基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件及其制造方法，属于光纤器件领域。本器件采用标准单模光纤、空芯光纤和微球形回音壁模式微腔为基本单元，通过熔接机将空芯光纤和标准单模光纤熔接并拉锥形成规则的锥形区域。该反射式器件集成了输入和输出耦合部分，将非常方便嵌入于光纤传感和激光器系统中。在原理上由于细直径导致锥角减小，光场在微纳光纤熔锥与空芯光纤过渡区部分实现较大比例的能量耦合，提升了耦合效率。本发明专利技术的新型耦合结构与直通式微纳光纤锥耦合相比，具有耦合简单、机械鲁棒性强等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件及其制造方法
本专利技术涉及一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件及其制造方法，属于光纤器件和制备领域。
技术介绍
光学微腔（以下简称“微腔”）是一种尺寸在微米量级的光学谐振腔，光能量被限制在很小区域内震荡，具有尺寸小、易于集成、功耗低以及品质因子（Q值）高等诸多优点。伴随着新型微纳加工技术的不断发展，微腔已经成为基础光物理研究和光子技术应用的重要载体，在腔量子电动力学、量子光力学、低阈值微型激光器、高灵敏生物传感、高品质滤波器、微型光频梳、非线性光学等领域有着重大和广阔的应用前景，因此微腔已成为光子学领域国际前沿研究主题之一。微腔主要包括法珀微腔、回音壁模式微腔、微环形微腔、光子晶体微腔等结构形式。回音壁模微腔由于具有超高Q值、较小模式体积等优点，外界环境微小改变就会带来微腔内部光场剧烈变化，可实现各种高灵敏度传感探测，如温度和折射率传感等；而当回音壁模微腔掺入或涂覆有源材料，其自发辐射特性受到局域真空场显著调制，可实现低阈值的激光输出特性。在回音壁模微腔的理论与实验研究中，如何有效地将光耦合到微腔中是核心关键问题，目前主要方法包括棱镜耦合法、倾角光纤耦合法、微纳光纤熔锥耦合法，均为直通式耦合方案，会导致实际应用中便利程度不高，且棱镜耦合法和倾角光纤耦合法不适合集成，此外微纳光纤熔锥耦合法中的微纳光纤熔锥机械性能较低且容易受外界环境干扰。因此探索一种集成度高、稳定性高、可重复性好的微腔耦合结构一直是微腔研究领域的重要关键问题。
技术实现思路
为了克服现有技术便利程度不高或者不适合集成等缺点，本专利技术提出了一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件及其制造方法。具有回音壁模微腔所具备的高Q值特性，空芯光纤耦合所具有的耦合简单和机械鲁棒性高特性，整体器件所实现的探针式结构所具有的监测与应用方便特性。为达到上述目的，本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件，包括标准单模光纤、微纳光纤熔锥、空芯光纤、微球型回音壁模式微腔；所述的微纳光纤熔锥是通过把标准单模光纤与空芯光纤熔接并且熔融拉锥制成的，连接于标准单模光纤和空芯光纤之间；所述微球型回音壁模式微腔置于空芯光纤中；所述微纳光纤熔锥提高了标准单模光纤与空芯光纤的耦合强度，所述空芯光纤与微球型回音壁模式微腔的耦合方式提高了回音壁模式耦合器件的集成性，稳定性，重复性。一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件的制造方法，用于制作上述的基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件，操作步骤如下：1）空芯光纤制备：采用改良化学气相沉积工艺制备与标准单模光纤折射率及尺寸匹配的预制棒，通过拉丝塔拉制空芯光纤，空芯光纤外径为125μm，内径与微球型回音壁模式微腔的微球腔的直径相当；2）采用光纤熔接机制备微纳光纤熔锥，将标准单模光纤与步骤1）制备的空芯光纤进行熔接，然后继续使用光纤熔接机对熔接部分进行融熔拉锥，得到微纳光纤熔锥；3）微纳光纤熔锥在显微镜下通过静电吸附合适尺寸的无源微球或有源微球（如铒镱共掺微球），通过精密三维调整架将微球置入空芯光纤内壁，形成微球型回音壁模式微腔。本专利技术基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件，采用单模光纤、空芯光纤和微球为基本单元，通过熔接机将空芯光纤和单模光纤熔接形成规则的锥形区域，在此基础上进行二次微加工，对锥形区域进行拉锥从而使得微纳光纤熔锥—空芯光纤的耦合性能达到最佳。该反射式器件集成了输入和输出耦合部分，将非常方便嵌入于光纤传感和激光器系统中。本专利技术采取的新型耦合结构相比于直通式微纳光纤锥耦合而言，具有实用化所必须的耦合简单、机械鲁棒性强等优点；同时与毛细管耦合方案相比，该耦合结构具有稳定性高、Q值高、频谱简洁等优点。本专利技术采用的空芯光纤耦合回音壁模微腔器件结构实现探针式集成光纤器件，是一种内嵌耦合结构，在机理上属于新的耦合结构，其模式的耦合方式由传统的微纳光纤熔锥渐逝场耦合方式变化为环形光场与回音壁模的耦合。与普通未拉锥的单模—空芯光纤结构相比，微纳光纤熔锥—空芯光纤耦合器由于细直径导致锥角减小，光场在微纳光纤熔锥与空芯光纤过渡区部分实现较大比例的能量耦合，提升了耦合效率。本专利技术相比于现有技术具有以下优点：（1）采用了回音壁模式微腔，回音壁模微腔由于具有超高Q值、较小模式体积等优点，外界环境微小改变就会带来微腔内部光场剧烈变化，可实现各种高灵敏度传感探测；（2）采用微纳光纤熔锥—空芯光纤耦合器，使用光纤熔接机加工，工艺简单，光场在微纳光纤熔锥与空芯光纤过渡区部分实现较大比例的能量耦合，提升了耦合效率；（3）采用空芯光纤耦合回音壁的反射式结构，集成度更高、稳定性更高、可重复性好。附图说明图1是基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件的结构框图。图2是制作微纳光纤熔锥—空芯光纤耦合器的示意图。图3是制作空芯光纤耦合回音壁模微腔的示意图。图4是空芯光纤仿真图(a)和实物图(b)、(c)。图5是空芯光纤与单模光纤耦合器制备，(a)未拉锥前，(b)拉锥200μm。图6是采用不同折射率微球时器件的反射谱，其中微球折射率为(a)1.48，(b)1.93（插图为对应器件）。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的具体实施例做进一步的说明。如图1所示，一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件，包括标准单模光纤1、微纳光纤熔锥2、空芯光纤3、微球型回音壁模式微腔4；所述的微纳光纤熔锥2是通过把标准单模光纤1与空芯光纤3熔接并且熔融拉锥制成的，连接于标准单模光纤1和空芯光纤3之间；所述微球型回音壁模式微腔4置于空芯光纤3中；所述微纳光纤熔锥2提高了标准单模光纤1与空芯光纤3的耦合强度，所述空芯光纤3与微球型回音壁模式微腔4的耦合方式提高了回音壁模式耦合器件的集成性，稳定性，重复性。如图2和图3所示，一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件的制造方法，操作步骤如下：1）空芯光纤3制备：采用改良化学气相沉积工艺（MCVD）制备与标准单模光纤1折射率及尺寸匹配的预制棒，通过拉丝塔拉制空芯光纤3，本实施例中，空芯光纤3外径为125μm，内径与微球型回音壁模式微腔4的微球腔的直径相当。如图4所示，理论计算空芯光纤3环芯中传输的基模如图4(a)所示，仿真所用的参数为：内径75μm、环芯直径85μm、外径125μm，环芯折射率为1.4681，包层折射率为1.4628。拉制出的空芯光纤3的俯视图和侧视图如图4(b)和4(c)所示。2）采用光纤熔接机制备微纳光纤熔锥2，采用自编的程序将标准单模光纤1与步骤1）制备的空芯光纤3进行熔接形成图5(a)的结构，然后继续使用光纤熔接机对熔接部分进行融熔拉锥，得到微纳光纤熔锥2，形成图5(b)结构。3）微纳光纤熔锥2在显微镜下通过静电吸附合适尺寸的无源微球或有源微球（如铒镱共掺），通过精密三维调整架将微球置入空芯光纤3内壁，形成微球型回音壁模式微腔4。如图6所示，采用了两种折射率不同的微球制作的基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔的器件，折射率分别为1.48的硼硅酸盐微球和1.93的高折射率玻璃微球。从两种折射率微球下反射谱可以看出，回音壁模均得到了有效激发，因此本专利技术器件是一种集成度高、稳定性高、可重复性好的新型微腔耦合结构。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件，其特征在于，包括标准单模光纤（1）、微纳光纤熔锥（2）、空芯光纤（3）、微球型回音壁模式微腔（4）；所述的微纳光纤熔锥（2）是通过把标准单模光纤（1）与空芯光纤（3）熔接并且熔融拉锥制成的，连接于标准单模光纤（1）和空芯光纤（3）之间；所述微球型回音壁模式微腔（4）置于空芯光纤（3）中；所述微纳光纤熔锥（2）提高了标准单模光纤（1）与空芯光纤（3）的耦合强度，所述空芯光纤（3）与微球型回音壁模式微腔（4）的耦合方式提高了回音壁模式耦合器件的集成性，稳定性，重复性。

【技术特征摘要】
1.一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件，其特征在于，包括标准单模光纤（1）、微纳光纤熔锥（2）、空芯光纤（3）、微球型回音壁模式微腔（4）；所述的微纳光纤熔锥（2）是通过把标准单模光纤（1）与空芯光纤（3）熔接并且熔融拉锥制成的，连接于标准单模光纤（1）和空芯光纤（3）之间；所述微球型回音壁模式微腔（4）置于空芯光纤（3）中；所述微纳光纤熔锥（2）提高了标准单模光纤（1）与空芯光纤（3）的耦合强度，所述空芯光纤（3）与微球型回音壁模式微腔（4）的耦合方式提高了回音壁模式耦合器件的集成性，稳定性，重复性。2.一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件的制造方法，用于制作根据权利要求1所述的基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件，其特征在于，操作步骤如...

【专利技术属性】
技术研发人员：张小贝，杨磊，王嘉威，白化文，杨勇，陈振宜，王廷云，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31