回音壁微腔调谐装置及方法与流程

本发明涉及微纳光学器件领域，尤其涉及一种回音壁微腔调谐装置及方法。

背景技术：

回音壁微腔通过连续全反射将特定波长的光限制在谐振腔内部传输，其品质因子可达10¹⁰。超高的品质因子在回音壁微腔的光谱上表现为超窄带宽的通带或阻带。另外，回音壁微腔可将谐振波长的模场限制在超小的体积内，即回音壁微腔的模式体积超小但能量密度超高。基于以上特点，回音壁微腔已经应用在超低阈值非线性光学，激光器以及超高灵敏度传感等领域。

为了最大化回音壁微腔的谐振效应，输入激光器的波长应与回音壁微腔的谐振波长匹配。另外，外界温度变化也会导致回音壁微腔的谐振波长发生漂移。因此，需要主动调谐回音壁微腔匹配输入激光器波长。

目前，实现回音壁微腔的调谐技术主要包括化学腐蚀、机械应力、电场、气压以及热调谐等方法。化学腐蚀方法通过改变回音壁微腔本身的尺寸调谐回音壁微腔的谐振波长，但化学腐蚀法易破坏回音壁微腔表面的光滑度，从而降低其品质因子。除此之外，化学腐蚀法调谐回音壁微腔谐振波长的过程不可逆。通过对回音壁微腔施加机械应力改变回音壁微腔本身的形状可调谐其谐振波长，但整个调谐系统的体积庞大。电场调谐法只对某些电光系数较大的回音壁微腔有效，例如铌酸锂晶体等。气压调谐法仅适用于壁超薄的气泡型回音壁微腔。热效应可调谐各种结构回音壁微腔而且过程可逆，其热源可来自金属电极、激光热回流等。在金属电极调谐回音壁微腔时需要考虑金属对光的吸收效应，因此，金属电极与回音壁微腔之间通常用额外的材料隔开，例如二氧化硅。激光热回流采用额外的激光器照射回音壁微腔产生热量从而调谐回音壁微腔的谐振波长，调谐成本较高，并且回音壁微腔与激发回音壁微腔的波导是分离的，两者之间的间距在调谐过程中易发生改变，即回音壁微腔的品质因子发生改变，从而导致调谐准确度较低。

技术实现要素：

本发明提供一种回音壁微腔调谐装置及方法，以解决目前热调谐方法成本较高、准确度较低的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种回音壁微腔调谐装置，包括光纤，在所述光纤的包层中开设位于纤芯一侧的回音壁微腔，在所述回音壁微腔的腔口处铺设有石墨烯，所述石墨烯与电极连接，所述电极向所述石墨烯施加电压，以对所述回音壁微腔进行调谐。

在一种可选的实现方式中，所述电极向所述石墨烯施加电压后，所述石墨烯将其产生的热量传递给所述回音壁微腔，基于热光效应对所述回音壁模式的有效折射率进行调节，并基于热膨胀效应对所述回音壁微腔的尺寸进行调节，从而对所述回音壁微腔的谐振波长进行调节。

在另一种可选的实现方式中，在所述光纤的包层中开设有底面与所述纤芯平行的结构，在所述底面上开设有垂直于所述底面并位于所述纤芯一侧的回音壁微腔，所述石墨烯铺设在所述底面上。

在另一种可选的实现方式中，所述光纤固定在基板的凹槽内，以使所述底面与所述基板的上表面处于同一水平面，所述石墨烯铺设在所述底面和所述基板的上表面上。

在另一种可选的实现方式中，所述纤芯位于所述回音壁微腔腔体底端的侧上方，所述纤芯与所述回音壁微腔相对侧之间的距离小于1微米且大于0。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种采用上述回音壁微腔调谐装置来进行调谐的方法，包括：

检测出回音壁微腔的谐振波长；

根据所述谐振波长、目标波长与电压之间的对应关系，对施加在石墨烯上的电压进行调节，从而对所述回音壁微腔进行调谐。

在一种可选的实现方式中，所述方法还包括：建立谐振波长、目标波长与电压之间的对应关系。

在另一种可选的实现方式中，所述建立谐振波长、目标波长与电压之间的对应关系包括：

检测出回音壁微腔的谐振波长；

向光纤提供波长等于目标波长的信号；

对施加在石墨烯上的电压进行调节；

检测回音壁微腔是否发生谐振；

若发生谐振，则将当前施加在石墨烯上的电压与当前检测出的谐振波长、目标波长相对应。

在另一种可选的实现方式中，所述检测出回音壁微腔的谐振波长包括：

向光纤提供不同波长的信号；

检测回音壁微腔是否发生谐振；

若发生谐振，则将当前向所述光纤提供的信号的波长作为所述回音壁微腔的谐振波长。

本发明的有益效果是：

1、本发明将回音壁微腔集成在光纤中并由光纤纤芯作为激发回音壁微腔的波导，结构紧凑稳定，在调谐过程中回音壁微腔与激发回音壁微腔的波导的间距变化很小，因此对回音壁微腔的品质因子影响小，从而可以提高回音壁微腔的调谐准确度；另外，本发明将石墨烯铺设在回音壁微腔的腔口处，并对施加在石墨烯上的电压进行调节，从而实现回音壁微腔调谐，由于本发明在调谐过程中只需要采用输入激光器，不必增加额外的激光器，因此调谐成本较低，由于石墨烯的热导率极高，可达5300W/(m﹒K)，其产生的热量可迅速传递至回音壁微腔，因此可以提高调谐效率；

2、本发明通过首先在光纤的包层中开设底面与纤芯平行的结构，然后在底面开设垂直于底面并位于纤芯一侧的回音壁微腔，可以使回音壁微腔的腔口与纤芯平行，且腔体与纤芯垂直，由此可以进一步提高调谐准确度；另外，本发明通过首先在光纤的包层中开设底面与纤芯平行的结构，然后将石墨烯铺设在底面上，可以降低调谐过程中石墨烯铺设的工艺要求；

3、本发明通过将光纤固定在基板凹槽中，可以使调谐装置的结构更加紧凑稳定，并且可以使石墨烯的铺设更加容易，由此可以进一步降低调谐过程中石墨烯铺设的工艺要求；此外，本发明通过将底面与基板的上表面处于同一水平面上，并使石墨烯铺设在底面和基板的上表面上，可以避免石墨烯在调谐过程中出现断裂，并且可以保证调谐效率；

4、本发明通过使纤芯位于回音壁微腔腔体底端的侧上方，可以保证纤芯传递过来的信号准确地对回音壁微腔的谐振产生影响，从而可以提高调谐的准确度；

5、本发明根据回音壁微腔的谐振波长、目标波长与电压之间的对应关系，对施加在石墨烯上的电压进行调节，从而对所述回音壁微腔进行调谐，调谐方法简单且调谐准确度较高。

附图说明

图1是本发明回音壁微腔调谐装置的一个实施例俯视图；

图2是图1中沿线A-A的剖视图；

图3是本发明回音壁微腔调谐方法的一个实施例流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

参见图1，为本发明回音壁微腔调谐装置的一个实施例俯视图。结合图2所示，该回音壁微腔调谐装置可以包括光纤110，在所述光纤110的包层112中开设位于纤芯111一侧的回音壁微腔120，在所述回音壁微腔120的腔口处铺设有石墨烯130，所述石墨烯130与电极连接，所述电极向所述石墨烯130施加电压，以对所述回音壁微腔120进行调谐。其中，电极向石墨烯130施加电压后，所述石墨烯130将其产生的热量传递给所述回音壁微腔120，基于热光效应对所述回音壁微腔120的有效折射率进行调节，并基于热膨胀效应对所述回音壁微腔120的尺寸进行调节，从而对所述回音壁微腔120的谐振波长进行调节。

本实施例中，在对回音壁微腔120进行调谐时，可以预先建立谐振波长、目标波长和电压的对应关系。在建立谐振波长、目标波长与电压之间的对应关系时，可以首先检测出回音壁微腔的谐振波长；向光纤提供波长等于目标波长的信号；对施加在石墨烯上的电压进行调节；检测回音壁微腔是否发生谐振；若发生谐振，则将当前施加在石墨烯上的电压与当前检测出的谐振波长、目标波长相对应。其中，在检测回音壁微腔的谐振波长时，可以首先使光源发生器(诸如输入激光器)向光纤提供不同波长的信号，然后检测回音壁微腔是否发生谐振，若发生谐振，则将当前向光纤提供的信号的波长作为所述回音壁微腔的谐振波长。由于本领域技术人员可以采用现有的手段来检测回音壁微腔120是否发生谐振，因而在此不再对具体的检测手段予以赘述。

在建立谐振波长、目标波长和电压的对应关系后，可以首先按照上述相同的方式检测出回音壁微腔的谐振波长，然后根据谐振波长、目标波长与电压之间的对应关系，对施加在石墨烯上的电压进行调节，石墨烯130在接收到电压后会产生热量，该热量被直接传递给回音壁微腔120。至此，基于热光效应回音壁微腔120的有效折射率会发生变化，基于热膨胀效应回音壁微腔120的尺寸(诸如微盘腔回音壁120的半径)会发生变化。由于随着回音壁微腔120的有效折射率和尺寸发生变化，回音壁微腔120的谐振波长也将发生漂移，因此本发明可以通过对施加在石墨烯上的电压进行调节，来实现回音壁微腔120的调谐。

由上述实施例可见，本发明将回音壁微腔集成在光纤中并由光纤纤芯作为激发回音壁微腔的波导，结构紧凑稳定，在调谐过程中回音壁微腔与激发回音壁微腔的波导的间距变化很小，因此对回音壁微腔的品质因子影响小，从而可以提高回音壁微腔的调谐准确度；另外，本发明将石墨烯铺设在回音壁微腔的腔口处，并对施加在石墨烯上的电压进行调节，从而实现回音壁微腔调谐，由于本发明在调谐过程中只需要采用输入激光器，不必增加额外的激光器，因此调谐成本较低，由于石墨烯的热导率极高，可达5300W/(m﹒K)，其产生的热量可迅速传递至回音壁微腔，因此可以提高调谐效率。

结合图1和图2所示，在光纤110的包层112中开设有底面141与纤芯111平行的结构，在底面141上开设有垂直于底面141并位于纤芯111一侧的回音壁微腔120，石墨烯130铺设在底面141上。本实施例中，在光纤上制作回音壁微腔时，可以首先采用侧边抛磨技术将光纤110中包层112抛磨成一面141与纤芯111平行的D型结构，然后采用微纳加工技术在D型结构的该面141上制作垂直于该面141并位于纤芯111一侧的回音壁微腔120，将石墨烯130铺设在底面141上。本发明通过首先在光纤的包层中开设底面与纤芯平行的结构，然后在底面开设垂直于底面并位于纤芯一侧的回音壁微腔，可以使回音壁微腔的腔口与纤芯平行，且腔体与纤芯垂直，由此可以进一步提高调谐准确度；另外，由于回音壁微腔的腔口设置在底面上，而底面的面积大于腔口的面积，因此相比于直接在腔口上铺设石墨烯，在底面上铺设石墨烯的工艺要求更低，也就是说本发明通过首先在光纤的包层中开设底面与纤芯平行的结构，然后将石墨烯铺设在底面上，可以降低调谐过程中石墨烯铺设的工艺要求。

另外，所述光纤110固定在基板150的凹槽内，以使所述底面141与所述基板150的上表面处于同一水平面，所述石墨烯130铺设在所述底面141和所述基板150的上表面上。本实施例中，在将光纤固定在基板上时，可以首先采用微加工技术在石英基板150上制作凹槽，并使凹槽的深度等于底面141与其相对侧包层之间的距离，然后将光纤110固定至石英基板150的凹槽内，这样底面141与石英基板150的上表面将处于同一水平面。本发明通过将光纤固定在基板凹槽中，可以使调谐装置的结构更加紧凑稳定，并且可以使石墨烯的铺设更加容易，由此可以进一步降低调谐过程中石墨烯铺设的工艺要求。此外，经研究发现，当石墨烯铺设存在落差时，在调谐过程中石墨烯很容易出现断裂，且石墨烯传递给回音壁微腔的热量减少(即调谐效率降低)，因此本发明通过将底面与基板的上表面处于同一水平面上，并使石墨烯铺设在底面和基板的上表面上，可以避免石墨烯在调谐过程中出现断裂，并且可以保证调谐效率。此外，所述纤芯111位于所述回音壁微腔120腔体底端的侧上方且所述纤芯111与所述回音壁微腔120相对侧之间的距离为小于1微米且大于0，由此纤芯111传递过来的信号可以准确地对回音壁微腔的谐振产生影响，从而可以提高调谐的准确度。

参见图3，为本发明回音壁微腔调谐方法的一个实施例流程图。该回音壁微腔调谐方法可以采用上述回音壁微腔调谐装置来进行调谐，其可以包括以下步骤：

步骤S301、检测出回音壁微腔的谐振波长。

本实施例中，在检测回音壁微腔的谐振波长时，可以向光纤提供不同波长的信号，检测回音壁微腔是否发生谐振，若发生谐振，则将当前向光纤提供的信号的波长作为所述回音壁微腔的谐振波长。

步骤S302、根据所述谐振波长、目标波长与电压之间的对应关系，对施加在石墨烯上的电压进行调节，从而对所述回音壁微腔进行调谐。

本实施例中，在根据谐振波长、目标波长与电压之间的对应关系，对施加在石墨烯上的电压进行调节之前，可以预先建立谐振波长、目标波长与电压之间的对应关系。在建立谐振波长、目标波长与电压之间的对应关系时，可以首先检测出回音壁微腔的谐振波长；向光纤提供波长等于目标波长的信号；对施加在石墨烯上的电压进行调节；检测回音壁微腔是否发生谐振；若发生谐振，则将当前施加在石墨烯上的电压与当前检测出的谐振波长、目标波长相对应。其中，回音壁微腔谐振波长的检测可以按照步骤S501中相同的步骤进行。

由上述实施例可见，本发明根据回音壁微腔的谐振波长、目标波长与电压之间的对应关系，对施加在石墨烯上的电压进行调节，从而对所述回音壁微腔进行调谐，调谐方法简单且调谐准确度较高。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。