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摘要:提出了一种耦合微球和波导系统的有效方法,并在数值和实验上进行了论证.为了研究微球腔和波导系统的耦合特性,首先通过耦合模理论研究了这个系统的2D模型.通过有限时域差分法设计了一个数值仿真系统.在快速傅里叶变换(FFT)处理样本数据后,得到了波长范围从600 nm到1000 nm的相对强度谱曲线和传输谱曲线.在实验中,采用熔融单模光纤顶端的方法制得了石英材料微球腔.采用热拉技术制得了锥形光纤,用来作为激发微球腔中回音壁模式的波导.测试了这个微球腔-锥形光纤耦合系统,通过优化微球腔与锥形光纤的相对位置得到其品质因数高达2.3×106,耦合效率高达92.5%.这些耦合特性可以很好地用理论结果解释.这些特性表明了其在实际微腔传感和微型激光器中极具潜力....
摘要:光学微球腔的回音壁模式使其存储能量大,从而获得高的品质因数.该文介绍了微球腔的制备方法;介绍了微球腔与锥形光纤的耦合理论,并对其耦合特性作出了分析;搭建了微球腔谐振谱探测系统并分析了不同耦合模式下的谐振特性;设计了微球腔谐振频率跟踪与锁定系统.通过仿真得到了不同调制频率下的鉴频曲线,分析了其吸收谱线与色散谱线特性.实验制得微球腔直径为(O)440 μm,耦合状态下的品质因数可达1.08×108;调制频率对鉴频曲线特性影响很大,低频调制下,优化调制后,可提升跟踪锁定效果,为后续的实验奠定了良好的基础....
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EI CSTPCD 北大核心
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摘要:光学微球腔因其回音壁模式可获得极高的品质因数而受到广泛关注.本文分析了Fabry-Perot腔和微球腔的基本原理,通过CO2激光熔融光纤实验制得了直径为1.2 mm的微球腔,并测试了微球腔和锥形光纤耦合结构的耦合特性.采用典型的PDH稳频系统设计了基于微球腔的稳频系统,分析了用于鉴频的误差曲线的吸收特性和色散特性,对比了不同调制频率、微球腔直径、耦合损耗、传输损耗下与误差曲线斜率的关系.结果表明:耦合状态下最大Q值可达到1.1×108,调节微球腔内横磁模和横电模的转换可优化耦合效率,匹配微球腔和锥形光纤的尺寸得到了径向二阶模式的透射谱,误差曲线效率达到15.4A mW/MHz.球腔在提高PDH稳频技术灵敏度上具有巨大潜力....
[专利] 发明专利 CN201610422548.4
摘要:本发明公开了一种基于多层膜回音壁模式光学微腔的光电振荡器,由激光器(1)、偏振控制器(2)、马赫曾德强度调制器(3)、RF放大器(4)、滤波器(5)、光电探测器(6)、多层膜回音壁模式光学微腔(7)和激光器锁频模块(8)组成闭合光电反馈环路,该闭合光电反馈环路是光电振荡器的主要结构。本发明该光电振荡器可以有效减小温度波动等外界环境因素对所产生微波频率的影响,获得高质量、稳定的微波信号,降低信号噪声,并且尺寸小,重量轻,易于封装、集成。
[博士论文] 金雪莹
仪器科学与技术 中国科学技术大学 2018(学位年度)
摘要:在光信息科学发展的道路上,对光的感知、传输和控制提出了越来越高的要求,而传统的光子学器件显然不能满足需要,能够传输和操纵光信息的新型光子学器件受到人们关注。在众多的光子学平台当中,回音壁模式(WGM)微腔由于具有极高的品质因子(Q值)和极小的模式体积(V),增强了光-物质之间的相互作用,为大量基础物理研究和应用光子学器件研发提供了一个非常棒的平台,在光学通信、传感、微波光子学和量子计算等领域有重要应用。基于WGM微腔平台,我们可以产生、感知、传输和调控光信息,且随着微纳加工和封装技术的完善,微腔平台可以向微型化、实用化方向发展。本文主要以准柱形腔、微球腔为载体,深入探究微腔的基本原理、耦合与传输特性以及制备方法,开展了WGM微腔平台在窄带滤波、纳米粒子探测、电磁诱导透明和群延迟器件领域的应用研究。具体有以下几个方面:
  (1)搭建了WGM光学微腔耦合实验系统。
  论文完整阐述了在实验室进行微球腔、准柱形腔、晶体微腔以及耦合器光纤锥的制备过程。特别的,我们在实验室搭建了集晶体腔磨削、抛光、清洁、检测的光机电一体化实验体系,摸索出一套针对晶体微腔的粗磨、粗抛和精抛工艺过程。另外,我们构建了基本耦合系统,并表征了各种微腔的耦合特性,比较了三种不同类型腔的特性,为后续实验奠定了实验基础。
  (2)实现了基于准柱形腔稳定耦合平台的可调谐超窄线宽滤波器。
  提出并实现了表面纳米量级凸起的新型准柱形腔,构建了基于准柱形腔的稳定调谐耦合平台,通过加入探测光纤,成功实现了基于准柱形微腔的可调谐窄带滤波器。实验室制备的准柱形腔展现了干净、近等间距的谱,超高Q值(3.1×107)以及超小轴向自由频谱范围(FSR~0.03nm),极大降低了全调谐难度。其模式体积较大,更容易接近、控制、操纵模式场。从理论和仿真两个角度构建了准柱形腔耦合系统的物理模型,求解出模式场分布、透射谱特性、模式体积、以及频率间距等特性。实现了稳定、可控的耦合以及轴向模式的选择性激发,并利用该稳定耦合平台,通过再加入一根探测耦合光纤锥,验证了模式的选择性激发和探测,从而实现可调谐、鲁棒的Add-drop窄带滤波器件。
  (3)实现了单个准柱形腔中的可调谐电磁诱导透明(EIT)和Fano谐振现象。
  论文在单个准柱形腔中实现了可调控的EIT和Fano谐振,实现了EIT和Fano的操纵和二者之间相互转化,进行了系统的理论建模,解释了准柱形腔系统产生可控EIT和Fano现象以及相互之间转化的内在机理。实验展示了垂直位移调谐时,由于耦合强度的变化,可以产生谱形变化的EIT和Fano谐振,它们之间可以相互转化;水平位移调谐可以产生有趣的周期性非对称的Fano谱形。更重要的是,这两种机制可以同时作用在同一个模式上,在我们的准柱形腔耦合平台上可以观测并操纵这种有趣的现象。这里提出的方法为观测,调谐,和操纵EIT和Fano谐振提供了一个稳定、精细的平台。
  (4)首次实验验证了大粒子流环境下的分布式纳米粒子探测。
  基于微球腔耦合系统,测试了蜡烛燃烧产物这一实际大粒子流环境下的分布式多粒子模式分裂。实验展示了总的线宽展宽与沉积粒子的数量成正比,与理论模型吻合。探测信号对热波动和粒子沉积角位置不敏感。另外,这种模式分裂机制在分裂不可观测条件下仍然工作良好。这一工作的结果对实际环境如燃烧物、交通尾气和环境空气中的PM2.5监测具有重要价值。
  (5)揭示了三层膜微球腔的色散调控特性,提出并验证了多个垂直耦合腔系统用于色散补偿和增大延迟量的机理。
  率先提出用涂覆三层膜的方法对微球腔的群速色散(GVD)进行调控。构建了GVD调控的物理模型,从理论上证明了通过改变外层厚度,两高折射率层间隙,以及涂覆材料,GVD在正常色散和反常色散很大范围内可控,零色散波长(ZDW)可以从可见光波段调到近红外窗口。首次证明了,这种结构中的ZDW与两高折射率层的折射率有良好的线性关系。另一方面,我们提出了一个多个垂直耦合腔(multi-VCR)系统,实现近零色散、可调谐、大延迟量的群延迟线系统。从理论上证明了,该系统的GVD补偿特性使其成为一个更加灵活的光学群延迟线器件。
[专利] 发明专利 CN201610141921.9
摘要:本发明公开了一种基于瓶口形状回音壁模式微腔的稳定调谐Add-drop滤波器,包括瓶口形状回音壁模式微腔(1)、输入波导(2)、输出波导(3)、第一位移装置(4)和第二位置装置(5),其中所述瓶口形状回音壁模式微腔(1)轮廓沿轴向呈近似的抛物线形变化,其另一端用来引出非谐振的光信号,所述输出波导(3)用来引出在微腔中谐振的光信号,所述第一位移装置(4)和第二位置装置(5)使得输入波导和输出波导分别沿瓶口状微腔轴向移动以改变耦合点位置进而改变耦合系数κ1,κ2。本发明实现了对带宽、输出谱效率的稳定精细调谐,克服了传统基于回音壁模式Add-drop滤波器调谐时易受环境影响的缺点。
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