超高效光学微谐振器延长芯片内光循环时间
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，为新型传感器技术的实现提供了关键突破。作为一种微型结构，微谐振器能够捕获并增强光信号，当其强度达到特定阈值时，便可实现对光的非线性操控。
“我们的研究致力于降低未来应用中所需的光功率，”博士生Bright Lu表示，他是这项工作的主要贡献者。“这种微谐振器未来有望被集成于导航系统、化学识别等多种传感器中。”
该成果已在《应用物理快报》发表，研究重点聚焦于“赛道”型谐振器。因外形细长，类似跑道而得名。为优化其性能，团队引入了“欧拉曲线”——一种广泛应用于道路和铁路设计的平滑曲线。
“这种曲线结构有效降低了光在转弯时的损耗，是本研究的核心创新，”联合研究员、电气工程教授朴元解释道。“光线无法像汽车那样在直角处急转弯，而欧拉曲线能使其更顺畅地行进。”
通过减少光损耗，谐振器实现了更长时间的光子循环，并增强光子之间的相互作用，这在许多光子系统中是关键性能指标。
科罗拉多制造的微型光学元件
这些微谐振器体积小巧，是在科罗拉多大学的COSINC洁净室内使用电子束光刻系统完成制造的。
该平台支持在亚微米尺度下的精确加工，从而确保了器件的高度稳定性与一致性。由于光子器件的尺寸通常比纸张还薄，因此微小的颗粒或表面缺陷都可能影响光的传播。
“与传统光刻相比，电子束光刻不受光波长限制，”Lu指出。“我们能够制造出亚纳米级的结构，这对微谐振器的性能至关重要。”
在无尘室中操作精密仪器，并观察微米级结构的生成，对Lu而言是一种极具成就感的体验。
研究中的另一大亮点是采用了“卤素化合物”，这是一种具备高透明度和强非线性响应的特种半导体玻璃。
“这些材料是光子器件的理想选择，”朴元教授表示。“我们的研究展示了在卤素化合物平台上制造出的高性能设备，可能达到甚至超越其他材料体系的水平。”
尽管这类材料在光子学中极具潜力，但其加工难度也相对较高，研究人员在设计中进行了多方面的权衡。
“卤素化合物虽难处理，但其在非线性光学器件中具有巨大回报，”合作研究员、教授朱丽叶·戈皮纳特表示。“我们通过降低弯曲损耗，实现了与主流平台相当的超低损耗表现。”
精确测量微型光学行为
微谐振器制造完成后，由博士生詹姆斯·埃里克森负责后续的激光测试。他细致地将激光与波导对准，实现光的输入输出，并实时监控其内部状态。
研究团队主要通过检测透射光谱中的“凹陷”来识别共振现象。这些特征能够反映器件的吸收特性、热效应等关键参数。
“共振峰的形状是衡量设备质量的重要指标，”埃里克森解释道。“我们希望看到的是深而窄的共振信号，就像针尖穿透背景噪声。”
埃里克森还指出，吸收和透射的光强决定了器件性能。在高功率激光操作时，热效应尤为关键，因为过热可能导致结构损伤。
“多数材料的光学响应会随温度变化，”他说。“当器件受热时，其性能也会发生偏移。”
展望未来，这些微谐振器有望在微型激光器、化学与生物传感器，以及量子计量和网络系统等领域得到广泛应用。
“目前我们正致力于将激光器、调制器和探测器等光子组件集成，”Lu表示。“最终目标是打造一个可批量制造的平台，推动相关器件的商业化落地。”
《应用物理快报》，2026年。DOI：10.1063/5.0305459
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