一种光学微腔

1.本发明属于光学器件领域，具体涉及一种光学微腔。


背景技术：

2.光学微腔是一种通过谐振循环作用将光束缚于微小空间中并持续很长时间的光学器件。光学微腔中循环的光子显著增强了谐振场与腔材料或者环境介质之间的相干与非相干作用，其模式场有很高的能量密度和特定光场的分布，这种受限的光场能够强烈地增强光和物质之间的相互作用，广泛地应用于基础物理研究和应用光子学器件两大领域。
3.目前，人们研究的光学微腔主要有三大类，包括传统的法珀型腔、光子晶体微腔和回音壁模式(wgm)微腔。其中，法珀型微腔依靠两镜面的反射形成腔体。光子晶体微腔基于光子晶体中的微小缺陷形成腔体，它们的品质因子较低。wgm微腔具有较高品质因子，依靠腔体本身与环境的折射率差而使光线在微腔内表面连续全内反射形成wgm模式，将光耦合进wgm微腔通常方法是用全反射器件产生的倏逝波进行耦合。局域在微腔表面的倏逝场易于受到表面缺陷(表面光洁度、表面吸附、表面沾污)、环境污染等因素影响，使得品质因子难以提升、耦合困难、耦合稳定性差(参见董永超的回音壁模式微腔的耦合特性与封装技术研究[d].中国科学技术大学,2016.)。
[0004]
有鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供了一种光学微腔，不依赖表面全反射、模场不在微腔的表面、不完全依靠微腔的倏逝场进行耦合，进而解决现有技术中存在的上述技术问题。
[0006]
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0007]
本发明实施方式提供一种光学微腔，该光学微腔为具有沿径向连续变化折射率的梯度折射率微腔，该梯度折射率微腔在内部形成不依赖于界面全反射的束缚光场。
[0008]
与现有技术相比，本发明所提供的光学微腔，其有益效果包括：
[0009]
由于是具有连续变化梯度折射率的梯度折射率微腔，微腔从内至外的不同位置具有不同的折射率，利用梯度折射率能在微腔内部形成光线闭合的束缚光场，这种光学微腔不依赖表面全反射、模场不在微腔的表面、不完全依靠微腔的倏逝场进行耦合，避免了传统回音壁模式微腔抗环境干扰能力差、品质因子难以提升、耦合困难、耦合稳定性差的缺点。
附图说明
[0010]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0011]
图1为本发明实施例提供的梯度折射率光学微腔的结构示意图。
[0012]
图2为本发明实施例提供的梯度折射率光学微腔的径向折射率分布示意图和模场位置示意图。
[0013]
图3为本发明实施例提供的梯度折射率光学微腔与棱镜的耦合系统的fdtd仿真模型示意图。
[0014]
图4为本发明实施例提供的光学微腔输入高斯脉冲光后获得的透射光谱的示意图。
[0015]
图5为本发明实施例提供的梯度折射率微腔的耦合装置立体结构示意图。
[0016]
图6为图5的前视图。
[0017]
图中：1-梯度折射率微腔；2-预测模场位置；3-棱镜；4-传导光；5-玻璃片。
具体实施方式
[0018]
下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0019]
首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
[0020]
术语“和/或”是表示两者任一或两者同时均可实现，例如，x和/或y表示既包括“x”或“y”的情况也包括“x和y”的三种情况。
[0021]
术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
[0022]
术语“由
……
组成”表示排除任何未明确列出的技术特征要素。若将该术语用于权利要求中，则该术语将使权利要求成为封闭式，使其不包含除明确列出的技术特征要素以外的技术特征要素，但与其相关的常规杂质除外。如果该术语只是出现在权利要求的某子句中，那么其仅限定在该子句中明确列出的要素，其他子句中所记载的要素并不被排除在整体权利要求之外。
[0023]
除另有明确的规定或限定外，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如：可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本文中的具体含义。
[0024]
当浓度、温度、压力、尺寸或者其它参数以数值范围形式表示时，该数值范围应被理解为具体公开了该数值范围内任何上限值、下限值、优选值的配对所形成的所有范围，而不论该范围是否被明确记载；例如，如果记载了数值范围“2～8”时，那么该数值范围应被解释为包括“2～7”、“2～6”、“5～7”、“3～4和6～7”、“3～5和7”、“2和5～7”等范围。除另有说明外，本文中记载的数值范围既包括其端值也包括在该数值范围内的所有整数和分数。
[0025]
术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本文的限制。
[0026]
下面对本发明所提供的光学微腔进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。本发明实施例中所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0027]
如图1所示，本发明实施例提供一种光学微腔，该光学微腔为具有沿径向连续变化折射率的梯度折射率微腔，该梯度折射率微腔在内部形成不依赖于界面全反射的束缚光场，该束缚光场是一种光线闭合的光场。
[0028]
上述光学微腔中，所述梯度折射率微腔的沿径向连续变化折射率是从该微腔内部向微腔的外表面沿径向连续减小。这种沿径向连续减小的折射率分布，便于在梯度折射率微腔内部形成不依赖于界面全反射的束缚光场。
[0029]
上述光学微腔中，所述梯度折射率微腔内的模场位置按以下方式确定：
[0030]
当r、n(r)、满足：时，则r处即为所述梯度折射率微腔内预测模场位置；其中，r为所述梯度折射率微腔的任意一个半径；n(r)为所述梯度折射率微腔在半径r处对应的折射率n(r)；为所述梯度折射率微腔在半径r处的折射率梯度。
[0031]
若r、n(r)、不满足上述关系，该梯度折射率微腔无法容纳模场，表明微腔的尺寸、梯度折射率不满足本发明梯度折射率微腔的要求。
[0032]
上述光学微腔中，所述梯度折射率微腔为旋转对称腔体。优选的，旋转对称腔体包括：球形腔体、盘形腔体、环形腔体、柱形腔体、v形边圆盘腔体(是指轴向横截面为圆盘形，而径向横截面的两边为v形的腔体)、瓶口形腔体等中的任一种。
[0033]
上述光学微腔中，所述梯度折射率微腔由能形成梯度折射率的工艺制备而成，能形成梯度折射率的工艺优选包括：离子交换工艺、硅的热氧化工艺、气相沉积工艺、中子照射工艺、高分子聚合工艺、离子填充工艺、晶体生长工艺、真空蒸发工艺、溶胶-凝胶工艺中的任一种。可以知道，其他任何能制成梯度折射率的工艺，均可以用于制备该梯度折射率微腔。
[0034]
上述光学微腔中，所述梯度折射率微腔的光谐振模式包括：单模、多模、回音壁模式与梯度折射率模式的混合模式。
[0035]
上述光学微腔还包括：光学包裹层，包裹在所述梯度折射率微腔外面。
[0036]
综上可见，本发明实施例的光学微腔，由于是具有连续变化梯度折射率的梯度折射率微腔，微腔从内至外的不同位置具有不同的折射率，利用梯度折射率能在微腔内部形成光线闭合的束缚光场，这种光学微腔不依赖表面全反射、模场不在微腔的表面、不完全依靠微腔的倏逝场进行耦合，避免了传统回音壁模式微腔抗环境干扰能力差、品质因子难以提升、耦合困难、耦合稳定性差的缺点。
[0037]
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具
体实施例对本发明实施例所提供的光学微腔进行详细描述。
[0038]
实施例1
[0039]
如图1所示，本发明实施例提供一种光学微腔，是一种具有沿径向连续变化折射率的梯度折射率微腔，该梯度折射率微腔从内至外表面具有连续变化梯度折射率，即微腔的不同位置具有不同的折射率，这种梯度折射率微腔能在内部束缚住光场，形成的整个模场都位于微腔内部，避免了现有wgm微腔倏逝场与外界相互作用，从而提高了抗环境干扰能力；由于不通过表面反射束缚光场，这种梯度折射率微腔不怕表面污染，能够更容易操作光学微腔，便于光学微腔和波导直接粘接，实现光学微腔和波导耦合系统的集成。通过对梯度折射率微腔折射率梯度的设计，在微腔内确定位置上形成稳定模场；通过对梯度折射率微腔适当磨削和抛光，使模场有一定程度的泄露，便于梯度折射率微腔与耦合波导(如光学系统的锥形光纤、楔形光纤、棱镜、集成波导等)直接粘接，形成稳定的耦合。
[0040]
进一步，所述的梯度折射率微腔的梯度折射率是从腔体内部向外表面连续减小的。
[0041]
进一步，所述的梯度折射率微腔的模场位置按以下方式确定：
[0042]
对于该梯度折射率微腔，任意一个半径r都对应一个折射率n(r)，n(r)随r变化而变化，并且r处的折射率梯度为一阶导数当r、n(r)、满足：时，r处即为预测模场位置；若r、n(r)、不满足上述关系，该梯度折射率微腔无法容纳模场，表明微腔的尺寸、梯度折射率不满足本发明梯度折射率微腔的要求。
[0043]
进一步，所述梯度折射率微腔的性状是一种旋转对称腔体，如球形腔体、盘形腔体、环形腔体、柱形腔体、v形边圆盘腔体(是指轴向横截面为圆盘形，而径向横截面的两边为v形的腔体)、瓶口形腔体等。
[0044]
进一步，所述梯度折射率微腔由离子交换工艺、硅的热氧化工艺、气相沉积工艺、中子照射工艺、高分子聚合工艺、离子填充工艺、晶体生长工艺、真空蒸发工艺、溶胶-凝胶工艺等能够形成梯度折射率的各种工艺中的任一种方式制成。
[0045]
进一步，所述的折射率梯度腔体外面可设置光学包裹层，便于保护并固定梯度折射率微腔，光学包裹层的材料可采用光学胶或类似材料。
[0046]
进一步，所述的梯度折射率微腔能和光学系统的锥形光纤、楔形光纤、棱镜或集成波导直接粘接，实现耦合。
[0047]
上述梯度折射率微腔的工作原理为：光线从与该梯度折射率微腔直接粘接的锥形光纤、楔形光纤、棱镜或集成波导耦合进该梯度折射率微腔后，由于梯度折射率微腔的梯度折射率在腔体内部向腔体外沿径向表面连续减小，只要满足对应的约束条件，光线不会从腔体外表面泄露，而是被束缚在腔体内循环，并且可通过锥形光纤、楔形光纤、棱镜或集成波导将光耦合输出。
[0048]
本发明实施例的光学微腔至少具有以下优点：
[0049]
(1)区别于传统wgm微腔，可以形成特殊的梯度约束模式，模场位于腔体内部。
[0050]
(2)梯度折射率微腔避免了传统wgm微腔抗环境干扰能力差、品质因子难以提升、耦合困难、耦合稳定性差的缺点。
[0051]
(3)便于与波导直接接触、粘接或有微小间隙的耦合。
[0052]
(4)具有体积小、易操作、结构稳定、易于集成的优点。
[0053]
实施例2
[0054]
下面结合附图对本实施例的光学微腔进行具体说明，图1为本实施例的光学微腔的结构示意图，包括：梯度折射率微腔，具有连续变化的梯度折射率。
[0055]
图2是本发明的梯度折射率微腔的径向折射率分布示意图和模场位置示意图。此实施例中使用半径为100μm、折射率1.64的玻璃与熔盐进行离子交换，最终形成中心折射率为1.64，表面折射率为1.526，且折射率在半径约87μm处开始向外表面连续减小的梯度折射率微腔，折射率分布如实线所示。图2中分别用虚线和点划线画出了和两条曲线，这两条曲线的交点即为该梯度折射率微腔内的预测模场位置。
[0056]
图3是本发明的梯度折射率微腔与棱镜的耦合系统的fdtd仿真模型示意图，使用fortran自编fdtd程序对该梯度折射率微腔耦合系统进行fdtd仿真计算，并将其转为二维问题，仿真域为204μm
×
205μm的方形区域，将该区域划分为4080
×
4010个网格。在仿真过程中，棱镜3耦合在梯度折射率微腔1的预测模场位置2附近，输入高斯脉冲光4从棱镜3耦合进梯度折射率微腔1，由于梯度折射率束缚而在腔体中模场位置2处循环，光每次经过棱镜3与腔体的耦合区时会有一部分光耦合出来，其余光继续在腔体内循环，在100000步后光全部衰减完毕。图3中箭头为传导光4(可采用高斯脉冲光)行进的路径。对采样数据进行fft变换，可以得到梯度折射率耦合系统的相对强度频谱，如图4所示。
[0057]
图4展示了高斯脉冲光经过本实施例提出的梯度折射率微腔后获得的透射光谱示意图。
[0058]
图5、6示意了一种梯度折射率微腔的耦合装置立体图。将梯度折射率微腔1置于两个玻璃片5中间，使用光学胶固定后，整体磨到接近预测模场位置2，再直接与棱镜3粘接，实现梯度折射率微腔与棱镜的耦合，图5中箭头为传导光4行进路径。
[0059]
综上所述，本发明实施例的光学微腔，由于采用了梯度折射率微腔结构，配合折射率分布方式，便于与波导耦合，可以避免传统wgm微腔依靠腔体本身与环境的折射率差而使光线在微腔内表面连续全内反射形成wgm模式、采用全反射器件产生的倏逝波进行耦合带来的易受环境干扰、品质因子难以提升、耦合困难、耦合稳定性差等缺点。该梯度折射率微腔依靠微腔边缘附近连续变化的折射率梯度约束光场在微腔内部，避免光场与微腔外环境能量交换，从而杜绝环境对微腔的影响。
[0060]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。