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

  更多相關(guān)文章： 回音壁模式 光學(xué)微腔 表面粗糙度 氫退火 微泡諧振腔

【摘要】：回音壁模式光學(xué)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(yīng)用潛力,吸引了研究人員的廣泛關(guān)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(qiáng)各種光學(xué)效應(yīng)的關(guān)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(xué)微腔實(shí)現(xiàn),對(duì)兩種代表性回音壁模式微諧振腔(SOI波導(dǎo)環(huán)形諧振腔和二氧化硅空心微泡腔)進(jìn)行深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。SOI波導(dǎo)環(huán)形諧振腔具有集成度高,與CMOS工藝相兼容的優(yōu)點(diǎn)。但由于加工工藝水平的限制,波導(dǎo)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(dǎo)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(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),但是如何制備出結(jié)構(gòu)對(duì)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(duì)上述兩種光學(xué)微腔所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題,從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行深入研究,主要研究?jī)?nèi)容如下:1、對(duì)光波導(dǎo)傳輸損耗理論進(jìn)行分析。提出了一種基于傅里葉變換和時(shí)域差分的高精度建模分析方法。利用這種方法對(duì)光波導(dǎo)表面粗糙度進(jìn)行建模,并分別研究了相關(guān)長(zhǎng)度和均方根粗糙度對(duì)直波導(dǎo)傳輸損耗及波導(dǎo)諧振腔諧振特性的影響。通過(guò)理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)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(dǎo)表面形貌表征方法,指出目前在納米光波導(dǎo)側(cè)壁形貌表征方面存在的問(wèn)題。對(duì)氫退火表面光滑化機(jī)理進(jìn)行分析,搭建了氫退火實(shí)驗(yàn)裝置并進(jìn)行高溫氫退火實(shí)驗(yàn)。AFM測(cè)試結(jié)果表明,氫退火前后波導(dǎo)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(wèn)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(guò)采用弱放電、緩釋壓強(qiáng)的方法,最終制備出了結(jié)構(gòu)對(duì)稱、厚度均勻(2μm)、Q值達(dá)107的空心微泡腔。4、從光纖微泡壓強(qiáng)傳感器基本原理出發(fā),利用Ansys軟件對(duì)微泡光學(xué)諧振腔的力學(xué)特性進(jìn)行分析。采用FP干涉方法,對(duì)微泡腔填充氣壓與其頂部形變之間關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試�；阱F形光纖耦合的方法,研究微泡腔作為壓強(qiáng)傳感器的高靈敏度特性。本論文針對(duì)提高光學(xué)微腔品質(zhì)因數(shù)這一核心問(wèn)題開展研究,主要研究成果有如下兩個(gè)方面:1、通過(guò)理論仿真揭示了表面粗糙度對(duì)波導(dǎo)傳輸特性的影響;利用氫退火方法降低了波導(dǎo)表面粗糙度,減小了波導(dǎo)表面散射損耗,提高了波導(dǎo)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(guò)程中面臨的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱,厚度不均勻的問(wèn)題。本論文研究成果可為實(shí)現(xiàn)高Q值回音壁模式光學(xué)微腔提供理論和技術(shù)支持,進(jìn)一步促進(jìn)光學(xué)微腔的應(yīng)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(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN252

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

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

2 劉星元,馮紀(jì)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(jī)光學(xué)微腔[J];發(fā)光學(xué)報(bào);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(jī)微腔的光致發(fā)光特性[J];發(fā)光學(xué)報(bào);2007年03期

5 鄭厚植;半導(dǎo)體微腔物理及其應(yīng)用[J];半導(dǎo)體學(xué)報(bào);1997年07期

6 趙紅東,陳國(guó)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(xué)進(jìn)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(jī)電致發(fā)光器件的角度依賴性[J];發(fā)光學(xué)報(bào);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(jī)電致發(fā)光器件的諧振腔反射鏡性能[J];發(fā)光學(xué)報(bào);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(jī)電致發(fā)光器件[J];光學(xué)學(xué)報(bào);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(xué)報(bào);2007年01期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 岳守振;王鵬;趙毅;;微腔有機(jī)電致發(fā)光器件光學(xué)特性的模擬研究[A];全國(guó)第15次光纖通信暨第16屆集成光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2011年

2 王立軍;寧永強(qiáng);劉星元;;微腔物理及微腔激光[A];新世紀(jì) 新機(jī)遇 新挑戰(zhàn)——知識(shí)創(chuàng)新和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展（上冊(cè)）[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(shè)計(jì)[A];大珩先生九十華誕文集暨中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2004年學(xué)術(shù)大會(huì)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(diǎn)[A];第一屆全國(guó)納米技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)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(shè)計(jì)[A];2004年光學(xué)儀器研討會(huì)論文集[C];2004年

6 劉濤;張?zhí)觳?王軍民;彭X墀;;微腔中的光學(xué)耦極俘獲[A];第十屆全國(guó)量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)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(guó)發(fā)光學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)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(guó)光散射學(xué)術(shù)會(huì)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(xué)微腔中的拉曼激光及其應(yīng)用[A];第十六屆全國(guó)量子光學(xué)學(xué)術(shù)報(bào)告會(huì)報(bào)告摘要集[C];2014年

10 蔡林濤;時(shí)喜喜;李莎;;多孔硅微腔光學(xué)晶體的結(jié)構(gòu)調(diào)控和生化傳感器[A];第十一次中國(guó)生物物理學(xué)術(shù)大會(huì)暨第九屆全國(guó)會(huì)員代表大會(huì)摘要集[C];2009年

相關(guān)博士學(xué)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(xué);2015年

2 范會(huì)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(xué);2015年

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

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

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

6 馬鳳英;有機(jī)微腔發(fā)光特性研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）;2005年

7 楊勇;固態(tài)光學(xué)微腔的實(shí)驗(yàn)研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

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

9 仇善良;光學(xué)回音壁模微腔模式特性的理論研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

10 趙家民;有機(jī)微腔電致發(fā)光的物理與器件研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所）;2002年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

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

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

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

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

5 吳遠(yuǎn)武;微腔效應(yīng)在有機(jī)電致發(fā)光二極管中的研究與應(yīng)用[D];南京郵電大學(xué);2015年

6 常龍;基于有源—無(wú)源光學(xué)微腔耦合系統(tǒng)的宇稱時(shí)間對(duì)稱與可調(diào)諧光學(xué)隔離[D];南京大學(xué);2014年

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

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

10 沈梅霞;回音壁微腔的光學(xué)特性研究[D];福建師范大學(xué);2016年

，

本文編號(hào)：1417674