传感等领域里得到了广泛的应用,同时也是激光器的重要组成部分。所以具有高集成度的微纳米光学谐振腔器件必将成为一个研究的热点。

二、光学微腔的常用制备方法

硅基二氧化硅回音壁模式光学微腔具有高品质因子和小模式体积，使得腔内有较高的光场能量密度。微腔位于硅基之上，与成熟的硅加工工艺相兼容，制作工艺简单，且能够与光纤锥进行高效的耦合，具有可在硅片上单片集成的特点。基于以上特点，回音壁模式微腔可以广泛应用于光纤通信无源器件、非线性光学、低阈值激光器以及腔量子电动力学方面的研究。

光纤拉锥的基本原理是利用火焰产生高温使得光纤硬度变

小，通过拉伸使光纤的直径变细，通过专门的光纤拉锥机可以容易获得直径大小均匀的超细光纤。但如果使用自制的拉锥装置则很难获得理想的细光纤，达不到期望的半径大小。

光纤锥是目前耦合效率相对高的近场耦合器件。与微芯环腔耦合时要得到较高的耦合效率及较低的耦合损耗，光纤锥的锥度及细腰处的直径需要得到良好的控制。光纤锥的制作通常是熔融拉锥机拉制而成，整体成本很高。通过制作光纤腐蚀装置，将剥离涂覆层的一小段光纤固定在U型框上，用氢氟酸缓冲溶液作为腐蚀液腐蚀而成。在光纤一端输入激光，另一端用光功率计测试输出光功率，通过观察光功率的变化来实现对腐蚀情况的监测。这种方法制得的光纤锥的最高传输效率可达98%，其制作工艺简单、成本低廉、可重复性高。

湿法腐蚀工艺技术是化合物半导体器件制作中的一种重要工艺技术；它是在具有高选择比掩蔽膜的保护下对介质膜或半导体材料进行腐蚀而得到所需图案的技术。湿法腐蚀具有各向同性腐蚀与各向异性腐蚀之分，还有选择性腐蚀与非选择性腐蚀之分。二氧化硅的湿法腐蚀常用HF、NH4F作为腐蚀液。

三、光学微腔的应用

由于其极高的品质因数、极低的模式体积以及易制备和易操纵性,光学微球腔已经在许多领域得到了初步应用. 这里限于篇幅,只选一例作一简单介绍.

1.腔体量子电动力学中的应用及极低阈值激光器

在腔体量子电动力学中,需要高品质因数和低模式体积的谐振腔,以获得极高的能量密度,从而观测各种量子光学效应,或者实现低阈值的激光发射.以前的多层半导体激光器和光学微介质

盘激发阈值低,但工作于低品质因数的方式下. 而高品质因数的Fabry2Perot 微谐振腔又需要特殊的超高反射膜以及极精确的加工和定位装置,技术上实现较难. 相比之下,WG模式下的光学微球腔既具有高品质因素,又易于制备和操纵,因而是更理想的谐振腔. Norris 等

使用微球腔成功地实现了对球腔表面单分子的激发,揭示了单分子腔体量子电动力学现象.在低阈值的激光发射方面,含有不同掺杂物的

极低阈值的微球腔激光器已由多人实现[13 ,14 ,16 ,17 ] .例

如,1996 年,Sandoghdar 与其合作者实现了吸收抽运功率为

200nW的激光器[14 ] . 图3 是其激光器原理图. 该激光器使用了掺钕离子的二氧化硅介电微球,直径在50μm 至80μm 之间,品质因数为108 数量级.

两个二极管激光器LD1 和LD2 发出的807nm 和1080nm光束,在介电微球内激发出WG模式. 光电二极管PD1 检测被吸收的功率,PD2 检测出钕离子能级跃迁时产生的1060 —1090nm 的激光.

实验中通过逐步增加入射功率来探测该激光器的阈值. 当入射到棱镜面上的抽运功率为1mW,而PD1 检测到的吸收抽运功率为200nW 时,PD2 检测到了激光输出. 由于激光从微球耦合到棱镜的效率仅有5 % ,并且探测路径上的能量损失为90 % ,因此在吸收抽运功率为200nW至800nW时,PD2 检测到激光输出功率为10pW至150pW. 理论计算表明,在该实验参数下,单个WG模式下激发出激光时的吸收抽运功率可以降为2nW,而实验中由于同时激发出60 至80 个模式,因而实测阈值为200nW. 该阈值比传统的钕离子光纤激光器的阈值低三个数量级.而且近一步计算表

明,若将实验温度从室温降低到液氦温度,由于线宽的进一步减小,可以制成无阈值的激光器. 在该激光器中,激光激发仅需要一个钕离子和很少量的几个光子.

他们还通过改变耦合间距来观测激光器阈值与微球腔的品

质因数的关系. 实验结果表明,阈值随Q- 1的增加而线性增长,与理论相符合.

参考文献

[1]Gorodetsky M L et al .Opt.Lett. ,1996 ,21 (7) :453

[2]Ilchenko V S et al m. ,1998,145:86

[3 ] SchillerS,ByerRL.Opt.Lett. ,1991,16 (15):1138

[ 4 ] Braginsky V B et al.Phys.Lett.A. ,1989,137:393

[5] Norris D J et al.Appl. Phys.Lett. ,1997 ,71 (3) :297

[ 6 ] LittleB E et al.J.Lightwave Technol. ,1999 ,17 (4) :704 Ishikawa H et al.Opt.Lett. ,1999 ,24 (10) :643