C波段微型光源研究*

王寶花, 嚴英占, 郝妮妮, 閆樹斌

(①儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,電子測試技術國家重點實驗室,山西 太原 030051;②山東科技大學機械電子工程學院,山東青島 266510)

0 引言

隨著光通信技術的發展,寬波段通訊成為研究熱點。1.55μm左右 C波段激光為光纖光傳輸的最小吸收窗口,而稀土元素鉺離子在能級躍遷時發出的光正好對應此波段[1]。因此,在光學微腔[2]研究的背景下進行C波段微光源探索具有重要的應用意義。光學微腔對光的局域是基于回音壁的傳播模式(WGM,Whispering Gallery Modes),微腔內部的全內反射使得此類諧振腔具有超高的品質因子 Q、極低的模式體積,因此具有極低的非線性閾值成為寬波段通訊、芯片級光源等領域研究的良好載體。

石英晶體作為光學研究的首選材料,其折射率對于光發射和傳輸有重要影響[3]。與傳統的光纖通訊系統相兼容[4],易于構建大規模的無線傳感網絡[5-6]。帶寬通訊的需要使人們對硅光子晶體學的研究產生了極大的興趣,Er3+能通過離子注入等半導體工藝注入到SiO2,可以實現互補金屬氧化物半導體(CMOS)兼容成為很好的摻雜物。

目前研究的稀土摻雜光學微球腔[7-8]多以 SiO2材料為主,結合離子注入工藝,用熱熔融法、噴槍火焰法等加工手段制備而得,具有優越的光學特性。應用二氧化碳熔融摻鉺光纖的方法制備了摻鉺微球腔[9-10]并以此為載體研究了其熒光光譜特性,得到了經過微腔調制的銳利加強譜線,為進一步深入研究微腔摻雜微光源奠定基礎。

1 摻鉺諧振腔制備

為了制造尺寸均勻、表面光滑的微球腔,特利用高功率CO2激光器：美國相干(COHERENT)公司,波長 10.6μm為制備熱源。通過對拉錐后的摻鉺光纖頂尖部進行熱處理加工而成。激光輸出光斑直徑為 10 mm,光纖錐區直徑大約在1～20μm,所以在光輸出時采用匯聚鏡片將光斑聚焦。摻鉺微球腔是由MP980裸摻鉺光纖除去光纖涂覆層,經 CO2激光器(10.6μm)燒至熔融狀態通過自身的表面張力形成的。制備應用加工光路如圖 1所示。

圖 1 摻鉺諧振腔加工光路示意

2 摻鉺諧振腔熒光檢測

實驗中采用 980nm激發光,泵浦光打在摻鉺微球腔上,與餌離子發生作用,基態粒子吸收能量后,躍遷到激發態。由于激發態不穩定,級躍遷到基態態或亞穩態,此時發出一定波長的光。通常通過測出該熒光的波長,即可以識別所測物質的元素和成份。實驗中采用90度法,即泵浦光照射方向與探測方向垂直的方法以減小泵浦光的干擾,系統圖如圖 2所示。

圖 2 熒光測試原理

實驗中選用卓立漢光 SBP500光譜儀,掃描精度可達0.01 nm,銦鎵砷探測器接收光譜儀采集到的信號,信號經前置放大器后接入數據采集系統,PC機對信號進行分析。圖3為采集的微球多模式的共振形貌曲線。由于微球腔的模式比較復雜,很難測到單一模式的共振譜線,經過微球腔調制的熒光譜線。980nm激光使鉺離子從4I11/2能級躍遷到4I15/2發出 1.55μm左右的光,由于鉺離子對 980的吸收截面較小,需要的泵浦光功率要大。

圖 3 摻鉺微球多模式共振曲線

精確調節微球的位置,使摻鉺微球只有單一模式的激發光。得到微球單一模式的共振形貌曲線。如圖 4所示,其它模式的光得到了很好的抑制。

圖 4 摻鉺微球腔單一模式共振熒光譜線

3 結語

摻鉺離子微球腔的品質因子滿足下面關系式：

Q=2?π? n/N0? Γ? σa? λ。

n=1.5為微球腔的折射率,N0=5.4x1020/cm2鉺離子濃度,σa=4× 10-22cm2在 1 450 nm吸收系數,假定 Γ為0.066,計算的鉺離子吸收相關的 Q值為 4.4 x 108。

FSR=λ2/2? π? R? neff,

其中 λ=1 546.3 nm,R=21μm,neff=1.5,理論上計算的值為 12.09 nm,與實驗測得結果基本吻合,誤差在實驗允許范圍之內。

結合光學微腔及稀土離子特性研究了摻鉺微球腔的熒光光譜,實驗結果由單一波長泵浦光 980 nm得到了 1550 nm為中心的多條共振譜線,拓寬了光譜范圍,得到銳利的透射譜線,為制備單色性好的通訊波段光源提供了一條新的途徑,使諧振腔的Q值得到提高,為進一步開展其他摻鉺光學微腔的研究奠定了基礎。

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