高效率光学传感器实现芯片内光子的长周期循环
科罗拉多大学博尔德分校的研究团队开发出一种高性能光学微谐振器，为未来的传感技术铺平了道路。这类微型装置能够捕获并增强光的强度，当强度足够高时，研究人员便可以开展一系列光学操作。
“我们致力于在未来应用这些谐振腔时降低光功率的消耗，”电气与计算机工程领域的四年级博士生Bright Lu表示，“未来，这些微谐振器可被应用于从导航系统到化学识别等多种传感器。”
该研究发表在《应用物理快报》上，研究对象是一种被称为“赛道”型的微谐振器，其细长的外形类似跑道。
研究团队利用“欧拉曲线”优化了光的传输路径——这一曲线常用于道路和铁路的设计。正如车辆无法在行驶中完成急转弯一样，光线也难以在锐角处顺利转弯。
“这种曲线设计有效地减少了光的弯曲损耗，”研究团队的联合顾问、电气工程谢泼德教授朴元指出，“这一设计是本项目的核心创新之一。”
通过平滑地引导光穿过谐振腔，光子的损耗显著降低，从而在设备内循环时间更长，并增强了光子之间的相互作用。
“如果光的损耗过大，微谐振腔就无法达到所需的高光强度，”卢强调，“这会直接影响器件的性能。”
科罗拉多制造的微谐振器
这些微谐振器体积微小，由科罗拉多纳米制造与表征共享仪器设施（COSINC）内的新型电子束光刻系统制造。
该洁净室提供高度洁净和精密的环境，确保了器件在微观尺度下的稳定性与可靠性。
由于许多光学与光子器件的尺寸小于纸张的宽度，因此即使是微小的尘埃或表面瑕疵也可能会干扰光的传播。
“传统光刻依赖光子，且受限于光的波长，”卢解释道，“而电子束光刻则没有这个限制。利用电子束，我们可以实现亚纳米级的结构，这对制造微谐振腔至关重要。”
对卢来说，亲手参与制造过程是一种极具成就感的体验。
“无尘室的氛围非常专业。你操控着精密的设备，还能看到自己制造出的微米级结构。将一块玻璃薄膜转变成一个可运行的光学电路，这种体验非常令人满足。”
研究中的关键突破之一，是采用了“卤素化合物”材料，这一术语涵盖了一类专门用于光学领域的半导体玻璃。
“这类材料具有高透明度和非线性响应特性，是光子学中非常理想的材料，”朴元表示，“我们的研究成果可能是目前基于卤素化合物制造的最先进设备之一。”
这些材料的高透明度有助于维持微谐振腔内部所需的高度光强。然而，它们的加工难度也更高，需要在性能与制造可行性之间取得平衡。
“卤素化合物在光子非线性器件中确实具有挑战性，但同时也能带来巨大回报，”朱丽叶·戈皮纳特教授指出，“我们证明，通过减少弯曲损耗，可以实现接近其他先进平台的超低损耗设备。”
微观尺度下的光测量
微谐振器制造完成后，由物理学博士生詹姆斯·埃里克森主导后续的激光测试工作。他精准地将激光与微波导对齐，确保光能顺利进出器件，同时监测其内部行为。
研究人员通过观察透射光数据中的“凹陷”来判断光子是否在谐振器内形成共振。这些凹陷的形状揭示了如吸收率和热响应等关键特性。
“共振曲线的深度和宽度是衡量设备性能的核心指标，”埃里克森指出，“我们希望这些曲线像针尖一样穿透背景信号，而当我们看到如此清晰的共振曲线时，我们知道目标已经达成。”
他补充说，构建高质量设备需要精确控制光的吸收和透射。随着激光功率的提升，热效应也需要特别关注，因为温度变化可能引发器件性能的波动。
“大多数材料的光学响应会随温度变化而变化，”埃里克森解释，“因此，当器件受热时，其光学特性也会改变，从而影响其功能。”
未来，这类微谐振器有望被用于紧凑型激光器、高精度化学和生物传感器，甚至在量子计量与网络技术中发挥关键作用。
“目前，光子技术的多个基础元件，如激光器、调制器和探测器正在快速发展，而我们开发的微谐振器可以帮助把这些组件连接在一起，”卢表示，“最终目标是开发出一种可以批量制造的设备。”
《应用物理快报》2026年，DOI：10.1063/5.0305459