【摘 要】
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表面纳米轴向光子（Surface Nanoscale Axial Photonics,SNAP）微腔是一种通过在光纤表面引入纳米量级有效半径变化（Effective radius variation,ERV）而实现的一种微腔光子器件,其微型化、低损耗、超高加工精度的优点,在回音壁光学微腔中具有优势。然而,研究人员一直致力于寻求一种能够高精度和灵活的加工技术,实现对SNAP微腔表面ERV分布轮廓的调
【基金项目】
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国家重点研发计划项目（2018YFE0117400）
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表面纳米轴向光子（Surface Nanoscale Axial Photonics,SNAP）微腔是一种通过在光纤表面引入纳米量级有效半径变化（Effective radius variation,ERV）而实现的一种微腔光子器件,其微型化、低损耗、超高加工精度的优点,在回音壁光学微腔中具有优势。然而,研究人员一直致力于寻求一种能够高精度和灵活的加工技术,实现对SNAP微腔表面ERV分布轮廓的调控,这对推动SNAP微腔在光学信号处理、量子通信和光传感等应用实验研究和腔量子电动力学等基础科学研究方面具有重要实践意义。飞秒激光脉冲因其热影响区域小,对光纤的局部调制区域在空间尺寸上只有几个微米,具有加工精度高、灵活性强等优点,是制作全光纤型微结构的强有力工具之一。相比于其他制备SNAP微腔的技术,飞秒激光刻写技术在高精度和灵活调控SNAP微腔表面ERV分布轮廓方面具有不可比拟的优势。然而,目前飞秒激光与光纤等透明材料相互作用的物理机理研究尚不完善,基于飞秒激光制备SNAP微腔的工艺研究尚处于起步阶段。本论文围绕飞秒激光刻写技术制备SNAP微腔的原理和方法展开研究,结合数值模拟和实验研究,深入探究飞秒激光刻写参数和不同的制备方法对SNAP微腔的几何结构和物理特性的影响,以制备超低损耗、高加工精度、ERV灵活可控的SNAP器件。本论文的主要创新性工作如下:（1）基于飞秒激光在光纤轴向刻写方法制备SNAP微腔,建立多维刻写参数系统,基于Lame方程的物理模型,将实验探究和理论数值模拟相结合,详细分析了各项刻写参数对引入ERV的影响和关系;并提出空间多维度刻写方法,将制备SNAP微腔的飞秒激光刻写方式在空间结构上从过去的单线刻写提升至三维立体空间刻写,有效提高了SNAP微腔ERV的可控范围;最后通过综合优化各项刻写参数,实现了一个轴向尺寸小（~50μm）且ERV大（>25 nm）的SNAP微腔,其ERV值是前人报道的飞秒激光制备SNAP微腔ERV值的5倍。该工作对后续利用飞秒激光刻写技术灵活地制备复杂ERV轮廓分布的SNAP微腔,以及飞秒激光后处理技术提高加工精度等方案奠定了技术基础。（2）首次利用飞秒激光后处理技术提高SNAP微腔的制备精度。基于飞秒激光脉冲在光纤内沿轴向刻写的方法,提出一种提高飞秒激光刻写精度的后处理技术,理论上详细分析了该方法的工作原理和可行性,通过量化二次加工过程中的单脉冲能量与ERV增量之间的线性关系,将飞秒激光的刻写精度提升至亚埃米量级（0.75?）。（3）基于飞秒激光在光纤轴向刻写方法制备SNAP微腔,提出可灵活制备复杂ERV分布轮廓的SNAP微腔的制备方法,即精确设计飞秒激光刻写线段的位置和长度,使其整体空间分布轮廓匹配所需SNAP微腔的ERV分布轮廓,实现了抛物线型、类抛物线型和蝙蝠型复杂ERV分布轮廓的SNAP微腔的制备,ERV分布线型的实验结果与理论计算结果一致。该工作首次实现了蝙蝠型SNAP微腔的初步制备,并为其他复杂ERV分布轮廓的SNAP微腔的制备提供了一个较有效的方法,为深入开展复杂形状的SNAP微腔的物理特性和应用实验研究奠定了技术基础。（4）提出一种矩形SNAP微腔的新颖制备方法,即利用飞秒激光脉冲在光纤横截面上分别刻写两个具有一定轴向间距的折射率调制面,进而制备高对比度（>1 nm/μm）、大ERV（>36 nm）、轴向尺寸灵活可控的矩形SNAP微腔器件,理论上详细分析该刻写方法的工作原理,所制备的矩形SNAP微腔的ERV对比度是其他方法所能实现ERV对比度的50倍。此外,在实验中验证了矩形SNAP微腔特有的低损耗、反常色散的群时延特性,实验测量结果与理论计算结果一致。该制备方法可进一步减小SNAP微腔的轴向尺寸,提升SNAP微腔在微型光子器件方面的集成化潜力;同时提高ERV对比度对于提高SNAP微腔的光信号处理性能具有重要意义。
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