光学谐振腔是最基本的光子学元件之一，在微纳光子学领域得到了广泛而深入的研究[61]。由于微纳光纤制备和操作简单，可通过光纤拉锥与单模光纤直接相连，使得光信号的输入和输出非常方便，并且通过微纳光纤间的耦合可以直接在闭环结构中形成有效的光循环和共振，目前研究者们已经研制成多种基于微纳光纤的谐振腔。

(1) 微纳光纤圈型谐振腔(microfiber loop resonators)

2005年，M. Sumetsky等报导了将微纳光纤绕圈形成谐振腔的方法[62]。所用的微纳光纤直径沿轴向缓慢变化，最细段的直径约0.66 mm，长度约1 mm。微纳光纤的两端均通过拉锥与单模光纤相连，通过光学显微镜下的微纳操作形成微纳光纤的圈型结构，如图4a所示。图中的虚线框内为耦合区，由互相紧贴的微纳光纤形成。从左边的单模光纤中通入宽带光，则光传播至耦合区被分为两路，一路沿着光纤圈继续传播，另一路直接耦合至输出端。若光的波长满足谐振条件时，大部分能量沿着光纤圈反复绕行，只有很少的能量被耦合至输出端，形成透射谱中的极小值并在该波长处实现光学共振。

依靠耦合区的静电力、范·德华力和摩擦力，微纳光纤圈能够保持其结构。谐振腔的自由光谱区取决于微纳光纤圈的大小，而谐振峰的形状则与耦合区的耦合系数有关。通过精细调节光纤圈的尺寸可改变谐振腔的自由光谱区和谐振峰的形状，如图4b所示，其中透射谱(a)对应的品质因数Q约15 000。在随后的研究中，M. Sumetsky等改进实验参数，在类似结构中得到了品质因数达95 000的微纳光纤圈型谐振腔[63]。

图4 (a) 微纳光纤圈型谐振腔示意图。氧化硅微纳光纤由CO2激光烧融单模光纤经过拉伸而得到，两端均通过拉锥与单模光纤相连。一根单模光纤固定，而另一根粘于三维位移台上。通过调节三维位移台，可在光学显微镜下形成微纳光纤圈型结构。(b) 调节三维位移台而得到的微纳光纤圈型谐振腔的透射谱。透射谱(a)到(e)对应的自由光谱区分别为92 GHz、97 GHz 、119 GHz、119 GHz、146 GHz[62]。

在上述结构中，微纳光纤圈型结构通过耦合区的相互作用力维持，易于受外界干扰，不够稳定。2007年，郭欣等报导了一种将微纳光纤绕于500 mm直径的铜棒上形成圈型谐振腔的方法[64]，稳定性大大增强，如图5a所示。由于铜在可见光和近红外波段的复折射率实部很小，可看做有损耗的低折射率材料，可以有效支撑光在微纳光纤中的传输，但是增加了一定的传输损耗。图5 b 给出了该结构的典型谐振透射谱，可以看到，虽然铜棒支撑增加了一定的传输损耗，但是仍然可以得到很好的谐振效果。另外，除了稳定性增加以外，绕于铜棒上的圈型谐振腔可以通过精确调节微纳光纤耦合区的重叠长度实现消光比约30 dB的临界耦合，并且，可通过铜棒通电膨胀调节圈型谐振腔的腔长。
                    

图5 (a) 绕于铜棒上的氧化硅微纳光纤圈型谐振腔示意图；(b) 典型的谐振透射谱[64]。

2008 年，吴宇等将微纳光纤绕在表面均镀有低折射率高分子材料(n=1.378)的氧化硅棒和压电陶瓷棒上[65]，微纳光纤在氧化硅棒和压电陶瓷棒间的重叠部分构成耦合区，如图6所示。通过电压改变压电陶瓷棒的直径，实现了圈型谐振腔腔长的调节。这些改进的微纳光纤圈型谐振腔增加了器件的稳定性，使得诸如耦 合、自由光谱区等器件参数实现可控调节，增加了器件应用的灵活性。
                                    

图6 通过压电陶瓷棒改变绕于氧化硅棒上的微纳光纤圈型谐振腔腔长的示意图。谐振腔由绕于氧化硅棒上的微纳光纤组成，耦合区由绕于氧化硅棒上微纳光纤的重叠部分构成。

(2) 微纳光纤结型谐振腔(knot resonators)

微纳光纤结型谐振腔也可看做是圈型谐振腔的一种改进，其典型结构如图7所示，相比于圈型谐振腔，结型腔在耦合区通过微纳光纤互相缠绕而形成，增加了微纳光纤间的摩擦力，从而增加了器件的稳定性。
                                    

图7 结型谐振腔的结构示意图。条纹线部分表示耦合区。

2003 年，童利民等使用950nm直径的微纳光纤打成一个直径为75mm的结，在1550nm波长处获得了品质因子为1500的谐振响应[12]。其后，姜校顺等使用直径为1-3 mm的微纳光纤，将结型谐振腔的品质因子提高到 10000以上[66]。微纳光纤在结区较强的相互作用力使得器件的稳定性较强， 在拉拽微纳光纤的一端而改变谐振腔大小的过程中依然能够保持良好的谐振特性，而且谐振腔可以在低折射率衬底表面或液体环境中稳定工作。

(3) 卷型谐振腔(coil resonators)

如果说Fabry-Perot腔和环形谐振腔分别是一维和二维谐振腔，那么卷型谐振腔则是三维结构的谐振腔。微纳光纤卷型谐振腔由多圈微纳光纤间通过倏逝波耦合而形成，如图8所示。若微纳光纤的直径较细，则相邻两圈微纳光纤外的倏逝场将发生交叠和耦合。当光沿着微纳光纤圈传播时，通过倏逝场可以逐渐耦合到相邻的光纤圈内，从而光的能量一边在光纤圈内绕行，一边在相邻的光纤圈间传递，传播方向如图8所示。当谐振条件满足时，最外的两个光纤圈相当于Fabry-Perrot腔的两个腔镜，光被约束于光纤圈内和圈间。
                                     

图8 微纳光纤卷型谐振腔示意图。微纳光纤被绕于低折射率的介质棒上。当谐振条件满足时，光一边绕圈传播，一边在相邻光纤圈间发生能量传递，右图表示能量的传递方向。

2004年，M. Sumetsky 首先在文献[67]中提出微纳光纤卷型谐振腔结构，并用耦合波方程分析了两圈和三圈结构的谐振特性。随后，他又较为详细地分析了这种谐振腔的本征模式[68]，指出微纳光纤圈间的耦合在较弱和较强情况下，卷型谐振腔分别对应于侧向耦合的谐振腔列 (SCISSOR) 和耦合谐振腔光波导(CROW)。随后， 徐飞等分析了不同形状的卷型谐振腔的允差特性[69]，M. Sumetsky和徐飞等分别将微纳光纤卷型谐振腔埋入低折射率的液体和高分子介质中[70,71]，演示了该类谐振腔的谐振特性。

（未完待续）

（本文原创，作者清华大学李宇航博士，授权发布，如若转载，请注明出自e科网）

如若转载，请注明e科网。

如果你有好文章想发表or科研成果想展示推广，可以联系我们或免费注册拥有自己的主页