高性能光学微谐振器实现光的更高效循环
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，为光学传感技术带来了新的可能。微谐振器是一种微型器件，能够捕获并增强光的强度。当光强达到一定阈值，研究人员就可以实现对光的精细操控。
“我们的目标是减少在使用这类谐振腔时所需的光功率，”该项目的主要作者、电气与计算机工程四年级博士生Bright Lu表示。“未来，这些微谐振器有望用于从导航到化学识别的各种传感器应用。”
研究团队在近期发表于《应用物理快报》的论文中，聚焦于一种名为“赛道”（track）型的微谐振器，因其细长的结构酷似赛道而得名。
研究中采用了一种被称为“欧拉曲线”的平滑曲线设计，这种曲线常见于道路和铁路工程中。正如车辆无法在高速行驶中突然转向直角，光线也无法在锐角弯道中顺利通过。
“这种曲线设计有效降低了光线在转弯处的损耗，”联合顾问、电气工程谢泼德教授Yong Park表示。“这是本项目的核心创新之一。”
通过平滑地引导光在谐振腔内运行，研究人员大幅降低了光损耗，使光子在器件中停留更长时间，并实现更强的光-光相互作用。
“如果光损耗过大，微谐振腔就无法达到所需的高光强，也就无法实现高性能操作，”卢补充道。
科罗拉多制造
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（COSINC）洁净室内的电子束光刻系统制造。
洁净室提供了高度受控的环境，能够在微观尺度下进行高精度加工，从而确保器件的可靠性和一致性。
许多光学和光子器件的尺寸远小于纸张厚度，微小的尘埃或表面缺陷都可能显著影响光的传播。
“传统光刻依赖光子，受光波长的限制，”卢解释道。“而电子束光刻则突破了这一限制，使我们能够制造出具有亚纳米分辨率的结构，这对于微谐振器的性能至关重要。”
对卢而言，亲手参与制造过程是整个项目中最令人满意的部分。
“在洁净室内操作这些精密设备，看到自己制造的微米级结构图像，是一种非常独特的体验，”他说道。“将一块薄膜玻璃转化为一个完整的光学电路，这种成就感令人难忘。”
本研究的关键突破之一在于成功使用了一类名为“卤素化合物”（chalcogenide compounds）的专用半导体玻璃。
“这些材料具有高透明度和非线性光学响应，非常适合用于光子器件，”Park教授表示。“我们的研究展示了卤素化合物在器件性能上的优越表现，可能是目前同类材料中最好的之一。”
卤素化合物之所以适用于微谐振器，是因为它们具有较强的光透射能力，能够支持在器件内部形成高光强环境。
尽管材料性能优越，但处理难度也较高，需要在多个因素之间取得平衡。
“卤素化合物虽然难以加工，但对非线性光子器件而言，回报也非常可观，”朱丽叶·戈皮纳特教授表示，她与Park教授合作开展了这项研究超过十年。“我们的成果表明，通过减少弯曲损耗，可以实现超低损耗器件，达到甚至超越其他材料平台的先进水平。”
微观测量与光的响应
微谐振器制造完成后，由物理学博士生James Erickson主导进行激光测量实验。他将激光与微波导精确对准，实现光的输入与输出，并监测其内部行为。
研究人员特别关注透射光谱中出现的“凹陷”——这通常表示光子被有效捕获并发生共振。通过分析这些共振凹陷的形状，他们可以提取出吸收特性、热效应等关键参数。
“共振曲线的深度和宽度是衡量器件质量的重要指标，”Erickson解释道。“我们希望它像一根针一样尖锐，穿透背景信号。当我们在新器件上看到如此清晰的共振峰时，立刻意识到我们已经取得突破。”
Erickson进一步指出，制造优质器件需要精确控制光的吸收与透射。当激光功率升高时，热效应会变得更加显著，这可能会对器件本身造成损害。
“大多数材料的光学响应会受到温度变化的影响，”他表示。“因此，当设备被加热时，其性能参数会发生变化，导致行为不一致。”
展望未来，这类微谐振器可能被用于微型激光器、先进的化学与生物传感器，甚至量子计量和量子网络平台。
“当前，许多光子元件如激光器、调制器和探测器正在开发中，而像我们这样的微谐振器有望成为连接这些组件的关键桥梁，”卢总结道。“最终目标是打造一种可以大规模制造的设备，实现量产与广泛应用。”
该研究发表于《应用物理快报》（2026年）。DOI：10.1063/5.0305459
期刊信息：应用物理快报