本文關鍵詞：高Q值回音壁模式光學微腔研究與實現(xiàn)　出處：《太原理工大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

  更多相關文章： 回音壁模式 光學微腔 表面粗糙度 氫退火 微泡諧振腔

【摘要】：回音壁模式光學微腔高品質(zhì)因子、小模式體積的特性,使其在光傳感、光通信及低閾值激光光源等諸多方面具有非常大的應用潛力,吸引了研究人員的廣泛關注。其中,高品質(zhì)因子是提高傳感器靈敏度、降低激光閾值、增強各種光學效應的關鍵參數(shù)。本論文工作集中于高品質(zhì)因子回音壁模式光學微腔實現(xiàn),對兩種代表性回音壁模式微諧振腔(SOI波導環(huán)形諧振腔和二氧化硅空心微泡腔)進行深入的理論和實驗研究。SOI波導環(huán)形諧振腔具有集成度高,與CMOS工藝相兼容的優(yōu)點。但由于加工工藝水平的限制,波導表面都不可避免的存在一定的粗糙度。表面粗糙度顯著增加了波導的散射損耗,限制了諧振腔品質(zhì)因子的提高。二氧化硅空心微泡腔具有高品質(zhì)因子及制備工藝條件簡單的優(yōu)點,但是如何制備出結(jié)構(gòu)對稱、厚度均勻的高品質(zhì)因子微泡腔一直是困擾許多研究者的難題。本文針對上述兩種光學微腔所面臨的關鍵問題,從理論和實驗兩方面進行深入研究,主要研究內(nèi)容如下:1、對光波導傳輸損耗理論進行分析。提出了一種基于傅里葉變換和時域差分的高精度建模分析方法。利用這種方法對光波導表面粗糙度進行建模,并分別研究了相關長度和均方根粗糙度對直波導傳輸損耗及波導諧振腔諧振特性的影響。通過理論計算及實驗測試結(jié)果與仿真結(jié)果的對比,驗證了所建立模型及其分析結(jié)果的正確性。2、深入研究了光波導表面形貌表征方法,指出目前在納米光波導側(cè)壁形貌表征方面存在的問題。對氫退火表面光滑化機理進行分析,搭建了氫退火實驗裝置并進行高溫氫退火實驗。AFM測試結(jié)果表明,氫退火前后波導表面粗糙度從1.75nm降低到0.59nm,證明了氫退火光滑工藝的可行性。3、分析目前光纖微泡腔制備技術(shù)存在的問題和不足,提出一種基于高壓氣體輔助電弧放電技術(shù)的低成本、超薄、空心光纖微泡的制備方法。通過采用弱放電、緩釋壓強的方法,最終制備出了結(jié)構(gòu)對稱、厚度均勻(2μm)、Q值達107的空心微泡腔。4、從光纖微泡壓強傳感器基本原理出發(fā),利用Ansys軟件對微泡光學諧振腔的力學特性進行分析。采用FP干涉方法,對微泡腔填充氣壓與其頂部形變之間關系進行實驗測試�；阱F形光纖耦合的方法,研究微泡腔作為壓強傳感器的高靈敏度特性。本論文針對提高光學微腔品質(zhì)因數(shù)這一核心問題開展研究,主要研究成果有如下兩個方面:1、通過理論仿真揭示了表面粗糙度對波導傳輸特性的影響;利用氫退火方法降低了波導表面粗糙度,減小了波導表面散射損耗,提高了波導環(huán)形諧振腔的Q值。2、解決了高品質(zhì)因子微泡腔制備過程中面臨的結(jié)構(gòu)不對稱,厚度不均勻的問題。本論文研究成果可為實現(xiàn)高Q值回音壁模式光學微腔提供理論和技術(shù)支持,進一步促進光學微腔的應用和發(fā)展。
[Abstract]:The characteristics of high quality factor and small mode volume of echo mode optical microcavity make it have great application potential in many fields such as optical sensing, optical communication and low threshold laser light source. Among them, the high quality factor is to improve the sensitivity of the sensor and reduce the laser threshold. This paper focuses on the realization of high quality factor echo wall mode optical microcavity. The theoretical and experimental studies of two typical echo wall mode microresonators, SOI waveguide ring resonators and silicon dioxide hollow microbubble cavities, are carried out. The SOI waveguide ring resonators are highly integrated. It is compatible with CMOS process, but due to the limitation of processing technology, some roughness is inevitable on the waveguide surface, and the surface roughness increases the scattering loss of the waveguide. The improvement of cavity quality factor is limited. Silica hollow microbubble cavity has the advantages of high quality factor and simple preparation conditions, but how to prepare a symmetrical structure. The uniform thickness of high quality factor microbubble cavity has been a difficult problem for many researchers. In this paper, the two kinds of optical microcavity facing the key problems, from the theoretical and experimental aspects of in-depth research. The main research contents are as follows: 1. The transmission loss theory of optical waveguide is analyzed. A high-precision modeling and analysis method based on Fourier transform and time-domain difference is proposed, which is used to model the surface roughness of optical waveguide. The effects of correlation length and root-mean-square roughness on the transmission loss and resonant characteristics of the waveguide resonator are studied respectively. The theoretical calculation and experimental results are compared with the simulation results. The correctness of the model and its analysis results are verified. 2. The surface morphology characterization method of optical waveguide is studied in depth. The problems existing in the characterization of the side-wall morphology of nanoscale optical waveguides are pointed out. The mechanism of surface smoothing by hydrogen annealing is analyzed. The experimental results of hydrogen annealing and high temperature hydrogen annealing show that the surface roughness of waveguide decreases from 1.75 nm to 0.59 nm before and after hydrogen annealing. The feasibility of hydrogen annealing smoothing process is proved. 3. The problems and shortcomings of the current fabrication technology of optical fiber microbubble cavity are analyzed. A low cost and thin arc discharge technology based on high pressure gas assisted arc discharge is proposed. By using the method of weak discharge and sustained release pressure, the hollow microbubbles with symmetrical structure and uniform thickness of 2 渭 m ~ (-1) Q value up to 107 were prepared by using the method of weak discharge and sustained release pressure. Based on the basic principle of fiber optic microbubble pressure sensor, the mechanical properties of optical resonator are analyzed by Ansys software. FP interference method is used. The relationship between the filling pressure and the deformation at the top of the microbubble cavity was tested experimentally. The method of tapered fiber coupling was used. The high sensitivity of microbubble cavity as a pressure sensor is studied. In this paper, the core problem of improving the quality factor of optical microcavity is studied. The main research results are as follows: 1. The influence of surface roughness on the propagation characteristics of waveguide is revealed by theoretical simulation. The surface roughness of the waveguide is reduced by hydrogen annealing, the scattering loss of the waveguide surface is reduced, and the Q value of the waveguide ring resonator is increased. 2. The problems of asymmetric structure and uneven thickness in the preparation of high quality factor microbubble cavity are solved. The research results in this paper can provide theoretical and technical support for the realization of high Q value echo wall mode optical microcavity. Further promote the application and development of optical microcavity.
【學位授予單位】：太原理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN252

【相似文獻】

相關期刊論文 前10條

1 馬鳳英 ,劉星元 ,王立軍;有機微腔發(fā)光的研究進展[J];液晶與顯示;2001年04期

2 劉星元,馮紀蒙,劉云,梁春軍,趙東旭,洪自若,趙家民,鄂樹林,李文連,虞家琪,王立軍;多模發(fā)射的單層有機光學微腔[J];發(fā)光學報;1999年04期

3 霍海燕;;微腔器件研究的意義[J];內(nèi)蒙古石油化工;2013年24期

4 張春玉;劉星元;套格套;王立軍;;耦合結(jié)構(gòu)有機微腔的光致發(fā)光特性[J];發(fā)光學報;2007年03期

5 鄭厚植;半導體微腔物理及其應用[J];半導體學報;1997年07期

6 趙紅東,陳國鷹,張存善,張以謨,沈光地;量子阱垂直腔面發(fā)射激光器及其微腔物理[J];激光與光電子學進展;2001年04期

7 張春玉;陸景彬;孫成林;秦莉;肖力光;任慧;王成;;微腔有機電致發(fā)光器件的角度依賴性[J];發(fā)光學報;2009年06期

8 張春玉;陸景彬;郭樹旭;郜峰利;王洪杰;曹軍勝;;微腔有機電致發(fā)光器件的諧振腔反射鏡性能[J];發(fā)光學報;2010年04期

9 劉祖剛,唐春玖,趙偉明,張志林,蔣雪茵,許少鴻;具有微腔結(jié)構(gòu)的有機電致發(fā)光器件[J];光學學報;1997年07期

10 蔡佳星;仇善良;李永平;韓正甫;;異型微腔本征模式分析[J];量子電子學報;2007年01期

相關會議論文 前10條

1 岳守振;王鵬;趙毅;;微腔有機電致發(fā)光器件光學特性的模擬研究[A];全國第15次光纖通信暨第16屆集成光學學術(shù)會議論文集[C];2011年

2 王立軍;寧永強;劉星元;;微腔物理及微腔激光[A];新世紀 新機遇 新挑戰(zhàn)——知識創(chuàng)新和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展（上冊）[C];2001年

3 楊立功;吳鵬;秦曉蕓;顧培夫;陳海星;劉旭;;雙金屬鏡微腔結(jié)構(gòu)中單介質(zhì)調(diào)諧層的設計[A];大珩先生九十華誕文集暨中國光學學會2004年學術(shù)大會論文集[C];2004年

4 賈銳;江德生;譚平恒;孫寶權(quán);;玻璃球形微腔中的量子點[A];第一屆全國納米技術(shù)與應用學術(shù)會議論文集[C];2000年

5 楊立功;吳鵬;秦曉蕓;顧培夫;陳海星;劉旭;;雙金屬鏡微腔結(jié)構(gòu)中單介質(zhì)調(diào)諧層的設計[A];2004年光學儀器研討會論文集[C];2004年

6 劉濤;張?zhí)觳?王軍民;彭X墀;;微腔中的光學耦極俘獲[A];第十屆全國量子光學學術(shù)報告會論文論文集[C];2002年

7 謝澤鋒;周翔;;高效率金屬微腔OLEDs性能的研究[A];第11屆全國發(fā)光學學術(shù)會議論文摘要集[C];2007年

8 王海華;孫賢明;類成新;;空心圓柱微腔諧振模式研究[A];第十七屆全國光散射學術(shù)會議摘要文集[C];2013年

9 楊旭;龍桂魯;彭博;SahinKaya 銉zdemir;楊蘭;;超高品質(zhì)因子光學微腔中的拉曼激光及其應用[A];第十六屆全國量子光學學術(shù)報告會報告摘要集[C];2014年

10 蔡林濤;時喜喜;李莎;;多孔硅微腔光學晶體的結(jié)構(gòu)調(diào)控和生化傳感器[A];第十一次中國生物物理學術(shù)大會暨第九屆全國會員代表大會摘要集[C];2009年

相關博士學位論文 前10條

1 居冬泉;表面等離激元微腔共振特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

2 范會博;基于溶膠凝股薄膜的新型片上氧化硅微型激光器[D];南京大學;2015年

3 王冠中;基于片上回音壁模光學微腔及微腔耦合系統(tǒng)的光力振蕩[D];南京大學;2016年

4 楊旭;回音壁模式光學微腔的拉曼調(diào)制及其應用[D];清華大學;2016年

5 張輝;高Q值回音壁模式光學微腔研究與實現(xiàn)[D];太原理工大學;2016年

6 馬鳳英;有機微腔發(fā)光特性研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2005年

7 楊勇;固態(tài)光學微腔的實驗研究[D];中國科學技術(shù)大學;2008年

8 董廣大;微腔與光學微納結(jié)構(gòu)的模式耦合研究[D];北京理工大學;2015年

9 仇善良;光學回音壁模微腔模式特性的理論研究與優(yōu)化設計[D];中國科學技術(shù)大學;2010年

10 趙家民;有機微腔電致發(fā)光的物理與器件研究[D];中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所）;2002年

相關碩士學位論文 前10條

1 林秦;量子態(tài)的MIN和回音壁微腔實驗研究[D];福建師范大學;2015年

2 張楠;內(nèi)邊界變形環(huán)形微腔的定向出射及其應用的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2015年

3 顧進益;金屬包覆圓柱微腔的表面等離子激元研究[D];南京大學;2014年

4 王聰;回音壁模式球微腔的制備及其應用研究[D];浙江師范大學;2015年

5 吳遠武;微腔效應在有機電致發(fā)光二極管中的研究與應用[D];南京郵電大學;2015年

6 常龍;基于有源—無源光學微腔耦合系統(tǒng)的宇稱時間對稱與可調(diào)諧光學隔離[D];南京大學;2014年

7 徐俊杰;小孔圓盤復合結(jié)構(gòu)微腔諧振器的制備與研究[D];吉林大學;2016年

8 韓效馳;光學塔姆態(tài)—微腔模式雜化態(tài)在聚合物太陽能電池中的應用[D];吉林大學;2016年

9 魏曉村;內(nèi)置懸梁式光纖微腔的制備及其聲波傳感特性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學;2016年

10 沈梅霞;回音壁微腔的光學特性研究[D];福建師范大學;2016年

，

本文編號：1417674