创新光学微谐振器提升光子循环效率
科罗拉多大学博尔德分校的研究团队近期开发出一种高性能光学微谐振器，为下一代传感器技术奠定了基础。这些微谐振器本质上是微型光子结构，能够捕获并增强光的强度。当光的强度足够高时，科学家可以借助其进行复杂且高精度的光子操控。
“我们的目标是降低微谐振器在使用中的光功率需求，”主要研究者Bright Lu表示，“从长远来看，这类装置有望用于各种传感器，涵盖化学识别、导航等多个领域。”
研究团队在《应用物理快报》上发表了这项成果。研究重点聚焦于“赛道型”微谐振器，其名称源于其类似跑道的细长结构。
为优化光在微结构中的传输性能，研究人员引入了“欧拉曲线”——一种常用于道路和铁路设计的平滑曲线。这种曲线设计可避免光在急转弯处因折射损失而减弱，从而有效降低光损耗。
“这种设计显著减少了弯曲损耗，”联合指导教授朴元解释道，“它是整个项目中最具创新性的部分。”
通过平滑引导光波在谐振腔内循环，光的损失被大幅减少，使得光子在器件中停留的时间更长，相互作用也更加显著。
“如果光损耗过高，微谐振器就无法达到所需的高光强度，进而影响其性能表现，”Lu补充道。
纳米级制造工艺助力设备成型
这些微谐振器的体积非常小，其制造依赖于科罗拉多大学的COSINC纳米制造与表征共享仪器中心，特别是先进的电子束光刻系统。
该洁净室提供了高度可控的环境，使得研究人员能够在微米甚至纳米尺度上精确操作，从而确保器件的高可靠性。
由于许多光子器件的尺寸接近纸张的厚度，因此微小的尘埃或表面缺陷都可能显著影响光的传播。
“传统光刻受限于光的波长，而电子束光刻则没有此类限制，”Lu说道，“它允许我们制造亚纳米级别的结构，这对微谐振器的性能至关重要。”
对Lu而言，亲手参与制造过程是一次非常有意义的体验。
“无尘室工作令人着迷。你操作的是高精密仪器，同时还能亲眼看到自己制造出的微米级结构图像。将一片玻璃薄膜转化为一个可正常工作的光学器件，这种成就感难以言表。”
在制造过程中，研究人员还采用了“卤素化合物”——一种广泛用于特种半导体玻璃的材料。
“这些材料因其高透明度和强非线性光学特性，在光子器件中表现突出，”朴元教授表示，“我们的研究成果被认为是目前卤素化合物在光子器件应用中表现最优异的案例之一。”
卤素化合物之所以适合微谐振器，是因为其具有良好的光穿透能力，可以支持在微谐振腔中实现高光强操作。
不过，这类材料的加工难度较高，因此在使用时需在性能和可加工性之间进行权衡。
“尽管处理这类材料颇具挑战，但它们在非线性光子器件中带来的回报也是巨大的，”朱丽叶·戈皮纳特教授表示，“我们的实验表明，通过减少弯曲损耗，我们可以实现与其他先进材料相当的低损耗器件。”
激光测量验证装置性能
在微谐振器制造完成后，研究团队交由博士生詹姆斯·埃里克森进行激光测量。他将激光与波导对准，精确耦合光进出器件，并监测其内部行为。
研究重点在于识别透射光谱中的“凹陷”，这些凹陷表明光子被捕获并发生共振。通过分析这些凹陷的形状，研究人员可以提取出吸收、热响应等关键物理特性。
“共振信号的深度和宽度是判断器件质量的重要指标，”埃里克森表示，“我们期望看到像针尖一样尖锐的共振信号，而当我们在新设备上观察到此类信号时，就知道我们成功了。”
他还指出，评估器件性能时需要关注光的吸收和透射比例。此外，当激光功率增加时，热效应可能带来风险，甚至导致器件损坏。
“大多数材料的光学响应会因温度变化而改变，”埃里克森补充道，“因此，设备在加热后的性能变化必须被纳入设计考量之中。”
展望未来，这些微谐振器有望在微型激光器、高灵敏度化学与生物传感器、量子计量及量子通信网络等新兴领域中发挥关键作用。
“当前，研究人员正在开发各类光子元件，如激光器、调制器和探测器，而像我们这样的微谐振器可以将这些组件连接成一个完整的系统，”Lu表示，“最终目标是实现可规模化生产、稳定可靠且易于制造的器件。”
《应用物理快报》（2026年）。DOI：10.1063/5.0305459
期刊信息：应用物理快报