CN103345021A

CN103345021A - 一种半球型光学微谐振腔的制备方法

Info

Publication number: CN103345021A
Application number: CN2013102689103A
Authority: CN
Inventors: 蔡志平; 顾国强; 许惠英; 陈鹭剑; 车凯军
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2013-10-09

Abstract

一种半球型光学微谐振腔的制备方法，涉及一种光学微谐振腔。提供新型、易实现和低成本的一种半球型光学微谐振腔的制备方法。包括以下步骤：1)截取一段光纤作为制备半球型光学微谐振腔的基础成型材料；2)从截取的光纤一端，除去其中一段涂覆层，得到裸光纤；3)把裸光纤的端面切平整；4)将液态光学胶贴剂滴到圆柱形裸光纤的端面上，在液体粘滞力和表面张力的作用下光学胶贴剂将附着在圆柱形裸光纤的端面上形成液态的半球型光学微谐振腔；5)对液态的半球型光学微谐振腔进行照射，固化后得到固态的半球型光学微谐振腔。

Description

一种半球型光学微谐振腔的制备方法

技术领域

本发明涉及一种光学微谐振腔，特别是涉及一种半球型光学微谐振腔的制备方法。

背景技术

品质因子(Q值)高和模式体积小的光学微腔，因其在基础物理学(H.Gibbs,G.Khitrova,and S.Koch,“Exciton-polariton light-semiconductor coupling effects,”Nat.Photonics5,275,2011;J.P.Reithmaier,G.Sek,A.Loffler,C.Hofmann,S.Kuhn,S.Reitzenstein,L.V.Keldysh,V.D.Kulakovskii,T.L.Reinecke,and A.Forchel,"Strong coupling in a single quantum dot-semiconductor microcavity system,"Nature432,197-200,2004)、激光器(Z.P.Cai,H.Y.Xu,G.M.Stéphan,P.Féron,and M.Mortier,“Red-shift in Er:ZBLALiP whispering gallery mode laser,”Opt.Commun.229,311-315,2004;L.Yang,D.K.Armani,and K.J.Vahala,"Fiber-coupled Erbium Microlaser ona chip,"Appl.Phys.Lett.83,825-826,2003)、add-drop光滤波器(T.Bilici,S.

A.Kurt,and A.Serpengüzel,“Microsphere-based channel dropping filter with anintegrated photodetector,”IEEE Photon.Technol.Lett.16,476–478,2004)和非标记探测光电传感器(F.Vollmer and S.Arnold,"Whispering-gallery-mode biosensing:label-free detection down to single molecules,"Nature Methods5,591-596,2008)等领域的潜在应用，因而在最近几十年受到了广泛的研究。光学微腔的结构包括Fabry-Pérot腔(T.Someya,R.Werner,A.Forchel,M.Catalano,R.Cingolani,and Y.Arakawa,“Roomtemperature lasing at blue wavelengths in gallium nitride microcavities,”Science285(5435),1905–1906,1999)、光子晶体(O.Painter,R.K.Lee,A.Scherer,A.Yariv,J.D.O’Brien,P.D.Dapkus,and I.Kim,“Two-dimensional photonic band-gap defectmode laser,”Science284,1819-1821,1999)、随机腔(H.Cao,Y.G.Zhao,S.T.Ho,E.W.Seelig,Q.H.Wang,and R.P.H.Chang,“Random laser action in semiconductorpowder,”Phys.Rev.Lett.82,2278–2281,1999)、等离子体腔(M.P.Nezhad,A.Simic,O.Bondarenko,B.Slutsky,A.Mizrahi,L.Feng,V.Lomakin,and Y.Fainman,“Roomtemperature subwavelength metallo-dielectric lasers,”Nat.Photonics4,395–399,2010)、分布反馈谐振腔(I.D.W.Samuel and G.A.Turnbull,"Organic semiconductorlasers,"Chem.Rev.107,1272-1295,2007)和回音壁模谐振腔(V.B.Braginsky,M.L.Gorodetsky,and V.S.Ilchenko,"Quality-Factor and Nonlinear Properties of OpticalWhispering-Gallery Modes,"Physics Letters A137(7-8),393-397,1989)。

回音壁模光学微腔通常是指线度在5～500μm的光学介质谐振腔。当光通过耦合进入一个轴对称微腔的界面内进行传播时，光波将绕着微腔的表面不断地进行全反射，在满足一定的相位匹配条件时，绕行的光波相互增强，激发出特有的回音壁模式，而在微腔外的光波则是消逝场，它是局限于腔表面附近的非传输波，光场的振幅在矢径方向按指数下降，即从腔内到腔外的平均能流为零，从而使回音壁模光学微腔具有极高的品质因子(Q值)、极小的模式体积和非常窄的线宽。这些特性使得回音壁模光学微腔在激光器、光频和射频通信、量子光学和量子电动力学以及光学传感等方面具有广阔的应用前景。

回音壁模光学微腔的结构包括传统的球形、盘型和柱形等，以及最近拓展的微圆环面、微毛细管、微瓶子和微气泡等新型腔体结构。制备方法简单、低成本、结构紧凑和易于集成的新型回音壁模光学微腔，是研究和实现光学微腔实用化的重要目标。

发明内容

本发明的目的在于提供新型、易实现和低成本的一种半球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半球型光学微谐振腔的基础成型材料；

2)从截取的光纤一端，除去其中一段涂覆层，得到裸光纤；

3)把裸光纤的端面切平整；

4)将液态光学胶贴剂滴到圆柱形裸光纤的端面上，在液体粘滞力和表面张力的作用下光学胶贴剂将附着在圆柱形裸光纤的端面上形成液态的半球型光学微谐振腔；

5)对液态的半球型光学微谐振腔进行照射，固化后得到固态的半球型光学微谐振腔。

在步骤1）中，所述光纤的长度可为20～50cm；所述光纤可采用光滑对称的圆柱形光纤。

在步骤2)中，所述一段涂覆层的长度可为5～8cm。

在步骤3)中，所述把裸光纤的端面切平整可采用光纤切割刀把圆柱形裸光纤的端面切平整。

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；所述光学胶贴剂为宽透光带宽和低光衰减且在紫外光灯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——NorlandOptical Adhesive(NOA)。

在步骤5)中，所述照射可采用紫外光灯照射；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Norland Optical Adhesive光学胶贴剂的粘滞特性和自然表面张力作用，使光学胶贴剂微液滴附着在基础成型材料——圆柱形光纤的平整端面上形成液态的半球型光学微谐振腔，再通过紫外光灯对其进行固化，从而得到表面平整度和球形度极好的固态的半球型光学微谐振腔。在实施实例中特别是采用SMF-28单模光纤作为基础成型材料，和具有宽透光窗口、低光衰减、低粘度、低收缩(固化时)和高硬度(固化后)的Norland OpticalAdhesive61(NOA61)光学胶贴剂作为半球型光学微谐振腔的制备材料，紫外光灯选用输出波长365nm、输出光强90mW/cm²的ELC-410紫外光点固化系统，通过使用不同尺寸的光纤和控制滴入的光学胶贴剂微液滴的量，可以制备出不同直径的半球型光学微谐振腔。

为光学微腔的实用化提供一种新的思路。高品质因子回音壁模光学微腔器件的制备，需要使用吸收损耗小、光衰减能量少的材料，而具有低光衰减特性和宽透光带宽的NorlandOptical Adhesive光学胶贴剂正是制备此类光学微腔的优选材料。通过使用不同尺寸的基础成型材料和滴入不同量的光学胶贴剂液滴，并利用液体的粘滞力和自然表面张力可以得到不同直径大小的半球型光学微谐振腔，再结合紫外光固化技术，可最终制备出具有不同尺寸且表面平整度和球形度极好的半球型光学微谐振腔。

附图说明

图1为本发明实施例的半球型光学微腔制备过程示意图。

图2为图1所示实施例制得的半球型光学微腔在俯视方向的结构示意图。

图3为图1所示实施例制得的半球型光学微腔在正视方向的结构示意图。

图4为图2和图3所示实施例在1545～1555nm范围的谐振光谱图。在图4中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为归一化的透射率(%)。

图5为图2和图3所示实施例在1540～1560nm范围的谐振光谱图。在图5中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为归一化的透射率(%)。

图6为图2和图3所示实施例在1525～1575nm范围的谐振光谱图。在图6中，横坐标为波长(nm)，纵坐标为归一化的透射率(%)。

具体实施方式

以下实施例结合附图，对本发明作进一步的说明。

参见图1，本发明实施例的制备过程为：首先剪一段20～50cm的SMF-28单模光纤1，用剥线钳从该段光纤中的一端剥去长5cm的一小段光纤的涂覆层2，并用沾有酒精的擦镜纸将其擦拭干净，得到一段光滑对称的圆柱形裸光纤3，其中圆柱形裸光纤3包含包层4和芯层5。然后用光纤切割刀将圆柱形裸光纤3的端面切至平整，得到包含平整光纤端面6的基础成型材料。再将NOA61光学胶贴剂微液滴滴到平整光纤端面6上，在液体粘滞力和表面张力的作用下，NOA61光学胶贴剂微液滴将附着在圆柱形裸光纤3的平整光纤端面6上形成表面平整度和球形度极好的液态半球型光学微谐振腔7。由于液态光学微谐振腔容易挥发、不稳定且不易操纵，因此需将液态半球型光学微腔7放在ELC-410紫外灯8下进行照射固化，并最终得到仍然保持极好的表面平整度和球形度的固态半球型光学微谐振腔9。

图2和图3分别为图1所示实施例制得的半球型光学微谐振腔的结构示意图，其中图2为俯视方向的示意图，图3为正视方向的示意图，标记R为半球型光学微谐振腔的半径，标记2R为半球型光学微谐振腔底部支撑圆面的直径。通过使用不同尺寸参数的光纤和控制滴入的NOA61微液滴的量，可以制备出不同半径的半球型光学微谐振腔。

图4～6是利用宽带光源作为信号光，测试半径R=122μm的半球型光学微腔和锥腰直径2μm的锥形光纤的耦合透射信号，经光谱仪扫描得到范围分别在1545～1555nm，1540～1560nm和1525～1576nm的谐振光谱图。从图中可以清楚地看到等间隔分立谐振的回音壁模谐振光谱。其中，图4中标记的两个FSR为测试得到的自由光谱范围，分别约为4.07nm和4.08nm，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/(2πnR)，计算出回音壁模的自由光谱范围约为4.07nm，表明实验测试结果与理论计算结果吻合得非常好。这一结果说明运用本发明所制得的半球型光学微腔，是具有非常好的回音壁模谐振特性的光学微谐振腔。这里理论计算中所使用的参数值如下：R是半球型光学微谐振腔的半径，通过显微镜测试的值为122μm，λ为半球型光学微腔与锥形光纤耦合时在腔内谐振的光波波长，可近似取为1.55μm，n是NOA61光学胶贴剂制成的半球型光学微谐振腔在波长1.55μm处的折射率，为1.54。

Claims

1.一种半球型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

2)从截取的光纤一端，除去其中一段涂覆层，得到裸光纤；

3)把裸光纤的端面切平整；

2.如权利要求1所述一种半球型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于在步骤1）中，所述光纤的长度为20～50cm。

3.如权利要求1或2所述一种半球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圆柱形光纤。

4.如权利要求1所述一种半球型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述一段涂覆层的长度为5～8cm。

5.如权利要求1所述一种半球型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述把裸光纤的端面切平整是采用光纤切割刀把圆柱形裸光纤的端面切平整。

6.如权利要求1所述一种半球型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于在步骤4)中，所述液态光学胶贴剂采用可在紫外光照射下固化的液态光学胶贴剂。

7.如权利要求6所述一种半球型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于所述光学胶贴剂为宽透光带宽和低光衰减且在紫外光灯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。

8.如权利要求1所述一种半球型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述照射采用紫外光灯照射。

9.如权利要求8所述一种半球型光学微谐振腔的制备方法，其特征在于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。