基于回音壁模式微球腔的PDH稳频技术（英文）

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1.2mm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.     

相位匹配下锥形光纤激发出的回廊模谐振

分别计算不同直径下锥形光纤基模和玻璃微球谐振腔内最低阶径向回廊模的传播常量,利用相位匹配条件,作出了锥形光纤与石英玻璃微球腔的直径对应关系曲线.在此基础上,选择锥腰直径2.8 μm左右的低损耗锥形光纤与直径143.1 μm球形度很好的玻璃微球腔进行近场耦合以激发球内的最低阶径向回廊模谐振,在锥形光纤的两端进行通光测试,在输出端获得了等间距分布的窄线宽滤波谱线,其吸收峰位置与利用Mie理论计算的球内最低阶径向回廊模谐振峰位置相一致.     

外界环境对微球腔品质因数的影响

光学微腔由于其高品质因子(Q)特性具有广泛的应用前景.本文以光学微球腔为例分析了影响Q的各种因素,并通过实验研究分析了光学微球腔所处环境对Q的影响.选用直径约为260 μm的典型微球腔与锥形光纤进行耦合,通过透射谱的变化来反应Q的变化,结果表明,微球腔周围水蒸气的光吸收损耗和粉尘的散射损耗对微球腔的Q影响较大,能够导致...     

808 nm LD激发下高折射率差光纤锥-硫卤微球耦合系统的荧光回廊模

用熔融淬冷法制备了0.5wt.%掺杂Nd3+:75GeS2-15Ga2S3-0CsI(0.5wt.%Nd-GGSI)硫卤玻璃.在此基础上以玻璃粉料漂浮熔融法制备出粒径为50~300μm高折射率(n≈2.1)玻璃微球,并在显微镜下选出表面质量高的硫卤微球用于后续实验.将火焰法拉制出的直径1~2μm间的双锥形石英微纳光纤与硫系微球进行近场耦合.相位匹配条件下测试结果表明光纤锥倏逝场将激发球内径向高阶回音壁模式.实验测量了在808nm LD激光泵浦下直径110μm微球的荧光光谱特性,结果表明:掺Nd3+硫卤微球在输出端1 075nm波段附近产生了等间距分布的荧光回音壁模式的光学谐振,共振峰间隔为1.80nm.实验结果与微球腔回音壁模式谐振的理论模型有较高的符合度.     

电光聚合物波导中的锥形结构

提出并设计了一种基于电光聚合物的锥形波导,可用于单模光纤与电光聚合物波导器件之间的连接.锥形波导中采用了宽度锥形和折射率锥形结构.宽度锥形采用劈形形状,通过宽度和折射率的缓慢变化实现模场转换.劈形形状的宽度锥形具有较小的损耗且易于制作,折射率锥形可采用灰度掩膜光刻技术制作.研究了锥形波导的传输损耗与锥形波导的长度、波导宽度和厚度、材料吸收损耗等参数的关系及其优化,分析了锥形波导中的功率传输、模场分布与模式转换效率.结果显示锥形波导的传输损耗小于0.37 dB,光纤-波导-光纤的连接损耗优于1.62 dB,对插入损耗的改善达到8.78 dB,模场转换效率达到了83.7%.     

在纤式回音壁模式微球谐振腔及其传感特性

提出一种在纤式回音壁模式微球谐振腔，并对其温度和折射率传感特性进行研究。首先，分析了不同尺寸的微球腔与光纤结构耦合时的相位匹配情况，以锥形光纤为探针来拾取并移动钛酸钡微球，将其嵌入空心光纤，形成在纤式谐振腔结构，从而在微球中激发回音壁模式，并与空心光纤端面的反射光相互作用，产生法诺共振。实验结果表明，激发的法诺共振峰曲线的斜率高达-99.3 dB/nm。另外，通过实验证明了此结构对温度和折射率均具有较好的传感特性，灵敏度分别为26.8 pm/℃和-244.97 dB/RIU。该谐振腔性能稳定、结构紧凑、加工简单，在纤式的反射结构使其有望在复杂的传感环境中发挥作用。     

微环芯腔与锥形纳米光纤耦合过程的实验研究

在实验上研究了共振于铯原子跃迁线附近的微环芯腔与锥形纳米光纤的耦合特性。通过精密控制微环芯腔与锥形纳米光纤的相对位置,实现了两者的欠耦合、临界耦合和过耦合的精确控制。当微环芯腔与锥形纳米光纤间距为0.6μm时,系统达到临界耦合,透射率为0.3%±0.3%,耦合效率为99.7%±0.3%。由微环芯腔透射光谱得到微环芯腔的自由光谱区为1067±5GHz,等效腔长为223±1μm,线宽为2.9±0.1GHz,本征品质因数为(6.2±0.6)×10~4。随着微环芯腔与锥形纳米光纤间距的减小,微环芯腔的线宽逐渐增大,共振频率发生红移,频率移动为19.2±0.1GHz。该研究找到了有效控制微环芯腔与锥形纳米光纤耦合状态的方法,为下一步实现微环芯腔与原子间强耦合奠定了实验基础。同时该研究加深了人们对微环芯腔不同耦合状态的认识,为研究欠耦合和过耦合状态提供了实验基础。     

石英玻璃微球吸收光谱上的结构共振

通过CO2激光器熔融不同直径的熔锥光纤以得到相应直径的石英玻璃微球,利用此微球和熔锥光纤,构造了球微腔耦合系统。实验中利用光腰直径为3.1μm的熔锥光纤与直径为143.1μm的石英玻璃微球进行耦合,通过最大分辨力为1pm的可调谐半导体激光器对该耦合系统进行光谱扫描,发现石英玻璃微球的吸收光谱中出现分立的结构共振峰。利用光学微球腔理论讨论了石英玻璃微球吸收光谱中的结构共振,并用米氏散射理论公式对一阶TE模共振峰的位置以及它们的间隔进行了计算,共振峰位置实验结果与理论结果的误差仅为0.03%,表明实验与计算结果相符。     

消逝场耦合圆柱形微腔中回音壁模式结构的实验研究

采用石英圆柱形微腔与锥形光纤通过消逝场耦合的方式,在实验上观察到了不同半径的柱形微腔中清晰的回音壁模式,耦合效率接近10%. 利用柱形微腔回音壁模式位置和间隔的解析近似公式,对实验所得的透射光谱做了模式的精确标定,共振波长的实验值和标定值间的误差小于0.05nm. 引入回音壁模式的“模场半径”概念,由“模场半径”计算出的模式间隔和实验测量值之间符合很好. 利用透射光谱中的共振波长和理论标定波长间的差值,得到了实验光谱范围内(1295—1320nm)石英光纤的色散曲线,折射率精度达10^-5. 关键词： 圆柱形微腔 回音壁模式 模式标定 模场半径     

长周期光纤光栅和双锥形光纤间的倏逝波耦合作用

对长周期光纤光栅和双锥形光纤之间的倏逝波耦合作用进行了研究。理论分析和实验研究表明,由于锥形光纤和长周期光纤光栅物理边界外倏逝波之间的交叠,长周期光纤光栅产生的包层模,可以耦合到锥形光纤的包层模并从锥形光纤的纤芯输出。要获得高的耦合效率,应满足模式匹配的条件,同时要尽量减小两光纤之间的距离。耦合特性还与长周期光栅和双锥形光纤的相对位置有关,为获得高的耦合效率,耦合区应位于长周期光栅区的后面。这种倏逝波耦合作用,为监测实际应用系统中长周期光纤光栅的特性提供了一种新方法;为利用锥形光纤和长周期光纤光栅开发新型光纤器件,提供了一种可能的方案。     

Demonstration of a passive subpicostrain fiber strain sensor

We demonstrate a fiber Fabry-Perot (FFP) sensor that is capable of detecting subpicostrain signals, from 100 Hz and extending beyond 100 kHz, using the Pound-Drever-Hall (PDH) frequency locking technique. A low-power diode laser at 1550 nm is locked to a free-space reference cavity to suppress its free-running frequency noise, thereby stabilizing the laser. The stabilized laser is then used to interrogate a FFP sensor whose PDH error signal yields the instantaneous fiber strain.     

新型缓变锥型PCF结构接口耦合损耗特性

提出一种新型的缓变锥型光纤接口器件。该接口器件是一个长度为150mm左右的缓变锥型光子晶体光纤。利用有限元方法对模场直径差别较大的不同光纤进行拼接时的损耗问题进行研究。研究结果表明:在模场直径分别为9μm和10.4μm的光纤之间加入锥型光纤后可以有效降低耦合损耗,并且在不同波长下耦合损耗都维持在一个较低水平。因此,该接口器件能够实现光纤拼接时物理结构的过渡和不同模场直径的转换,从而使拼接损耗降到最低。     

锥形光纤激发盘腔光学模式互易性研究

光学谐振腔由于其高Q值特性,作为谐振式陀螺的核心元件,有望实现谐振式陀螺的小型化、集成化,但是非互易性噪声成为制约其精度提高的不利因素. 介绍了采用传统半导体工艺制备的盘型腔与熔融法拉制的锥形光纤组成的耦合系统. 当盘型腔在光纤锥区的不同位置进行耦合谐振时,将输入输出正/反对调,观察到输出透射谱发生偏差,谐振频率、耦合效率以及Q值均发生变化,即存在非互易性现象. 用Rsoft软件对锥形光纤倏逝场分布特性进行仿真,理论分析了非互易性产生的原因. 以此可抑制谐振式光学陀螺应用中由锥形光纤与谐振腔组成的耦合系统产生的非互易性噪声. 关键词： 光学谐振腔 锥形光纤 非互易性 谐振式陀螺     

Bloch-wave engineering of quantum dot micropillars for cavity quantum electrodynamics experiments

We have employed Bloch-wave engineering to realize submicron diameter high quality factor GaAs/AlAs micropillars (MPs). The design features a tapered cavity in which the fundamental Bloch mode is subject to an adiabatic transition to match the Bragg mirror Bloch mode. The resulting reduced scattering loss leads to record-high vacuum Rabi splitting of the strong coupling in MPs with modest oscillator strength quantum dots. A quality factor of 13,?600 and a splitting of 85 μeV with an estimated visibility v of 0.41 are observed for a small mode volume MP with a diameter d{c} of 850 nm.     

Nanofiber Fabry-Perot microresonator for nonlinear optics and cavity quantum electrodynamics

We experimentally realize a Fabry-Perot-type optical microresonator near the cesium D2 line wavelength based on a tapered optical fiber, equipped with two fiber Bragg gratings that enclose a subwavelength diameter waist. Owing to the very low taper losses, the finesse of the resonator reaches F=86 while the on-resonance transmission is T=11%. The characteristics of our resonator fulfill the requirements of nonlinear optics and cavity quantum electrodynamics in the strong coupling regime. These characteristics, combined with the demonstrated ease of use and advantageous mode geometry, open a realm of applications.     

双重频率锁定的腔衰荡吸收光谱技术及信号处理

针对传统腔衰荡光谱技术浓度获取率低,提出基于双重锁定的连续波腔衰荡吸收光谱技术.通过波长调制一次谐波信号将激光器的频率锁定到C_2H_2吸收线上,同时使用PDH锁频技术将衰荡腔锁定到激光器上,从而避免了测量过程中激光器的频率漂移和腔长的抖动,使测量结果更加精确;并且,由于双重锁定,单次衰荡事件的发生率,也就是浓度信息的获取率只受衰荡时间以及重新锁定时间限制,在本试验系统中采集速率可以达到30 k Hz,可以实现对气体浓度的快速测量.为了提高信噪比,采用Kalman滤波技术,对浓度信息进行实时处理,有效抑制了噪声,根据阿伦方差分析,探测灵敏度可以达到4×10~(-9)cm~(-1)(2 s平均).     

Hollow-core tapered coupler for large inner diameter hollow-core optical fibers

A novel hollow-core tapered coupler has been theoretically designed and fabricated by fiber drawingmachine. The coupler's inner wall is coated with a polycrystalline GeO_2 film. The coupling loss ofhollow-core tapered coupler is about 0.2 dB. Hollow-core tapered coupler reduces the transmission loss ofhollow-core optical fiber(HCOF) by 0.5 dB/m, therefore the coupler is suitable for coupling high powerCO_2 laser in industrial application.     

拉锥光纤中光传输模场的矢量分析

采用二维矢量时域有限差分法(FDTD),考虑了拉锥光纤芯层的折射率分布和光纤芯层直径等参数,详细分析了拉锥光纤的锥度、拉锥后纳米光纤半径等对拉锥光纤中光波模场分布和传输特性的影响。计算结果表明,单模光纤芯层的折射率分布函数对光纤中光传输模场分布影响较小;拉锥光纤锥度越大光波的能量损耗越大;当拉锥后纳米光纤半径逐渐变小时,纳米光纤的光传输模场中心光强先逐渐增强然后又逐渐减小。