超高品質因子晶體諧振腔制備及棱鏡耦合封裝

邢恩博， 李江龍， 戎佳敏， 唐 軍， 劉 俊

(中北大學 儀器與電子學院， 山西 太原 030051)

0 引 言

具有超高品質因子(Q)的回音壁模式(WGM)的光學諧振腔， 能有效提升腔內光子循環次數， 增加光子壽命， 因此極大地增強了光與物質的相互作用， 同時兼具了微小型化集成能力， 是當前最具潛力的高精度傳感、 非線性相互作用、 光電子器件等領域的研究平臺之一[1-3]. 截止到目前， 基于高Q值的WGM諧振腔已經開發了諸多應用， 在高精度傳感測量方面， 包括高速測量、 距離測量、 角速度測量和弱磁測量等， 在光學非線性相互作用方面， 開發了倍頻、 四波混頻和光學參量振蕩等， 在光電器件研究方面， 報道了自注入超窄線寬激光器、 拉曼激光器、 布里淵激光器和光學頻率梳等光電子器件[4-7].

相比于半導體集成電路工藝制備的硅基片上諧振腔[8]、 熔融法獲得的二氧化硅球型諧振腔[9]和利用表面張力實現的聚合物諧振腔[10]， 通過機械切削結合納米量級物理精細拋光獲得的氟化鈣、 氟化鎂晶體諧振腔具有更高的Q值. 從材料的角度， 晶體材料內部缺陷少、 光學透過率高且透明窗口大、 抗氫氧根能力使其不易受水蒸氣影響， 是當前超高Q值回音壁光學諧振腔的理想材料之一； 從制造工藝能力上， 機械切削結合納米尺度的物理拋光能夠明顯降低表面粗糙度， 從而抑制表面缺陷和散射顆粒等引入的光學散射損耗. 因此， 氟化鈣諧振腔的理論Q值可以超過1014， 而實驗Q值超過了1011， 保持了當……