C波段微型光源研究*

王寶花, 嚴(yán)英占, 郝妮妮, 閆樹斌

(①儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,電子測試技術(shù)國家重點實驗室,山西 太原 030051;②山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院,山東青島 266510)

0 引言

隨著光通信技術(shù)的發(fā)展,寬波段通訊成為研究熱點。1.55μm左右 C波段激光為光纖光傳輸?shù)淖钚∥沾翱?而稀土元素鉺離子在能級躍遷時發(fā)出的光正好對應(yīng)此波段[1]。因此,在光學(xué)微腔[2]研究的背景下進(jìn)行C波段微光源探索具有重要的應(yīng)用意義。光學(xué)微腔對光的局域是基于回音壁的傳播模式(WGM,Whispering Gallery Modes),微腔內(nèi)部的全內(nèi)反射使得此類諧振腔具有超高的品質(zhì)因子 Q、極低的模式體積,因此具有極低的非線性閾值成為寬波段通訊、芯片級光源等領(lǐng)域研究的良好載體。

石英晶體作為光學(xué)研究的首選材料,其折射率對于光發(fā)射和傳輸有重要影響[3]。與傳統(tǒng)的光纖通訊系統(tǒng)相兼容[4],易于構(gòu)建大規(guī)模的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[5-6]。帶寬通訊的需要使人們對硅光子晶體學(xué)的研究產(chǎn)生了極大的興趣,Er3+能通過離子注入等半導(dǎo)體工藝注入到SiO2,可以實現(xiàn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)兼容成為很好的摻雜物。

目前研究的稀土摻雜光學(xué)微球腔[7-8]多以 SiO2材料為主,結(jié)合離子注入工藝,用熱熔融法、噴槍火焰法等加工手段制備而得,具有優(yōu)越的光學(xué)特性。應(yīng)用二氧化碳熔融摻鉺光纖的方法制備了摻鉺微球腔[9-10]并以此為載體研究了其熒光光譜特性,得到了經(jīng)過微腔調(diào)制的銳利加強譜線,為進(jìn)一步深入研究微腔摻雜微光源奠定基礎(chǔ)。

1 摻鉺諧振腔制備

為了制造尺寸均勻、表面光滑的微球腔,特利用高功率CO2激光器：美國相干(COHERENT)公司,波長 10.6μm為制備熱源。通過對拉錐后的摻鉺光纖頂尖部進(jìn)行熱處理加工而成。激光輸出光斑直徑為 10 mm,光纖錐區(qū)直徑大約在1～20μm,所以在光輸出時采用匯聚鏡片將光斑聚焦。摻鉺微球腔是由MP980裸摻鉺光纖除去光纖涂覆層,經(jīng) CO2激光器(10.6μm)燒至熔融狀態(tài)通過自身的表面張力形成的。制備應(yīng)用加工光路如圖 1所示。

圖 1 摻鉺諧振腔加工光路示意

2 摻鉺諧振腔熒光檢測

實驗中采用 980nm激發(fā)光,泵浦光打在摻鉺微球腔上,與餌離子發(fā)生作用,基態(tài)粒子吸收能量后,躍遷到激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定,級躍遷到基態(tài)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài),此時發(fā)出一定波長的光。通常通過測出該熒光的波長,即可以識別所測物質(zhì)的元素和成份。實驗中采用90度法,即泵浦光照射方向與探測方向垂直的方法以減小泵浦光的干擾,系統(tǒng)圖如圖 2所示。

圖 2 熒光測試原理

實驗中選用卓立漢光 SBP500光譜儀,掃描精度可達(dá)0.01 nm,銦鎵砷探測器接收光譜儀采集到的信號,信號經(jīng)前置放大器后接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),PC機對信號進(jìn)行分析。圖3為采集的微球多模式的共振形貌曲線。由于微球腔的模式比較復(fù)雜,很難測到單一模式的共振譜線,經(jīng)過微球腔調(diào)制的熒光譜線。980nm激光使鉺離子從4I11/2能級躍遷到4I15/2發(fā)出 1.55μm左右的光,由于鉺離子對 980的吸收截面較小,需要的泵浦光功率要大。

圖 3 摻鉺微球多模式共振曲線

精確調(diào)節(jié)微球的位置,使摻鉺微球只有單一模式的激發(fā)光。得到微球單一模式的共振形貌曲線。如圖 4所示,其它模式的光得到了很好的抑制。

圖 4 摻鉺微球腔單一模式共振熒光譜線

3 結(jié)語

摻鉺離子微球腔的品質(zhì)因子滿足下面關(guān)系式：

Q=2?π? n/N0? Γ? σa? λ。

n=1.5為微球腔的折射率,N0=5.4x1020/cm2鉺離子濃度,σa=4× 10-22cm2在 1 450 nm吸收系數(shù),假定 Γ為0.066,計算的鉺離子吸收相關(guān)的 Q值為 4.4 x 108。

FSR=λ2/2? π? R? neff,

其中 λ=1 546.3 nm,R=21μm,neff=1.5,理論上計算的值為 12.09 nm,與實驗測得結(jié)果基本吻合,誤差在實驗允許范圍之內(nèi)。

結(jié)合光學(xué)微腔及稀土離子特性研究了摻鉺微球腔的熒光光譜,實驗結(jié)果由單一波長泵浦光 980 nm得到了 1550 nm為中心的多條共振譜線,拓寬了光譜范圍,得到銳利的透射譜線,為制備單色性好的通訊波段光源提供了一條新的途徑,使諧振腔的Q值得到提高,為進(jìn)一步開展其他摻鉺光學(xué)微腔的研究奠定了基礎(chǔ)。

[1]蘇福根,金紅莉.光纖通信中的 MEMS外腔可調(diào)諧激光器技術(shù)[J].通信技術(shù),2009,42(07)：40-41.

[2]PATRICE FERON,CAROLE ARNAUD,MOHAMED BOUSTIMI,et al.Optical Feedback on Whispering Gallery Mode Laser：Wavelength Shiftsin Erbium Doped Micro-Spherical Laser[J].Proc.of SPIE,2004(5451)：201-209.

[3]劉建霞,張昕明,葉紅安.石英晶體旋光折射率特性研究[J].通信技術(shù),2010,43(01)：198-199.

[4]劉志超,朱軍,袁中保.光信號傳輸特性的仿真分析[J].通信技術(shù),2010,43(03)：45-46.

[5]寧永海,沈森,阮文輝.無線數(shù)據(jù)傳輸在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].通信技術(shù),2010,43(01)：102-104.

[6]劉玉貴,劉云.全光網(wǎng)通信的實現(xiàn)[J].通信技術(shù),2008,41(10)：174-176.

[7]CAI M,PAINTER O,VAHALAK J.Observation of Critical Coupling in a Fiber Taper to a Silica-Microsphere Whispering-Gallery Mode System[J].Phys.Rev.Lett.,2000,85(01)：74-77.

[8]PHAMVAN HOI,BUI VAN THIEN,HA XUAN VINH.High QFactor Micro-Cavity Laser：Fabrication and Lasing Emission Properties[J].Journal of Physics：Conference Series 187,2009,(12)：1-7.

[9]BRAGINSKY V B,GORODETSKY ML.ILCHENKO V S.Quality-Factor and Nonlinear Properties of Optical Whispering-Gallery Modes[J].Phys.Lett.A,1989(137)：393-397.

[10]KALKMAN J,POLMAN A,KIPPENBERG T J,et.al,Erbium-Implanted Silica Microsphere Laser[J].Nucl.Instr.and Meth.in Phys.Res.B,2006(242)：182-185.