圆球微腔对水蒸汽的敏感特性仿真实验研究

　　0　引言

　　近些年来,光学微腔以其极高的品质因数,在高灵敏传感器中的应用研究受到了越来越多的重视。在圆球微腔中光是按照“回音壁”模式传播的,基于此传播模式的微腔是一种高Q值微型腔。光波在腔内的弯曲界面传播时,会发生全反射,从而形成沿界面半波长范围内传播的高Q值模式,称之为回音壁模式[1],也正因为如此,腔内的能量只有很小的一部分会泄露出腔体之外造成损失。因此,光学圆球微腔有很高的品质因数。

　　光波是以一种“倏逝波”的方式传播进入圆球微腔的[2]。倏逝波的产生可利用多种耦合器,例如:耦合棱镜、侧抛光线等。锥形光纤作为一种便于加工的高效率的耦合器件,得到了广泛应用。锥形光纤的加工采用熔融拉锥的方法制备得到。耦合过程中的倏逝波传播很容易受到周围环境的影响,包括本文考虑的湿度环境。本文研究了圆球微腔在水蒸汽传感器上应用的可行性,通过测试在有/无水蒸汽的两种气室环境下,圆球微腔透射光谱的变化来对气室中水蒸汽浓度进行传感测试。给出了仿真结果和详细实验过程、步骤,最后给出测试结果。

　　1　原理

　　光在普通单模光纤中的传播是通过在界面处不断的全反射来进行的。当把普通光纤拉制成锥形光纤时,在锥区就破坏了全反射条件,光通过锥区的时候就会泄漏出来。用三维压电驱动的微位移调节台控制圆球微腔的位置,使其赤道平面靠近锥形光纤,当最近距离接近1μm甚至更小的时候,光便以倏逝波的形式耦合进入到圆球微腔。进入到微腔后的光波会在微腔界面处形成全反射并以“回音壁”模式传播(回音壁模式就是连续的全反射传播模式)[3]。当耦合进入到微腔的光波波长λ满足:L=kλ(k为整数)时,就能在微腔内形成此波长光的共振叠加增强。当在锥形光纤的另一端对称放置另外一个锥形光纤时,就能在其输出端获得此波长的共振谱线[4]。由于k是整数,因此当对输入的激光进行频率(波长)扫描的时候就能在输出端获得一系列的共振谱。耦合过程中的倏逝波传播很容易受到周围环境的影响。基于圆球微腔的传感器所应用的主要原理就在于此。本研究的测试对象———水在近红外有很强的吸收光谱,根据此特性,可在加工好圆球微腔后,实现微腔与锥形光纤的耦合,得到没有水蒸汽(或者水蒸汽含量很少)的条件下的传播光谱。然后与在相同耦合条件下(相同耦合距离、相同尺寸的微腔)进行有水蒸汽测试,从而得到两组不同的谱信号。由于水分子对1 550 nm通信波段的红外光波具有较高的吸收效率,激光光源的可调谐波长范围选择1 520~1 570 nm。

　　2　软件仿真