[发明专利]基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件及其制造方法

说明书

本发明公开了一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件及其制造方法，属于光纤器件领域。本器件采用标准单模光纤、空芯光纤和微球形回音壁模式微腔为基本单元，通过熔接机将空芯光纤和标准单模光纤熔接并拉锥形成规则的锥形区域。该反射式器件集成了输入和输出耦合部分，将非常方便嵌入于光纤传感和激光器系统中。在原理上由于细直径导致锥角减小，光场在微纳光纤熔锥与空芯光纤过渡区部分实现较大比例的能量耦合，提升了耦合效率。本发明的新型耦合结构与直通式微纳光纤锥耦合相比，具有耦合简单、机械鲁棒性强等优点。

技术领域

本发明涉及一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件及其制造方法，属于光纤器件和制备领域。

背景技术

光学微腔（以下简称“微腔”）是一种尺寸在微米量级的光学谐振腔，光能量被限制在很小区域内震荡，具有尺寸小、易于集成、功耗低以及品质因子（Q值）高等诸多优点。伴随着新型微纳加工技术的不断发展，微腔已经成为基础光物理研究和光子技术应用的重要载体，在腔量子电动力学、量子光力学、低阈值微型激光器、高灵敏生物传感、高品质滤波器、微型光频梳、非线性光学等领域有着重大和广阔的应用前景，因此微腔已成为光子学领域国际前沿研究主题之一。

微腔主要包括法珀微腔、回音壁模式微腔、微环形微腔、光子晶体微腔等结构形式。回音壁模微腔由于具有超高Q值、较小模式体积等优点，外界环境微小改变就会带来微腔内部光场剧烈变化，可实现各种高灵敏度传感探测，如温度和折射率传感等；而当回音壁模微腔掺入或涂覆有源材料，其自发辐射特性受到局域真空场显著调制，可实现低阈值的激光输出特性。

在回音壁模微腔的理论与实验研究中，如何有效地将光耦合到微腔中是核心关键问题，目前主要方法包括棱镜耦合法、倾角光纤耦合法、微纳光纤熔锥耦合法，均为直通式耦合方案，会导致实际应用中便利程度不高，且棱镜耦合法和倾角光纤耦合法不适合集成，此外微纳光纤熔锥耦合法中的微纳光纤熔锥机械性能较低且容易受外界环境干扰。因此探索一种集成度高、稳定性高、可重复性好的微腔耦合结构一直是微腔研究领域的重要关键问题。

发明内容

为了克服现有技术便利程度不高或者不适合集成等缺点，本发明提出了一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件及其制造方法。具有回音壁模微腔所具备的高Q值特性，空芯光纤耦合所具有的耦合简单和机械鲁棒性高特性，整体器件所实现的探针式结构所具有的监测与应用方便特性。

为达到上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件，包括标准单模光纤、微纳光纤熔锥、空芯光纤、微球型回音壁模式微腔；所述的微纳光纤熔锥是通过把标准单模光纤与空芯光纤熔接并且熔融拉锥制成的，连接于标准单模光纤和空芯光纤之间；所述微球型回音壁模式微腔置于空芯光纤中；所述微纳光纤熔锥提高了标准单模光纤与空芯光纤的耦合强度，所述空芯光纤与微球型回音壁模式微腔的耦合方式提高了回音壁模式耦合器件的集成性，稳定性，重复性。

一种基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件的制造方法，用于制作上述的基于探针式空芯光纤耦合回音壁模微腔器件，操作步骤如下：

1）空芯光纤制备：采用改良化学气相沉积工艺制备与标准单模光纤折射率及尺寸匹配的预制棒，通过拉丝塔拉制空芯光纤，空芯光纤外径为125μm，内径与微球型回音壁模式微腔的微球腔的直径相当；

2）采用光纤熔接机制备微纳光纤熔锥，将标准单模光纤与步骤1）制备的空芯光纤进行熔接，然后继续使用光纤熔接机对熔接部分进行融熔拉锥，得到微纳光纤熔锥；

3）微纳光纤熔锥在显微镜下通过静电吸附合适尺寸的无源微球或有源微球（如铒镱共掺微球），通过精密三维调整架将微球置入空芯光纤内壁，形成微球型回音壁模式微腔。