C波段微型光源研究*

王宝花, 严英占, 郝妮妮, 闫树斌

(①仪器科学与动态测试教育部重点实验室,电子测试技术国家重点实验室,山西 太原 030051;②山东科技大学机械电子工程学院,山东青岛 266510)

0 引言

随着光通信技术的发展,宽波段通讯成为研究热点。1.55μm左右 C波段激光为光纤光传输的最小吸收窗口,而稀土元素铒离子在能级跃迁时发出的光正好对应此波段[1]。因此,在光学微腔[2]研究的背景下进行C波段微光源探索具有重要的应用意义。光学微腔对光的局域是基于回音壁的传播模式(WGM,Whispering Gallery Modes),微腔内部的全内反射使得此类谐振腔具有超高的品质因子 Q、极低的模式体积,因此具有极低的非线性阈值成为宽波段通讯、芯片级光源等领域研究的良好载体。

石英晶体作为光学研究的首选材料,其折射率对于光发射和传输有重要影响[3]。与传统的光纤通讯系统相兼容[4],易于构建大规模的无线传感网络[5-6]。带宽通讯的需要使人们对硅光子晶体学的研究产生了极大的兴趣,Er3+能通过离子注入等半导体工艺注入到SiO2,可以实现互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容成为很好的掺杂物。

目前研究的稀土掺杂光学微球腔[7-8]多以 SiO2材料为主,结合离子注入工艺,用热熔融法、喷枪火焰法等加工手段制备而得,具有优越的光学特性。应用二氧化碳熔融掺铒光纤的方法制备了掺铒微球腔[9-10]并以此为载体研究了其荧光光谱特性,得到了经过微腔调制的锐利加强谱线,为进一步深入研究微腔掺杂微光源奠定基础。

1 掺铒谐振腔制备

为了制造尺寸均匀、表面光滑的微球腔,特利用高功率CO2激光器：美国相干(COHERENT)公司,波长 10.6μm为制备热源。通过对拉锥后的掺铒光纤顶尖部进行热处理加工而成。激光输出光斑直径为 10 mm,光纤锥区直径大约在1～20μm,所以在光输出时采用汇聚镜片将光斑聚焦。掺铒微球腔是由MP980裸掺铒光纤除去光纤涂覆层,经 CO2激光器(10.6μm)烧至熔融状态通过自身的表面张力形成的。制备应用加工光路如图 1所示。

图 1 掺铒谐振腔加工光路示意

2 掺铒谐振腔荧光检测

实验中采用 980nm激发光,泵浦光打在掺铒微球腔上,与饵离子发生作用,基态粒子吸收能量后,跃迁到激发态。由于激发态不稳定,级跃迁到基态态或亚稳态,此时发出一定波长的光。通常通过测出该荧光的波长,即可以识别所测物质的元素和成份。实验中采用90度法,即泵浦光照射方向与探测方向垂直的方法以减小泵浦光的干扰,系统图如图 2所示。

图 2 荧光测试原理

实验中选用卓立汉光 SBP500光谱仪,扫描精度可达0.01 nm,铟镓砷探测器接收光谱仪采集到的信号,信号经前置放大器后接入数据采集系统,PC机对信号进行分析。图3为采集的微球多模式的共振形貌曲线。由于微球腔的模式比较复杂,很难测到单一模式的共振谱线,经过微球腔调制的荧光谱线。980nm激光使铒离子从4I11/2能级跃迁到4I15/2发出 1.55μm左右的光,由于铒离子对 980的吸收截面较小,需要的泵浦光功率要大。

图 3 掺铒微球多模式共振曲线

精确调节微球的位置,使掺铒微球只有单一模式的激发光。得到微球单一模式的共振形貌曲线。如图 4所示,其它模式的光得到了很好的抑制。

图 4 掺铒微球腔单一模式共振荧光谱线

3 结语

掺铒离子微球腔的品质因子满足下面关系式：

Q=2◦π◦ n/N0◦ Γ◦ σa◦ λ。

n=1.5为微球腔的折射率,N0=5.4x1020/cm2铒离子浓度,σa=4× 10-22cm2在 1 450 nm吸收系数,假定 Γ为0.066,计算的铒离子吸收相关的 Q值为 4.4 x 108。

FSR=λ2/2◦ π◦ R◦ neff,

其中 λ=1 546.3 nm,R=21μm,neff=1.5,理论上计算的值为 12.09 nm,与实验测得结果基本吻合,误差在实验允许范围之内。

结合光学微腔及稀土离子特性研究了掺铒微球腔的荧光光谱,实验结果由单一波长泵浦光 980 nm得到了 1550 nm为中心的多条共振谱线,拓宽了光谱范围,得到锐利的透射谱线,为制备单色性好的通讯波段光源提供了一条新的途径,使谐振腔的Q值得到提高,为进一步开展其他掺铒光学微腔的研究奠定了基础。

[1]苏福根,金红莉.光纤通信中的 MEMS外腔可调谐激光器技术[J].通信技术,2009,42(07)：40-41.

[2]PATRICE FERON,CAROLE ARNAUD,MOHAMED BOUSTIMI,et al.Optical Feedback on Whispering Gallery Mode Laser：Wavelength Shiftsin Erbium Doped Micro-Spherical Laser[J].Proc.of SPIE,2004(5451)：201-209.

[3]刘建霞,张昕明,叶红安.石英晶体旋光折射率特性研究[J].通信技术,2010,43(01)：198-199.

[4]刘志超,朱军,袁中保.光信号传输特性的仿真分析[J].通信技术,2010,43(03)：45-46.

[5]宁永海,沈森,阮文辉.无线数据传输在监控系统中的应用[J].通信技术,2010,43(01)：102-104.

[6]刘玉贵,刘云.全光网通信的实现[J].通信技术,2008,41(10)：174-176.

[7]CAI M,PAINTER O,VAHALAK J.Observation of Critical Coupling in a Fiber Taper to a Silica-Microsphere Whispering-Gallery Mode System[J].Phys.Rev.Lett.,2000,85(01)：74-77.

[8]PHAMVAN HOI,BUI VAN THIEN,HA XUAN VINH.High QFactor Micro-Cavity Laser：Fabrication and Lasing Emission Properties[J].Journal of Physics：Conference Series 187,2009,(12)：1-7.

[9]BRAGINSKY V B,GORODETSKY ML.ILCHENKO V S.Quality-Factor and Nonlinear Properties of Optical Whispering-Gallery Modes[J].Phys.Lett.A,1989(137)：393-397.

[10]KALKMAN J,POLMAN A,KIPPENBERG T J,et.al,Erbium-Implanted Silica Microsphere Laser[J].Nucl.Instr.and Meth.in Phys.Res.B,2006(242)：182-185.