1. 研究目的与意义（文献综述）
随着5G技术的飞速发展，光纤通信在5G网络中承载着重要的作用，而高集成度、低阈值的微型激光器是当代信息通信技术中最理想的光源，可广泛应用于光互连、光信息处理等方面。微型激光器的核心部分是微谐振腔，高性能、小尺寸的光学微腔是很好的选择。光学微腔是一种将光场限制在很小的空间区域内的光学器件[1]，根据光场分布的不同可以分为F-P微腔、光子晶体微腔、回音壁模式微腔，其中回音壁模式微腔是近20年来微腔领域研究的热点。这种光学微腔是一种尺寸为微米量级的圆对称光学振荡器，光在弯曲腔体表面传播时发生全反射，当光波绕腔面传播一周的光程等于波长整数倍时，会激发出等距分立的共振模式，这种模式就是回音壁模式(WGM)[2-3]。WGM微腔的最大特点是具有超高的品质因子和较小的模式体积，能够极大的增强光与物质的相互作用。得益于其优良的性能，WGM微腔在窄带光学滤波器、生物纳米传感、低阈值激光器、非线性光学、腔量子电动力学、量子光机械效应等领域有着广阔的应用前景[4-8]。
WGM微腔的高Q值和小模式体积特性，使得超低阈值和超窄线宽微腔激光器成为了可能。将增益介质掺杂、注入或涂覆到微腔中，可以进一步提高微腔的性能。其中，稀土元素掺杂的方法具有掺杂浓度可控、制备方法简单和性能稳定的优点。早在1996年，Sandoghdar小组利用掺钕的玻璃熔融制备出了Q值高达108的微球腔，通过与高折射率棱镜耦合，在液氮温度下实现了1060~1090nm附近的多模激光输出，阈值为200nW[9]。与其他稀土元素相比，铒离子发光波段包含通信窗口，因此掺铒微腔激光器受到了很多研究者的关注。2000年，加州理工的Vahala小组利用铒镱离子共掺磷酸盐玻璃微球腔与拉锥光纤耦合，实现了1550nm附近通信波段的激光输出，其阈值低至60μW，单模激光的出射功率为3μW[10]。2003年该小组采用溶胶－凝胶法在微球腔表面涂覆了一层掺铒薄膜，获得了阈值仅有28μW的激光器，通过改变掺杂浓度和薄膜厚度，进一步实现了连续激光和脉冲激光的出射[11]。2008年，肖云峰等人利用涂覆有铒镱磷酸盐玻璃薄膜的光纤制备了Q值为107的微球，在1040nm波段和1550nm波段观察到了单模和多模激光，阈值为30μW[12]。2013年，南京大学的肖敏团队利用掺铒的二氧化硅薄膜，采用光刻技术在硅片上制备了阈值仅为4.8μW的微球腔激光器[13]。传统的溶胶－凝胶法制备过程复杂，在此过程中会出现裂纹和缺陷，使得微腔的Q值严重恶化。2018年，朱松等人提出了一种改进的掺杂方法[14]，将光纤浸入铒离子溶液中，用其制备出了Q值在108以上微瓶腔，并利用氧化铁纳米颗粒的光热效应，实现了4.4nm范围的全光调谐，这种改进的掺杂工艺避免了样品易开裂和制备方法复杂的缺点，能够得到掺杂浓度可控的超高Q值微腔。
2. 研究的基本内容与方案
2.1研究的基本内容
（1）介绍wgm微腔的基本概念，阐述掺入增益物质微腔激光器的研究进展。从理论上求解微球腔回音壁模式，推导其特性参数计算公式，介绍wgm微腔的耦合理论。
（2）介绍掺铒微球腔和微纳光纤的制备工艺，并对其性能进行测试。将微球腔与光纤环路结合，搭建超高q掺铒微腔激光器的实验装置，对激光器的输出结果进行实验分析。
3. 研究计划与安排
2019年12月—2020年2月
查阅掺铒微腔激光器有关文献，熟悉微腔激光器的结构和研究进展，确定设计方案，完成开题报告。
2020年3月
4. 参考文献（12篇以上）
[1] vahala k j. optical microcavities[j]. nature 2003, 424 (6950): 839-846.
[2] yang k. y, oh d. y, lee s. h, et al. bridging ultrahigh-q devices and photonic circuits[j].nat. photonics 2018, 12: 297.
[3] jiang x. f, shao l. b, zhang s. x, et al. chaos-assisted broadband momentum transformation in optical microresonators[j]. science 2017, 358: 344.
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