一种集成回音壁模式微泡微腔及其制备方法

本发明涉及光纤器件，更具体地，涉及一种集成回音壁模式微泡微腔及其制备方法。

背景技术：

1、回音壁模式(wgm)微腔可以通过边界连续的全反射，将光子长时间局域在微腔内形成回音壁谐振模式，形成显著的能量累积效应，增强光与物质的相互作用，由此获得超高品质因子、超高能量密度、极小模式体积和极窄线宽等优越特性，在光传感、光通信和光计算等领域具有诸多应用价值。

2、如何制备性能优异的wgm微腔及构建有限的wgm模式调控机制始终是推动微腔技术发展的关键科学问题。常用拉锥光纤进行wgm模式耦合，但是该方案存在结构脆弱，模式不稳定，难以封装集成等问题。而斜角度光纤是一种比较理想高稳定，集成化微腔的wgm模式耦合方案。现有的斜角度端面光纤来自商用单模光纤，结构比较单一，而且仅能实现微腔wgm模式能量的激发或者耦合，不能同时兼顾wgm模式激发与耦合。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出一种集成回音壁模式微泡微腔及其制备方法，通过合理设计，当斜角度端面双芯单模光纤与单端超薄微泡满足波矢匹配时，可以同时兼顾wgm模式能量激发和耦合。这有助于大幅度提高微泡微腔模式调控系统的集成度和稳定性，另外，超薄微泡微腔具有极高的品质因子特性，膜层厚度可达0.5-2um,可以实现高灵敏度压强检测。其具体技术方案如下：

2、一种集成回音壁模式微泡微腔，包括斜角度端面单模双芯光纤和超薄单端微泡腔，超薄单端微泡腔包括微盘腔、微芯圆环腔、微球腔和微泡微腔；斜角度端面单模双芯光纤的斜角度端面包括对称角度和非对称角度。

3、进一步的，所述超薄单端微泡腔采用基于临界态膨胀辅助放电法制备。

4、进一步的，所述超薄单端微泡腔的材料是二氧化硅材料、高分子聚合物材料、半导体材料、和晶体材料中的任意一种或多种。

5、一种所述集成回音壁模式微泡微腔的制备方法，包括如下步骤：

6、首先，基于临界辅助放电方法制备超薄单端微泡腔；

7、其次，制备斜角度端面单模双芯光纤；

8、第三，斜角度端面双芯单模光纤耦合微泡wgm模式。

9、进一步的，所述基于临界辅助放电方法制备超薄单端微泡腔，包括如下步骤：

10、步骤一、将末端切平的单模光纤和毛细光纤管分别放置在光纤熔接机中，将毛细光纤管的一端连接到压力泵，压力泵将压力传送到毛细光纤管；将光纤熔接机设置到手动马达驱动状态，将单模光纤与毛细光纤管的端面对齐；通过光纤熔接机对毛细光纤管和单模光纤进行放电，将毛细光纤管和单模光纤的端面熔接；

11、步骤二、利用压力泵将气压填充入密封的毛细光纤管内壁，对毛细光纤管的区域进行熔融放电，将单模光纤和毛细光纤管分别被拉伸为三角形尖端；

12、步骤三、将毛细光纤管三角形尖端移至光纤熔接机的电极右侧1cm处，在毛细光纤管内中填满120kpa的大气压下放电3-5次，毛细光纤管的三角形尖端膨胀成有厚度的微泡36；

13、步骤四、将有厚度的微泡移动到光纤熔接机的电极右侧1cm处，对其进行2-3次放电，最终得到超薄均匀的微泡微腔。

14、进一步的，所述制备斜角度端面单模双芯光纤，包括如下步骤：

15、步骤五、去除光纤外表皮和涂覆层，将混合胶水注入st链接器内，将双芯光纤插入st链接器内；

16、步骤六、使用热固化炉火进行烘干操作，切割刀处理多余的光纤；

17、步骤七、使用粗砂对双芯光纤进行研磨，进行研磨斜角度为a研磨对称边，再次使用细砂研磨对称边；

18、步骤八、对光纤端面和未接触微泡腔斜角度端面进行金属镀膜。

19、进一步的，所述制备斜角度端面单模双芯光纤，包括如下步骤：

20、步骤五、去除光纤外表皮和涂覆层，将混合胶水注入st链接器内，将双芯光纤插入st链接器内；

21、步骤六、使用热固化炉火进行烘干操作，切割刀处理多余的光纤；

22、步骤七、使用粗砂对双芯光纤进行研磨斜角度为a的端面和研磨斜角度为b的端面，再使用细砂对研磨斜角度a和斜角度b的端面研磨，得到非对称的斜角度端面，其中，斜角度a和斜角度b成互余关系。

23、步骤八、对斜角度b的端面进行金属镀膜。

24、进一步的，所述斜角度端面双芯单模光纤耦合微泡wgm模式，包括如下步骤：

25、步骤九、取另一单模光纤，该单模光纤的光束能量通过光纤耦合装置耦合所述斜角度端面单模双芯光纤的第一纤芯，在满足模式匹配条件下，第一纤芯能量耦合进微泡微腔，激发微泡微腔wgm模式，被激发的wgm模式能量再次耦合进双芯光纤的第二纤芯，wgm模式能量会反射耦合进入第二纤芯，并经第二纤芯和光纤耦合装置输出至单模光纤。

26、进一步的，斜角度a＝arcsin(nm/nf)，nm是微泡微腔的有效折射率，nf是双芯光纤基膜的有效折射率。

27、本发明提出一种集成回音壁模式微泡微腔及其制备方法，将斜角度端面单模双芯光纤与单端超薄微泡集成，能够同时实现wgm模式能量的激发和耦合，有助于大幅度提高微腔模式系统的集成度和稳定性。由于微泡微腔结构可以抑制高阶模式，可以获得清晰的模式谱单模输出。另外，由于微泡微腔具有极高的品质因子特性，从而具有在高灵敏度压强、痕量毒害气体硫化氢检测方面具有超高分辨率检测效果。

技术特征：

1.一种集成回音壁模式微泡微腔，包括斜角度端面单模双芯光纤和超薄单端微泡腔，其特征在于：超薄单端微泡腔包括微盘腔、微芯圆环腔、微球腔和微泡微腔；斜角度端面单模双芯光纤的斜角度端面包括对称角度和非对称角度。

2.如权利要求1所述一种集成回音壁模式微泡微腔，其特征在于：所述超薄单端微泡腔采用基于临界态膨胀辅助放电法制备。

3.如权利要求1所述一种集成回音壁模式微泡微腔，其特征在于：所述超薄单端微泡腔的材料是二氧化硅材料、高分子聚合物材料、半导体材料、和晶体材料中的任意一种或多种。

4.如权利要求1-3之一所述一种集成回音壁模式微泡微腔的制备方法，包括如下步骤：

5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述基于临界辅助放电方法制备超薄单端微泡腔，包括如下步骤：

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述制备斜角度端面单模双芯光纤，包括如下步骤：

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述制备斜角度端面单模双芯光纤，包括如下步骤：

8.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：所述斜角度端面双芯单模光纤耦合微泡wgm模式，包括如下步骤：

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于：斜角度a＝arcsin(nm/nf)，nm是微泡微腔的有效折射率，nf是双芯光纤基膜的有效折射率。

技术总结
本发明涉及光纤器件技术领域，公开了一种集成回音壁模式微泡微腔及其制备方法，所述集成回音壁模式微泡微腔，包括斜角度端面单模双芯光纤和超薄单端微泡腔，超薄单端微泡腔包括微盘腔、微芯圆环腔、微球腔和微泡微腔；斜角度端面单模双芯光纤的斜角度端面包括对称角度和非对称角度。所述方法包括如下步骤：基于临界辅助放电方法制备超薄单端微泡腔；制备斜角度端面单模双芯光纤；斜角度端面双芯单模光纤耦合微泡WGM模式。在特定的研磨角度下，斜角度端面双芯单模光纤满足波矢匹配，实现微泡微腔WGM模式的能量激发和耦合，提高微泡微腔模式调控系统的集成度和稳定性，使得该传感器在压强、痕量毒害气体硫化氢检测方面具有高灵敏度和分辨率。

技术研发人员：王冠军,卓青霞,黄梦醒,沈重,王咸鹏,杨茜
受保护的技术使用者：海南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14