基于光纤拉锥波导的光子晶体微腔的制作和应用

As a conventional optical waveguide, optical fiber is well known for its wide transmission band and low attenuation loss. Fiber-optics provides a wealth of approaches to manipulate the properties of the guided waves in fibers, including amplification, polarization, dispersion, and GVD. Optical fiber is also an alignment-free system, which is favorable for applications. On the other hand, photonic-crystal microcavity is able to confine photons inside tiny volumn by using photonic bandgap materials. With this nature, a photonic-crystal microcavity can enhance light-matter interactions significantly and acts as an crucial element in micro/nano-optics. Here, we propose unifying fiber-optics and micro/nano-optics by fabricating photonic-crystal microcavities along fibers. Firstly, one piece of fiber is scaled down by heating and drawing. When the diameter of the fiber approaches the order of magnitude of the wavelength, the modal field is expanded out of the fiber taper. Then, focus ion beam etching is applied to create microcavity structures along this waveguide. In this project, calculations, fabrications, and optical characterizations will be carried out. We will investigate the performance of this novel one-dimentional photonic-crystal microcavity in the areas of highly sensitive refractometry, low-threshold dye lasing, and cavity quantum electrodynamics. Together with our previously developed fiber taper devices, we will demonstrate a series of optical fiber micro/nano devices and introduce optical fiber technology into micro/nano-optics.

光纤是人们熟悉的波导，它的工作带宽很宽，传输损耗很低。光纤光子学提供了许多对导波特性（增益、偏振、色散、群速度色散等）进行操控的方法。光纤还是一种无需对准的方便的光路。光子晶体微腔是利用光子禁带将光子囚禁在微小空间中的结构，它可以极大增强光与物质的相互作用，是微纳光子学中一类非常重要的器件。我们提出将光子晶体微腔制作到光纤波导上去的方案，期待实现光纤光子学与微纳光子学的交叉。为了这个目的，我们首先将光纤熔融拉锥，制作出直径在波长量级的曝露式波导，然后用聚焦离子束刻蚀的方法在波导上写出光子晶体微腔结构。本项目将从光纤的拉锥开始，设计并制作出这种新型的一维波导光子晶体微腔（Q～1000），研究其在高灵敏折射率检测、低阈值激光和腔量子电动力学方面的应用。与我们先前研制的纵向结构光纤拉锥器件一道，我们将发展出成系列的光纤基微纳光子器件，将光纤对波导的操控引入微纳光子器件的制作中去。

石英光纤是人们熟知的性能优良的微米尺寸的光波导。它的透明窗口宽，传输损耗低，无需光路对准，在许多应用领域都有着重要的地位。当纳米科技时代来临时，将光纤拉细至亚微米尺寸，将微纳光子结构引入其中，从而对拉锥光纤的光学性质实现更剧烈的操控，成为了技术发展的必然趋势。本项目从研究拉锥光纤中的光子晶体结构入手，到设计出具有独特优势的拉锥光纤量子光源器件，走出了一条从基础原理到物理效应再到实际应用的探索之路。我们在学术界中第一次清晰阐明了光子晶体结构对波导中的行波的散射遵循干涉作用的原理，可以用类似平面波Fresnel反射的图像来进行描述。利用这一图像，我们给出了对一维波导光子晶体微腔Q值反常升高的新解释，以及违背人们通常理解的突变式辐射泄漏抑制结构。我们的理论和实验工作开启了将微纳光子结构和微纳光纤技术结合起来的持续的努力。拉锥光纤微纳光子器件的完全悬空特性除去了器件基底在实际应用中的诸多不方便，在传感和机械调控过程中可以发挥独特的作用。将非线性单晶材料的薄膜波导吸附到微纳光纤上去，我们找到了一个广阔的灵活的波导设计空间。借助模式杂化效应，我们设计并实验展示了宽带（>100nm）相位匹配。使用特殊的材料制作工艺（质子交换技术），我们获得了极高的非线性作用强度（三倍于现有记录）。得益于微纳光纤的自由悬空的结构特点，我们得到了灵活的调节/装配功能和极低的器件插入损耗。这些好处叠加在一起预示着一个性能优良的量子光源器件的诞生。经过四年时间的努力，我们在微纳结构拉锥光纤器件的研究道路上探索出一个前景光明的方向。继续努力下去，我们相信可以发展出更多更有用的光纤基微纳光子器件。