基于复合三维谐振腔的光子器件研究

This project presents a novel composite three-dimensional resonant cavity structure built-in a photonic crystal. Based on this structure, the theory of multi-mode resonance and coupling in photonic crystal micro-cavity is researched, and the application of photonic crystals in the functional integrated optical fiber devices is explored. Then, multi-mode optical wave coupling mechanism, optic and matter interaction mechanism in micro-nano scale is revealed, and the characteristic equations of whispering gallery mode under photonic band action are researched. Through the above research, the theory model of composite three-dimensional resonant cavity with characteristic of high Q value multi-mode is constructed. The self-assembly technology of colloidal crystal coated micro-cavity and tapered fiber coupling system is researched. Explored printing template assisted method, and realized the van der Waals force control in self assembly process, the high quality colloidal crystal template coated the large curvature microsphere cavity and irregular tapered fiber at the same time. The anti-structure of colloidal crystal is fabricated by sol-gel method. And then, removed the microsphere cavity and tapered fiber, the composite three-dimensional resonant cavity structure is obtained. Optical properties of composite three-dimensional resonance cavity make clear with the change of variety media and parameters, and coupling efficiency, multi-mode resonance and transformation, polarization, etc are tested. Its application in high efficiency filter, multi wavelength low threshold laser, high sensitivity sensor, etc are obtained. This research provides theoretical basis and technical guidance of multi-mode resonance composite three-dimensional cavity applications in integrated optical devices.

本项目提出了一种新型光子晶体内置的复合三维谐振腔结构，研究光子晶体微球腔中多模式的共振和模间耦合理论，探索光子晶体在功能集成光纤器件上的潜在应用。揭示维纳尺度下多模式光场间的耦合机理以及光与物质相互作用机理，构建光子能带作用下回音壁模式的特征方程，发展针对具有多个高Q值模式特征的复合三维谐振腔理论模型。研究胶体晶体包覆微球腔和锥形光纤耦合系统的自组装技术，探索印刷模板辅助方法，同时实现对高曲率微球腔和锥形面上的胶体晶体自组装过程中的范德华力的控制，获得高质量的胶体晶体模板，溶胶-凝胶法实现胶体晶体的反结构，去除微球腔和锥形光纤获得复合三维谐振腔结构。理清多种介质和多种变化参量下的复合三维谐振腔的光学性质，测试耦合效率、多模式共振及转化、偏振等光学性质，获得其在高效滤波器、多波长低阈值激光器等方面的应用，为多模式共振的复合三维谐振腔在光纤集成器件方面的应用提供理论基础和技术指导。

光纤通信是信息技术的重要领域，光子器件和传感器是其重要的单元和组成部分。在光子器件和传感器的形成机理和制备方法中，光学谐振腔是最为典型的光学结构。光学微腔是光学谐振腔的基本构成要素，光学微腔主要有三种类型：法布里-珀罗谐振腔，光子晶体微腔和回音壁模式微腔。光学谐振腔可以实现光场在微腔中的振荡，在满足相干增强的条件下，光场的特征波长的能量得到极大的增强，该特性在先进光源、量子通信、非线性光学、极窄带滤波、传感技术等领域具有广泛的应用前景。本项目正是基于上述发展需求，提出并设计了一种胶体晶体包覆球形光纤，预期获得一种高Q值的新型谐振腔，获得该谐振腔的理论模型及制备方法，同时初步探索其在光子器件及传感中的应用。.本项目的主要研究工作如下：.1、基于光波导传输方程及光子晶体带隙理论，对胶体晶体包覆的球形光纤的光学性质进行了理论分析，并对胶体晶体包覆的球形光纤形成的复合微腔的光学传输特性进行了理论推导和分析。.2、对锥形光纤、球形光纤及胶体晶体的组装等的制备和加工工艺进行了实验探索和研究。搭建自动化的熔融拉锥平台，并采用了电弧放电的方法在光纤末端进行制备球形光纤，成功实现制备不同直径的锥形光纤、球形光纤；并再以球形光纤为衬底，使用蒸发诱导自组装的方法对球形光纤进行胶体晶体的自组装包覆，从而获得三维胶体晶体球形微腔，扫描电镜表征为：整体结构为直径为115-250 µm，层数为10-20层，胶体晶体结构呈现面心立方结构。.3、搭建锥形光纤与球形光纤耦合实验系统，测试实验过程中光纤微结构的光谱。结果表明胶体晶体包覆后形成的球形微腔，胶体晶体的光子带隙能够对球形光纤中的谐振模式进行调制，使得球形腔中更容易产生回音壁模式，并能明显增加谐振模式和增加球形腔的Q数值。.4、根据对谐振腔的光学性质的研究，探索了基于光纤光栅谐振腔结构的多参量，多种组合形式的传感应用，研究了折射率、温度、应力以及挠度等参量的传感测试及应用，均获得了有益的结果和实用价值。.通过本课题的研究，建立了该胶体晶体的三维谐振腔的传输方程，同时通过大量的实验研究获得了球形光纤制备和胶体晶体制备的工艺方法，并形成了胶体晶体包覆球形光纤进而得到三维谐振腔的工艺流程，为胶体晶体三维谐振腔的进一步研究及在实际应用中奠定了良好的基础，并在光学谐振腔机理的基础上获得了光纤光栅谐振腔结构的多种组合及应用。