摘 要

微纳光纤在现代通信与传感检测中扮演着重要的角色，随着科学技术的进步，人们对由其构成的微型光子器件的研究愈加重视。由于尺寸小，损耗低，光以倏逝波的形式在纤芯外传输的特性，微纳光纤被广泛应用于各行各业。而基于其制作的微纳光纤环形谐振腔更是在光学传感、激光器、非线性谐振等方面大放异彩。如何简单、低廉地制备出微纳光纤环形谐振腔并将其应用于传感检测具有重要的现实意义。

本文首先简要介绍了微纳光纤的耦合与Knot型微纳光纤环形谐振腔的传输理论，并针对结型腔的主要性能指标进行简单介绍。接着详细地阐述了火焰拉锥制备微纳光纤的方法，以及如何通过扫火拉制的方式来获取较长的微纳光纤。为了制备适合打结的微纳光纤，我们还对减小锥角，直径控制等问题进行了探讨。在制备出合适的长微纳光纤后，我们对其进行打结。在单边拉锥的基础上提出双边拉锥法，以减小微纳光纤耦合造成的损耗。对制作的结型腔，我们测量了相关的几何参数与光学特性，由光谱图得到结型腔的消光比为8dB，自由频谱宽FSR为3.3nm，Q值为3165。我们还对制作的结型腔进行了封装，文中首次提出使用PDMS对结型腔进行封装以提高结型腔的稳定性，使其在实验室以外的环境中也能实现应用。

我们对制作出的Knot型微纳光纤环形谐振腔进行了温度传感测试，并得到了126pm/°C（46°C到56°C范围内）的敏感度。我们还对如何提高结型腔敏感度的问题进行了探讨，结果发现微纳光纤的直径越与敏感度密切相关，直径越细，结型腔对温度的敏感度越高。

关键词：微纳光纤、结型腔、PDMS封装、温度传感

ABSTRACT

Micro-nano optical fiber plays an important part in modern communication system and sensing technology. With the development of technology, there is an increasingly demand for miniature photonic device based on microfiber. Microfiber is widely used in all walks of life due to its outstanding characteristics such as small size, low loss, and the light transmitted outside the fiber core as evanescent waves. And microfiber resonator which is made on the basis of microfiber show extraordinary talents even more, especially in optical sensing, lasers, and nonlinear resonators. So it has very important practical significance in how to make microfiber resonator simply and cheap and applying it to sensing detection.

This paper firstly summarized the basic theory of microfiber coupling and the transmission of the optical microfiber knot resonator (MKR), and introduced the main performance indicators of MKR briefly. Then, we elaborated the tapered-drawing technique to fabricate microfiber and how to obtain longer microfiber by the way of reciprocating the fire. To obtain microfiber which suitable for knot operation, we also discussed these questions just like reducing the cone angle, controlling the diameter of microfiber and so on. After the preparation of the right microfiber, we tie a knot. Based on the method of single tapered-drawing, we proposed two tapered-drawing to reduce the loss which caused by microfiber coupling. For MKR we fabricated, we measured its relevant geometric parameters and optical properties. From the transmission spectrum of MKR, we obtained extinction ratio, FSR, and Q factor of the resonator are 8dB, 3.3nm and 3165 at the wavelength around 1550nm. In this paper, we proposed using PDMS to encapsulate MKR in order to improve its stability for the first time, so that it can be applied in the environment outside of laboratory.

At last, we tested the temperature sensing properties of MKR which we fabricated, and the sensitivity of it can reach to 126pm/°C (at the range of 46°C to 56°C).We also discussed the question of how to improve the sensitivity of MKR and find out that the sensitivity of microfiber is closely related with diameter, the thinner diameter is, the higher sensitivity to temperature MKR has.

Keywords: microfiber, MKR, PDMS encapsulation, temperature sensing

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外研究动态 3

1.2.1 微纳光纤的光场传输 3

1.2.2 微纳光纤的制备方法 4

1.2.3 微纳光纤环形谐振腔的研究 5

1.3 本课题意义及主要内容 7

第2章 Knot型微纳光纤环形谐振腔基本理论 9

2.1 微纳光纤的耦合理论 9

2.2 微纳光纤环形谐振腔传输理论 10

2.3 微纳光纤环形谐振腔的主要性能指标 11

第3章 微纳光纤及Knot型微纳光纤环形谐振腔的制作 13

3.1 实验材料与设备 13

3.1.1 实验材料 13

3.1.2 实验设备 13

3.2 长微纳光纤的制作 13

3.3 Knot型微纳光纤环形谐振腔的制作 18

3.3.1 结型腔的制作 18

3.3.2 结型腔几何参数的表征 20

3.3.3 结型腔光学特性测量 22

3.3.4 结型腔的封装 23

第4章 Knot型微纳光纤环形谐振腔温度传感实验 25

4.1 温度传感器及实验装置 25

4.2 实验结果分析 26

第5章 总结与展望 28

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

光通信是指以光作为信息载体的一种通信方式。自从1960年梅曼制作出第一台红宝石激光器^[1]，1966年，高琨、霍克曼发现每公里能量衰减小于20分贝的光纤能够满足通信光纤的要求^[2]，可实现光信号传输，人们开始致力于光通信技术的研究，通信领域逐步进入光纤通信时代。

在层出不穷的新技术的推动下，光纤通信以迅猛的速度不断发展。从1970年，美国康宁公司首次成功研制出石英光纤起^[2]，人们在光通信技术方面的研究成果接踵而来，光纤通信也越来越接近于商用化。短短几十年间，光纤通信技术的普及与发展极大地促进了人类社会信息化建设。然而随着光纤传输容量的不断提高，器件尺寸的不断下降，工业发展速度已经很难符合摩尔定律的要求，传统电信号处理设备开始面临“电子瓶颈”的限制。为了打破这种局限，人们展开了全光信号处理研究的热潮。全光通信网络是指信息在源节点和目的节点之间的传输与交换完全在光域中进行^[2]。这种完全采用光波完成信息传输与交换的宽带网络避免了“电子瓶颈”限制，使得通信得以向大容量的方向发展。在此背景之下，学术界、工业界都开始盛行起对微型光学器件的研究热潮。其中光学微腔由于其内部的光与物质作用强、品质因子高、谱宽窄、体积小、振荡阈值低^[3]等一系列突出优势受到了人们青睐。

光学微腔起源于大型光学谐振腔。光学谐振腔可以使光在其中来回振荡，从而提供光能反馈^[4]。而光学微腔是指尺寸在几微米至几百微米的光学谐振腔。它可以将光子束缚在微米或亚微米量级的区域中。由于尺寸减小了很多，光学微腔很符合集成光学对光学器件小型化、集成化的要求，并且具有许多大型光学谐振腔不具有的特点。近年来，无论是从理论还是到实验领域，光学微腔都引起了极大的关注，并取得了长足的发展，有的甚至被广泛应用于光通信器件、传感器^[5]、激光器、非线性光学等诸多领域^[6]。因此，研究光学微腔是一件很有意义的事。