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。     

Numerical research on whispering-gallery modes in a triple-layer-coated microsphere resonator

We numerically demonstrate that whispering-gallery modes (WGMs) in a microsphere resonator with three layers of high, low and high refractive index (RI) are analyzed by using the finite difference time domain (FDTD) method. To make the light couple in and out of the microsphere, a phase matched waveguide is used to overlap the WGMs evanescent radiation field. By changing the gap between the microsphere and waveguide, the WGMs of two high-RI layers are efficiently excited. The stored energy and the mode volume are optimized for sensing applications. The coupling structure reveals a good sensitivity of 38.29 nm/RIU (RI unit).     

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.