基于sol-gel法制备掺铒微腔激光器及其光学特性
2016-02-25 05:19蔡佳芮潘子文于智薇王四海
物理实验 2016年1期
蔡佳芮，潘子文，于智薇，王四海，王 川
(北京邮电大学 a.信息与通信工程学院；b.理学院，北京100876)
“第12届全国高等学校物理演示实验教学研讨会”论文
指导教师：王川(1982-)，男，山东临沂人，北京邮电大学理学院副教授，博士，主要研究方向为量子信息与量子光学、纳米光子学.
基于sol-gel法制备掺铒微腔激光器及其光学特性
蔡佳芮a，潘子文a，于智薇a，王四海b，王川b
(北京邮电大学 a.信息与通信工程学院；b.理学院，北京100876)
摘要：用sol-gel法加工掺铒微环芯腔，得到品质因数高、模式体积小、非线性阈值低等优良光学特性的掺铒微环芯腔激光器. 在精密三维调节-二维监控实验平台上对掺铒微环芯腔进行光纤锥倏逝场近场耦合实验. 通过对耦合程度和泵浦源激光输入功率的调节，得微环芯腔的品质因数Q超过107. 当泵浦源激光波长为1 444.44 nm时，微环芯腔输出波长为1 450.54 nm的激光，最大输出功率为3.00 μW，泵浦源输入功率的最低阈值为10.5 mW.
关键词：掺铒微环芯腔；回音壁模式；sol-gel；近场耦合
近几年，基于回音壁模式(Whispering gallery mode, WGM)的光学微腔已经成为光通信的研究热点. 这种光学微腔作为一种尺寸可与光波长相比拟的光学谐振腔，使得凝聚态中的一些量子电动力学现象得以研究；同时作为一种低阈值激光微腔，在集成光学、信息光学等诸多领域中有很好的应用前景. 光学谐振腔最早在1899年由Fabry和Perot提出，通过调节精细度因数来增加有效光程，与弱反射结构相比具有更高的精细度和更窄的通频带[1]. 之后对光学微腔的研究经历了多环耦合[2]、分路滤波[3]到1992年Bell实验室演示成功第一台半导体微盘激光器，从而发现了微盘腔在制备单模、低阈值激光器上的潜力. 目前国内外有很多小组从事相关方向的研究，包括美国加州理工学院的Vahala小组、Kimble小组、Yang小组，佐治亚理工学院的Chapman小组，国内的中科大韩正甫小组，北京大学的肖云峰小组，等等. 光学微腔的形状主要有微球腔、微盘腔、微环芯腔几种，具有极高的品质因子和较小的模式体积，光学特性优良[4]. 目前这一前沿技术还在不断完善与发展中，主要面临包括对制备环境要求过高、成本过高以及制备成功率低、方法有待完善等困难.
1sol-gel法制备掺铒微环芯腔
1.1 sol-gel法原理
溶胶凝胶(sol-gel)法是20世纪60年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的湿化学法. 该方法以无机金属盐或金属氧化物作为前体,在液相下均匀混合的前体悬浮液经过一系列水解、聚合的化学反应，形成稳定的溶胶液体系. 溶胶经过一定条件下的陈化，形成凝胶. 凝胶再经过干燥，脱去结构内孔间溶剂成为干凝胶或气凝胶. 最后，经过热处理即固化焙烧得到所需材料[5]. sol-gel法具有反应条件容易实现、化学均匀性好(可在分子层面上调整)、光学特性好、成品机械强度高等优点.
1.2 微环芯腔掺铒原理
微腔与光纤锥的耦合系统需要尽可能高的品质因数Q，但由于辐射、散射、材料吸收以及耦合等原因造成的固有损耗不可避免地使Q值受到一定的限制. 在微腔中掺入激活介质，其增益可以补偿固有损耗，从而大大提高耦合系统的品质因数[6]. 现大部分工艺使用镧系元素作为增益介质，其中铒离子4I13/2-4I15/2能级跃迁时发出的光波长为1.55 μm左右，正好对应通讯C波段为光纤的最小吸收窗口[7]，所以掺铒激光器和光放大器得到极大重视.
1.3 sol-gel法制备微环芯腔的工艺流程
1) 配置sol-gel溶液：将正硅酸乙酯(TEOS)、异丙醇(IPA)、ErNO3溶液、盐酸按以下比重混合0.6∶6.5∶0.7∶6.1.
2) 搅拌：在70 ℃环境下搅拌配置好的溶液3 h，使前体充分发生水解和聚合.
3) 陈化：在室温下溶液陈化24 h.
4) 旋涂覆膜:将陈化后的溶液滴在有二氧化硅层的硅晶片上，将硅晶片放入甩胶机旋涂，得到稳定的薄膜.
5) 热处理：在1 000 ℃条件下加热硅片3 h，得到掺铒硅晶体.
6) 重复1)~5)步，直到薄膜达到一定厚度.
7) 用光刻胶(PR)旋涂上述掺铒硅晶片.
8) 加热硅晶片，然后用光刻板遮挡进行UV曝光.
9) 用显影液浸洗硅晶片，捞出后用水清洗，氮气干燥，再置于显微镜下观察.
10) 加热硅晶片，用HF进行蚀刻. 时时观察硅片表面变化，疏水后立即捞出硅片.
11) 依次用丙酮-酒精-水冲洗硅晶片，再用氮气干燥后置于显微镜下观察.
12) 硅晶片沿晶格方向切片后用XeF2进行蚀刻(XeF2各向同性地腐蚀硅)，形成硅盘结构.
13) CO2回流加热，硅盘融化，形成微型环芯结构[8].
sol-gel法制备掺铒微环芯腔的工艺流程如图1所示.
图1 sol-gel法制备掺铒微环芯腔工艺流程
2光纤锥倏逝场近场耦合实验
2.1 光纤锥的制备及耦合机制
将单模光纤剥去中间一段光纤皮后拉直并在光纤钳上夹紧，用高温氢焰灼烧光纤，同时计算机控制精密步进电机让光纤钳向两侧拉伸光纤，得到锥腰直径约为2 μm的光纤锥.
当激光以光纤模式在光纤锥的锥腰部分传输时，由于有效折射率的减少使得光纤模式被展宽，部分光扩散到空气中形成光倏逝场. 微腔优良光学特性的展现在于近场耦合激发光学微腔的光学模式. 通过精细调节，当光纤锥和微腔的距离在一定范围内变化时，不同的位置处将依次出现欠耦合、临界耦合和过耦合状态[9],如图2所示.Es(t)是回音壁模式场强，Ei和Eo分别为光纤锥的输入、输出场强，κ是光纤锥与微腔的耦合系数，t是耦合前后的透过系数.Qo为光纤内部品质因子，Qex是光纤锥耦合的品质因子.Qo
图2 光纤锥与光学微腔耦合模型
2.2 掺铒微环芯腔与光纤锥倏逝场近场耦合实验流程
将光纤锥连同支架移动到三维调节架上，在光纤锥一侧将微腔放置在精密三维调节架上，通过上方和侧向的CCD监测耦合位置，并通过精密三维调节架粗调和分度值为0.1 nm的微调结合，使位置调节准确，防止移动不当对微腔或者光纤锥造成损坏. 微腔同光纤锥耦合时的CCD照片如图3所示.
采用数字信号发生器产生锯齿波激励激光控制器，扫描前设置数字信号发生器的参量为：频率60 Hz，相位0，幅值1.5Vpp，偏置：0 V， 选用额定波长为1 460 nm的激光源作为激励源，利用精密三维调节架调节耦合程度，使示波器上出现吸收共振峰. 实验装置如图4所示.
(a)光纤锥
(b)光学微腔
图4 掺铒微环芯腔与光纤锥倏逝场近场耦合实验装置示意图
2.3 实验结果分析
微腔的品质因数Q值表征微腔对通过光纤锥耦合进入腔体内能量的存储能力，Q值越高则能量储存能力越强.Q值定义为存储能量和耗散能量的比值：
(1)
其中，ω0表示微腔内共振光场频率，即形成共振峰时输出激光的频率，U表示模式内存储的能量，W表示模式的能量耗散率，Δω表示微腔谱线的半峰全宽. 本实验中，为更优地计算Q值，在泵浦源波长为1 534.41 nm条件下(非实验初设条件中的1 460 nm光源)，示波器上得到的共振吸收曲线如图5所示[12].
图5 示波器上得到的共振吸收曲线
根据信号发生器、激光器和示波器的设置，示波器图像上横轴的1个单位长度对应0.08 nm的波长范围，通过Origin软件进行洛伦兹曲线拟合，得到曲线的半峰全宽为6.704 18×10-4ms，即5.363 34×10-5nm. 根据式(1)计算得到制备的微环芯腔在激发光源波长为1 534.41 nm时的品质因数Q为2.860 92×107.
使用光谱仪监测输出激光的强度，并通过改变泵浦光源的功率，探究输出激光的最大功率和需要泵浦光源功率的最低阈值. 图6所示为当泵浦光源波长为1 444.44 nm，输入功率为20 mW，对应输出功率为3.00 μW时，激光器输出波长为1 547.75 nm的激光，功率为0.87 μW，约为前者的1/3，输出性能达到最佳. 插入小图为在泵浦源波长为1 439.98 nm条件下，示波器上得到的共振下吸收曲线. 高功率引起的热效应使波形为三角波，而不是洛伦兹曲线形状. 图7为当泵浦光源波长为1 444.44 nm、输入功率为10.5 mW时，激光器输出波长为1 540.54 nm的激光，功率为0.052 9 μW，再降低输入功率，光谱仪未检测到微腔的输出激光的功率谱线，所以10.5 mW是泵浦源输入功率的最低阈值.
图6 泵浦光源波长为1 444.44 nm、输入功率为20 mW时输出激光的能量谱
图7 泵浦光源波长为1 444.44 nm、输入功率为10.5 mW时输出激光的能量谱
3结束语
利用sol-gel法加工掺铒微环芯腔，得到具有品质因数高、模式体积小、非线性阈值低等光学特性优良的掺铒微腔激光器. 在精密三维调节-二维监控实验平台上对掺铒微环芯腔进行光纤锥倏逝场近场耦合实验，通过对耦合程度和泵浦源激光输入功率的调节，得到的实验结果显示：微环芯腔的品质因数Q超过107，当泵浦源激光波长为1 444.44 nm时，微环芯腔输出激光波长为1 450.54 nm，最大输出功率为3.00 μW，泵浦源输入功率的最低阈值为10.5 mW. 本文对掺铒微环芯腔加工工艺的介绍及对光纤锥与微腔近场耦合实验结果的分析，也为后续相关研究提供参考.
参考文献：
[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]邹长铃,董春华，崔金明，等. 回音壁模式光学微腔：基础与应用[J]. 中国科学(物理学 力学 天文学),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, Özdemir 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]董春华． 回音壁模式微腔量子电动力学的实验研究[D]． 合肥：中国科技大学，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．
[责任编辑：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
中图分类号：TN629.1
文献标识码：A
文章编号：1005-4642(2016)01-0001-05
作者简介：蔡佳芮(1996-)，女，广东佛山人，北京邮电大学信息与通信工程学院电子信息工程专业2013级本科生.
基金项目：北京邮电大学大学生研究创新基金资助(No.151)；北京市共建项目资助
收稿日期：2015-11-01；修改日期：2015-12-20
