摘要 摘要: 研究光纤锥和香肠腔不同的耦合角度对共振波长的影响. 利用光纤锥耦合的方法激发香肠状微腔中的光学回音壁模式，从而获得香肠腔的共振波长. 实验结果表明: 通过改变光纤锥
摘要: 研究光纤锥和香肠腔不同的耦合角度对共振波长的影响. 利用光纤锥耦合的方法激发香肠状微腔中的光学回音壁模式，从而获得香肠腔的共振波长. 实验结果表明: 通过改变光纤锥和香肠腔的耦合角度，香肠腔的共振波长会发生一些改变，夹角越小共振波长越大，当角度接近垂直的时候共振波长达到最小值.
关键词: 回音壁模式; 共振波长; 香肠状微腔
回音壁微腔因为可以有极高的品质因子和非常小的模式体积，被国内外的各领域所关注. 目前回音壁微腔已经被广泛地运用在非线性光学[1]、高灵敏传感[2]、低阈值激光器[3 - 4]、滤波[5]等领域.根据每个领域具体的需求，回音壁微腔还可以被制作成各种形态，包括微盘腔[6]、球腔[7 - 8]等. 除了形状的不同，微腔还可以使用各种不同性质的材料，常用的材料是二氧化硅，还可以是晶体材料[9]等. 在本文的实验中使用二氧化硅制作成的香肠腔[10]，利用光纤耦合得到的回音壁模式 Q 值一般可以达到 107 ～ 108 ，具有较高的品质因子.
随着各领域研究的推进，人们发现让微腔的共振波长发生改变是非常有必要的. 比如通过微腔来过滤一些光波，如果微腔是不可调的，就只能过滤一些特定波长的光波. 而如果可以调整微腔的共振波长，在过滤光波的过程里，就可以减少微腔数量，减少设备的体积，方便集成. 可调谐的微腔除了可以减少零部件的体积，方便集成之外，还可以更容易地实现微腔的量产. 图纸上设计的规格是没办法绝对精确地制作成实物产品的，多少都会有一些误差. 大部分产品对误差的要求不是很高，但是光学元件的精确度却有着非常高的要求. 就球腔来说，共振波长的大小是取决于腔体的周长. 只要球腔直径稍微有点变化，就会直接改变共振波长. 即使是实验室单一定制出来的微腔也没办法恰好拥有人们想要的波长. 而且在未来产业化的应用中，要求生产线上制作的微腔达到理论上的规格是不切实际的. 为了方便工业化的量产，其中一个可行的方案就是先在一定的精度上制作微腔，再通过后期的调整，让产品符合应用的要求.
1 香肠腔与光纤锥的耦合实验
香肠腔的制作. 香肠腔可以通过直径为 125 μm 的光纤制作. 先将光纤最外层的塑料保护层剥离掉 2 cm，使用沾有酒精的拭镜纸擦拭光纤表面残留的塑料屑，将已剥离塑料保护层的光纤固定在铜棒上. 再在暴露的光纤尾部上添加一个小重物，具体的重量可以根据不同的加工环境去调整. 使用二氧化碳激光器作为热源，再通过 ZnSe 透镜将二氧化碳激光聚焦在光纤上. 二氧化碳激光器会使光纤变热熔化，因为重物的拖拉，激光照射的地方会熔化变细. 再以同样的方式使光纤的另一个位置变细. 这样一个香肠腔就制作好了. 在光纤和 ZnSe 透镜中间放一个双色镜，可以在不阻碍二氧化碳激光器工作的前提下，反射可见光，使得一边的显微镜可以监测到香肠状微腔的整个制备过程，方便随时调控. 图 1 就是显微镜看到的最后的成品.
光纤锥的制作. 直接使用市场的成品光纤 ( 直径125 μm 光纤) 无法和微腔耦合. 还需要对它进行加工，减少它的半径. 目前实验里加工后的光纤锥直径大约是 2 μm 左右.
首先将光纤中间部分剥离掉 12 mm 的塑料保护层，使用沾有酒精的拭镜纸擦拭光纤表面残留的塑料屑. 将没有去保护层的两端固定在滑块上. 滑块安装在步进电机上，可以被电机控制移动. 将水电解成氢气，再将干燥后的氢气集中喷射在裸露的光纤上，点燃氢气，燃烧加热光纤中间裸露的光纤. 预热约 30 s 后，让步进电机缓慢地向两边移动，拉伸光纤，使其缓慢地变细. 直径大约到 2 μm 的时候停止加热，同时关闭步进电机和氢气. 为了让加热的温度更加均匀，要把光纤锥放置在火焰的内焰和外焰的交界处. 在拉制的过程中，可以将小功率的激光导入光纤锥的一端，在另一端接上功率计，这样就可以监控光纤锥的损耗程度了.
最后还需要稍微把滑块向两边移动一小段距离，这样可以绷紧光纤锥. 如果没有这一步，之后光纤锥和微腔的耦合距离就会因为光纤锥的晃动而变得不稳定. 加工后的光纤锥特别容易断，还需要使用铝制的框架，用无影胶把光纤锥固定在铝架上面.耦合过程. 这个实验里使用的耦合方式是光纤锥耦合，这样的耦合方式比起棱镜耦合的耦合效率更高. 缺点就是光纤锥比较容易断，所以在实验过程里要避免触碰或者震动光纤锥. 先把光纤锥和香肠腔分别固定在三维台上，调整三维台，让香肠腔从下方靠近光纤锥比较细的位置. 光纤锥的倏逝场会和香肠腔进行耦合，激发微腔的回音壁模式.
系统的输入光来自线宽小于 200 kHz 的可调谐半导体激光器 ( 1 550 nm 波长) . 并用一个信号发生器当作激光控制器. 控制器将会输出一个三角波，来控制激光的波长变化. 如图 2，在激光经过光纤锥之前，还必须调整激光的偏振，不同的偏振会有不同的耦合效率. 在实验里，为了有更好的效果，需要调整出比较高的耦合效率. 光纤锥的另一端接到一个探测器，探测器的功能就是实现光电转换，让光信号变成示波器可以读取的电信号，光强越大，电压越大. 这个电信号要接到一个示波器上，这样就可以观察光纤锥的透过率. 而控制器的三角波信号也要接到示波器里面，方便调控.
2 微腔和光纤锥的耦合角度对共振波长的影响
笔者用一个 L 型铁钩推动香肠腔上方预留的光纤，改变香肠腔和光纤锥的角度. 也就是改变图 3的 θ 角. 测量了从接近垂直的状态到夹角减小了 14°左右的数据. 如图 4，横坐标是角度变化量，纵坐标是所研究的共振波长的变化量，共振波长变化量为 θ 角的共振波长与垂直角的共振波长之差. 取第一个测量数据 ( 接近垂直的时候) 为零点. 因为系统本身温度等的不稳定，即使所有条件都不变，共振波长的示数也会轻微飘动. 选取的共振波长的数值都处在晃动范围的最右边，也就是最大值. 从图 4 可以看出，通过改变耦合角度来改变共振波长是一种有效的改变共振波长的方法. 并且 θ 角越小，共振波长越大. 改变 13. 4°左右的角度，共振波长大概变化了 16. 8 pm.
3 总结
通过改变光纤锥和香肠腔的耦合角度，发现香肠腔的共振波长会发生一些改变. 从目前的试验上看，接近垂直的时候共振波长最小，夹角 θ 越小共振波长越大. 从数据的变化上看，共振波长的变化量不是很大，但是因为只是调整微腔和光纤锥的相对位置，并不改变、破坏腔体自身的性质，所以整个操作过程是可逆的. 而通过应力、加热等方法，虽然也可以改变腔体的共振波长，但是这也同时改变了微腔自身的形状或者材料结构. 这个实验使用的方法只是调整微腔和光纤锥的耦合角度，所以在未来的产业化应用方面也会比较容易实施.
参考文献:
[1] DEL'HAYE P，SCHLIESSER A，ARCIZET O，et al. Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator [J]. Nature，2007，450 ( 7173) : 1214 - 1217.
[2] SUN Y，FAN X. Optical ring resonators for biochemical and chemical sensing [J]. Analytical & Bioanalytical Chemistry，2011，399 ( 1) : 205 - 211.
[3] SANDOGHDAR V V，TREUSSART F，HARE J，et al. Very low threshold whispering-gallery-mode microsphere laser [J]. Physical Review A，1996，54 ( 3) : R1777 - R1780.
[4] CAI M，PAINTER O，VAHALA K J，et al. Fiber-coupled microsphere laser [J]. Optics Letters，2000，25 ( 19) : 1430.
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