高效率光学微谐振器实现光在芯片内部更持久的循环
科罗拉多大学博尔德分校的研究团队成功研制出一种性能卓越的光学微谐振器，为新型传感器技术的开发铺平道路。作为一种微型器件，微谐振器能够在极小空间内捕获光波并增强其强度，达到特定阈值后，研究人员便可实现对光的精准操控。
“这项研究的关键在于降低未来应用中所需的光功率。”该论文的主要作者Bright Lu指出，“从导航系统到化学品识别，这些微谐振器都有望成为未来各类传感器的重要组件。”
这项研究成果已发表于《应用物理快报》。研究人员专注于“赛道型”微谐振器，其命名源于其细长的外观，形似田径跑道。
在设计中，团队引入了“欧拉曲线”——一种在道路和铁路工程中广泛应用的平滑过渡曲线。正如汽车无法在高速下完成直角转弯，光波同样难以在急转弯处顺畅通过。
“这类曲线结构有效减少了光在弯曲区域的能量损耗，”电气工程谢泼德教授、该研究的联合导师朴元解释道，“这是整个项目最核心的技术突破。”
借助这种优化的光路设计，研究人员成功降低了光子在腔体内的损耗，使光在器件内部循环时间更长，增强了光子间的相互作用。
Lu强调，如果光子在谐振腔内损耗过大，就无法达到所需的光强，从而影响整个器件的工作性能。
纳米级制造推动光学器件发展
这些微型谐振器通过科罗拉多纳米制造与表征共享仪器（COSINC）洁净室内的先进电子束光刻设备制成。该实验室提供了一个高度可控的环境，能够实现微米尺度的高精度加工，确保器件的稳定性。
光学与光子器件的尺寸通常远小于纸张宽度，因此即使是微小的颗粒或表面缺陷，也可能对光的传播路径造成干扰。
“传统光刻方法受限于光的波长，”Lu解释说，“而电子束光刻则突破了这一限制，使亚纳米级结构的制造成为可能，这对微谐振器的性能至关重要。”
对于Lu来说，亲自参与制造流程是整个研究中最令人感到成就的部分。
“无尘室的环境非常特别。你操作精密设备的同时，还能观察到微米级别的结构。将一块玻璃薄膜转变成一个完整运作的光学电路，这种体验极具成就感。”
在制造过程中，研究团队还采用了一种特殊材料——卤素化合物，这类材料广泛用于高性能半导体玻璃。
朴元教授表示：“卤素化合物因其高透明度和显著的非线性特性，是构建高性能光子器件的理想选择。我们的研究展示了这类材料在微谐振器中应用的卓越表现。”
这种材料的高透光性使其能够支持器件内部所需的高强度光子操作。不过，处理这类材料并非易事，需要在性能与可制造性之间做出权衡。
“虽然卤素化合物在光子非线性器件中具有巨大潜力，但其加工难度也较高，”与朴元教授合作十余年、来自电子与计算机工程领域的朱丽叶·戈皮纳特教授表示，“我们的成果表明，通过减少弯曲损耗，可以实现接近无损的器件性能，甚至可与传统材料平台相媲美。”
微尺度下的光学测量
微谐振器制造完成之后，研究由物理博士生James Erickson主导的激光测量部分继续推进。他精确地将激光与微波导对齐，实现了对光子进出器件的精准控制，并同步监测器件内部的光学行为。
研究人员关注的是透射光谱中出现的“凹陷”——这标志着光子被谐振腔捕获并形成共振。通过分析这些光谱特征，可以提取出包括吸收系数和热响应在内的关键参数。
“共振峰的形状是衡量器件质量的直观指标。我们希望看到的是一种深而窄的信号，就像针尖一样穿透背景噪声，”Erickson解释道，“当我们看到新器件中出现的清晰共振，就知道我们成功了。”
他补充说，构建高性能器件需要对透射和吸收光量有精确控制。尤其是在增加激光功率时，必须密切关注热效应，以防止器件过热损坏。
“大多数材料的光学响应都会因温度变化而改变，”Erickson指出，“这意味着器件在运行时的行为会受到热漂移的影响。”
展望未来，微谐振器有望应用于集成式微激光器、高灵敏度化学和生物传感器，甚至在量子计量和光量子网络中发挥关键作用。
“当前许多光子器件，如激光源、调制器和探测器，正处于开发阶段。像我们这样的微谐振器，将为这些组件的集成提供桥梁，”Lu表示，“最终的目标是开发出一种可由制造商大规模复制的标准化器件。”
应用物理快报（2026年）。DOI：10.1063/5.0305459