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1、第36卷第10期光子学报Vol.36No.102007年10月ACTAPHOTONICASINICAOctober2007*相位匹配下锥形光纤激发出的回廊模谐振aab,**林国平,张磊,蔡志平(厦门大学a物理系;b电子工程系,福建厦门361005)摘要:分别计算不同直径下锥形光纤基模和玻璃微球谐振腔内最低阶径向回廊模的传播常量,利用相位匹配条件,作出了锥形光纤与石英玻璃微球腔的直径对应关系曲线.在此基础上,选择锥腰直径2.8m左右的低损耗锥形光纤与直径143.1m球形度很好的玻璃微球腔进行近场耦合以激发球内的最低阶径向回廊模谐振
2、,在锥形光纤的两端进行通光测试,在输出端获得了等间距分布的窄线宽滤波谱线,其吸收峰位置与利用Mie理论计算的球内最低阶径向回廊模谐振峰位置相一致.关键词:锥形光纤;玻璃微球;回廊模;谐振腔中图分类号:O443;TN248文献标识码:A文章编号:10044213(2007)101781340引言24pm,相应球内回廊模的Q值为610.1理论计算和分析近年来,基于回廊模谐振的光学微腔的研究受到了日益广泛的关注.其中,利用熔烧光纤端面而成微球介质谐振腔内的回廊模谐振通常可以用的玻璃微球谐振腔具有很高的品质因数(可达n,l,m,p四个量子数来表
3、示,其中n,l,m分别代表10[1]10)和极小的模式体积,其在腔量子电动力学、径向量子数、传播方向上的角量子数、赤道面上的投非线性光学、低阈值激光器、光通讯、光学传感等方影量子数,而p则用来标志TE和TM偏振模.理想面有很好的应用,目前国外已有很多相关的应用报的微球谐振腔中,每个(n,l,m)模都是2l+1简并[2][3]告,例如,折射率探测、低阈值微球激光器、新型的,即只需n,l两个量子数就可以标志各个回廊模.[4]的光开关技术等,国内也有相关的理论与实验的由于(n=1,m=l)模式最贴近微球的表面和赤道[57]报告.所谓回廊模就是指耦合进入微球内的光波面,
4、该模式具有极小的模式体积,因此我们选择性地在微腔内表面不断进行全反射,从而被约束在球内去激发微球腔内最低阶(n=1,m=l)的TE模谐振,并绕子午线运行.绕行的光波满足一定相位匹配条这就需要锥形光纤基模的传播常量与微球腔内n=件时,可以相互叠加增强.而在球外的光场为近场,1的回廊模传播常量相匹配.关于微球内(n=1,即局限于球表面附近的倏逝波.它是一种非传播波,[10]m=l)回廊模式的传播常量可用下式计算光场的振幅在矢径方向指数下降,因此从球内透出sphere=kl/xnl(1)到球外的平均能流为零.这就使回廊模模式下的微式中xnl表示介质微球中的尺寸参量,根
5、据MIE散球具有极高的品质因素和极小的模式体积.通过近[12]射理论,尺寸参量满足下式场耦合方式可以有效地激发腔内回廊模谐振,目前-1/31/3p3-2/3[8]mxn,l=v+2lv-21/2+102使用的耦合器件主要有棱镜耦合器、锥形光纤耦(m-1)[910][11]2-1/3p(m2-2p2/3)合器、斜抛光纤耦合,在已通过实验证实有效2-1/3-2/3-1lv-23/2lv+o(v)(2)(m-1)的近场耦合器中,锥形光纤耦合器具有较多的优[9]mTEmodes点.其中p=1本文采用了由标准通信光纤火焰法拉制的低损TMmodes
6、m耗锥形光纤做耦合器件,为有效激发微球腔内最低l为Airy函数Ai(-z)的第l个根,m为微球的折阶径向的回廊模谐振,计算了不同直径锥形光纤与1玻璃球微腔的匹配对应关系,从而挑选了锥腰直径射率.v=l+2,a为微球的半径.本文中折射率m2.8m的锥形光纤与直径143.1m的微球腔进行取1.4629,径向量n取1,计算了不同微球直径在耦合实验,成功地激发了微球谐振腔内最低阶径向1550nm波长附近低阶径向回廊模的传播常量.回廊模的谐振,其耦合效率达到67%,线宽达到关于锥形光纤传播常量的计算,早在1997年,*J.C.Knight等人在文献[10]中直接利用一个
7、近似国家自然科学基金(69878023,60277026)资助**Tel:0592-2580141Email:zpcai@xmu.edu.cn式计算了锥形光纤基模传播常量,本文利用作图法收稿日期:20060628直接求解弱波导近似后的光纤传输特征方程,得到1782光子学报36卷了锥形光纤基模的传播常量.弱导近似后光纤传输特征方程为J1(U)K1(W)U=W(3)J0(U)K0(W)22222式中U=akncl-taper、W=ataper-k,a为锥腰直径,taper为锥形光纤基模传播常量.根据计算出的直径与传播常量的数据关系,利图3锥形光纤与玻璃
8、微球耦合系
