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回音壁模式(Whispering-gallery-mode,WGM)光学谐振腔作为光学谐振腔的一种,因其具有较高的品质因数(quality-factor,Q值)和较小的模式体积的特性,在微型激光器、生物传感、微波光子器件、光学非线性效应以及量子物理等应用领域被广泛研究。WGM微腔与锥形光纤组成的耦合系统中存在模式耦合现象,这类现象对于光学传感性能的提升与光信号处理具有重要意义,这类现象产生的机理和变化规律依然有待研究。因此,本文针对WGM微腔和锥形光纤耦合系统中产生模式耦合现象建立了物理模型并用数学方法解释了这类现象,实验上,在Bottle微谐振腔与锥形光纤组成的系统中实现了这类现象,并验证了其变化规律,具体研究内容包括:1.研究了Bottle微谐振腔内回音壁模式分布、谐振频率、自由光谱范围以及色散变化特性;分析了锥形光纤的绝热条件以及圆柱形光纤的传导方程和模式变化规律;给出了WGM微腔与锥形光纤的耦合模式方程,利用该方程分析了不同耦合状态下标准透过谱特性;2.研究了Bottle微谐振腔的制备工艺,实验上,在微腔与锥形光纤组成的系统中检测了Bottle微谐振腔的模式谱特性;研究了锥形光纤在绝热拉伸和非绝热拉伸情况下实时透过谱的变化规律,利用该透过谱的短时傅里叶变换谱,间接分析出在拉伸过程中,存在模式转化,有高阶光纤模式产生;3.建立了WGM微谐振腔与单模光纤耦合产生模式耦合现象的物理模型和耦合模式方程,阐明了该现象是由于WGM腔内不同WGM模式间干涉产生,利用建立的方程分析了该现象处于不同耦合条件下标准透过谱的线型;实验上,在Bottle微谐振腔与绝热拉伸的单模锥形光纤组成的耦合系统中实现了两个WGM的模式耦合效应,并验证了多模式耦合;4.建立了WGM微谐振腔与非绝热拉伸的锥形光纤耦合产生Fano共振现象的物理模型和耦合模式方程,阐明了该现象是单个WGM模式与两个光纤模式干涉产生,利用建立的方程分析了该现象处于不同耦合条件下标准透过谱的线型及变化规律;实验上,在Bottle微谐振腔与非绝热拉伸的锥形光纤组成的耦合系统中实现了增强的Fano共振效应,验证了其线型的变化规律,并揭示了这是一种普遍存在的现象。