光纤瓶状微谐振腔精细选模机理及器件研究

Optical microresonator is able to confine light inside tiny volume. With this nature, optical microresonator can enhance light-matter interactions significantly and acts as a crucial element in micro/nano optics. The optical fiber bottle microresonators (FBMRs) could find a wide range of applications, e.g. the high sensitivity sensor, inertial measurement and ultra-narrow bandwidth low threshold mirco-laser, because of their unique properties, including high environmental sensitivity, simple fabrication, small mode volume, high quality factor, low insertion loss, robustness, compactness, and easy to connect with other fiberized device. FBMRs support highly non-degenerate whispering gallery modes and show quite dense spectral features. Such spectral characteristics are a serious hindrance if FBMRs are to be used as sensors, where a spectrum with features more easily identifiable and traceable over large wavelength ranges is desirable. Therefore, precise mode selection has become an important foundation of the FBMR device and applications..In this project, the micro/nano structure for precise mode selection is designed based on the theoretical analysis and numerical simulation of the FBMR modes. We propose FBMR precise fundamental mode selection by focused ion beam etching method for the first time. The structure and the etching parameters are the key factors to be optimized to improve the quality factor of micro/nano structured FBMR. This will lay the foundation of the FBMR sensing applications. Then, two novel structures, the complex resonator of coupling FBMR with microfiber coil resonator and surface plasmon FBMR, will be investigated to reveal the new physical phenomena and explore their applications. Finally, the FBMR applications in the areas of ultra-narrow bandwidth low threshold mirco-laser, inertial measurement, and high sensitive sensing device will be demonstrated.

光学微谐振腔能将光囚禁于微小体积内，极大地增强光与物质的相互作用，是微纳光子学中一类重要的器件。由于光纤瓶状微谐振腔环境敏感性高、制备简单、品质因子高、损耗小、结构稳定、易于与其他光纤器件集成等优点，可以用作高灵敏度传感及微型激光器件。但是，瓶状微谐振腔光谱十分密集杂乱，成为制约其应用的障碍，因此精细选模成为光纤瓶状微谐振腔器件应用的重要基础。.本项目从光纤瓶状微谐振腔模式分析和模拟出发，设计选模的微纳结构，提出利用聚焦离子束刻蚀方法，实现瓶状微谐振腔中模式的精细选择。通过优化设计和制备参数，提高微结构瓶状微谐振腔的品质因子。为瓶状微谐振腔真正应用于传感打下基础。首次探索两种新型结构—精细选模的瓶状微谐振腔与微纳光纤多环谐振腔耦合的复杂谐振腔和表面等离子体瓶状微谐振腔，揭示其中新的物理现象并探索其应用。最后，进一步研究瓶状微谐振腔在超窄线宽低阈值激光器、惯性测量及高灵敏度传感等方面的应用。

近年来，以光学微谐振腔为代表的现代光子学器件为增强光与物质的相互作用提供了新的手段，对信息科学技术的发展起到了巨大的推动作用。其中，光纤瓶状微谐振腔所具有的高品质因子、易于制备、结构稳定、易于集成等特性使其在非线性光学、光学传感等应用领域潜力巨大。然而，瓶状微谐振腔的椭球形结构导致了密集的模式分布，使得其在传感应用中模式难以被辨识和追踪。.本项目针对光纤瓶状微谐振腔光谱密集杂乱限制其应用的问题，首先研究了瓶状微谐振腔的模式分布特征，讨论了其光学特性并研究了其精细选模的机理，建立了微结构参数与精细选模结果之间的关系模型，为特定模式的选择、新型结构及应用器件的设计提供了理论支撑。在此基础上，研究了基于聚焦离子束技术的精细选模实现方法，研制了具有微结构的瓶状微谐振腔，并实验分析了其光谱分布特征，通过精确设计微结构的尺寸和位置，实现了瓶状微谐振腔单一模式的保留，验证了精细选模理论的正确性。之后，探索了基于光纤瓶状微谐振腔的复合谐振腔、表面等离子谐振腔以及级联谐振腔等新型结构，研究了复合谐振腔和级联谐振腔的制备方法及耦合特性，并分析了表面等离子体谐振腔在不同偏振态下的边界模式分布特征。最后，实现了基于精细选模的瓶状微谐振腔在拉力传感方面的应用，传感过程中模式清晰可辨，易于追踪；研究了表面等离子体谐振腔在折射率传感中的应用，分析了结构参数对灵敏度的影响；突破了级联型瓶状微谐振腔在拉力传感和上行下载滤波器中的应用技术，得到了目前报道的基于实芯微腔的最高拉力灵敏度，并实现了模式下载率的稳定可调；研究了瓶状微谐振腔在光频梳中的应用，通过激发具有不同轴向模式数的模式，实现了模式色散的方便调节。本项目研究成果从理论研究、实验验证、应用探索三个方面对瓶状微谐振腔形成了系统的研究成果，为瓶状微谐振腔应用于传感领域开辟了道路，对推动光通信、传感、信号处理等领域的发展具有重要的理论意义和技术应用价值。