回音壁模式微腔的耦合與傳輸特性及其應(yīng)用研究.pdf

1、在光信息科學(xué)發(fā)展的道路上,對光的感知、傳輸和控制提出了越來越高的要求,而傳統(tǒng)的光子學(xué)器件顯然不能滿足需要,能夠傳輸和操縱光信息的新型光子學(xué)器件受到人們關(guān)注。在眾多的光子學(xué)平臺當(dāng)中,回音壁模式(WGM)微腔由于具有極高的品質(zhì)因子(Q值)和極小的模式體積(V),增強(qiáng)了光-物質(zhì)之間的相互作用,為大量基礎(chǔ)物理研究和應(yīng)用光子學(xué)器件研發(fā)提供了一個(gè)非常棒的平臺,在光學(xué)通信、傳感、微波光子學(xué)和量子計(jì)算等領(lǐng)域有重要應(yīng)用?；赪GM微腔平臺,我們可以產(chǎn)生、

2、感知、傳輸和調(diào)控光信息,且隨著微納加工和封裝技術(shù)的完善,微腔平臺可以向微型化、實(shí)用化方向發(fā)展。本文主要以準(zhǔn)柱形腔、微球腔為載體,深入探究微腔的基本原理、耦合與傳輸特性以及制備方法,開展了WGM微腔平臺在窄帶濾波、納米粒子探測、電磁誘導(dǎo)透明和群延遲器件領(lǐng)域的應(yīng)用研究。具體有以下幾個(gè)方面:
　　(1)搭建了WGM光學(xué)微腔耦合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
　　論文完整闡述了在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微球腔、準(zhǔn)柱形腔、晶體微腔以及耦合器光纖錐的制備過程。特別的,我

3、們在實(shí)驗(yàn)室搭建了集晶體腔磨削、拋光、清潔、檢測的光機(jī)電一體化實(shí)驗(yàn)體系,摸索出一套針對晶體微腔的粗磨、粗拋和精拋工藝過程。另外,我們構(gòu)建了基本耦合系統(tǒng),并表征了各種微腔的耦合特性,比較了三種不同類型腔的特性,為后續(xù)實(shí)驗(yàn)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　(2)實(shí)現(xiàn)了基于準(zhǔn)柱形腔穩(wěn)定耦合平臺的可調(diào)諧超窄線寬濾波器。
　　提出并實(shí)現(xiàn)了表面納米量級凸起的新型準(zhǔn)柱形腔,構(gòu)建了基于準(zhǔn)柱形腔的穩(wěn)定調(diào)諧耦合平臺,通過加入探測光纖,成功實(shí)現(xiàn)了基于準(zhǔn)柱形微腔

4、的可調(diào)諧窄帶濾波器。實(shí)驗(yàn)室制備的準(zhǔn)柱形腔展現(xiàn)了干凈、近等間距的譜,超高Q值(3.1×107)以及超小軸向自由頻譜范圍(FSR～0.03nm),極大降低了全調(diào)諧難度。其模式體積較大,更容易接近、控制、操縱模式場。從理論和仿真兩個(gè)角度構(gòu)建了準(zhǔn)柱形腔耦合系統(tǒng)的物理模型,求解出模式場分布、透射譜特性、模式體積、以及頻率間距等特性。實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定、可控的耦合以及軸向模式的選擇性激發(fā),并利用該穩(wěn)定耦合平臺,通過再加入一根探測耦合光纖錐,驗(yàn)證了模式的選擇

5、性激發(fā)和探測,從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧、魯棒的Add-drop窄帶濾波器件。
　　(3)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)準(zhǔn)柱形腔中的可調(diào)諧電磁誘導(dǎo)透明(EIT)和Fano諧振現(xiàn)象。
　　論文在單個(gè)準(zhǔn)柱形腔中實(shí)現(xiàn)了可調(diào)控的EIT和Fano諧振,實(shí)現(xiàn)了EIT和Fano的操縱和二者之間相互轉(zhuǎn)化,進(jìn)行了系統(tǒng)的理論建模,解釋了準(zhǔn)柱形腔系統(tǒng)產(chǎn)生可控EIT和Fano現(xiàn)象以及相互之間轉(zhuǎn)化的內(nèi)在機(jī)理。實(shí)驗(yàn)展示了垂直位移調(diào)諧時(shí),由于耦合強(qiáng)度的變化,可以產(chǎn)生譜形變化的EIT和F

6、ano諧振,它們之間可以相互轉(zhuǎn)化;水平位移調(diào)諧可以產(chǎn)生有趣的周期性非對稱的Fano譜形。更重要的是,這兩種機(jī)制可以同時(shí)作用在同一個(gè)模式上,在我們的準(zhǔn)柱形腔耦合平臺上可以觀測并操縱這種有趣的現(xiàn)象。這里提出的方法為觀測,調(diào)諧,和操縱EIT和Fano諧振提供了一個(gè)穩(wěn)定、精細(xì)的平臺。
　　(4)首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了大粒子流環(huán)境下的分布式納米粒子探測。
　　基于微球腔耦合系統(tǒng),測試了蠟燭燃燒產(chǎn)物這一實(shí)際大粒子流環(huán)境下的分布式多粒子模式分裂。

7、實(shí)驗(yàn)展示了總的線寬展寬與沉積粒子的數(shù)量成正比,與理論模型吻合。探測信號對熱波動和粒子沉積角位置不敏感。另外,這種模式分裂機(jī)制在分裂不可觀測條件下仍然工作良好。這一工作的結(jié)果對實(shí)際環(huán)境如燃燒物、交通尾氣和環(huán)境空氣中的PM2.5監(jiān)測具有重要價(jià)值。
　　(5)揭示了三層膜微球腔的色散調(diào)控特性,提出并驗(yàn)證了多個(gè)垂直耦合腔系統(tǒng)用于色散補(bǔ)償和增大延遲量的機(jī)理。
　　率先提出用涂覆三層膜的方法對微球腔的群速色散(GVD)進(jìn)行調(diào)控。構(gòu)建了G