基于sol-gel法制備摻鉺微腔激光器及其光學特性

蔡佳芮，潘子文，于智薇，王四海，王　川

(北京郵電大學 a.信息與通信工程學院；b.理學院，北京100876)

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“第12屆全國高等學校物理演示實驗教學研討會”論文

指導教師：王川(1982-)，男，山東臨沂人，北京郵電大學理學院副教授，博士，主要研究方向為量子信息與量子光學、納米光子學.

基于sol-gel法制備摻鉺微腔激光器及其光學特性

蔡佳芮a，潘子文a，于智薇a，王四海b，王川b

(北京郵電大學 a.信息與通信工程學院；b.理學院，北京100876)

摘要：用sol-gel法加工摻鉺微環芯腔，得到品質因數高、模式體積小、非線性閾值低等優良光學特性的摻鉺微環芯腔激光器. 在精密三維調節-二維監控實驗平臺上對摻鉺微環芯腔進行光纖錐倏逝場近場耦合實驗. 通過對耦合程度和泵浦源激光輸入功率的調節，得微環芯腔的品質因數Q超過107. 當泵浦源激光波長為1 444.44 nm時，微環芯腔輸出波長為1 450.54 nm的激光，最大輸出功率為3.00 μW，泵浦源輸入功率的最低閾值為10.5 mW.

關鍵詞：摻鉺微環芯腔；回音壁模式；sol-gel；近場耦合

近幾年，基于回音壁模式(Whispering gallery mode, WGM)的光學微腔已經成為光通信的研究熱點. 這種光學微腔作為一種尺寸可與光波長相比擬的光學諧振腔，使得凝聚態中的一些量子電動力學現象得以研究；同時作為一種低閾值激光微腔，在集成光學、信息光學等諸多領域中有很好的應用前景. 光學諧振腔最早在1899年由Fabry和Perot提出，通過調節精細度因數來增加有效光程，與弱反射結構相比具有更高的精細度和更窄的通頻帶[1]. 之后對光學微腔的研究經歷了多環耦合[2]、分路濾波[3]到1992年Bell實驗室演示成功第一臺半導體微盤激光器，從而發現了微盤腔在制備單模、低閾值激光器上的潛力. 目前國內外有很多小組從事相關方向的研究，包括美國加州理工學院的Vahala小組、Kimble小組、Yang小組，佐治亞理工學院的Chapman小組，國內的中科大韓正甫小組，北京大學的肖云峰小組，等等. 光學微腔的形狀主要有微球腔、微盤腔、微環芯腔幾種，具有極高的品質因子和較小的模式體積，光學特性優良[4]. 目前這一前沿技術還在不斷完善與發展中，主要面臨包括對制備環境要求過高、成本過高以及制備成功率低、方法有待完善等困難.

1sol-gel法制備摻鉺微環芯腔

1.1　sol-gel法原理

溶膠凝膠(sol-gel)法是20世紀60年代發展起來的一種制備玻璃、陶瓷等無機材料的濕化學法. 該方法以無機金屬鹽或金屬氧化物作為前體,在液相下均勻混合的前體懸浮液經過一系列水解、聚合的化學反應，形成穩定的溶膠液體系. 溶膠經過一定條件下的陳化，形成凝膠. 凝膠再經過干燥，脫去結構內孔間溶劑成為干凝膠或氣凝膠. 最后，經過熱處理即固化焙燒得到所需材料[5]. sol-gel法具有反應條件容易實現、化學均勻性好(可在分子層面上調整)、光學特性好、成品機械強度高等優點.

1.2　微環芯腔摻鉺原理

微腔與光纖錐的耦合系統需要盡可能高的品質因數Q，但由于輻射、散射、材料吸收以及耦合等原因造成的固有損耗不可避免地使Q值受到一定的限制. 在微腔中摻入激活介質，其增益可以補償固有損耗，從而大大提高耦合系統的品質因數[6]. 現大部分工藝使用鑭系元素作為增益介質，其中鉺離子4I13/2-4I15/2能級躍遷時發出的光波長為1.55 μm左右，正好對應通訊C波段為光纖的最小吸收窗口[7]，所以摻鉺激光器和光放大器得到極大重視.

1.3　sol-gel法制備微環芯腔的工藝流程

1) 配置sol-gel溶液：將正硅酸乙酯(TEOS)、異丙醇(IPA)、ErNO3溶液、鹽酸按以下比重混合0.6∶6.5∶0.7∶6.1.

2) 攪拌：在70 ℃環境下攪拌配置好的溶液3 h，使前體充分發生水解和聚合.

3) 陳化：在室溫下溶液陳化24 h.

4) 旋涂覆膜:將陳化后的溶液滴在有二氧化硅層的硅晶片上，將硅晶片放入甩膠機旋涂，得到穩定的薄膜.

5) 熱處理：在1 000 ℃條件下加熱硅片3 h，得到摻鉺硅晶體.

6) 重復1)~5)步，直到薄膜達到一定厚度.

7) 用光刻膠(PR)旋涂上述摻鉺硅晶片.

8) 加熱硅晶片，然后用光刻板遮擋進行UV曝光.

9) 用顯影液浸洗硅晶片，撈出后用水清洗，氮氣干燥，再置于顯微鏡下觀察.

10) 加熱硅晶片，用HF進行蝕刻. 時時觀察硅片表面變化，疏水后立即撈出硅片.

11) 依次用丙酮-酒精-水沖洗硅晶片，再用氮氣干燥后置于顯微鏡下觀察.

12) 硅晶片沿晶格方向切片后用XeF2進行蝕刻(XeF2各向同性地腐蝕硅)，形成硅盤結構.

13) CO2回流加熱，硅盤融化，形成微型環芯結構[8].

sol-gel法制備摻鉺微環芯腔的工藝流程如圖1所示.

圖1　sol-gel法制備摻鉺微環芯腔工藝流程

2光纖錐倏逝場近場耦合實驗

2.1　光纖錐的制備及耦合機制

將單模光纖剝去中間一段光纖皮后拉直并在光纖鉗上夾緊，用高溫氫焰灼燒光纖，同時計算機控制精密步進電機讓光纖鉗向兩側拉伸光纖，得到錐腰直徑約為2 μm的光纖錐.

當激光以光纖模式在光纖錐的錐腰部分傳輸時，由于有效折射率的減少使得光纖模式被展寬，部分光擴散到空氣中形成光倏逝場. 微腔優良光學特性的展現在于近場耦合激發光學微腔的光學模式. 通過精細調節，當光纖錐和微腔的距離在一定范圍內變化時，不同的位置處將依次出現欠耦合、臨界耦合和過耦合狀態[9],如圖2所示.Es(t)是回音壁模式場強，Ei和Eo分別為光纖錐的輸入、輸出場強，κ是光纖錐與微腔的耦合系數，t是耦合前后的透過系數.Qo為光纖內部品質因子，Qex是光纖錐耦合的品質因子.QoQex,Qo=Qex依次對應欠耦合、過耦合和臨界耦合狀態[10]. 光束進入微腔后，微腔體固有的模式體積開始對激光進行選模，當輸入激光和微腔模式出現模式匹配時，腔體內通過不斷全反射實現光波模式的相干疊加，形成共振，即回音廊模式[11].

圖2　光纖錐與光學微腔耦合模型

2.2　摻鉺微環芯腔與光纖錐倏逝場近場耦合實驗流程

將光纖錐連同支架移動到三維調節架上，在光纖錐一側將微腔放置在精密三維調節架上，通過上方和側向的CCD監測耦合位置，并通過精密三維調節架粗調和分度值為0.1 nm的微調結合，使位置調節準確，防止移動不當對微腔或者光纖錐造成損壞. 微腔同光纖錐耦合時的CCD照片如圖3所示.

采用數字信號發生器產生鋸齒波激勵激光控制器，掃描前設置數字信號發生器的參量為：頻率60 Hz，相位0，幅值1.5Vpp，偏置：0 V， 選用額定波長為1 460 nm的激光源作為激勵源，利用精密三維調節架調節耦合程度，使示波器上出現吸收共振峰. 實驗裝置如圖4所示.

(a)光纖錐

(b)光學微腔

圖4　摻鉺微環芯腔與光纖錐倏逝場近場耦合實驗裝置示意圖

2.3　實驗結果分析

微腔的品質因數Q值表征微腔對通過光纖錐耦合進入腔體內能量的存儲能力，Q值越高則能量儲存能力越強.Q值定義為存儲能量和耗散能量的比值：

(1)

其中，ω0表示微腔內共振光場頻率，即形成共振峰時輸出激光的頻率，U表示模式內存儲的能量，W表示模式的能量耗散率，Δω表示微腔譜線的半峰全寬. 本實驗中，為更優地計算Q值，在泵浦源波長為1 534.41 nm條件下(非實驗初設條件中的1 460 nm光源)，示波器上得到的共振吸收曲線如圖5所示[12].

圖5　示波器上得到的共振吸收曲線

根據信號發生器、激光器和示波器的設置，示波器圖像上橫軸的1個單位長度對應0.08 nm的波長范圍，通過Origin軟件進行洛倫茲曲線擬合，得到曲線的半峰全寬為6.704 18×10-4ms，即5.363 34×10-5nm. 根據式(1)計算得到制備的微環芯腔在激發光源波長為1 534.41 nm時的品質因數Q為2.860 92×107.

使用光譜儀監測輸出激光的強度，并通過改變泵浦光源的功率，探究輸出激光的最大功率和需要泵浦光源功率的最低閾值. 圖6所示為當泵浦光源波長為1 444.44 nm，輸入功率為20 mW，對應輸出功率為3.00 μW時，激光器輸出波長為1 547.75 nm的激光，功率為0.87 μW，約為前者的1/3，輸出性能達到最佳. 插入小圖為在泵浦源波長為1 439.98 nm條件下，示波器上得到的共振下吸收曲線. 高功率引起的熱效應使波形為三角波，而不是洛倫茲曲線形狀. 圖7為當泵浦光源波長為1 444.44 nm、輸入功率為10.5 mW時，激光器輸出波長為1 540.54 nm的激光，功率為0.052 9 μW，再降低輸入功率，光譜儀未檢測到微腔的輸出激光的功率譜線，所以10.5 mW是泵浦源輸入功率的最低閾值.

圖6　泵浦光源波長為1 444.44 nm、輸入功率為20 mW時輸出激光的能量譜

圖7　泵浦光源波長為1 444.44 nm、輸入功率為10.5 mW時輸出激光的能量譜

3結束語

利用sol-gel法加工摻鉺微環芯腔，得到具有品質因數高、模式體積小、非線性閾值低等光學特性優良的摻鉺微腔激光器. 在精密三維調節-二維監控實驗平臺上對摻鉺微環芯腔進行光纖錐倏逝場近場耦合實驗，通過對耦合程度和泵浦源激光輸入功率的調節，得到的實驗結果顯示：微環芯腔的品質因數Q超過107，當泵浦源激光波長為1 444.44 nm時，微環芯腔輸出激光波長為1 450.54 nm，最大輸出功率為3.00 μW，泵浦源輸入功率的最低閾值為10.5 mW. 本文對摻鉺微環芯腔加工工藝的介紹及對光纖錐與微腔近場耦合實驗結果的分析，也為后續相關研究提供參考.

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[責任編輯：任德香]

Fabrication and characterization of erbium-doped

silica microtoroid lasers using the sol-gel method

CAI Jia-ruia, PAN Zi-wena, YU Zhi-weia, WANG Si-haib, WANG Chuanb

(a. School of Information and Communication Engineering; b. School of Science,

Beijing University of Post and Telecommunications, Beijing 100876, China)

Abstract:Erbium-doped silica microtoroid, which has relatively better optical properties such as a higher quality factor, smaller mode volume and low nonlinear threshold, was fabricated by using the sol-gel method. The evanescent field coupling of the resonator mode with the fiber taper mode was carried out over the three-dimensional controlling optical test-bed. By tuning the coupler mode and the output power, a quality factor over 107was obtained. The power threshold achieved in this experiment was 10.5 mW at 1 444.44 nm, the maximum output was 3.00 μW at 1 450.54 nm.

Key words:erbium-doped silica microtoroid; whispering gallery mode; sol-gel; evanescent field coupling

中圖分類號：TN629.1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)01-0001-05

作者簡介：蔡佳芮(1996-)，女，廣東佛山人，北京郵電大學信息與通信工程學院電子信息工程專業2013級本科生.

基金項目：北京郵電大學大學生研究創新基金資助(No.151)；北京市共建項目資助

收稿日期：2015-11-01；修改日期：2015-12-20