基于MEMS的平面环形微腔与锥形光纤耦合系统基础研究

摘要

近年来，光学微腔(球形微腔、柱形微腔、圆盘微腔、平面环形微腔)以特有的“回音壁”模式，而拥有优越的非线性光学特性和显著的量子特性，在腔电子动力学、光学参量振荡、量子保密通讯、高灵敏度生化探测、超低阈值受激Raman激光发射、频率梳以及光钟等研究和应用领域具有重要价值，引起人们越来越广泛的关注。作为一种新型光学微腔，平面环形微腔利用MEMS工艺可实现其大规模集成和批量加工。而且，通过对主径、辅径这两个重要结构参数的优化控制，可获得极高的品质因子因子(Q)，使其成为研究高灵敏度传感器和进行非线性光学特性探索的良好载体。 本论文在参考了国内外著名微腔研究小组的研究方案的基础上，对平面环形微腔进行了优化设计、制备和测试等一系列工作，具体概括为： 首先，进行了高性能平面环形微腔的优化结构设计。通过讨论和分析各因素对平面环形微腔Q和模式体积(V)的影响，通过MATLAB和Beamprop软件仿真，以高Q/V比值为目标。最终设计出具有良好性能的平面环形微腔，为成功制备平面环形微腔打下基础。 然后在上述设计的基础上，调研了国内微加工相关工艺，并结合传统工艺特点设计上述平面环形微腔的制备流程。经过一系列传统MEMS微加工工艺，包括：热生长、光刻、腐蚀等，制备了特定尺寸的平面圆盘微腔。在此基础上，在实验室搭建了平面圆盘CO2激光表面回流处理平台。通过多次试验摸索，应用实验室现有COHERENT公司的K-500型CO2激光器成功制备了平面环形微腔。为了进一步探索平面环形微腔的光学特性，选用锥形光纤作为平面环形微腔光学模式的激发耦合器。搭建了锥形光纤耦合器制备平台，并用熔融拉锥的方法制备了不同锥区长度、不同锥角的耦合器，为进行耦合试验打下基础。 最后，已制备的平面环形微腔和锥形光纤为核心部件，组建了耦合系统。通过压电三维调节台精确控制两者间距离，利用NewFocus6328可调谐激光器象浦该系统，得到了初步的耦合结果。另外还设计了Q因子腔衰荡测试方法，对进一步优化耦合系统和深入探索平面环形微腔光学特性有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1课题研究意义

1.2国内外研究现状分析

1.3本人主要研究工作与结构安排

第2章 平面环形微腔和锥形光纤的系统理论研究

2.1品质因数

2.1.1固有损耗

2.1.2耦合效率

2.1.3耦合状态分析

2.2模式体积

2.3锥形光纤理论分析

2.3.1光场分析

2.3.2倏逝波分析

2.4平面环形微腔耦合系统分析

2.4.1微腔耦合模式

2.4.2耦合原理

2.5光学仿真

2.6本章小结

第3章 平面环形微腔和锥形光纤的制备

3.1平面环形微腔制备

3.1.1工艺流程设计

3.1.2实验设备

3.1.3加工流程

3.1.4微腔的精确对准

3.1.5功率控制

3.1.6实验结果

3.1.7实验分析

3.2锥形光纤制备

3.2.1加工方法分析

3.2.2装置组成

3.2.3关键问题分析

3.2.4实验过程

3.2.5实验分析

3.3本章小结

第4章 平面环形微腔的测试方法研究

4.1光腔衰荡方法介绍

4.2光腔衰荡的原理

4.3光腔衰荡的构成

4.3.1光源部分

4.3.2平面环形微腔

4.3.3探测器和示波器选择

4.4平面环形微腔的性能测试

4.4.1测试系统构成

4.4.2微位置对准

4.4.3微腔测试

4.5本章小结

第5章 总结和展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的成果

致谢