封装式超高Q值二氧化硅空心微棒回音壁模式谐振器：模式简化推动非线性光子学应用

本刊推荐：本文通过优化CO2激光加工技术，成功研制具有超高Q值（～109）的空心微棒回音壁模式谐振器（WGMR）。通过仿真与实验验证，减小谐振器轴向宽度并增大边缘曲率可有效抑制高阶模产生，配合自主设计的封装系统实现了锥形光纤的稳定耦合，并在克尔-拉曼光频梳（Kerr–Raman comb）生成中展现应用潜力，为非线性光子学和量子信息领域提供了重要技术支撑。

　　

Simplified analysis of the resonance mode

为简化分析，我们将微棒谐振器视为厚度为H、半径为R的微盘结构。图1展示了谐振器的截面示意图及坐标系。

采用椭圆方程描述谐振器边缘形态：

（公式此处以文本形式呈现）

其中a、b为常数，b/a值越大代表边缘曲率越大。微盘内部电磁场可通过求解麦克斯韦方程得到，仿真结果表明：减小谐振器轴向宽度并增大轴向截面曲率，可有效抑制谐振器内高阶轴向模式的产生。

Manufacturing of ultrahigh-Q-factor silica hollow resonators

传统加工方法需在退火过程中加热谐振器顶部（图4d）以形成超光滑表面，但这会降低表面曲率并增加轴向宽度，导致额外谐振模式产生。为保持大曲率表面，我们通过Z轴升降平台下移CO₂激光焦点位置（图4e），在避免顶部过度熔化的同时精准控制边缘形态，最终成功制备出Q因子达10⁹量级的超薄壁空心微棒谐振器。

Package of microrod resonators

锥形光纤耦合系统虽效率高，但易受环境湿度和颗粒污染影响。我们为此设计了专用封装模块（图7），其内部结构可稳定固定谐振器与锥形光纤，外部尺寸紧凑（图7d）。该封装能有效维持耦合状态的长期稳定性，为后续光学实验提供可靠环境。

Kerr–Raman combs

为验证谐振器的应用性能，我们采用封装后的微棒谐振器生成克尔-拉曼光频梳。实验系统如图10(a)所示：可调谐连续波激光经偏振控制器进入掺铒光纤放大器（EDFA）放大，再通过锥形光纤耦合至谐振腔。当泵浦功率达到阈值时，谐振腔内即可观察到由克尔效应和受激拉曼散射协同作用产生的宽谱光频梳。

Conclusion

本研究通过改进CO₂激光加工技术，成功制备出具有超高Q因子和简洁模式谱的空心微棒谐振器。仿真与实验均证明，通过调控谐振器边缘形态可有效抑制高阶模式，封装设计则显著提升了系统稳定性。该谐振器在光频梳生成等非线性光子学应用中展现出重要潜力。