（光学工程专业论文）微纳光纤环形谐振腔电光效应研究.pdf

摘要 摘要 随着通信技术和传感技术的飞速发展，人们对光电子器件微型化的需求日益 增长。微纳光纤以其独有的光传输特性，成为研究热点。微纳光纤主要特点是利 用周围倏逝场来对光进行传输，同时传输损耗和弯曲损耗较低。微纳光纤制作的 光学器件，工艺过程相对于光波导的更为简单。其中，微纳光纤构成的环形谐振 腔具有低损耗、高品质因素的特点。目前人们还未就微光纤环形谐振腔电光调制 性能进行报道，本文就在微小电流调制下，微光纤环型结构的电光效应进行了深 入研究。本文的主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 概述介绍了微纳光纤的研究背景与现状。举例介绍几种典型的微纳光纤 谐振腔。结合目前谐振腔在电光调制滤波器方面研究进展，提出了本文研究课题 基于微小电流作用下，微光纤谐振腔的电光效应。 ( 2 ) 分析了微光纤的模场特性，微光纤的内部和外部的电磁场分布、基模电 场芯内和芯外的能量分布、单模传输条件、影响传播常数的因素。建立了微光纤 环形谐振腔物理模型，深入研究了影响微光纤环形谐振腔品质因数q 值和半高全 宽度带宽的主要因素。 ( 3 ) 对目前典型的微光纤制备工艺进行概括介绍，指出了优缺点。针对实验 室中火焰加热法制备微光纤进行了详细讨论，该方法拉制出的微光纤直径可以低 至l i t m ，长度达到1 0 - 1 5 c r n 。由于有机聚合物不仅制作出与s i 0 2 直径尺度相互比 拟的聚合物光纤，还有很好弯曲特性，我们对聚合物制作微光纤的两种方法进行 介绍：热板加热法、有机溶剂法。制作出的聚合物长度可以达到2 0 - 3 0 c m ，直径 在2 - - 3 肛m 。基于上述微光纤，我们对利用微光纤来制作环形谐振腔的制备工艺进 行了讨论。为了迸一步提高制作工艺，指出了上述两种方法需要改进的地方。 ( 4 ) 初步建立微光纤环形谐振腔电光效应的理论模型。通过理论和实验分析 在微电流调制下，微光纤环形谐振腔输出光谱的特性。实验表明谐振峰波长对导 体为铁丝的电流调制因子是 - 5 0 0 p m j a ，铜丝调制因子是 - - - 5 1 0 p m a 。我们利用了 一只光纤布拉格光栅( f b g ) 对电流引起的热效应进行了精细地测量。实验结果 表明由铜丝和铁丝的热效应引起波长漂移分别为2 1 p r r g a 和2 3 p r n a ，热效应引起 的谐振峰漂移量远小于电流调制引起的谐振峰漂移量。 通过本论文的研究，对于发展一种基于电光调制的微光纤环形谐振腔的高q a b s t r a c t w i t h d e v e l o p m e n t o fc o m m u n i c a t i o na n ds e n s o rt e c h n o l o g y ，d e m a n d sf o r m i n i a t u r ep h o t o n i cd e v i c e sh a v es h a r p l yg r o w ni nr e c e n ty e a r s d u et oa d v a n t a g eo fi t o w no p t i c a lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，m i c r o j f i b e rh a sb e c o m eah o tr e s e a r c hf i e l d d u et ot h ea d v a n t a g eo fe v a n e s c e n tf i e l d ，t h eo p t i c a ll i g h tc a l lt r a v e la r o u n ds u c h m i c r o f i b e rw i t hl o wt r a n s m i s s i o nl o s sa n db e n dl o s s t h o s eo p t i cd e v i c e sr e l i e do n m i c r o f i b e rh a v ee a s i e rm a n u a f a c t u r ep r o c e s st h a ni n t e g r a t e do p t i c a lw a v e g u i d e w i t h l o wt r a n s m i s s i o n l o s s ，h i g j aqf a c t o rq u a l i t ye t c ，t h em i 凹o f i b e r r e s o n a t o rh a s c o m p e t e n c e o v e ri t s c o m p e t i t o r s h o w e v e r ，t h e r e i sn or e s e a r c h r e p o r t o n e l e c t r o o p t i c a l l yt u n e dm i c r o f i b e rr e s o n a t o r i nt h i st h e s i s ，w ew i l ld i s c u s se l e c t r o o p t i c e f f e c to fm i c r o f i b e rr e s o n a t o ru n d e rm i c r o a m p e r er a n g e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s i n c l u d ea sf c i l l o w s ： 1 a tt h eb e g i n n i n go ft h et h e s i s ，d e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h em i c r o f i b e ri s i n t r o d u c e d s e v e r a lk i n d so fm i c r o f i b e rr e s o n a t o r sa r ep r e s e n t e d b yi n t r o d u c i n gt h e c u r r e n td e v e l o p m e n to ft u n a b l ef i l t e r sb a s e do nt h ee l e c t r o - o p t i ce f f e c t ，t h et h e s i s sm a i n r e s e a r c hp o to fe l e c t r o o p t i ce f f e c to fas i l i c am i c r o f i b e rk n o tr e s o n a t o r ( m _ k r ) i s p r e s e n t e d 2 a ss o m ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r ec r u t i a lf o rt h em i c r o f i b e r ，w ea n a l y z e dt h e m o d ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o f i b e r ，i n t e r n a la n de x t e r n a le l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n d e n e r g yd i s t r i b u t i o no ff u n d a m e n t a lm o d ew i t h i na n do u t s i d et h ec o r e s i n g l em o d e t r a n s m i s s i o nc o n d i t i o na n dt h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ep r o p a g a t i o nc o n s t a n ta r ea l s o d i s c u s s e d t h o s ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h em i c r o f i b e rr i n gr e s o n a t o rq u a l i t y ，qf a c t o ra n d t h ef u l lw i d t ha th a l fm a x i m u m ( f w h m ) a r ei l l u s t r a t e da n da n a l y s e d 3 b a s e do ni l l u s t r a t i o na n dc o m p a r i s o no fs e v e r a l t y p i c a l m i c r o f i b e r m a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，w ei l l u s t r a t eo u rm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，f l a m eh e a t i n gm e t h o d a n dp o l y m e rs o l v e nm e t h o dw eu s e af l a m eh e a t i n gd r a w i n gp r o c e s st of a b r i c a t el o n g f r e e s t a n d i n gs i l i c a w i r e sw i mlp mi nd i a m e t e r sa n d10 - 15 c mi nl e n g t h a sp o l y m e r m i r o f i b e rh a sc o m p e t e n c ew i t hm i c r o f i b e rr e l i e do ns i l i c ai na s p e c tt of i b e rd i a m e t e ra n d b e n dt r a n s m i s s i o nl o s s ，w ee m p l o yb o t hm e t h o d st of a b r i c a t ep o l y m e rm i c r o f i b e rw i t h i i i a b s t r a c t 2 3 “mi nd i a m e t e ri na n d2 0 3 0 c mi nl e n g t h w ed i s c u s st h em a n u f a c t u r ep r o c e s so f t h em i c r o f i b e rr e s o n a t o r s e v e r a li m p r o v e m e n t sa r ea l s op r e s e n t e d 4 t h ep h y s i c a lm o d e lo fe l e c t r o o p t i ce f f e c ti nas i l i c am i c r o f i b e rk n o tr e s o n a t o r ( m k r ) i se s t a b l i s h e d u n d e rc u r r e n tt u n i n g ，t h ec h a r a c t e r i s t i co fo u t p u to p t i c a ls p e c t r u m h a sb e e ns t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t c u r r e n tt u n e df a c t o r sb yf ea n dc ua r e - 5 0 0 p m aa n d 510 p m a i no r d e rt od e t e c t m o r ee x a c td r i f ti n d u c i n gb yt h e r m a le f f e c t ，af i b e rb r a g gg r a t i n g ( f b g ) h a sb e e n e m p l o y e d i ts h o w st h a tt h et h e r m a ld r i f ti n d u c i n gb yc u r r e n ti s 21p m ai nc ua n d 2 3 p m ai nf e d r i f t sa r em u c hs m a l l e rt h a nt h a tc a u s e db yt h ee l e c t r o - o p t i ce f f e c t b ys t u d y i n g t h eo n e l e c t r o o p t i c e f f e c to fm k r ，i th a sp o t e n t i a lv a l u ei n d e v e l o p i n gt u n a b l ef i l t e r sw i t hh i g hq f a c t o r k e y w o r d s ：m i c r o f i b e r , k n o tr e s o n a t o r , e l e c t r o - o p t i ce f f e c t ，e v a n e s c e n tf i e l d i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：圣呈 歪墨日期：2 彬年石月7 日 论文使用授权 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：! e 堡导师签名：憋 日期：i o l o 年6 月7e l 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着通信和网络的高速发展，人们对信息量的需求呈现爆炸式的增长，传统 的微电子学和电子学随着集成化的提高，单个电子芯片上的集成器件越来越密集。 由于自身的局限性，芯片间的传输速度成为电子技术发展的制约因素，已经无法 满足人们对海量信息获取的要求。由于光子的速度远高于电子的传输速度，从而 人们将目光转向光电子器件的研究【l 引。 光纤通信行业经过近几十年的的发展，以光纤介质为载体的传输信息量和业 务呈现爆炸式地增加。人们在处理信息的时候不得不使用大量的仪器来对海量信 息进行分门别类的处理，而目前光纤通信主要包括光纤光缆、光电子器件、通信 系统设备，这些器件和设备体积较大、费用相对昂贵。如何缩小光电子器件的尺 寸，同时提高其性成为了当前通信业界急需解决的问题【4 】。 针对传统的光子器件，人们对在微纳米尺度上进行加工集成的光子器件产生 了浓厚的研究兴趣。微纳米尺度光电子器件是下一代光存储、光显示、太阳能利 用、光刻技术、光通信等应用领域所必须解决的关键核心技术。这个方向融合了 多学科方面的知识和技术，将会对未来科学技术发展起到重要的推动作用。微纳 米尺度光电子器件不仅成为目前科学与技术的前沿，是n a t u r e 或s c i e n c e 等国际学 术杂志或刊物的热点报道内容，而且由于微纳米尺度光电子器件对于光电子产业 发展的巨大推动作用，受到各国政府、科学界、企业界、高等学校和研究中心高 度重视，目前已经在全世界范围内形成了一个微纳米光学的研究高潮【5 】。美国、日 本、欧盟等发达国家不仅在微纳米尺度光电子器件的基础研究领域处于领先，而 且其微纳米尺度光电子器件的成果能够及时和有效地转化为产业，使其微纳米尺 度光电子器件领域处于领导地位【6 7 】。例如基于硅基( s i 0 2 ) 片的波导【8 】、光子晶 体( p h o t o n i cc r y s t a l ) 波导【9 1 、表面等离子体( s u r f a c ep 1 a s m o n s ) 波导【1 0 】、激光微加 工波导【1 1 1 、亚微米和纳米光纤等等【1 2 。13 1 。利用波导技术，研究者加工制作了一系 列的微尺度的光器件，例如在硅片上加工制作m e m s ( m i c r o e l e t r o m e c h n i c a l s y s t e m ) 结构的传感器件，而基于该技术制作的产品尺寸在岬到i n l t l 范围量级。 产品包含了电子计算机的硬盘存储器、全息数据存储器、激光打印机的喷墨头、 电子科技大学硕士学位论文 位移传感器等。随后又提出“绝缘材料上的硅( s i l i c o no ni n s u l a t o r ) ”概念【l4 1 ，这 种技术希望将在硅材料上制作出m e m s 结构。s o i 是一种三层模型的硅结构，由于 其结构本身是一种平面光波导结构，更容易将器件尺度缩小。可以在一定程度上 提高集成电路的性能，实现响应速度快、低电压、低功耗、抗辐射的大规模电路【l 5 1 。 同时在通信波长1 3 0 0 n m 16 0 0 n m 范围，硅对光的吸收损耗较小，可以拓展现有 的基于集成光电的器件。但是，制作高性能s o i 的基片制作工艺要求高，不容易 控制基片厚度的均匀性，同时与其他光器件的耦合损耗较高，实用性还需提高。 目前，有不少学者利用短波长、高能量的激光对光纤进行高精度【1 6 0 7 】、高分辨率 地加工。例如激光对光纤智能结构的制作，可以制作出具有微米尺度珐珀传应变、 折射率传感器等 1 8 。2 0 1 。一方面激光加工的激光束能量密度高，由于是对器件局部 加工，对非激光照射部位没有或影响极小。但是激光装备成本昂贵、加工环境要 求高，这也是需要对激光加工技术进行改进的方面。 1 2微纳光纤研究背景与现状 随着小尺度要求的提高，人们产生了减少传统普通光纤尺度的想法，提出了 直径是微纳米尺度的光纤。而小尺度的波导线的想法在2 0 0 年前有研究者提出来 了。通过在高温下对矿石材料的拉制，产生了石英细线，并研究了其机械特性， 用于电流计的平衡装置。随着对石英的研究，人们发现通过对玻璃材料的进行拉 锥后的细线可以用来传导光，而且具有较宽的光谱范围。随后发展了源于石英玻 璃的光纤技术，并就一系列材料和光学特性，如机械应变、光损耗、弯曲损耗等 进行了充分的研究。当普通单模光纤的直径达到亚微米和纳米量级时，光会在光 纤波导外面以一定比例消逝波来传输。而当消逝波与物质的相互作用，便可以利 用它来探测周围环境的变化，同时可以用来制作结构简单、灵敏度高的光电子器 件f 2 。2 2 1 。 到目前为止，制作微纳光纤的方法主要有直接拉锥法【2 3 1 ，化学生长法【2 4 1 ，聚合 物提拉法【2 5 】和半导体刻蚀法【2 6 之7 1 。直接拉锥法类似制作普通单模光纤时候预制棒 经过“拉丝塔”的过程。对晶体高温加热后，以一定速率进行拉伸。这种方法的 好处是可以拉制表面均匀度较高的光纤。目前，浙江大学的童利民教授3 1 ，提出 了两步拉伸法来制作微纳光纤的工艺。该方法可以制作出5 0 n m 到1 1 9 m 的微纳光 纤直径。但是该方法一个缺点是环境气流和温度场不稳定。一方面制作时候空气 随时在扰动，另一方面s i 0 2 光纤棒表面各方向的温度分布不均匀，使得拉制中光 2 第一章绪论 纤受热不稳定和不均匀。在实际拉锥操作的时候容易发生弯曲断裂。随后他又提 出利用蓝宝石棒自调制的二步拉伸工艺【2 引。因为一方面蓝宝石棒表面温度场稳定， 热均匀性较好。另一方面通过利用弯曲时候的自发应力，可以平衡拉伸力，当蓝 宝石棒蘸取玻璃纤维后，通过迅速拉伸，可以得到直径较为均匀的玻璃细线。 g b r a m b i l l a 等人针对手动拉制光纤的局限性，改进了加热装置，制作工艺中增 加了有机玻璃型罩，加热源中掺入氧气和异丁烷成分。在制作过程中不断沿着光 纤进行加热，使光纤受热均匀，通过这种的方法可制备出直径约为3 3 0 n m ，损耗 可低至0 0 1 d b m m 的玻璃细线【2 9 。3 1 】。另外，美国o f sl a b o r a t o r y 还利用c 0 2 激光 器对材料进行加热制作微纳光纠3 2 】。利用c 0 2 激光器作为热源一方面可以保证加 热过程中热源的稳定，另一方面利用操作型强的光电机械平台可以方便的拉制过 程进行连续稳定地控制，避免了人为引入的抖动和酒精灯外焰气流影响。一般情 况下，通过c 0 2 激光器制作的微纳波导线直径可低于1 0 0 n m 左右【3 2 1 。通过不同方 法制作的微光纤各有优缺点，如何能使得微光纤的制作工艺简便，获得直径更小 的、均匀性更高的、弯曲损耗低的微纳米尺度的光纤成为目前的研究课题，还需 要从理论和实验进一步的探索。 1 3微纳光纤谐振腔研究现状 自从1 9 6 9 年微环谐振器的概念与结构被提出以来，其结构的用途已经通信系 统中有着重要地位，被广泛应用于滤波器f 3 3 彤】、色散补偿器【3 6 。3 7 1 和延迟线f 38 1 。传 统的微型环是通过在波导刻蚀技术实现的，主要的基底材料g a l n a s p i n p 、 a i g a g a a s 、s i 0 2 等。制作的形状有圆盘型3 9 4 0 1 ，跑道型【4 l 】，球状型【4 2 】。主要原理 是通过由一个环半径为几微米到几百位微米的环形波导和总线波导构成，满足谐 振条件的光可以在环中进行循环，而其余的不满足条件的光将按照原路径传播。 近来，有学者提出了基于微纳光纤制作环形谐振腔，并对其有关特性进行了 研究。利用亚微米波长直径的微纳光纤作为光介质波导，一些研究机构制作了具 有高品质因数的微光纤环形谐振腔。下面对常见的环形谐振腔进行分类。 3 电子科技大学硕十学位论文 幽i - il o o p 型环形谐振脏 l o o p 型环形谐振腔是一种单个微环的谐振腔结构如图i - i 所示。基于这种 结构，可以利用通信波段1 5 0 0 m n 到1 5 8 0 r i m 作为其传输光谱范围。在1 5 0 0 r i m 波 段，有学者制作出输出光谱的品质因数q 值高达1 5 0 0 0 ，同时精细度约为1 0 - 通 过调节两端光纤的耦台角度和效率，消光比可约达到3 0 d b 以上。 恻l 一2k n o t 型环形谐振腔 k n o t 型环形谐振腔是通过将微纳光纤的两个自由端打结制作而成的，如图l - 2 所示。与l o o p 型环形谐振腔相比，k n o t 型环形谐振腔的结构更加稳定。这是因为 在k n o t 型环形谐振腔的耦舍区中，微纳光纤是通过弹性弯曲力和摩擦力相互缠绕 的，而l o o p 型环形谐振腔中，微纳光纤是通过范德华力而相互耦合。目前已有的 报道中】，已经制作出品质囡数o 高达5 7 0 0 0 ，精细度为2 2 的k n o t 型环形谐振 腔。在水中，其谐振腔的结构不会发生较大的改变，品质因数o 也可以达到 3 1 0 0 0 州，同时可以利用其俊逝场的特性，对液体折射率参数进行探测，有实验表明 o 值减小，这是因为一方面结构受到水面张力的影响，表面张力对光纤有拉伸的 4 第一章绪论 作用，另外液体的折射率与二氧化硅的折射率相近，光不容易束缚在纤芯内，导 致光在表面发生散射，部分能量耗散在水中。 董j j 够 图卜3c o i l 型环形谐振腔 图l _ 4 平面波导上形成的谐振器 c o i l 型环形谐振腔是将微纳光纤绕圈后形成的，如图1 - 3 所示。传统的谐振器 是由环半径为微米级别的环形波导与一个具有总线功能的波导相互耦合形成的 h ”如图1 _ 4 。其对平面波导的刻蚀工艺要求高，器件尺度较大，不利用广泛的应 用。c o i l 型环形谐振腔通过绕圈将多个谐振腔进行集成，而功能与平面波导上刻 蚀而成的谐振器相同。 另外一种结构是四端口微纳光纤谐振腔，如图1 - 5 和图1 - 6 所示m ja 这种拓扑 结构特点在于扩展了谐振腔的端口数目。基于环形节的四端口微纳光纤谐振腔是 对现实a d d d r o p 滤波器的一种补充。当入射光满足谐振条件时候，通过环形腔进 行循环后在下端口输出，而其他波长的光继续在平行波导中传输，从而可以达到 对光波长选择韵目的 4 7 1 。 电子科技大学硕士学位论文 图i 5 四端口微纳光纤谗振腔示意幽 逐 。 ( b ) ， f 1 e ， 圉1 - 6 四端口微纳光纤谐振腔的显徽镜照片 微环结构的谐振腔可以通过单环组合的方式形成复杂的多环结构成为通信 领域中带通滤波嚣、相位延迟器、色散补偿器的重要组成部分。除此之外，它在 传感领域的也有一定的应用潜力。例如将微光纤环形谐振腔和传统的微机电系统 进行结合，加工而成加速度传感器。实验发现加速度变化会引起谐振峰的漂移， 其谐振点和加速度变化成正比关系，利用该方法可以实现了2 0 8 动态范围的测量， 灵敏度比商用传统加速度的传感器高出数倍【4 “。 在折射率测量方面，大多数光波导是利用消逝波来传感吸附在表面的物质。 而物质存在改变传感器件表面的折射率。但是随着更高性能要求，如在微细物质 的分析时候，传统传感器一般需要通过较长交互长度，才能探测自身输出光相位 变化。理论上微光纤谐振腔的传感器由于外界环境改变自身的有效折射率”使 得倏逝场的光谱强度、相位发生变化。但是由于液体表面张力会扭曲环形结构， 实验上还需进一步分析。 6 第一章绪论 1 4 课题意义 目前微光学谐振腔作为集成光学的一个重要研究方向，在光波长复用器、光 波长解复用器、光交换和滤波器件方面有很大的发展。自从利用l i n b o ，掺t i 元 素制作的可调集成光波导的谐振腔开始研究以来，人们开始对这个领域进行了深 入研究了。近年来，随着半导体材料和加工工艺的发展，大多数研究集中在基于 g a a s 和g a l n a s p i n p 材料的的微型谐振腔。因为该族化合物的折射率超过3 ，可 以利用电子刻蚀技术在上面制作微环结构。r g r o v e r f 5 0 】在g a a s a 1 g a a s 上制作了 一种电光调制的微环结构的滤波器。m b e a u g e o i s 5 h 报道一种红外光调制 i n g a a s p i n p 微型谐振腔，通过反应粒子刻蚀技术在i n g a a s p i n p 上刻蚀微环，并 作电光调制性能的测试。目前基于这些工艺的传感器制作成本高，集成复杂、环 形结构和总线的耦合模式对接间损耗大。 随着微光纤制作工艺的研究，由微光纤构成的环形谐振腔具有微尺寸、低损 耗、高品质因素、较高的耦合效率、易于制备等优势【5 引，在液体折射率、加速度 传感器方面都有了一定的研究，而目前人们还未就微光纤环电光调制性能就行报 道。本文就在微小电流调制下，微光纤环型结构的电光效应进行了深入研究，通 过理论和实验分析了在微小电流的调制作用下，微光纤环形谐振腔输出光谱特性， 谐振腔的谐振波长漂移与微电流调制强度的关系。 1 5论文的主要工作 主要工作安排如下： ( 1 ) 在查阅大量文献的基础上，对微纳光纤的研究背景与现状进行了概述介 绍。举例介绍了几种典型结构的微纳光纤谐振腔，及其光学性能。结合目前谐振 腔在滤波器方面研究进展，提出了本文课题：基于微小电流作用下，微光纤谐振 腔的电光效应。 ( 2 ) 分析了微光纤的模场特性，微光纤的内部和外部的电磁场分布、基模电 场芯内和芯外的能量分布、单模传输条件、影响传播常数的因素。建立了微光纤 环形谐振腔物理模型，讨论了影响微光纤环形谐振腔品质因数q 值、半高全宽度 和精细度的因素。 ( 3 ) 介绍了微光纤的制备工艺和过程。包括了利用二氧化硅光纤、聚苯乙稀 ( p s ) 、聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 三种物质制备微光纤、火焰加热法、热板加 7 电子科技大学硕士学位论文 热法和有机溶剂法。同时利用二氧化硅微光纤对微光纤环形谐振腔的制作工艺进 行了介绍。 ( 4 ) 针对微光纤环形谐振腔电光效应进行初步的理论建模，实验分析了在两 种不同导体材料下，微光纤环形谐振腔输出端的谐振峰漂移与微电流的关系，对 微电流引起的热效应进行了分析。利用了一只光纤布拉格光栅( f b g ) 对电流引 起的金属细丝的热效应进行了测量。 ( 5 ) 本文内容的总结和未来工作的展望。针对微光纤的制备工艺的改进提出 了自己想法，提出下一步工作的重点。 8 第一章徽纳光纤环形谐振腔理论与特性 第二章微纳光纤环形谐振腔理论与特性 本章节首先从单根微纳光纤的传输模型出发，研究了光场在单根微纳光纤中 的传输模式，进而分析单模条件下徽光纤的能量分布。对基于微纳光纤的环形谐 振腔的耦合原理进行介绍，分析了对微光纤环形谐振腔q 值以及半高全宽度的影 响因素。 21微纳光纤光场传输理论 21 1 光在亚微米微光纤中的传输原理 微纳光纤是一种与传统光纤和光波导的光传输介质不相同的介质结构。一般 地，在普通s i 0 2 光纤中，包层和光纤纤芯的折射宰相对折射率差不大，光主要通 过光纤中进行全反射而传播。与普通s i 0 2 单模光纤相比，微纳光纤是将空气作为 包层纤芯和包层折射率相差较大。这样使得光会集中在介质表面很小的区域内 传播，随着传输距离的增加光波的振幅逐渐衰减，以这种方式传播波被称为消逝 波。同时，由于微纳光纤的直径范围在7 0 0 n m 2 p m 左右，与光波波长相比拟， 削2 - i 理想微纳光纤模型示意圈 微纳光纤对光能量传输束缚较强【捌。 我们将微纳光纤看作是理想无限长的圆柱体直径为2p 纤芯折射率n ， 空气包层折射率为n 2 。通常情况下，我们研究的器件尺度很小，所以将研究的模 型看作一段长度很短的光波导，光在这段光波导线中的传播看作是非损耗和非吸 收的。这样光在波导线中传输的麦克斯韦方程可以简化成亥姆霍兹方程： ( v 2 + h 2 k 2 一f 2 ) ；= 0( 2 1 ) 9 电子科技大学硕十学位论文 ( v 2 + n 2 k 2 一2 ) j ；= 0( 2 2 ) 其中：k = 2 彳， 是传播常数，z 是自由空间中每个点的折射率。 对于h e ，。和e h ，。模有如下方程： j ! i ! 竺! + 茎i ! 堡! lj 兰i ! 竺2 + ! i 茎i ! 兰2l ：f ，兰丛 2f ，上 2 【u ，r ( 【，) 。w k 矿( k ) j 【u ，r ( 【，) 。n2 , w xy ( k ) jik n l lluw j ( 2 - 3 ) 珩砜挎 器+ 器一o ( 2 - 4 ) g 寸t r t m 。垮 描+ 船= 。 协5 ， 其中：u = d ( 碍，z ；一2 ) 2v = k o d ( ，z ? 一，z ；) w = d ( 2 一瑶托；) 2g v 为第一类贝塞 尔函数，直径d = 2 p 。 2 1 2微纳光纤的单模传输条件 微纳光纤的单模传输条件为： y = 万等( 刀卜，z 2 2 ) 2 立4 0 5 ( 2 - 6 ) d 是光纤直径，n 。是纤- 心+ - 1 - - 折射率，坞是纤芯外的折射率。 当满足上式时，传输中仅有h e l l 模式。在单模传输条件下，光纤的纤芯和包 层的相对折射率差较大，光能量主要是集中在纤芯和表面传播。另外，单模条件 下的直径小于光波长，利用低折射率的外部介质和高折射率的玻璃介质，可以增 强束缚在光纤中的光强。 2 1 3 基模电磁场 当方程满足单模条件的时候，此时只有h e l l 模式存在，可以将本征方程改写为： 器u + 器w kk ) 器u + 船w kk k n u w 2 【u j r ( ) r ( ) jl 【，r ( ) 甩1 2r () j i。l j 微纳光纤基模的电磁场完整形式表示如下： 巨( r ，矽，z ) 2 ( 巳声+ 勺多+ 巳三) - 咿：酬 ( 2 7 ) l 万( r ，= h ，声+ h 5 ；+ h ：三) p 泸：p 胁 1 0 第二章微纳光纤环形谐振腔理论与特性 在纤芯内( 0 ， p ) 电磁场分量： 巳：一盟粤翘z ( 矽) (2-8)u 7 ( ) 门v7一 勺：一a , j o ( u r ) 不- a 丁z j z ( u r ) g ，( ) (29)ju “ 。( ) 5 1v 7 以制坨 乞= 一万i v 币j , ( w 万r ) 彳( 矽) ( 2 1 。) 以( u ) g 。( 矽) ( 2 11 ) 铲一2 等蛐铲刖) 泣 妒一谣) l ，2 詈榴“矽， 在纤芯外( p 厂 0 0 ) 电磁场分量： 一u q ( 凇) 一口：垦( 凇) w k 。( w ) ( 2 一1 3 ) 彳( 矽) ( 2 - 1 4 ) 白：一旦坐坚秽蜀( 矽) (2-15)wkw l () 剐v ， 乞= 一万i v 丽k 1 ( w e ) w 拍1 ) p = 一一_ ，i 驴i z 印墨( ) 。v 7 彬制7 2 砌三u 口。k 。( 凇) + 口。k ：( w r ) wk 。( w ) 铲鲥2 k n 。2 。a 3 k 。( w e ) 一口。k ：( w r ) k ，( w ) 睁倒陀詈鬻“矽， ( 2 1 6 ) g ，( ) ( 2 - 1 7 ) z ( 矽) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) 电子科技大学硕士学位论文 以上表不中的参数中八纠和g ( 痧) 分别为： 厂( 矽) = e x p ( i f l z - r o t ) ( 2 2 0 ) g ( 矽) = e x p ( i f l z - i c o t ) ( 2 2 1 ) 其中当奇数模取s i n ( 矽) ，偶数模取c o s ( 矽) 。上式中各项系数可以表示为： 铲掣旷掣巳= 掣 铲掣铲蛀掣铲掣 巧= ( 爿世竽e = ( 嘉) 2 去向= 寺 榴一榴 睁击船+ 鬻 _ 芝1l ( 1 # “) 2 1 4 模场能量分布： 针对上述数学模型，我们将微光纤当作直径均匀的圆柱形，从而消逝波沿着 电场半径方向和角方向的平均能流密度矢量方向之和为零。下面主要计算沿着z 方向的能量分布。通过用p o y n t i n g 矢量来描述纤芯内外的能流密度分布情况【5 3 - 5 4 。 微光纤纤芯内( 0 ， p ) 篷，= 譬喙) l 陀荔扬 砒c + 呸约z c + 半厶( 豫) 以( 隙) c o s ( 矽) ) c 2 珑， 微光纤纤芯外( p j c 2 彩， 纤芯内外慕模能量分布可以表示为 1 2 第一章微纳光纤环形谐振腔理论与特性 1 日= r ，扎( o r p ) k = f ：d a ，( p sr s * ) 其中：a a ”打“ 芯内传输的功率比例： + 片+ 8 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 根据上述公式“l ，考虑不同纤芯直径情况下，模场能量分布豹情况。当传输光波 长为6 3 3 n m ，纤芯直径不同时候，内部的能量分布如图2 - 2 和图2 - 3 所示。 圈2 - 2 纤芯直径为4 6 0 m m ，波睦6 3 3 r u n 圈2 - 3 纤芯值径为4 0 0 u m ，波长6 3 3 r t m 根据上述图示，可看出纤芯内的能量随着光纤的直径增大而逐渐增大，纤芯 外部的能量则迅速下降。从图2 - 2 中可以看出，当纤芯直径在4 6 0 n m 时，太部分 能量集中在纤芯中，只有较少部分能量在光纤表面传播。而当直径在4 0 0 n m 时候， 大部分能量向纤芯外扩散开来，以消逝波的形式在空气包层中传输，如图2 3 所 i 。 2 1 5 微光纤之间的摄动理论 由于微光纤之间的耦台特性决定了环形谐振腔的耦台效率，我们将利用摄动 理论来研究平行光纤传播常数特性。光纤之间光场模型可以通过标量波动方程表 示： v ：+ k2 月2 一f2 ) y ( j ，y ) = 0( 2 2 6 ) 电子科技大学硕士学位论文 通过在柱坐标中求解上述方程得到： 麓长2 荔蓝s m u 鼎t 矿) 其中七为模式数 i o 扩，尹j2 ，f 【，| j 将( 2 2 6 ) 在柱坐标中变换： ( 嘉+ 净以巾肛辨= 。 沼2 7 ， 当微光纤的折射率是阶跃型： 胁碧一p 肿需庀m 糊 对于以上方程有如下模式： 己( ，痧) = 五( 厂) c o s ( 尼矽) 孑k ( ，矽) = z ( ，) c o s ( 尼矽) 歹 瓦( 厂，) = 六( r ) s i n ( 尼矽) i( r ，矽) = 丘( r ) s i n ( 后矽) 歹 为了研究微扰下的光场特性，微扰时横向模量和传播常数分别表示为妙和， 无微扰横向模量和传播常数分别由和反表示。 v ：+ 后2 n 2 一2 1 。o( 2 2 8 ) i v ；+ 尼2 2 一成2 j 甄= 0 对方程组进行合并得到： ( 2 一；) 沙。= 缈。v ；沙一v ；y 。) + k 2 n 一以? ) y 。( 2 2 9 ) ( 2 一露) 叮嘲幽= 叮 v 矽一沙；) 么+ 叮尼2 ( 刀2 一砰) 嗍刎( 2 3 0 ) 由于， y 。v ；一咿矽。) 幽= 叮 。v ；! y - v b 。) 刎和y 的一阶导数在无穷 远处为零，上式可以化简为： i 。k2 ( ，z2 一，z ；) 沙yi d a 2 一孑= 址 面矿 。3 d 一乙 上式表明当两根光纤看作弱导情况时，左边差值较小，但是对于以空气作为 包层的微光纤而言，这种差值不可忽略。 1 4 第二章微纳光纤环形谐振腔理论与特性 2l6 平行微光纤间的能量耦合 我们仿真了微光纤间距、耦合跃度对光纤之间能量耦合的影响。利用 f u l l w a v e 软件的f d t d 算法计算仿真得出在耦台长度下一定的条件下，波长为 1 5 5 0 n t o 时，微光纤耦台模式分布，如图2 4 至图2 7 所示。 从图中可以看出，能量交换现象发生在纤芯内外，与微光纤的直径和间距有 关。随着微光纤之间距离增大时，纤芯外的消逝波能量逐渐减弱，光纤之间耦舍 酗2 4 微光纤直往2 l i l i i 距离为0 i g r n酣2 j 微光纤直径2 h m ，距离为o2 岬 刚2 - 6 微光纤直径3 9 m - 距离为ol s m图2 7 微光纤直径1 w n ，距离为o1 5 9 i n 拍长变长，如图2 - 4 和图2 - 5 所示。当耦台区长度给定时，微光纤之间的间距越小， 耦合效率越高。另外，当间距给定时，纤芯外消逝波能量比例与直径大小相关。 由图2 6 和图2 7 所示，当直径较小时，微光纤表面的消逝波能量比例较大，耦合 效率随着微光纤直径减小也相应地增大。 0口“*i_ 电子科技大学硕士学位论文 2 2微光纤环形谐振腔的光传输特性 2 2 1环形谐振腔传输模型 我们利用环形谐振腔和耦合器的理论，来分析微光纤环形谐振腔的光传输特 性。一般地，我们假设微光纤是由普通单模光纤构成的，微光纤环形谐振腔模型 中，通过对耦合波动方程求解，我们可以得到沿着光纤的电场分布情况。 e 。( ，) = e x p if p ( ，) 讲 g ( ，) ( 2 3 2 ) 其中：g ( r ) 是横向模式的矢量函数，f t ( z ) 是传播常数。通过谐振腔中的电场 分布是上式电场的线性叠加： 即) 咧咖x p 眇扰 讣) + e 2 ( 1 ) e x p ( r ，j f t ( 咖 嘶) 沼3 3 ， f t ( z ) = 去( 届( 1 ) + f t 2 ( 们 ( 2 - 3 4 ) 式中：微光纤输入端和输出端的传播常数分别表示为屈( ，) ，殷( ，) 。传播常数是关 于光传播长度的函数，在很小的范围内变化。输入端和输出端横向模式矢量函数 分别表示为g l ( r ) 和g 2 ( r ) 是。对于耦合区域结合点为起点，我们定义的此时的传 播常数为： 届( 0 ) = 屈( 0 ) ( 2 - 3 5 ) 除耦合点以外的区域，环绕微光纤环的电磁场振幅满足如下耦合波方程： 辎妒k r ( 1 ) 瑞燧妁 3 6 ， a f t ( 1 ) = i 1 ( 属( 1 ) - f t 2 ( 啪 ( 2 3 7 ) 其中：k ，为耦合系数。通过对( 2 - 3 6 ) 的求解，可以得到电磁场分量： e ( 垆毛，( 加x p l f ( ，) 讲 2 - 3 8 ) e 2 ( 1 ) = ( 咖x p l - i ；a f t ( 1 ) d li ( 2 3 9 ) 1 6 第二章微纳光纤环形谐振腔理论与特性 易( ，) = 岛( ，) e x p li j a p ( o a ，i ( 2 - 4 0 ) ， 其中：民。( ，) ，磊：( ，) 分别是输入端和输出端的耦合点的振幅状态。如图2 - 8 ，光 在微光纤的传输模型示意图。光在微光纤中的路