一种基于微纳光纤和瓶状微谐振腔的环瓶谐振腔及制备方法

摘要

本发明公开了一种基于微纳光纤和瓶状微谐振腔的环瓶谐振腔及其制备方法。该环瓶谐振腔包括瓶状微谐振腔结构和微纳光纤结构，瓶状微谐振腔由单模光纤通过光纤熔接机熔融压缩制得，微纳光纤由单模光纤通过热拉伸法拉伸制得。该方法将微纳光纤绕制在瓶状微谐振腔上，形成一种瓶状微谐振腔和微纳光纤环状谐振腔耦合的环瓶谐振腔。本发明在保证品质因子和模式体积的条件下，尽可能提升耦合程度，制备出一种新型的回音壁模式光学谐振腔，可应用于腔量子电动力学、模式过滤、纳米离子检测、非线性光学等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤器件技术领域，具体涉及一种基于微纳光纤和瓶状微谐振腔的环瓶谐振腔及制备方法，能在保证品质因子和模式体积的条件下，尽可能提升耦合程度。本发明制备出一种全新结构的回音壁模式光学微谐振腔，可应用于腔量子电动力学、模式过滤、纳米离子检测、非线性光学等领域。

背景技术

光学微谐振腔可以将光场限定在微小空间内，使其具有极高的能量密度和特殊的场分布。这一特性有助于提高光场和原子体系的相互作用，因此可以用来研究物质和光场的强相互作用。其中回音壁模式光学微腔利用光在折射率不连续界面上全反射，使闭合路径满足相位叠加时形成稳定驻波以将光囚禁在腔内长达约数纳秒。回音壁模式微谐振腔具有品质因数高，模式体积小的优点，逐渐发展成为一种非常重要的光子器件，并在腔量子电动力学、低阈值激光器和纳米离子检测、非线性光学等领域快速发展。随着微纳加工技术的逐渐成熟，出现了多种结构回音壁式微谐振腔，如微球谐振腔，微环谐振腔，微瓶谐振腔等。其中，瓶状微谐振腔是由光纤制成的固体扁长的椭球形结构谐振腔，其结构稳定、扩展性好、制备工艺简单、成本较低。瓶状微谐振腔不但品质因子高，模式体积小，而且易于与其他光纤器件集成，有很高的环境敏感性，具有重要的科学研究意义和潜在实用价值。然而，在目前的光耦合方式下，耦合器与瓶状微谐振腔的相互作用仅为点接触，作用时间很短，耦合程度不高。与此同时，另一种回音壁模式的多环谐振腔因为相邻纤圈之间互相耦合影响，具有较高的耦合程度，但因其形状所限，品质因子较低。因此，为保证腔内光与物质相互作用的工作效率，发展既能保证较高耦合程度又具有高品质因子和小模式体积的新型复合微谐振腔是十分必要的。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于微纳光纤和瓶状微谐振腔的环瓶谐振腔及制备方法，该环瓶谐振腔结合瓶状微谐振腔和环状谐振腔的优势，改善两者缺点，能保证较高的品质因子与较小的模式体积，并采用线耦合方式提高耦合程度，形成一种全新结构的回音壁模式光学微谐振腔，可应用于腔量子电动力学、模式过滤、纳米离子检测、非线性光学等领域。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于微纳光纤和瓶状微谐振腔的环瓶谐振腔，包括：单模光纤(1)、微纳光纤(2)、瓶状微谐振腔(3)和环瓶谐振腔(4)，其中微纳光纤(2)尾部两端分别与两段单模光纤(1)连接，瓶状微谐振腔(3)尾部两端分别与另外两段单模光纤(1)连接，环瓶谐振腔(4)由微纳光纤(2)和瓶状微谐振腔(3)复合组成，由所述微纳光纤(2)竖直缠绕在所述瓶状微谐振腔(3)上制得。

所述微纳光纤(2)由单模光纤通过热拉伸法拉伸制得。

所述瓶状微谐振腔(3)为回音壁模式光学谐振腔，具有高品质因子，即不小于10⁶，其由单模光纤通过光纤熔接机熔融压缩制得。

所述环瓶谐振腔(4)的制备装置包括：电动旋转台(5)、两个光纤夹持器(6)、一个微纳光纤固定件(7)、三轴手动位移台(8)；所述电动旋转台(5)为中心镂空的电动旋转台，可使所述瓶状微谐振腔(3)穿过其中心；电动旋转台(5)固定在三轴位移台(8)上；两个光纤夹持器(6)位于电动旋转台(5)两侧，处于相同水平高度；微纳光纤固定件(7)固定在电动旋转台(5)上；两个光纤夹持器(6)分别固定瓶状微谐振腔(3)尾部的单模光纤(1)两端，使瓶状微谐振腔(3)穿过电动旋转台(5)并与转台轴线重合；微纳光纤固定件(7)固定微纳光纤(2)尾部单模光纤(1)一端，使另一端自然下垂。制备装置工作时，通过调节微纳光纤固定件(7)的位置及光纤夹持器(6)的夹持位置，使微纳光纤(2)腰部与瓶状微谐振腔(3)交叉放置；控制电动旋转台(5)参数，使电动旋转台(5)按设定的旋转速度和角位移旋转，逐渐竖直将微纳光纤(2)缠绕在瓶状微谐振腔(3)上，构成环瓶谐振腔(4)。

本发明的一种基于微纳光纤和瓶状微谐振腔的环瓶谐振腔的制备方法，包括如下步骤：

第一步，利用热拉伸法将单模光纤(1)通过拉锥机制得微纳光纤(2)；

第二步，利用熔融压缩法将单模光纤(1)通过光纤熔接机制得瓶状微谐振腔(3)；

第三步，将一个中心镂空的电动旋转台(5)固定在三轴手动位移台上(8)；

第四步，将制备好的瓶状微谐振腔(3)穿过电动旋转台(5)的中心，用光纤夹持器(6)固定在电动旋转台(5)两端，使瓶状微谐振腔(3)与电动旋转台(5)轴线重合；

第五步，用微纳光纤固定件(7)粘住制备好的微纳光纤(2)一端，固定在电动旋转台(5)上，使微纳光纤(2)腰部与瓶状微谐振腔(3)持平，未固定的一端自然下垂；

第六步，利用光学显微镜观察环瓶谐振腔(4)绕制形态，调整瓶状微谐振腔(3)水平位置，或利用三轴手动位移台(8)调整微纳光纤固定件(7)的位置，使瓶状微谐振腔(3)与微纳光纤(2)交叉摆放；

第七步，启动电动旋转台(5)设置所需的旋转速度、角位移，使固定在旋转台(5)上的微纳光纤固定件(7)带动微纳光纤(2)一端开始绕瓶状微谐振腔(3)旋转，另一段在重力作用下保持不变，三轴手动位移台(8)控制电动旋转台(5)在水平方向上逐渐位移最终使微纳光纤(2)缠绕在瓶状微谐振腔(3)上形成环状谐振腔与瓶状微谐振腔(3)复合构成的环瓶谐振腔(4)，在制备时应保证瓶状微谐振腔(3)与电动旋转台(5)环绕轴线重合；

第八步，利用光学显微镜观察微纳光纤(2)的缠绕姿态并利用三轴手动位移台(8)微调光纤位置，按照所需的起始位置、起始角度、缠绕圈数和间隔绕制环瓶谐振腔(4)。

本发明的原理：一种基于微纳光纤和瓶状微谐振腔的环瓶谐振腔由微纳光纤环绕在瓶状微谐振腔上制得。通过绕制装置制备环瓶谐振腔，该装置采用中心镂空的精密电动旋转台，可使瓶状微谐振腔穿过其中心。将电动旋转台固定在三轴手动位移台上。将瓶状微谐振腔穿过电动旋转台并与转台轴线重合，两端固定在相同高度的光纤夹持器上，使瓶状微谐振腔绷紧。用微纳光纤固定件固定微纳光纤一端，另一端自然下垂，将微纳光纤固定件固定在电动旋转台上。通过调节瓶状微谐振腔夹持位置及微纳光纤固定件位置，使瓶状微谐振腔与微纳光纤腰部交叉放置。控制电动旋转台参数，使其按设定的旋转速度和角位移旋转，逐渐竖直将微纳光纤缠绕在瓶状微谐振腔上，构成环状谐振腔与瓶状微谐振腔复合的环瓶谐振腔，对于制好的环瓶谐振腔，将光信号输入微纳光纤，光信号从微纳光纤耦合进入瓶状微谐振腔内部，由于微纳光纤环绕在瓶状微谐振腔上，环瓶谐振腔耦合长度与缠绕长度正相关，使得耦合长度大幅延长，耦合进入谐振腔且满足相位匹配的光信号沿环瓶谐振腔内表面进行全反射，形成稳定驻波被囚禁在腔内，实现回音壁模式谐振，剩余光信号再次通过耦合进入微纳光纤，从微纳光纤输出端输出。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明具有更高的耦合程度。现有耦合技术均为点接触耦合，即耦合器与谐振腔耦合作用于一点，耦合作用长度短，耦合程度不高。本发明将微纳光纤做为耦合器，缠绕在瓶状微谐振腔上，制成的环瓶谐振腔延长了耦合器和谐振腔的作用长度，耦合器和谐振腔的耦合长度与缠绕长度正相关，形成线接触耦合，使得谐振腔与耦合器的物质交换更加充分。

(2)本发明具有更高的工作效率。现有的谐振腔制备技术无法在满足高品质因子同时保证高耦合程度。本发明选用瓶状微谐振腔制备环瓶谐振腔，保持了现有制备技术下谐振腔的高品质因子和低模式体积特性，使环瓶谐振腔具备高品质因子，对光具有更好的储存能力。配合现有技术无法做到的线接触耦合方式，使本发明同时具备高品质因子和高耦合程度，具有更高的工作效率。

附图说明

图1为本发明一种基于微纳光纤和瓶状微谐振腔的环瓶谐振腔的结构图；

图2为本发明的制备装置结构图；

附图标记列示如下：1-单模光纤，2-微纳光纤，3-瓶状微谐振腔，4-环瓶谐振腔，5-电动旋转台，6-光纤夹持器，7-微纳光纤固定件，8-三轴手动位移台，9-三轴手动位移台X向驱动轴，10-三轴手动位移台Y向驱动轴，11-三轴手动位移台Z向驱动轴。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1，一种基于微纳光纤和瓶状微谐振腔的环瓶谐振腔包括：单模光纤1、微纳光纤2、瓶状微谐振腔3和环瓶谐振腔4。

微纳光纤2由单模光纤1通过拉锥机热拉伸制得。通过加热所述单模光纤1中部使其软化，再拉伸单模光纤1两端使软化部分逐渐变细长制成微纳光纤2。拉锥机的工作参数选择为：拉伸长度16-18mm；加热长度为3-4mm；拉伸速度为0.1mm/s；氢氧焰扫描速度为3mm/s。基于热拉伸法制备的微纳光纤2尾部两端分别与两段单模光纤1连接。制备时应保证微纳光纤2腰区长度不小于1cm，以便后续缠绕部分直径均匀，确保环瓶谐振腔品质；尾部连接的两段单模光纤1长度各不小于10cm，便于连接光学仪器。

瓶状微谐振腔3由单模光纤1通过光纤熔接机熔融压缩制得。将两根所述单模光纤1的各自一端切割成平整断面放入光纤熔接机中固定，利用光纤熔接机电极放电使两端软化后水平推动熔接机电机使其挤压凸起，制成所述瓶状微谐振腔3。光纤熔接机的工作参数选择为：放电时间700ms，每次推进距离15μm；放电次数为3-4次。基于熔融压缩法制备的瓶状微谐振腔3尾部两端分别与两段单模光纤1连接。制备时应保证瓶状微谐振腔直径为160-180mm，宽度为320-360mm，以确保微纳光纤2缠绕瓶状微谐振腔3时不易滑动；尾部连接的两段单模光纤1长度各不小于20cm，以便绕制环瓶谐振腔4时光纤夹持器7调整并固定瓶状微谐振腔3位置。

如图2，环瓶谐振腔4的制备装置工作时，通过调节微纳光纤固定件7的位置及光纤夹持器6的夹持位置，使微纳光纤2腰部与瓶状微谐振腔3交叉放置；控制电动旋转台5使其逐渐竖直将微纳光纤2缠绕在瓶状微谐振腔3上，构成环瓶谐振腔4。电动旋转台5的工作参数选择为：旋转速度为3000-4000pps；单次角位移为0-50°；旋转范围为0-1080°。

本发明的环瓶谐振腔的具体制备方法，包括以下步骤：

(1)将一根单模光纤1剥去光纤中间1.5-3cm长的涂覆层，用酒精拭净；

(2)采用热拉伸方法，将剥去涂覆层的单模光纤1放入拉锥机，通过加热单模光纤1中部使其软化，再拉伸单模光纤1两端使软化部分逐渐变细长制成微纳光纤2，取下备用。

(3)将两根单模光纤1剥去各1.5-3cm涂覆层，用酒精拭净。用光纤切割器切割以确保断面轮廓平整。

(4)将两根单模光纤1的切面分别固定在熔接机中，并采用光纤熔接机的半自动熔接将两根光纤置于同一水平线上；

(5)手动使熔接机电极放电，在放电时水平推动电机，使光纤通过挤压中间突起，通过调节电极放电次数可制作出不同直径的瓶状微谐振腔3；

(6)使用熔接机的附加放电模式对瓶状微谐振腔3进行整形，即仅使光纤软化而不进行水平移动，利用表面张力自动调整形状。

(7)将一个中心镂空的电动旋转台5固定在三轴手动位移台8上；

(8)将制备好的瓶状微谐振腔3穿过转台5的中心，用光纤夹持器6固定在两端，尽量保证瓶状微谐振腔3与转台5轴线重合；

(9)用微纳光纤固定件7固定制备好的微纳光纤2一端，并将微纳光纤固定件7固定在转台5正面，使微纳光纤2腰部与瓶状微谐振腔3持平，未固定的一端自然下垂；

(10)利用光学显微镜观察环瓶谐振腔4绕制形态，调整瓶状微谐振腔3水平位置，或利用三轴位移台8调整微纳光纤固定件7位置，使瓶状微谐振腔3与微纳光纤2交叉摆放，为绕制初始位置；

(11)启动电动旋转台5设置旋转速度、角位移，使固定在转台5上的微纳光纤固定件7带动微纳光纤2一端开始绕瓶状微谐振腔3旋转，另一端在重力作用下保持不变。调整三轴手动位移台8的X轴9、Y轴10、Z轴11方向控制电动旋转台5在水平方向上逐渐位移，最终可使微纳光纤2缠绕在瓶状微谐振腔3上形成环状与瓶状微谐振腔3复合构成的环瓶谐振腔4。环瓶谐振腔4在制备时应保证瓶状微谐振腔3与电动旋转台5环绕轴线重合；

(12)利用光学显微镜观察微纳光纤2缠绕姿态，并利用三轴手动位移台8微调微纳光纤2位置，可按照实验所需的起始位置、起始角度、缠绕圈数、间隔绕制环瓶谐振腔。其中，起始位置指缠绕开始时微纳光纤2和瓶状微谐振腔3的相对位置；起始角度指缠绕开始时微纳光纤2和瓶状微谐振腔3的夹角；缠绕圈数指微纳光纤2缠绕瓶状微谐振腔3的圈数；间隔指缠绕若干圈后微纳光纤2形成的相邻环之间的间距。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。