基于sol-gel法制備摻鉺微腔激光器及其光學(xué)特性

蔡佳芮，潘子文，于智薇，王四海，王　川

(北京郵電大學(xué) a.信息與通信工程學(xué)院；b.理學(xué)院，北京100876)

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“第12屆全國高等學(xué)校物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文

指導(dǎo)教師：王川(1982-)，男，山東臨沂人，北京郵電大學(xué)理學(xué)院副教授，博士，主要研究方向?yàn)榱孔有畔⑴c量子光學(xué)、納米光子學(xué).

基于sol-gel法制備摻鉺微腔激光器及其光學(xué)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(xué) a.信息與通信工程學(xué)院；b.理學(xué)院，北京100876)

摘要：用sol-gel法加工摻鉺微環(huán)芯腔，得到品質(zhì)因數(shù)高、模式體積小、非線性閾值低等優(yōu)良光學(xué)特性的摻鉺微環(huán)芯腔激光器. 在精密三維調(diào)節(jié)-二維監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺上對摻鉺微環(huán)芯腔進(jìn)行光纖錐倏逝場近場耦合實(shí)驗(yàn). 通過對耦合程度和泵浦源激光輸入功率的調(diào)節(jié)，得微環(huán)芯腔的品質(zhì)因數(shù)Q超過107. 當(dāng)泵浦源激光波長為1 444.44 nm時(shí)，微環(huán)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(guān)鍵詞：摻鉺微環(huán)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(xué)微腔已經(jīng)成為光通信的研究熱點(diǎn). 這種光學(xué)微腔作為一種尺寸可與光波長相比擬的光學(xué)諧振腔，使得凝聚態(tài)中的一些量子電動力學(xué)現(xiàn)象得以研究；同時(shí)作為一種低閾值激光微腔，在集成光學(xué)、信息光學(xué)等諸多領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用前景. 光學(xué)諧振腔最早在1899年由Fabry和Perot提出，通過調(diào)節(jié)精細(xì)度因數(shù)來增加有效光程，與弱反射結(jié)構(gòu)相比具有更高的精細(xì)度和更窄的通頻帶[1]. 之后對光學(xué)微腔的研究經(jīng)歷了多環(huán)耦合[2]、分路濾波[3]到1992年Bell實(shí)驗(yàn)室演示成功第一臺半導(dǎo)體微盤激光器，從而發(fā)現(xiàn)了微盤腔在制備單模、低閾值激光器上的潛力. 目前國內(nèi)外有很多小組從事相關(guān)方向的研究，包括美國加州理工學(xué)院的Vahala小組、Kimble小組、Yang小組，佐治亞理工學(xué)院的Chapman小組，國內(nèi)的中科大韓正甫小組，北京大學(xué)的肖云峰小組，等等. 光學(xué)微腔的形狀主要有微球腔、微盤腔、微環(huán)芯腔幾種，具有極高的品質(zhì)因子和較小的模式體積，光學(xué)特性優(yōu)良[4]. 目前這一前沿技術(shù)還在不斷完善與發(fā)展中，主要面臨包括對制備環(huán)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(huán)芯腔

1.1　sol-gel法原理

溶膠凝膠(sol-gel)法是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種制備玻璃、陶瓷等無機(jī)材料的濕化學(xué)法. 該方法以無機(jī)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(jīng)過一系列水解、聚合的化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的溶膠液體系. 溶膠經(jīng)過一定條件下的陳化，形成凝膠. 凝膠再經(jīng)過干燥，脫去結(jié)構(gòu)內(nèi)孔間溶劑成為干凝膠或氣凝膠. 最后，經(jīng)過熱處理即固化焙燒得到所需材料[5]. sol-gel法具有反應(yīng)條件容易實(shí)現(xiàn)、化學(xué)均勻性好(可在分子層面上調(diào)整)、光學(xué)特性好、成品機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn).

1.2　微環(huán)芯腔摻鉺原理

微腔與光纖錐的耦合系統(tǒng)需要盡可能高的品質(zhì)因數(shù)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(zhì)，其增益可以補(bǔ)償固有損耗，從而大大提高耦合系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)[6]. 現(xiàn)大部分工藝使用鑭系元素作為增益介質(zhì)，其中鉺離子4I13/2-4I15/2能級躍遷時(shí)發(fā)出的光波長為1.55 μm左右，正好對應(yīng)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(huán)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(huán)境下攪拌配置好的溶液3 h，使前體充分發(fā)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(jī)旋涂，得到穩(wěn)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(fù)1)~5)步，直到薄膜達(dá)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(jìn)行UV曝光.

9) 用顯影液浸洗硅晶片，撈出后用水清洗，氮?dú)飧稍铮僦糜陲@微鏡下觀察.

10) 加熱硅晶片，用HF進(jìn)行蝕刻. 時(shí)時(shí)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?dú)飧稍锖笾糜陲@微鏡下觀察.

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

13) CO2回流加熱，硅盤融化，形成微型環(huán)芯結(jié)構(gòu)[8].

sol-gel法制備摻鉺微環(huán)芯腔的工藝流程如圖1所示.

圖1　sol-gel法制備摻鉺微環(huán)芯腔工藝流程

2光纖錐倏逝場近場耦合實(shí)驗(yàn)

2.1　光纖錐的制備及耦合機(jī)制

將單模光纖剝?nèi)ブ虚g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(shí)計(jì)算機(jī)控制精密步進(jìn)電機(jī)讓光纖鉗向兩側(cè)拉伸光纖，得到錐腰直徑約為2 μm的光纖錐.

當(dāng)激光以光纖模式在光纖錐的錐腰部分傳輸時(shí)，由于有效折射率的減少使得光纖模式被展寬，部分光擴(kuò)散到空氣中形成光倏逝場. 微腔優(yōu)良光學(xué)特性的展現(xiàn)在于近場耦合激發(fā)光學(xué)微腔的光學(xué)模式. 通過精細(xì)調(diào)節(jié)，當(dāng)光纖錐和微腔的距離在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，不同的位置處將依次出現(xiàn)欠耦合、臨界耦合和過耦合狀態(tài)[9],如圖2所示.Es(t)是回音壁模式場強(qiáng)，Ei和Eo分別為光纖錐的輸入、輸出場強(qiáng)，κ是光纖錐與微腔的耦合系數(shù)，t是耦合前后的透過系數(shù).Qo為光纖內(nèi)部品質(zhì)因子，Qex是光纖錐耦合的品質(zhì)因子.QoQex,Qo=Qex依次對應(yīng)欠耦合、過耦合和臨界耦合狀態(tài)[10]. 光束進(jìn)入微腔后，微腔體固有的模式體積開始對激光進(jìn)行選模，當(dāng)輸入激光和微腔模式出現(xiàn)模式匹配時(shí)，腔體內(nèi)通過不斷全反射實(shí)現(xiàn)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(xué)微腔耦合模型

2.2　摻鉺微環(huán)芯腔與光纖錐倏逝場近場耦合實(shí)驗(yàn)流程

將光纖錐連同支架移動到三維調(diào)節(jié)架上，在光纖錐一側(cè)將微腔放置在精密三維調(diào)節(jié)架上，通過上方和側(cè)向的CCD監(jiān)測耦合位置，并通過精密三維調(diào)節(jié)架粗調(diào)和分度值為0.1 nm的微調(diào)結(jié)合，使位置調(diào)節(jié)準(zhǔn)確，防止移動不當(dāng)對微腔或者光纖錐造成損壞. 微腔同光纖錐耦合時(shí)的CCD照片如圖3所示.

采用數(shù)字信號發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波激勵(lì)激光控制器，掃描前設(shè)置數(shù)字信號發(fā)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(lì)源，利用精密三維調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)耦合程度，使示波器上出現(xiàn)吸收共振峰. 實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示.

(a)光纖錐

(b)光學(xué)微腔

圖4　摻鉺微環(huán)芯腔與光纖錐倏逝場近場耦合實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2.3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

微腔的品質(zhì)因數(shù)Q值表征微腔對通過光纖錐耦合進(jìn)入腔體內(nèi)能量的存儲能力，Q值越高則能量儲存能力越強(qiáng).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(nèi)共振光場頻率，即形成共振峰時(shí)輸出激光的頻率，U表示模式內(nèi)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(shí)驗(yàn)中，為更優(yōu)地計(jì)算Q值，在泵浦源波長為1 534.41 nm條件下(非實(shí)驗(yàn)初設(shè)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(jù)信號發(fā)生器、激光器和示波器的設(shè)置，示波器圖像上橫軸的1個(gè)單位長度對應(yīng)0.08 nm的波長范圍，通過Origin軟件進(jìn)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(jù)式(1)計(jì)算得到制備的微環(huán)芯腔在激發(fā)光源波長為1 534.41 nm時(shí)的品質(zhì)因數(shù)Q為2.860 92×107.

使用光譜儀監(jiān)測輸出激光的強(qiáng)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(dāng)泵浦光源波長為1 444.44 nm，輸入功率為20 mW，對應(yīng)輸出功率為3.00 μW時(shí)，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(dá)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(yīng)使波形為三角波，而不是洛倫茲曲線形狀. 圖7為當(dāng)泵浦光源波長為1 444.44 nm、輸入功率為10.5 mW時(shí)，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(shí)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(shí)輸出激光的能量譜

3結(jié)束語

利用sol-gel法加工摻鉺微環(huán)芯腔，得到具有品質(zhì)因數(shù)高、模式體積小、非線性閾值低等光學(xué)特性優(yōu)良的摻鉺微腔激光器. 在精密三維調(diào)節(jié)-二維監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺上對摻鉺微環(huán)芯腔進(jìn)行光纖錐倏逝場近場耦合實(shí)驗(yàn)，通過對耦合程度和泵浦源激光輸入功率的調(diào)節(jié)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：微環(huán)芯腔的品質(zhì)因數(shù)Q超過107，當(dāng)泵浦源激光波長為1 444.44 nm時(shí)，微環(huán)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(huán)芯腔加工工藝的介紹及對光纖錐與微腔近場耦合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，也為后續(xù)相關(guān)研究提供參考.

參考文獻(xiàn)：

[1]Hernandez G. Fabry-Pérot interferometers [M]. Cambridge: Cambridge University Press, 1986.

[2]Sumetsky M. Vertically-stacked multi-ring resonator OFS laboratories [J]. Optics Express, 2005,13(17):6354-6375.

[3]Ren Hongliang, Jiang Chun, Hu Weisheng， et al. Channel drop filter in two-dimensional triangular lattice photonic crystals [J]. Journal of the Optical Society of America A, 2007,24(10):A7-A11.

[4]鄒長鈴,董春華，崔金明，等. 回音壁模式光學(xué)微腔：基礎(chǔ)與應(yīng)用[J]. 中國科學(xué)(物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)),2012,42(11)：1155-1175.

[5]Brinker C J, Scherer G W. Sol-gel science: the physics and chemistry of sol-gel processing [M]. San Diego: Academic Press, 1990.

[6]Gao Renyuan, Koeppen C, Zheng Guoqi, et al.effects of chromophore dissociation on the optical properties of rrare-earth-doped polymers [J]. Applied Optics 1998,37(30):7100-7106.

[7]Becker P C, Olsson N A, Simpson J R. Erbium-doped fiber amplifiers fundamentals and technology [M]. San Diego: Academic Press, 1999.

[8]Peng Bo, ?zdemir K S, Lei Fuchuan, et al. Parity-time-symmetric whispering-gallery microcavities [J]. Nature Phsics, 2014,10(5):394-398.

[9]Sahni S, Yablonovitch E, Buell D, et al. Optically pumped silicon laser based on evanescent coupling of Si micro-disk to III-V DBR stack [C]//Conference on Lasers and Electro-optics. Optical Society of America, 2006:1-2.

[10]董春華． 回音壁模式微腔量子電動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究[D]． 合肥：中國科技大學(xué)，2011．

[11]Ryu Han-youl, Notomi M. High quality-factorwhispering-gallery mode in the photonic crystal hexagonal disk cavity [J]. Optics Express, 2004,12(8):1708-1719.

[12]Yang Lan. Fabrication and characterization of microlasers by the sol-gel method [D]． Pasadena Califonia: California Institute of Techology, 2005．

[責(zé)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(xiàn)標(biāo)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(xué)信息與通信工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)2013級本科生.

基金項(xiàng)目：北京郵電大學(xué)大學(xué)生研究創(chuàng)新基金資助(No.151)；北京市共建項(xiàng)目資助

收稿日期：2015-11-01；修改日期：2015-12-20