突破性光学微谐振器延长光子在芯片内的循环时间
科罗拉多大学博尔德分校的工程师团队开发出一种高效光学微谐振器，为未来高精度传感器与光子器件开辟了新的可能性。微谐振器是一种微米级别的结构，其核心功能是捕获并增强光信号的强度，从而实现对光子的精确操控。
“我们致力于降低未来光学器件对输入光功率的依赖，”研究团队主要成员、电气与计算机工程专业博士生Bright Lu表示。“这些微谐振器未来有望被集成至多种传感器应用中，从生物识别到化学探测均有潜力。”
该成果发表于《应用物理快报》，研究重点围绕一种被称为“赛道”（racetrack）的微谐振器结构展开。这类器件因其类似跑道的细长形状而得名，其设计目的是在微米尺度上引导光子高效传输。
研究中采用的“欧拉曲线”是一种经典的几何结构，常见于道路与铁路工程设计中，用于实现平滑过渡。正如车辆无法在高速行驶时直接转弯，光子在锐角转折点也会遭受损耗。通过引入这种曲线，研究团队有效降低了光学弯曲损耗。
“这些曲线设计显著提升了光在谐振腔内的传播效率，”该项目的联合负责人、电气工程教授朴元指出。“这一几何优化是实现高性能微谐振器的关键。”
在降低光学损耗的同时，研究团队还提升了光子在器件内部的循环效率与相互作用能力。这使得微谐振器在非线性光学、传感与光信号处理等方面具备了更强的功能。
纳米级制造技术支撑高性能器件
这些微谐振器尺寸微小，制造过程依托于科罗拉多大学的COSINC纳米制造与表征共享设施。该实验室配备先进的电子束光刻系统，可在纳米尺度上精确加工器件结构。
“传统光刻受限于光波的衍射极限，而电子束光刻则突破了这一限制，”Lu解释道。“通过电子束，我们能够实现亚纳米级的结构精度，这正是高性能微谐振器所必需的技术支撑。”
在无尘环境中操作精密仪器并观察微米级结构的形成，对研究人员而言具有极强的成就感。
“在无尘室里，你不仅在操控高端设备，还能亲眼看到自己设计的微结构逐渐成形，”Lu说。“从一片薄膜玻璃到一个完整的光学电路，整个过程令人振奋。”
研究中采用的关键材料是一种名为“卤素化合物”的高透明性半导体玻璃，具备出色的光学非线性特性。
“这类材料因其高透光性和非线性响应，成为先进光子学的优选材料，”朴教授表示。“我们的研究代表了卤素化合物在微谐振器中的顶尖应用之一。”
尽管具备优异性能，卤素化合物在制造过程中也面临挑战。其材料处理需要高度精密的工艺控制，以避免对器件结构造成破坏。
“这类材料虽难以加工，但一旦成功，回报是巨大的，”与朴教授长期合作的朱丽叶·戈皮纳特教授指出。“我们通过降低弯曲损耗，成功实现了与主流材料平台媲美的低损耗性能。”
高精度测量揭示微谐振器性能
在制造完成后，微谐振器交由物理学博士生詹姆斯·埃里克森进行光性能测试。他使用高精度激光系统将光信号导入微波导，并实时监测其在器件内部的传播行为。
研究人员关注的是透射光谱中的“共振凹陷”现象，这些特征信号表明光子被成功捕获并形成稳定的共振模式。通过分析这些共振峰的形状，团队能够评估器件的吸收、热响应等关键参数。
“共振峰的深浅和宽度是衡量器件质量的重要指标，”埃里克森解释道。“我们希望它像一根细针穿透背景信号，这种清晰的共振特征表明器件性能优异。”
在实验中，团队发现当激光功率增加时，热效应会显著影响器件稳定性，从而导致性能漂移。
“大多数材料的光学响应会随温度变化而波动，”埃里克森补充道。“因此，我们需要在激光功率与热管理之间寻找平衡，以确保设备的长期可靠性。”
展望未来，这类微谐振器有望应用于微型激光源、高灵敏度生物化学传感器、以及量子计量与通信领域。
“当前，光子器件如激光器、调制器和探测器正在快速发展，”Lu表示。“我们希望这些微谐振器能够成为连接这些组件的桥梁，最终实现可批量制造的光子芯片。”
《应用物理快报》（2026年）。DOI：10.1063/5.0305459
应用物理快报