基于回音壁式光学谐振腔模式劈裂的角速度敏感机理研究

Ultra-high Q micro-resonators, in which light-matter interactions are significantly enhanced, can reach a build-up factor close to 100 thousands. The self-reference sensing scheme based on mode splitting has shown great help to detect tiny signals associated with the resonator. The project reports to measure rotation based on the mode splitting phenomenon in a micro-toroid resonator. We utilize the splitting-mechanism resulted from backscattering to detect rotation firstly, and intend to avoid the lock-in effect resulting to a low resolution. The project is organized as follows. Firstly, we study the dynamic features of mode splitting and the resonator. Secondly, the fiber taper coupling technique is investigated. The third part is devoted to demonstrate an explicit expression describing the splitting-rotation model. Fourthly, the technique measuring splitting is investigated. Finally, we build a half physical simulation system to test the splitting-rotation model discussed above in a micro-toroid resonator. The research program will promote the development of Nonlinear Optics, Nano Optics, Quantum Optics and several other interdisciplinary disciplines. Besides, the self-reference sensing scheme can be applied to optical laser, modulation, biological virus detection, molecule detection, and nanoparticle detection, which brings huge economic and social benefits.

高品质微谐振腔能极大增强光与物质的相互作用，其中的能量可被放大10万倍。利用这种谐振腔模式劈裂的自参考机制可以敏感到与谐振腔相关联的极微弱信息。本项目提出微光学谐振腔模式劈裂的敏感机理进行载体的角速度测量。创新性地提出背向散射导致的模式劈裂自参考传感机制，解决传统光学谐振陀螺仪中因固有的背向散射造成的分辨率降低、陀螺仪闭锁问题。研究内容包括：①回音壁式谐振腔模式劈裂敏感；②光纤锥耦合技术；③模式劈裂的测量检测方法；④基于回音壁式模式劈裂的角速度测量建模；⑤微环芯回音壁式光学谐振腔模式劈裂敏感机理的半物理仿真验证系统。相关科学问题的突破，丰富了非线性光学、纳米光学、量子光学等交叉学科的发展；其自参考敏感机制的研究不仅可以用到姿态敏感，还可以拓广到激光器、光学调制器、医学病毒检测、生物细胞学、化学微纳米粒子检测很多领域的应用，将带来巨大的经济效益和社会效益。

回音壁式光学谐振腔通过光的全反射将光囚禁于腔内并沿边缘稳定传播，极大增强了光与物质的相互作用，具有品质因数高、模式体积小的优点，从而可以实现对与谐振腔相关联的极微弱信号检测，同时利用其模式劈裂的自参考机制可以对共模噪声进行有效抑制。本项目创新地提出一种基于回音壁式光学谐振腔模式劈裂的角速度测量方案，解决传统光学谐振陀螺仪中因固有的背向散射造成的分辨率降低、陀螺仪闭锁问题。本项目研究了回音壁式光学微型谐振腔的模式劈裂敏感机理以及光纤锥近场耦合特性，完成了基于模式劈裂的回音壁式微腔角速度测量模型的建立，以及微腔模式劈裂角速度传感中的噪声误差源和相关参数进行了分析，并搭建了基于微环芯型回音壁式光学谐振腔模式劈裂敏感机理的半物理仿真验证系统。在噪声源分析上，明确并分析了shupe效应引起的噪声，非互易性结构噪声，温度噪声及克尔噪声等误差源对系统的影响，其中针对非互易性结构噪声等采取了相应的抑制方案，其中Shupe效应引起的噪声、克尔噪声及温度噪声等对系统分辨率及测量准确性影响甚微，也再次印证了本方案在噪声抑制上的优秀特性。通过分析验证，仅利用直径为100μm的微腔便可获得0.0614°/s的高灵敏度。. 本项目研究结果表明，基于回音壁式微腔模式劈裂的角速度测量方案在角速度及其它相关信号的传感上，具有高灵敏度、抗共模噪声的特点且易实现小型化和集成化。项目进展期间研究人员也曾赴美国、德国等地与高校师生围绕微腔传感机理及应用方面展开国际交流，拓宽了学生的研究视野，并提升了本课题研究方向在国际上的影响力；同时在技术层面发掘更好的实验优化方向与应用前景，本项目方案未来可在集成应用方向进一步突破发展，以拓广应用于航空航天、医学生物工程等微纳传感领域，实现更高的应用价值。. 本项目在研究过程中共发表学术论文16篇，其中被Optics Letters、Optics Express等高影响因子SCI期刊收录12篇，EI收录4篇，申请发明专利5项，其中1项已获得授权，并有一项专利成果处于转化进程中。