【摘要】：近年來,基于光學微腔的回音壁模式(Whispering Gallery mode,WGM)吸引了眾多學者的研究興趣�？烧{諧的回音壁模式在濾波、光開關和傳感測量中有著極其重要的價值。本文利用硅基材料良好的熱光效應、自由載粒子吸收和多光子吸收效應,分別以微管和光子晶體光纖作為光學諧振腔,對回音壁模式的諧振頻率和幅度調諧進行了研究。主要的研究內容如下:①采用傳輸矩陣法分析微管諧振腔振蕩頻率的傳輸特性,并利用有限元原理和COMSOL軟件理論仿真微光纖近場耦合激發(fā)諧振腔的回音壁模式,研究了耦合距離和微管壁厚對諧振模式的影響;實驗研究了耦合距離和光波偏振態(tài)對回音壁模式的影響。②采用熔融拉錐技術,利用二氧化硅微管和電熱絲制作可調諧的回音壁模式電諧振腔,理論推導得知電致熱調諧可以實現(xiàn)回音壁模式的大范圍調諧;實驗測試電諧振腔獲得品質因數(shù)104數(shù)量級,自由光譜范圍為0.8nm以及信噪比高達4.3d B的回音壁模式;通過對電熱絲通以恒定電流,實現(xiàn)回音壁模式0.57nm的漂移,對應的電流大小為200m A,消耗的電功率約為0.1m W;實驗測試可調諧電諧振腔作為光開關時,響應速度在幾百ms數(shù)量級上,理論分析通過減少微管壁厚和增加微管長度可以提高響應速度。③提出利用光子晶體光纖作為光學微腔獲得高Q、少模的回音壁模式。實驗通過六個大孔的光子晶體光纖,獲得Q值為104數(shù)量級的WGM和Fano模式,模式體積較二氧化硅微管少,并利用多光子吸收和自由載粒子吸收效應實現(xiàn)對光學回音壁模式和Fano模式的幅度光調諧;理論仿真光子晶體光纖作為諧振腔的模場分布,初步解釋光子晶體光纖產生的Fano模式,孔狀結構致使腔體內的高階模式被損耗,低階的回音壁模式在腔體外沿發(fā)生模式耦合效應,最終形成Fano回音壁模式。綜上,熱光非線性效應能夠實現(xiàn)超大范圍的回音壁模式調諧,自由載粒子吸收和多光子吸收致使腔內損耗增加,諧振模式幅度減少;光子晶體光纖的特殊結構致使Fano回音壁模式的形成。本文所設計的兩類回音壁模式可調諧器件在可調諧激光器、光濾波以及光開關等領域具有一定的應用價值。
[Abstract]:In recent years, echo wall mode (Whispering Gallery mode,WGM) based on optical microcavity has attracted many scholars' interest. Tunable echo wall mode is of great value in filtering, optical switching and sensing measurement. In this paper, the resonant frequency and amplitude tuning of echo wall mode are studied using microtubules and photonic crystal fibers as optical resonators, respectively, using the good thermo-optical effect, free carrier particle absorption and multi-photon absorption effect of silicon based materials. The main research contents are as follows: 1 Transmission matrix method is used to analyze the transmission characteristics of microtube resonator oscillation frequency, and the echo wall mode of micro-fiber near-field coupling excited resonator is simulated by using finite element theory and COMSOL software theory. The effects of coupling distance and wall thickness of microtubules on the resonant mode are studied. The effects of coupling distance and polarization state of light wave on the mode of echo wall are experimentally studied. 2 the tunable resonator of echo wall mode is fabricated by using silicon dioxide microtubules and electric heating wire. The theoretical derivation shows that electrothermal tuning can realize the large-scale tuning of the echo wall mode. The experimental results show that the quality factor of the resonator is 10 ~ 4 orders of magnitude, the free spectrum range is 0.8nm and the signal-to-noise ratio (SNR) is as high as 4.3 dB. Through the constant current of electric heating wire, the 0.57nm drift of echo wall mode is realized. The corresponding current is 200mA, and the electric power consumed is about 0.1m W; The experimental results show that the response speed of the tunable electric resonator is in the order of several hundred ms when it is used as an optical switch. It is theoretically analyzed that the response speed can be improved by reducing the wall thickness of microtubules and increasing the length of microtubules. 3 it is proposed to use photonic crystal fibers as optical microcavities to obtain high Q and less mode echo wall modes. Six photonic crystal fibers with large holes were used to obtain the WGM and Fano modes with a Q value of 104.The model volume is smaller than that of silica microtubules. The amplitude light tuning of the optical echo wall mode and the Fano mode is realized by using the multiphoton absorption and the free carrier particle absorption effect. The mode field distribution of photonic crystal fiber as resonator is simulated theoretically, and the Fano mode produced by photonic crystal fiber is preliminarily explained. The low order echo wall mode is coupled on the outer edge of the cavity, and the Fano echo wall mode is finally formed. In conclusion, the thermo-optical nonlinear effect can achieve a large range of echo wall mode tuning. The absorption of free-loaded particles and multi-photon absorption results in the increase of loss and the decrease of resonant mode amplitude. The special structure of photonic crystal fiber leads to the formation of Fano echo wall mode. The two kinds of echo-wall tuners designed in this paper have certain application value in tunable lasers, optical filters and optical switches.
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN253

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本文編號：2376641