创新光学微谐振器推动传感器技术发展
研究人员在科罗拉多大学博尔德分校开发出一种高性能光学微谐振器，为下一代传感器技术开辟了新的可能性。微谐振器是一种微型装置，能够在其中捕获并增强光的强度，从而实现更复杂的光操控。
项目的主要作者Bright Lu表示，这项研究的目标是降低未来光学器件对光功率的需求。“微谐振器有潜力应用于多种传感器，从化学识别到导航系统，”他指出。
研究团队在《应用物理快报》上发表的成果中，重点探索了一种“赛道”型谐振器。这种结构因其类似跑道的长条形设计而得名。
研究人员采用了一种被称为“欧拉曲线”的平滑曲线设计，这种曲线在道路和铁道工程中也有广泛应用。“光波就像行驶在弯道上的车辆，无法在急转弯处保持稳定，”联合顾问朴元教授解释道，“我们采用的曲线设计有效减少了光在转弯时的损耗。”
通过减少光在谐振腔内的传输损耗，光子可以在器件内部停留更长时间，从而实现更强的相互作用。若光损耗过高，微谐振器将无法达到所需的高强度操作效果。
科罗拉多的纳米制造技术
这些微谐振器的制造依托于科罗拉多纳米制造与表征共享仪器（COSINC）实验室的电子束光刻系统。该实验室提供高度洁净的环境，有助于实现器件的稳定性。
许多光子器件的尺寸远小于纸张厚度，因此，哪怕是最细微的尘埃或表面缺陷也可能干扰光的传播。“传统光刻受限于光的波长，而电子束光刻则没有这一问题，”Lu表示，“利用电子，我们可以制造出亚纳米尺度的结构，这对我们的微谐振器来说至关重要。”
对于Lu而言，亲手参与制造过程是一大亮点。“在无尘室操作高端设备，看着微米级结构逐步成型，这种体验非常特别，”他说。
研究人员还采用了一类被称为“卤素化合物”的半导体玻璃材料。“这类材料具备高透光性和非线性光学特性，非常适用于光子器件，”朴元教授指出，“我们的研究展示了卤素化合物在微谐振器领域的卓越性能，可能是目前最先进的应用之一。”
尽管这类材料对光子器件的性能有显著提升，但其加工难度也较高，需要在材料选择和性能优化之间找到平衡。
朱丽叶·戈皮纳特教授表示：“卤素化合物对光子非线性器件而言既是挑战，也是机遇。我们的研究证明，通过优化设计可以显著降低损耗，实现与现有平台相当的性能。”
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量工作。他通过精确对准激光与微波导，实现光的输入与输出，并实时监测器件内部的光行为。
研究团队关注的是透射光谱中出现的“凹陷”，这些信号表明光子已被有效捕获并产生共振。通过分析这些信号的形状，研究人员可推断出吸收和热效应等关键参数。
“共振的形态是衡量器件性能的重要依据，”埃里克森解释，“理想情况下，我们希望这些信号像针尖一样锐利，穿透背景噪声。”
他还强调，光吸收和透射量的精准控制对于器件稳定性至关重要，尤其是在提升激光功率时，热效应可能导致设备损坏。
“材料与光的相互作用会随温度变化而改变，”他补充道，“这意味着，设备在不同温度下的行为可能会发生显著差异。”
未来，这种微谐振器有望在紧凑型激光器、先进生物与化学传感器，以及量子计量和通信系统中发挥重要作用。
“随着光子器件的发展，包括激光、调制器和探测器等，微谐振器将成为连接这些模块的关键组件，”Lu总结道，“最终的目标是实现可大规模制造的标准化器件。”
应用物理快报 2026年，DOI: 10.1063/5.0305459