撰文｜高峰
导读
回音廊模（WGM）微腔不但具有模式体积小，高Q值，从而具有低非线性域值等优点，而且具有制备材料广泛和便于集成的特点。作为一种重要的微纳光学研究平台，在近十余年来受到广泛的关注。为使光有效地耦合进入WGM微腔，通常人们希望其工作在临界耦合状态。这种状态具有几乎100%的耦合效率，但是对耦合距离（光纤或波导与微腔的间距）具有双向不稳定性，耦合距离过大过小都会引起耦合效率的下降。在高Q值WGM微腔的情况下，百余纳米的偏移会造成耦合效率的明显变化。这种“刀尖”上的工作状态对于研究和片上集成都是一个麻烦，同时也使得微腔滤波器的带宽调节过程中效率变化过大而使可调滤波器的应用价值大打折扣。南开大学的高峰副教授及其研究小组采用损耗补偿的方法，一方面使耦合过程对于耦合距离不再过度敏感，在保证高效滤波的同时，又具有对耦合距离的单调性，另一方面，使耦合过程中单纯的带阻滤波扩展到具有带通滤波特性，同时使稳定的耦合区间增大到1微米之上。为其进一步研究和应用提供了便利。
WGM微腔的准临界耦合是研究应用中经常采用的一种工作状态，外部输入光可以几乎全部耦入微腔，在光谱上表现为100%的带阻滤波。这一状态地耦合距离的不稳定根源在于临界耦合要求微腔对光纤或波导通道的耦合损耗等于微腔的内部损耗，但是前者对位置敏感，呈指数变化，后者仅与微腔的材料、表面光滑程度、曲率等自身因素相关。特别是在高Q微腔的情况下，微腔内部损耗非常小，所以要达到临界耦合对耦合距离的控制就越发地高。这实际上对于高Q微腔的集成与封装的过程要求提出了更高的要求。同时，在外界环境变化，比如振动或温度变化引起耦合距离产生相应变化时，也会使耦合效率发生很大的改变。在大多数的应用与研究中，这是需要克服的一个缺点。所以研究者在实验中，通常需要引入微纳平移台来精确控制，而在应用中，则采用高精度控制下的集成或封装。
注意到临界耦合不稳定的根源在于微腔的内部肺损耗与耦合距离不相关，南开大学物理科学学院的高峰研究团队，首先通过引入光纤高阶模，作为WGM微腔的一个额外损耗通道，来调控微腔的损耗平衡。这种配置在实现了光纤模式转换的同时，也为微腔引入了带通滤波特性[1]。从原理上说，它等效于一个共享同一物理载体的ADD/DROP Filter。更为重要的是，对于光纤中传输的基模，这一额外损耗通道相当于在腔的内部损耗上附加了一个与耦合距离相关的损耗，可以在一定程度上平衡耦合距离引发的临界耦合条件的改变。为了区别临界耦合，研究者称其为准临界耦合。
在准临界耦合的状态下，耦合的稳定性不但如期得到了增强，而且耦合效率最高时耦合距离为零，即光纤或波导贴紧WGM微腔的位置，这实际上提供了额外的支撑，更加有利于微腔的稳定；另一方面，作为补偿的损耗通道具有带通的特性，同样具有稳定性[2]。
这种具有带通滤波的稳定耦合最直接的一个应用就是窄线宽可调谐激光器：光纤结构的带通滤波器是环形腔激光器的一个非常重要的器件，而稳定的耦合效率会得到非常稳定的激光输出，即使微腔与光纤结构没有进行封装[3]。
众所周知，耦合距离的变化会影响带宽，所以这种配置提供了非常方便的高效带宽可调滤波器方案：因为耦合效率基本不变，所以滤波器的效率在调整带宽的过程中也会非常稳定，实验中实现了十几MHz至300MHz之间，具有相对稳定效率的滤波[4]。
将光纤/波导高阶模作为补偿通道实现准临界耦合虽然稳定性得到了一定增强，但是，稳定的耦合距离，即研究者定义为耦合效率在最大值的95%以上这一区间，仍然在几百纳米区间。如何将其提升到微米的量级是一个重要的问题，它关系到在集成工艺中，我们能不能利用光刻与激光直写来加工制备耦合的波导。耦合稳定性的进一步提高，我们把注意力放在模式对微腔耦合的衰减率上。高阶模与基模的倏逝场衰减率并不相同，这会造成当耦合距离变化时，两者的耦合损耗会产生走离而使临界耦合条件破坏。究其根本而言，是因为高阶模与低阶模的模场在空间并不重合。所以，我们利用模场重合的两个正交偏振的矢量模，将其中一个作为输入模式，另一个作为补偿模式，从而得到了理想状态下稳定性增强，达到1微米之上。特别说明的是，这种配置虽然是偏振模，但是该配置对于偏振实际上存在一定的可容性，略微变化的偏振不会影响稳定性[5]。
表1：临界耦合，标量模准临界耦合以及矢量模分量准临界耦合的比较
图1:损耗补偿的准临界耦合应用。图1A为准临界耦合的基本配置，额外的损耗补偿模式是其根本的特征。图1B与图1C是其在可调带阻带通滤波方面的应用[1,2,4]，我们可以看出，在通过调整耦合间距调整带阻带通滤波带宽的过程中，在相当的区间内耦合的效率基本上不变；图1D图1E是其在可调窄线宽激光器方面的应用[3]，图1D是配置图，通过一个光纤布拉格光纤光栅（FBG）辅助选模，图E的右上和右上图分别为百微秒量级以及秒量级的归一化光输出功率，左下为波长调谐，而右下对应激光的线宽。
图2：矢量模分量准临界耦合的配置及不同偏振角度下的稳定性。可以看到明显的稳定耦合间距大于1微米[5]。
南开大学高峰研究团队提出的准临界耦合概念和配置可以获得回音廊模微腔耦合稳定性的增强，最新的研究表明，对于高Q微腔，其相对耦合距防的稳定区间可以增大到1微米之上；在此基础上，实现了带宽可调谐同时效率基本稳定的窄带带通带阻滤波器，以及输出功率稳定的超窄线宽激光器。总之，准临界耦合效应给微腔的稳定耦合提供了一个新的思路，使得微腔耦合在非固定式封装的过程中获得稳定性的增强，对于微腔可调滤波器的研究以及应用打下了良好的基础。
参考文献
[1]Ligang Huang, Xiaobo Song, Pengfa Chang, Weihua Peng, Wending Zhang, Feng Gao, Fang Bo, Guoquan Zhang, and Jingjun Xu, “All-fiber tunable laser based on an acousto-optic tunable filter and a tapered fiber”, Opt. Express Vol. 24, Issue 7, pp. 7449-7455 (2016).
[2]Xiaoting Li, Pengfa Chang, Ligang Huang, Feng Gao, Wending Zhang, Fang Bo, Guoquan Zhang, and Jingjun Xu, “Quasicritical coupling in a few-mode tapered-fiber coupled whispering-gallery-mode system”, Phys. Rev. A 98, 053814(2018).
[3]Ligang Huang,* Pengfa Chang, Xiaoting Li, Wending Zhang, Yujia Li, Feng Gao,** Fang Bo, Lei Gao, Wei Huang, Min Liu, and Tao Zhu, “All-fiber narrow-linewidth ring laser with continuous and large tuning range based on microsphere resonator and fiber Bragg grating” Opt. Express. Vol 26 (25), 32652-32661(2018).
[4]Xiaoting Li, Pengfa Chang, Ligang Huang, Wending Zhang, Feng Gao*, Fang Bo, Guoquan Zhang, and Jingjun Xu, “Feasibility of quasicritical coupling based on LP modes and its application as a filter with tunable bandwidth and stable insertion loss,” Opt. Express Vol. 27, Issue 16, pp. 23610-23619 (2019).
[5]Pengfa Chang, Botao Cao, Feng Gao*, Ligang Huang, Wending Zhang, Fang Bo, Xuanyi Yu, Guoquan Zhang, and Jingjun Xu**, “Enhance stable coupling region of a high-Q WGM up to micrometer,” Appl. Phys. Lett. 115, 211104 (2019).
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