利用薄金属膜在球形微谐振器中选择“低声讨论区”模式

《Optics & Laser Technology》：Selection of whispering gallery modes in a spherical microresonator using a thin metal film

微球共振器通过薄金属膜涂层实现径向模式选择，在1490-1630nm范围内激发单模光纤taper，降低共振密度达100倍，获得低背景Fano型共振谱，Q值1.7×10^4。该技术可同时实现模式清洁和Fano共振，适用于光纤激光谐振腔滤波器和高灵敏度传感器

　　微球微谐振器在现代光子学中占据着核心地位，因其能够通过全内反射实现对光的极强束缚能力而闻名。这些微谐振器支持所谓的“耳语廊模式”（Whispering Gallery Modes, WGMs），当光在微球内部完成多次往返后，通过相位干涉形成共振，从而在谐振腔内积累大量循环的光学功率。微球谐振器是各种轴对称微谐振器中结构最简单的，包括球体、圆盘、环形、瓶状等。由于光在微球表面附近被极强束缚，因此它们的基模具有极小的模式体积，从而增强了光与物质之间的相互作用。微球谐振器的高品质因子（Quality Factor, Q）通常超过 $10^6$，这使其适用于多种应用，包括高灵敏度传感器、低阈值激光器、窄带滤波器和非线性光学。

为了克服传统微谐振器在模式选择方面存在的挑战，研究人员已经开发出多种关键技术。这些技术的核心目标是通过抑制大量模式的激发，实现“光谱清洗”效果，即减少共振密度，从而使得单个模式更容易被识别。例如，通过结构刻蚀技术可以实现对特定模式的增强，而通过微结构光纤中磁流体渗透的方式则实现了“WGM纯化”。此外，通过调整耦合点在轴向的位置，可以优化微谐振器与激发元件（如光纤锥）之间的耦合状态。这种优化可以减少耦合元件与谐振腔之间模式的重叠，从而改善光谱特性。对于微球结构，微结构的微沟槽刻蚀和聚焦离子束加工技术也被用于抑制高阶模式的激发，进而减少光谱密度。

然而，这些方法在实际应用中仍面临一定的局限性。例如，微谐振器的制造误差，如纳米级表面粗糙度或与理想球体的偏差，会导致高阶模式的分裂，并引入散射损耗，从而降低观察到的 Q 因子。此外，使用小尺寸微谐振器需要复杂的实验装置，这限制了其在实际应用中的推广。因此，研究人员尝试采用新的方法，通过引入吸收效应来实现特定模式的激发与抑制。例如，利用微球表面的金属薄膜，通过其对特定模式的吸收特性，实现模式选择。这种技术在实验中得到了验证，即通过将薄金属膜沉积在微球的特定位置，使其与所选模式的电场节点重合，从而实现对其他模式的抑制。

实验中采用的微球直径为 156 微米，其外层为硅基材料，厚度为 1.644 微米，内层为镍材料，厚度为 3 纳米。通过磁控溅射沉积技术实现了这些涂层的制备。微球的激发使用单模光纤锥，其腰径为 1 微米。当光纤锥与微球的耦合位置处于其腰径中心时，可以实现“倒置”光谱，即通过模式之间的干涉形成对比峰值，并减少背景光强。实验结果显示，这种配置可以实现模式清洗效果，即共振密度减少到原来的 100 倍，同时形成具有低背景和窄峰的倒置光谱，侧峰抑制比为 2.2 dB。此外，观察到偏振依赖性，即在峰值处，倒置光谱与非倒置光谱之间存在 2.2 dB 的差异。

这种技术的实现不仅提高了微球的 Q 因子，还显著增加了总损耗，约为原来的两个数量级。尽管如此，该方法在实际应用中具有重要价值。例如，它可用于制造光纤激光器的窄带滤波器，以及用于光学辐射或交流电的高灵敏度传感器。通过这种方式，研究人员能够在不改变自由光谱范围（Free Spectral Range, FSR）的情况下控制激发模式的数量，从而优化光谱特性。

在实验中，微球与光纤锥的耦合位置被调整到不同的距离，以观察其对光谱的影响。当耦合位置远离光纤锥的腰径时，非倒置光谱表现出高密度的共振峰，这可能由于大量高阶模式的激发所致。然而，当耦合位置处于光纤锥的腰径中心时，倒置光谱表现出更清晰的共振峰，并且背景光强显著降低。这种现象表明，通过合理设计金属膜的厚度和位置，可以实现对特定模式的抑制和对其他模式的增强。实验还发现，通过改变光纤锥的直径和微球的直径，可以调整光谱特性，例如改变共振峰的密度和背景光强的分布。

此外，实验还通过调整光纤锥与微球的耦合位置，实现了对不同偏振模式的控制。例如，当光纤锥的腰径与微球的表面接触时，TE 模式和 TM 模式的共振峰分别呈现出不同的特性。这种偏振依赖性为设计具有特定光谱特性的微谐振器提供了新的思路。通过改变光纤锥的直径和微球的直径，可以优化模式之间的耦合，从而实现对特定模式的抑制和对其他模式的增强。

在实验过程中，研究人员还对微球的制造过程进行了优化。通过使用 SMF-28e 光纤和 Fujikura FSM-100P 弧焊融合器，可以制造出不同直径的微球，并精确控制和测量其参数。实验中采用的微球直径为 156 微米，其制造过程中通过调整弧焊参数（如电弧功率、电极间距和供料长度）来控制微球的形状。此外，微球与光纤的连接方式也进行了优化，使其在实验过程中更容易被操作和控制。

实验还发现，通过改变金属膜的厚度和位置，可以优化微球的 Q 因子和共振密度。例如，当金属膜的厚度为 3 纳米时，微球的 Q 因子为 $1.7 \times 10^4$，而当厚度为 10 纳米时，微球的 Q 因子显著下降。这表明，金属膜的厚度和位置对微球的 Q 因子和共振密度具有重要影响。此外，通过改变光纤锥的直径和微球的直径，可以进一步优化光谱特性。

实验结果还表明，通过改变金属膜的厚度和位置，可以实现对不同偏振模式的控制。例如，当金属膜的厚度为 3 纳米时，TE 模式的 Q 因子约为 $1.2 \times 10^4$，而 TM 模式的 Q 因子约为 $2.8 \times 10^3$。这表明，TE 模式在 Q 因子方面具有更高的表现，而 TM 模式则表现出更低的对比度。这种偏振依赖性为设计具有特定光谱特性的微谐振器提供了新的思路。

实验中还观察到，通过改变光纤锥的直径和微球的直径，可以调整光谱的特性。例如，当光纤锥的直径为 1 微米时，微球的 Q 因子约为 $1.2 \times 10^4$，而当光纤锥的直径为 2 微米时，微球的 Q 因子约为 $2.9 \times 10^3$。这表明，光纤锥的直径对微球的 Q 因子和光谱特性具有重要影响。此外，通过改变金属膜的厚度和位置，可以进一步优化光谱的特性，例如改变共振峰的密度和背景光强的分布。

实验还发现，通过改变金属膜的厚度和位置，可以实现对不同模式的抑制和增强。例如，当金属膜的厚度为 3 纳米时，微球的 Q 因子约为 $1.7 \times 10^4$，而当厚度为 10 纳米时，微球的 Q 因子显著下降。这表明，金属膜的厚度对微球的 Q 因子和光谱特性具有重要影响。此外，通过改变光纤锥的直径和微球的直径，可以进一步优化光谱的特性，例如改变共振峰的密度和背景光强的分布。

综上所述，该研究通过引入薄金属膜，成功实现了微球谐振器的模式选择。实验结果表明，这种技术不仅能够有效抑制大量模式的激发，减少共振密度，还能实现倒置光谱，从而为高灵敏度传感器和窄带滤波器的制造提供了新的思路。未来的研究方向可能包括进一步优化金属膜的参数和微球的结构，以提高模式选择的精度和效率。此外，探索如何通过调整金属膜的厚度和位置，实现对不同偏振模式的控制，也是值得进一步研究的课题。