光栅耦合式在纤回音壁微腔制备与调控技术研究

Whispering gallery mode resonator can significantly enhance the light-matter interaction by localizing the field into a very small volume for a long time, which has become an important platform for photonics research. While the quality factor and integration of whispering gallery mode resonator restrict mutually due to the limited micromachining accuracy and coupling structure. In order to achieve integrated whispering gallery mode resonator with high quality factor, this project proposes a grating coupled in-fiber whispering gallery mode resonator based on the waveguide characteristics and material properties of optical fiber. An in-fiber whispering gallery mode resonator with quality factor on the order of 10^7 is firstly fabricated by combining the selective etching aided femtosecond laser micromachining and reflow process. Then the coupling state of the whispering gallery mode resonator can be precisely tuned by modifying the mode coupling of the grating to optimize the quality factor and the amplitude at the resonant wavelength, maximizing the light-matter interaction in whispering gallery mode resonator. Benefitting from the structure characteristics of optical fiber, this project aims to realize integrated whispering gallery mode resonator with high quality factor and tunable coupling state, which may provide an effective solution for whispering gallery mode resonator based precise measurement or filtering in practical circumstances.

光学回音壁微腔通过将光场长时间限制在较小空间来极大增强光与物质的相互作用，已成为光子学研究的重要基础平台之一，但目前的微加工精度和回音壁微腔的耦合结构使得回音壁微腔的品质因子和集成度彼此制约。为实现高品质因子集成回音壁微腔，本项目根据光纤的波导特征和材料特性提出光栅耦合式在纤回音壁微腔。首先结合选择性刻蚀辅助的飞秒激光微加工和热回流表面后处理技术制作品质因子为10^7量级的在纤回音壁微腔，然后利用光栅的模式耦合特性调控回音壁微腔的耦合状态，从而优化回音壁微腔的耦合品质因子和谐振幅值，实现回音壁微腔中光与物质相互作用最大化。受益于光纤本身的结构特点，项目研究成果可实现高品质因子且耦合状态可精密调控的集成回音壁微腔，有望为实用环境下基于回音壁微腔的精密测量和光学滤波等提供一种有效的解决方案。

回音壁微腔采用连续全反射实现光场局域化限制，可急剧增强光与物质相互作用的强度和等效长度，已成为光子信号产生和处理的优选平台。与片上回音壁微腔相比，分离式回音壁微腔的材料和结构选择更加灵活，但耦合状态的稳定性和耦合结构的鲁棒性是限制其进一步实用化发展的的关键因素。如何在保持光纤固有传输特性的前提下增强其消逝场强度是回音壁微腔光纤耦合器需要急需解决的关键问题。本项目通过分析光纤中基于长周期光栅和二维锥形波导的消逝场增强机制建立了在纤回音壁微腔耦合模型，并在数值仿真分析结果的指导下制备了兼具高效耦合和高鲁棒性的在纤回音壁微腔耦合结构。项目研究过程中取得了一系列创新性成果，发表了受本基金资助的学术论文9篇，其中Journal of Lightwave Technology Letters 和Optics and Lasers in Engineering各1篇，Optics Letters 2篇，Optics Express 2篇，IEEE Photonics Technology Letters 3篇，授权国家发明专利2项。共7名研究生参与了本项目的研究工作，其中1人已获得博士学位，4人获得硕士学位。取得的主要研究成果如下：.(1)提出了基于长周期光纤光栅和二维锥形波导的消逝场增强方案，系统分析了光纤中微纳波导结构参数对消逝场强度的影响，构建了消逝场增强光纤耦合回音壁微腔的理论模型。.(2)实验制备了谐振峰幅值约为28dB的D型长周期光纤光栅，并用其耦合本征品质因子超过10^7量级的回音壁微腔实现10.5dB的谐振对比度。除高效耦合和高鲁棒性的特点外，D型长周期光纤光栅耦合器还具有双向工作的能力。.(3)为了进一步拓展光纤耦合器的工作波长范围，制备了二维锥形纤芯、曲率波导和柱形微槽的耦合结构，分别实现了输出线型可调、具有带通输出特性和可突破相位匹配条件限制的在纤回音壁微腔，其中带通回音壁微腔的压缩激光线宽和抑制频率噪声功能已在窄线宽激光器的研究中得到实验验证。