CN114951961B - 一种少模、耦合稳定的wgm光学微棒腔制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种少模、耦合稳定的WGM光学微棒腔制备方法，先利用CO₂激光器制备WGM光学微棒腔，再在WGM光学微棒腔的基础上引入一个特定的小缺陷，通过WGM光学微棒腔的耦合测试平台测试可以发现，二次处理后的WGM光学微棒腔大幅减少了微腔模式数，并且WGM光学微棒腔与锥形光纤的耦合状态对二者的间距敏感程度明显降低，克服传统WGM光学微腔模式多和、耦合稳定性差的问题。

Description

一种少模、耦合稳定的WGM光学微棒腔制备方法

技术领域

本发明属于光学微腔技术领域，更为具体地讲，涉及一种少模、耦合稳定的WGM光学微棒腔制备方法。

背景技术

随着光信息技术的高速发展，光学谐振腔日渐受到人们广泛关注。微型光学谐振腔的尺寸通常是在微米级别的，光波长也同属于这一级别，为高集成小体积提供了前提。光学微腔这一光学系统能够将光场限制在极小空间区域内，并且在这个区域内光场有特定的分布和很高的能量密度，也就是说光学微腔将光限制在极小的空间体积内极大的增强了光与物质的作用，为量子电动力学、量子光学等领域打下基础。微腔腔内会有不同的谐振模式，其场强变化会增强或者抑制材料的自发辐射，为低阈值微型激光器、超窄线宽激光器、滤波器提供了理想的选择。

WGM光学微腔，是最近二十年最被广泛研究和应用的光学微腔。WGM光学微腔由低吸收率的介电材料制备而成，通过精密加工技术使得腔壁具有极高的平滑度。因此光在腔内通过全反射的方式传播并产生谐振时，产生的损耗极小。此外，受微腔结构限制，光被局限在腔内较小的区域内，因此WGM光学微腔同时具备极高的Q值与较小的模式体积。此外，WGM光学微腔还具有易于加工、易于集成与封装等优点。

受益于极高的Q/V，在WGM光学微腔中产生非线性光学效应的阈值极低，目前几乎所有非线性光学效应都已经在WGM光学微腔中被观察到。基于WGM光学微腔的非线性光学效应，特别是光学频率梳与光学受激散射，已经广泛应用于窄线宽激光器，微波信号产生等领域。然而，WGM光学微腔模式多、模间竞争大和耦合状态不稳定的问题限制了其应用发展。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种少模、耦合稳定的WGM光学微棒腔制备方法，制备出少模、耦合稳定性好的WGM光学微腔，有效避免了现有WGM光学微腔模间竞争大、耦合稳定性差的问题。

为实现上述发明目的，本发明一种少模、耦合稳定的WGM光学微棒腔制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、制备WGM光学微棒腔；

(1.1)、将光学石英棒用夹头螺母加紧，再将夹头螺母旋紧固定在旋转电机主轴上；

(1.2)、将反射镜、聚焦镜和扩束镜固定在两轴电动位移台上，且满足CO2激光器产生的激光经过反射镜后依次进入扩束镜和聚焦镜，并经过扩束与聚焦后使激光聚焦于光学石英棒表面；

(1.3)、将CO2激光器、两轴电动位移台和旋转电机共同固定在光学面包底板上，当两轴电动位移台移动时，激光聚焦点沿石英棒的轴向移动；

(1.4)、启动两轴电动位移台及功率控制器的控制程序，通过旋转电机的高速旋转自动加工出WGM光学微棒腔；

(2)、制备锥形光纤；

(2.1)、将普通商用光纤剥去涂覆层，并用试纸轻轻擦拭光纤表面至洁净；

(2.2)、将光纤两端用裸纤适配器连接，一端连接至拉锥机仪器功率口，一端连接DFB激光器；

(2.3)、打开DFB激光器，将激光通过光纤输入到拉锥机仪器功率口，此时在拉锥机仪器的工作界面会显示激光功率和光纤损耗；然后打开氢气火焰开关，运行拉锥机仪器，将氢气火焰喷头靠近待拉锥区域，同时步进电机开始缓慢向外移动，并在拉制过程中通过拉锥机仪器的工作界面监测锥形光纤的损耗，待锥区烧至15000μm后，关闭火焰，锥形光纤的损耗在0.1dB以内，整个拉锥过程大约持续5min，再次冷修以确保光纤绷紧；

(3)、对WGM光学微棒腔进行少模处理；

(3.1)、将WGM光学微棒腔通过夹头螺母固定于定制的铜制底座，然后将铜制底座固定在光学平台上；将锥形光纤通过紫外胶固化于不锈钢制U型板夹具上，再使用螺钉将夹具固定在高精度的三轴电动位移台上；将外腔半导体可调谐激光器、偏振控制器、光电探测器固定在光学防震平台上；在固定过程中，使用高倍数码放大镜对WGM光学微棒腔与锥形光纤的相对耦合位置进行监测，手动调节三轴电动位移台的X轴，使锥形光纤靠近WGM光学微棒腔，再手动调节三轴电动位移台的Z轴，将锥形光纤与WGM光学微棒腔的赤道面对齐；然后打开外腔半导体可调谐激光器，使产生的激光通过偏振控制器调整进入微腔的光场偏振状态后，通过锥形光纤锥区的倏逝场耦合进入WGM光学微棒腔，接着在输出端利用光电探测器进行接收并发送给示波器，观察示波器上是否显示有WGM光学微棒腔的耦合透射谱，如果未显示，则继续手动调节电动位移台的X轴，直到示波器上出现WGM光学微棒腔的耦合透射谱并记录；

(3.2)、将微棒腔连同夹头螺母一起取出，再重新固定在旋转电机主轴上；

(3.3)、将CO₂激光器设置为手动模式，再调节激光功率控制器使激光功率降低至1.5W，然后向后移动Y轴方向的电动位移台，使得激光恰好聚焦在WGM光学微棒腔的表面上，再向右移动X轴方向的电动位移台，使得激光聚焦点距离WGM光学微棒腔赤道面0.1mm处，然后快速开关CO₂激光器，开关时间间隔在0.1s左右，使得激光在WGM光学微棒腔的表面上刻出一个凹陷，且凹陷必须位于WGM光学微棒腔的下表面，形状为直径为0.15mm的不规则圆形；

(3.4)、将微棒腔连同夹头螺母再次一起取出，按照步骤(3.1)所述方法放入耦合平台上，保证凹陷靠近锥形光纤的锥区，在固定过程中，打开外腔半导体可调谐激光器的波长扫描状态，先粗调三轴电动位移台，使得锥形光纤靠近WGM光学微棒腔，此时产生的激光通过偏振控制器调整进入微腔的光场偏振状态后，通过锥形光纤锥区的倏逝场耦合进入WGM光学微棒腔，然后再细调三轴电动位移台，同时观察示波器，直至出现合适的微腔耦合透射谱。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种少模、耦合稳定的WGM光学微棒腔制备方法，先利用CO₂激光器制备WGM光学微棒腔，再在WGM光学微棒腔的基础上引入一个特定的小缺陷，通过WGM光学微棒腔的耦合测试平台测试可以发现，二次处理后的WGM光学微棒腔大幅减少了微腔模式数，并且WGM光学微棒腔与锥形光纤的耦合状态对二者的间距敏感程度明显降低，克服传统WGM光学微腔模式多和、耦合稳定性差的问题。

附图说明

图1是WGM光学微棒腔的制备示意图；

图2是锥形光纤制备示意图；

图3是WGM光学微棒腔的耦合测试平台；

图4是WGM光学微棒腔引入缺陷前后示意图；

图5是WGM光学微棒腔引入缺陷前后一个FSR内的扫描透射谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

在本实施例中，一种少模、耦合稳定的WGM光学微棒腔制备方法，主要包括三个步骤：S1、制备WGM光学微棒腔；S2、制备锥形光纤；S3、搭建WGM光学微棒腔的耦合测试平台；

下面我们对三个步骤进行详细说明，具体如下：

S1、制备WGM光学微棒腔；

如图1所示，制备WGM光学微棒腔需要光学石英棒、夹头螺母、CO₂激光器、反射镜、聚焦镜、扩束镜、两轴电动位移台以及旋转电机，制备的具体流程为：

S1.1、将光学石英棒用夹头螺母加紧，再将夹头螺母旋紧固定在旋转电机主轴上；

S1.2、将反射镜、聚焦镜和扩束镜固定在两轴电动位移台上，且满足CO2激光器产生的激光经过反射镜后依次进入扩束镜和聚焦镜，并经过扩束与聚焦后使激光聚焦于光学石英棒表面；

S1.3、将CO2激光器、两轴电动位移台和旋转电机共同固定在面包底板上，当两轴电动位移台移动时，激光聚焦点沿石英棒的轴向移动；

S1.4、启动两轴电动位移台及功率控制器的控制程序，通过旋转电机的高速旋转自动加工出WGM光学微棒腔；

在本实施例中，CO2激光器选用美国新锐公司的Vi30型，其最大输出功率可达30W，配套功率控制器，允许用户通过调节占空比改变输出功率。为了缩短平台的横向尺寸，CO2激光经过反射镜后进入扩束镜、聚焦镜，经过扩束与聚焦，激光能量密度得以增强，并聚焦于固定在高速旋转电机主轴的光学石英棒表面。当控制程序启动后，WGM光学微棒腔的加工过程主要经过抛光、融刻和退火三个步骤；

抛光：由于工厂预加工的光学石英棒表面的平滑度及形态的均匀性可能存在缺陷，因此首先对其表面进行抛光处理。将输出的CO₂激光设置较高的功率，在高速旋转的熔融石英棒表面来回扫描若干回合，高功率的CO₂激光使得其扫过的区域处于熔融态，在高速旋转的离心力作用下，再次凝固之后的光学石英棒表面变得光滑且具有较为均匀的形态；

融刻：使用高功率CO₂激光在沿棒轴向相隔若干微米的两个位置交替进行融刻。CO₂激光在每个融刻位置作用足够长的时间，使得融刻点在高温的作用下出现凹陷状，两个凹陷之间的剩余部分形成盘状，由此形成了微棒腔的主体形态；

退火：在融刻过程后，WGM光学微棒腔主体形状已经形成，但是在此前两个步骤中，WGM光学微棒腔的表面在高温作用下可能吸附有凝结的二氧化硅固态颗粒，因此最后使用激光退火对微腔顶端进行清洁，以提升微腔Q值。在退火过程中聚焦镜需距微棒腔表面后退适当距离，使得CO₂激光均匀且较大范围地作用在微腔表面。退火时间需要足够长，以彻底清洁微腔表面的固态物质。

S2、制备锥形光纤；

如图2所示，制备锥形光纤需要火焰喷头、氢气发生器、两个精细步进电机、两个裸纤适配器、DFB激光器和拉锥机仪器，制备的具体流程为：

S2.1、将普通商用光纤剥去涂覆层，并用试纸轻轻擦拭光纤表面至洁净；

S2.2、将光纤两端用裸纤适配器连接，一端连接至拉锥机仪器功率口，一端连接DFB激光器；

S2.3、打开DFB激光器，将激光通过光纤输入到拉锥机仪器功率口，此时在拉锥机仪器的工作界面会显示激光功率和光纤损耗；然后打开氢气火焰开关，运行拉锥机仪器，将氢气火焰喷头靠近待拉锥区域，同时步进电机开始缓慢向外移动，并在拉制过程中通过拉锥机仪器的工作界面监测锥形光纤的损耗，待锥区烧至15000μm后，关闭火焰，锥形光纤的损耗在0.1dB以内，整个拉锥过程大约持续5min，再次冷修以确保光纤绷紧；

在本实施例中，在拉锥过程中容易引入损耗的主要因素是光纤的污染、锥区过度快以及锥区形变存在缺陷，拉锥时火焰温度不足够高导致光纤熔融不充分就会引入锥区有裂痕表面不光滑的问题，火焰宽度太窄会使锥区过度太快，锥区形状过度不平缓也是损耗增高的主要原因。经过大量实验后，我们设置氢气流量为104.4ml/min，火焰宽度约为6mm，步进电机速度为70μm/s，这样我们可以制备出的锥形光纤锥区长约1.5cm，直径约1μm，透过率可达90％以上。

S3、制备WGM光学微棒腔的耦合测试平台；

如图3所示，制备耦合测试平台需要WGM光学微腔、锥形光纤、三轴电动位移台、外腔半导体可调谐激光器、偏振控制器、光电探测器和示波器，该平台用于对WGM光学微棒腔进行少模处理；下面我们对耦合测试平台的制备及使用过程进行描述，具体如下：

S3.1、将WGM光学微棒腔通过夹头螺母固定于定制的铜制底座，然后将铜制底座固定在光学平台上；将锥形光纤通过紫外胶固化于不锈钢制U型板夹具上，再使用螺钉将夹具固定在高精度的三轴电动位移台上；将外腔半导体可调谐激光器、偏振控制器、光电探测器固定在光学防震平台上；在固定过程中，如图3所示，我们使用高倍数码放大镜对WGM光学微棒腔与锥形光纤的相对耦合位置进行监测，手动调节三轴电动位移台的X轴，使锥形光纤靠近WGM光学微棒腔，再手动调节三轴电动位移台的Z轴，将锥形光纤与WGM光学微棒腔的赤道面对齐；然后打开外腔半导体可调谐激光器，使产生的激光通过偏振控制器调整进入微腔的光场偏振状态后，通过锥形光纤锥区的倏逝场耦合进入WGM光学微棒腔，接着在输出端利用光电探测器进行接收并发送给示波器，观察示波器上是否显示有WGM光学微棒腔的耦合透射谱，如果未显示，则继续手动调节电动位移台的X轴，直到示波器上出现WGM光学微棒腔的耦合透射谱，最后记录一个FSR内扫描透射谱图，如图5(a)所示；

在本实施例中，三轴电动位移台的各个轴均能以最小30nm的步进精确调整位置，从而实现相对位置的高精度调整；外腔半导体可调谐激光器的型号为Santec TSL-510，线宽500kHz，设置其扫描波长范围为1550nm-1551nm，扫描速度为5nm/s，功率设置为-10dBm；光电探测器的型号选用：KG-PR-200M-A-FC；

S3.2、将微棒腔连同夹头螺母一起取出，再重新固定在旋转电机主轴上；

S3.3、将CO₂激光器设置为手动模式，再调节激光功率控制器使激光功率降低至1.5W，然后向后移动Y轴方向的电动位移台，使得激光恰好聚焦在WGM光学微棒腔的表面上，再向右移动X轴方向的电动位移台，使得激光聚焦点距离WGM光学微棒腔赤道面0.1mm处，然后快速开关CO₂激光器，开关时间间隔在0.1s左右，使得激光在WGM光学微棒腔的表面上刻出一个凹陷，且凹陷必须位于WGM光学微棒腔的下表面，形状为直径为0.15mm的不规则圆形；

在本实施例中，WGM光学微棒腔引入缺陷前后示意图如图4所示，缺陷位于WGM光学微棒腔的赤道面的下沿。

S3.4、将微棒腔连同夹头螺母再次一起取出，按照步骤S3.1所述方法放入耦合平台上，保证凹陷靠近锥形光纤的锥区，在固定过程中，打开外腔半导体可调谐激光器的波长扫描状态，先粗调三轴电动位移台，使得锥形光纤靠近WGM光学微棒腔，此时产生的激光通过偏振控制器调整进入微腔的光场偏振状态后，通过锥形光纤锥区的倏逝场耦合进入WGM光学微棒腔，然后再细调三轴电动位移台，同时观察示波器，直至出现合适的微腔耦合透射谱，最后记录一个FSR内扫描透射谱图，如图5(b)所示，通过对比可知，引入缺陷后的微腔模式数大幅减少，并且在使用程序细调锥形光纤与微棒腔的间距时，引入缺陷后的微腔对耦合间距的敏感性更低，将锥形光纤靠近微腔相同的距离，引入缺陷后的微腔耦合状态变化是未引入缺陷时的十分之一，这说明耦合的稳定性有大幅的提升。

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。

Claims (1)

1.一种少模、耦合稳定的WGM光学微棒腔制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、制备WGM光学微棒腔；

(1.1)、将光学石英棒用夹头螺母加紧，再将夹头螺母旋紧固定在旋转电机主轴上；

(1.2)、将反射镜、聚焦镜和扩束镜固定在两轴电动位移台上，且满足CO2激光器产生的激光经过反射镜后依次进入扩束镜和聚焦镜，并经过扩束与聚焦后使激光聚焦于光学石英棒表面；

(1.3)、将CO2激光器、两轴电动位移台和旋转电机共同固定在光学面包底板上，当两轴电动位移台移动时，激光聚焦点沿石英棒的轴向移动；

(1.4)、启动两轴电动位移台及功率控制器的控制程序，通过旋转电机的高速旋转自动加工出WGM光学微棒腔；

(2)、制备锥形光纤；

(2.1)、将普通商用光纤剥去涂覆层，并用试纸轻轻擦拭光纤表面至洁净；

(2.2)、将光纤两端用裸纤适配器连接，一端连接至拉锥机仪器功率口，一端连接DFB激光器；

(2.3)、打开DFB激光器，将激光通过光纤输入到拉锥机仪器功率口，此时在拉锥机仪器的工作界面会显示激光功率和光纤损耗；然后打开氢气火焰开关，运行拉锥机仪器，将氢气火焰喷头靠近待拉锥区域，同时步进电机开始缓慢向外移动，并在拉制过程中通过拉锥机仪器的工作界面监测锥形光纤的损耗，待锥区烧至15000μm后，关闭火焰，锥形光纤的损耗在0.1dB以内，整个拉锥过程大约持续5min，再次冷修以确保光纤绷紧；

(3)、对WGM光学微棒腔进行少模处理；

(3.1)、将WGM光学微棒腔通过夹头螺母固定于定制的铜制底座，然后将铜制底座固定在光学平台上；将锥形光纤通过紫外胶固化于不锈钢制U型板夹具上，再使用螺钉将夹具固定在高精度的三轴电动位移台上；将外腔半导体可调谐激光器、偏振控制器、光电探测器固定在光学防震平台上；在固定过程中，使用高倍数码放大镜对WGM光学微棒腔与锥形光纤的相对耦合位置进行监测，手动调节三轴电动位移台的X轴，使锥形光纤靠近WGM光学微棒腔，再手动调节三轴电动位移台的Z轴，将锥形光纤与WGM光学微棒腔的赤道面对齐；然后打开外腔半导体可调谐激光器，使产生的激光通过偏振控制器调整进入微腔的光场偏振状态后，通过锥形光纤锥区的倏逝场耦合进入WGM光学微棒腔，接着在输出端利用光电探测器进行接收并发送给示波器，观察示波器上是否显示有WGM光学微棒腔的耦合透射谱，如果未显示，则继续手动调节电动位移台的X轴，直到示波器上出现WGM光学微棒腔的耦合透射谱并记录；

(3.2)、将微棒腔连同夹头螺母一起取出，再重新固定在旋转电机主轴上；

(3.3)、将CO₂激光器设置为手动模式，再调节激光功率控制器使激光功率降低至1.5W，然后向后移动Y轴方向的电动位移台，使得激光恰好聚焦在WGM光学微棒腔的表面上，再向右移动X轴方向的电动位移台，使得激光聚焦点距离WGM光学微棒腔赤道面0.1mm处，然后快速开关CO₂激光器，开关时间间隔在0.1s左右，使得激光在WGM光学微棒腔的表面上刻出一个凹陷，且凹陷必须位于WGM光学微棒腔的下表面，形状为直径为0.15mm的不规则圆形；

(3.4)、将微棒腔连同夹头螺母再次一起取出，按照步骤(3.1)所述方法放入耦合平台上，保证凹陷靠近锥形光纤的锥区，在固定过程中，打开外腔半导体可调谐激光器的波长扫描状态，先粗调三轴电动位移台，使得锥形光纤靠近WGM光学微棒腔，此时产生的激光通过偏振控制器调整进入微腔的光场偏振状态后，通过锥形光纤锥区的倏逝场耦合进入WGM光学微棒腔，然后再细调三轴电动位移台，同时观察示波器，直至出现合适的微腔耦合透射谱。

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