CN103311788B - 一种瓶子型光学微谐振腔的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种瓶子型光学微谐振腔的制备方法，涉及一种光学微谐振腔。包括以下步骤：1)截取一段光纤作为制备瓶子型光学微谐振腔的基础成型材料；2)在所截取的光纤的中间处选择一小段，除去其涂覆层，得到光滑对称的裸光纤；3)将所截取的中间包含裸光纤的光纤段固定在U型铝片上；4)将液态光学胶贴剂滴到裸光纤上或者微光纤的锥腰处，光学胶贴剂将在液体粘滞力和表面张力的作用下附着在裸光纤或者微光纤的锥腰表面形成瓶子型光学微谐振腔；5)将在步骤4)中，所得到的光学胶贴剂瓶子型光学微谐振腔放在紫外光灯下照射，固化后即制得固态的瓶子型光学微谐振腔。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学微谐振腔，尤其是涉及一种瓶子型光学微谐振腔的制备方法。
背景技术
光学回音壁模(Whispering gallery mode)微谐振腔因具有很强的光场限制能力，使得其可在光腔内形成高强度的光谐振和维持较长时间的光子寿命，即具有超高品质因子和极小模式体积的特点。国内外研究学者在非线性光学、生物传感、腔量子电动力学、可集成的光学元件和低阈值激光器等领域，已对光学微腔进行了大量广泛而深入的研究。
最早于2004年报道的光学回音壁模瓶子型微谐振腔(M.Sumetsky,“Whispering-gallery-bottle microcavities:the three-dimensional etalon,”Opt.Lett.29,8-10,2004)，因其具有比同等尺寸的微球谐振腔小一个数量级的自由光谱范围(Free Spectral Range,FSR)，而在腔量子电动力学中具有非常重要的应用(Y.Louyer,D.Meshede,and A.Rauschenbeutel,“Tunable whispering-gallery-mode resonators forcavity quantum electrodynamics,”Phys.Rev.A72,031801(R),2005)。
目前，瓶子型光学微腔的制备方法主要是利用CO2激光器或者光纤熔接机对去除涂覆层的SiO2光纤进行加热，并在光纤处于加热熔融状态时以可控的方式对光纤进行拉伸或者压缩而制得(G.Kakaranzas,T.E.Dimmick,T.A.Birks,R.Le Roux,and P.St.J.Russell,"Miniature all-fiber devices based on CO2laser micro structuring of tapered fibers,"Opt.Lett.26,1137-1139,2001;M.N.Zervas,G.Senthil Murugan,and J.S.Wilkinson,"Demonstration of novel high-Q fiber WGM"bottle"microresonators,"in IEEE Proc.10th anniversary International Conference on Transparent Optical Networks4,58-60,2008)。但这两种制备方法由于引入了机械拉伸和压缩过程，使得制成的瓶子型光学微谐振腔在微腔表面平整度和腔体对称性方面受到机器本身的精度和机械伸缩误差的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种瓶子型光学微谐振腔的制备方法。
本发明包括以下步骤：
1)截取一段光纤作为制备瓶子型光学微谐振腔的基础成型材料；
2)在所截取的光纤的中间处选择一小段，除去其涂覆层，得到光滑对称的裸光纤；
3)将所截取的中间包含裸光纤的光纤段固定在U型铝片上；
4)将液态光学胶贴剂滴到裸光纤上或者微光纤的锥腰处，光学胶贴剂将在液体粘滞力和表面张力的作用下附着在裸光纤或者微光纤的锥腰表面形成瓶子型光学微谐振腔；
5)将在步骤4)中，所得到的光学胶贴剂瓶子型光学微谐振腔放在紫外光灯下照射，固化后即制得固态的瓶子型光学微谐振腔。
在步骤1)中，所述一段光纤的长度可为10～250cm；所述光纤可采用光滑对称的柱形光纤；所述柱形光纤可采用圆柱形光纤。
在步骤2)中，所述一小段的长度可为1.5～1.75cm。
在步骤3)中，所述固定可直接或者采用拉锥法拉锥成微光纤后固定；所述拉锥法可采用熔融拉锥法，具体方法如下：将步骤2)中获得的中间已除去涂覆层的一段光纤，固定在两个光纤夹上，两个光纤夹分别安装在两个平行相对放置的步进电机上，然后用稳定的丁烷火焰加热，除去涂覆层的裸光纤，在加热的同时通过计算机控制两步进电机以相同的速度和拉伸距离沿相反的方向拉伸光纤，形成微光纤。所述微光纤为在其锥腰处近似光滑对称的圆柱形光纤。
在步骤4)中，所述液态光学胶贴剂可采用可在紫外光照射下固化的液态光学胶贴剂；所述将液态光学胶贴剂滴到裸光纤上或者微光纤的锥腰处，可通过一根半锥光纤将液态光学胶贴剂滴到裸光纤上或者微光纤的锥腰处；所述光学胶贴剂可采用宽透光带宽和低光衰减且在紫外光照射下具有低收缩和固化后具有高硬度特性的胶体材料，所述光学胶贴剂可采用Norland公司生产的光学胶贴剂——Norland Optical Adhesive(NOA)；所述半锥光纤的锥腰直径可为几到几十微米；微量的光学胶贴剂微液滴可沾到半锥光纤末端然后滴到裸光纤上或者微光纤的锥腰处。
在步骤5)中，所述紫外光灯可采用输出波长365nm、输出光强90mW/cm2的ELC-410紫外光点固化系统。
本发明通过利用光滑对称的柱形光纤或者经熔融拉锥后形成的具有近似光滑对称锥腰的微光纤，作为制备瓶子型光学微谐振腔的基础成型材料。使用具有宽透光带宽和低光衰减特性的Norland光学胶贴剂，作为制备光学回音壁模微谐振腔的腔体材料，并利用其在液态状态时的粘滞特性和自然的表面张力作用，使光学胶贴剂附着在圆柱形裸光纤表面或者微光纤的圆柱形锥腰表面，形成表面平整度和体对称性极好的液态瓶子型光学微谐振腔。形成的液态瓶子型光学微谐振腔再通过紫外光灯进行固化，可以在几乎不改变液态瓶子型光学微谐振腔的几何形状条件下得到固态的瓶子型光学微谐振腔。在实施例中选用的基础成型材料为SMF-28单模光纤，腔体材料为具有宽透光带宽、低光衰减、低粘度、低收缩(固化时)和高硬度(固化后)的Norland Optical Adhesive61(NOA61)光学胶贴剂，紫外光灯可采用输出波长365nm、输出光强90mW/cm2的ELC-410紫外光点固化系统，通过控制熔融拉锥过程中的火焰宽度、拉伸速度和拉伸距离等参数，可以获得不同锥腰直径的微光纤，并从而可以制备出不同尺寸大小的瓶子型光学微谐振腔。
具有宽透光带宽和低光衰减特性的Norland Optical Adhesive光学胶贴剂是制备高Q值微腔器件的优良材料，利用熔融拉锥法制得的不同尺寸的微光纤以及液体的粘滞力和自然表面张力并结合紫外光固化技术，可以制得具有不同尺寸且表面平整度和腔体对称性极好的瓶子型光学微谐振腔。
附图说明
图1为本发明实施例的制备过程框图。
图2为图1所示实施例在对已除去涂覆层的裸光纤不拉锥后固定到U型铝片上进行瓶子型光学微谐振腔制备的详细制备过程示意图。
图3为图1所示实施例在对已除去涂覆层的裸光纤拉锥后固定到U型铝片上进行瓶子型光学微谐振腔制备的详细制备过程示意图。
图4为本发明实施例制成的瓶子型光学微谐振腔在俯视方向的结构示意图。
图5为本发明实施例制成的瓶子型光学微谐振腔在正视方向的结构示意图。
图6为图4和图5所示实施例的谐振光谱图。在图6中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为归一化的透射率(%)。
图7为图4～6所示的实施例在谐振波长1558.95nm处的洛伦茨拟和图。在图7中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为归一化的透射率(%)。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步说明本发明。
参见图1，本发明实施例的简要制备过程包括：截取一段10～20cm的光纤1；去除所截取光纤中间长约1.5cm的一小段的涂覆层2；用熔融拉锥法将已去除涂覆层的裸光纤拉成微光纤3；将包含裸光纤或者微光纤的光纤段固定到U型铝片上4；把光学胶贴剂滴到裸光纤或者微光纤上5；以及用紫外光灯对已形成的液态瓶子型光学微谐振腔进行照射固化6。
参见图2和3，本发明实施例的详细制备过程为：首先截取一段SMF-28单模光纤7，用剥线钳剥去该段光纤中间长约1.5cm的一小段光纤的涂覆层，并用擦镜纸沾取少量酒精将其擦拭干净，得到一段光滑对称的圆柱形裸光纤8。然后将包含裸光纤8的单模光纤7用NOA61光学胶贴剂10固定在U型铝片9上，或者将裸光纤8先用熔融拉锥法拉成尺寸更小的微光纤14后再固定在U型铝片9上。之后再将沾到半锥光纤末端的NOA61光学胶贴剂微液滴滴到裸光纤8上或者微光纤14的锥腰处，受液体粘滞力和表面张力的作用，NOA61光学胶贴剂微液滴将附着在光滑对称的圆柱形裸光纤8或者锥腰部分为近似圆柱形且光滑对称的微光纤14上，并形成表面平整度和体对称性极好的液态瓶子型光学微谐振腔11。最后将液态瓶子型光学微谐振腔11放在ELC-410紫外灯12下进行照射固化，得到仍保持极好表面平整度和体对称性的固态瓶子型光学微谐振腔13。
图4和图5分别示出了利用紫外光固化法制得的瓶子型光学微谐振腔在俯视方向和正视方向的结构示意图，标记Db为瓶子型光学微谐振腔中间处的直径，标记Ds为连接瓶子型光学微谐振腔的光纤柄直径，其中标记Lb为瓶子型光学微谐振腔两瓶颈之间的距离。通过控制熔融拉锥过程中的火焰宽度、拉伸速度和拉伸距离等参数，可以获得不同锥腰直径的微光纤，并从而可以制备出不同尺寸大小的瓶子型光学微谐振腔。其中光纤柄的直径等于拉制的微光纤的锥腰直径。
图6给出了利用制备好的瓶子型光学微谐振腔(通过显微镜测试得到的参数值为：Db=21.8μm，Ds=19.6μm，Lb=52μm)与锥腰直径为2μm的微光纤进行耦合后得到的归一化谐振光谱图，从图中可以看到清晰、密集的回音壁模谐振光谱，其中标记的FSR为测试得到的自由光谱范围，约为6.3nm，而通过微球谐振腔自由光谱范围的近似理论计算公式Δλ=λ2/(2πna)，可以计算出对应的光学微球谐振腔的自由光谱范围为22.8nm，比瓶子型光学微谐振腔的自由光谱范围大了一个数量级。其中λ为瓶子型光学微谐振腔与微光纤耦合时在瓶子型光学微谐振腔内存在的谐振模式波长，可近似取为1.55μm，n是NOA61光学胶贴剂制成的瓶子型光学微谐振腔在波长1.55μm处的折射率，为1.54，2a是公式计算中要代入的微球谐振腔的直径，这里与微瓶子谐振腔的直径Db相等，为21.8μm。
图7给出了图6所示实施例在谐振波长1558.95nm处的洛伦茨拟和图，通过洛伦茨拟和可以得到谐振中心波长λ和线宽Δλ的值，然后利用回音壁模微谐振腔的品质因子(Q值)的近似计算公式Q=λ/Δλ，在受测试时所用光谱仪的最低分辨率(0.01nm)的限制情况下，可以得到该瓶子型光学微谐振腔的Q值为6.8x104，而实际的品质因子(Q值)将大于这个值。
Claims (8)
1.一种瓶子型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)截取一段光纤作为制备瓶子型光学微谐振腔的基础成型材料；
2)在所截取的光纤的中间处选择一小段，除去其涂覆层，得到光滑对称的裸光纤；
3)将所截取的中间包含裸光纤的光纤段固定在U型铝片上；所述固定是直接或者采用拉锥法拉锥成微光纤后固定；
4)将液态光学胶贴剂滴到裸光纤上或者微光纤的锥腰处，光学胶贴剂将在液体粘滞力和表面张力的作用下附着在裸光纤或者微光纤的锥腰表面形成瓶子型光学微谐振腔；所述液态光学胶贴剂采用在紫外光照射下固化的液态光学胶贴剂；所述将液态光学胶贴剂滴到裸光纤上或者微光纤的锥腰处，是通过一根半锥光纤将液态光学胶贴剂滴到裸光纤上或者微光纤的锥腰处；所述光学胶贴剂采用宽透光带宽和低光衰减且在紫外光照射下具有低收缩和固化后具有高硬度特性的胶体材料，所述光学胶贴剂采用Norland公司生产的光学胶贴剂；
5)将在步骤4)中所得到的光学胶贴剂瓶子型光学微谐振腔放在紫外光灯下照射，固化后即制得固态的瓶子型光学微谐振腔。
2.如权利要求1所述一种瓶子型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述一段光纤的长度为10～250cm。
3.如权利要求1所述一种瓶子型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述光纤采用光滑对称的柱形光纤。
4.如权利要求3所述一种瓶子型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于所述柱形光纤采用圆柱形光纤。
5.如权利要求1所述一种瓶子型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述一小段的长度为1.5～1.75cm。
6.如权利要求1所述一种瓶子型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述拉锥法是采用熔融拉锥法，具体方法如下：将步骤2)中获得的中间已除去涂覆层的一段光纤，固定在两个光纤夹上，两个光纤夹分别安装在两个平行相对放置的步进电机上，然后用稳定的丁烷火焰加热除去涂覆层的裸光纤，在加热的同时通过计算机控制两步进电机以相同的速度和拉伸距离沿相反的方向拉伸光纤，形成微光纤；所述微光纤为在其锥腰处近似光滑对称的圆柱形光纤。
7.如权利要求1所述一种瓶子型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于所述半锥光纤的锥腰直径为几到几十微米；微量的光学胶贴剂微液滴沾到半锥光纤末端然后滴到裸光纤上或者微光纤的锥腰处。
8.如权利要求1所述一种瓶子型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述紫外光灯采用输出波长365nm、输出光强90mW/cm2的ELC-410紫外光点固化系统。
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