高效光学微谐振器为光子传感技术开辟新路径
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，为新型光学传感器技术提供了广阔前景。微谐振器是一种微型装置，能够捕获并增强光信号的强度。当光强达到一定阈值时，研究人员可以利用这一特性实现特定的光学操控。
“我们的目标是降低未来谐振腔在使用时的光功率需求。”论文第一作者、电气与计算机工程博士生Bright Lu表示，“这些微谐振器有望在从导航系统到化学检测的多个传感领域中发挥作用。”
这项研究成果发表于《应用物理快报》。研究团队重点探索了“赛道型”谐振器，因其狭长的外形，得名于类似赛道的设计。
研究人员特别采用了一种被称为“欧拉曲线”的平滑曲线结构。这种曲线在道路与铁路工程中也有广泛应用，其作用在于减少急转弯带来的损耗。正如车辆无法在高速行驶中突然转向，光子同样无法在尖锐拐角处高效传播。
“我们的赛道曲线显著降低了弯曲损耗。”本研究的联合指导教授、电气工程谢泼德教授朴元指出，“这种设计选择是整个项目中最具创新性的部分。”
借助这种曲线结构，研究人员能够更平稳地引导光子在谐振腔中传播，从而减少光能损失。光子在器件中停留更长时间，并能产生更强的相互作用。
Lu解释道，如果光能损失过高，微谐振器将无法达到所需的高强度操作标准，进而影响其性能表现。
纳米制造工艺支撑高性能器件
这些微谐振器体积微小，制造过程依赖于科罗拉多纳米制造与表征共享仪器（COSINC）洁净室的电子束光刻系统。
该设施提供了一个高度洁净且受控的环境，确保了在微米尺度下的高精度加工与器件可靠性。
由于光学与光子器件通常仅有纸张宽度的几分之一，甚至更小，因此微小的尘埃颗粒或表面瑕疵都可能显著干扰光的传播路径。
“传统光刻受限于光的波长，而电子束光刻则摆脱了这一限制。”Lu指出，“电子束光刻能够实现亚纳米级的分辨率，这对微谐振器的结构精度至关重要。”
对于Lu而言，亲手参与制造流程是整个研究中最令人满意的部分。
“在无尘室工作确实很酷。你操作着大型精密设备，最终看到只有几微米宽的结构图像，那种成就感难以言表。”
这项研究的另一项关键成就是使用了“卤素化合物”材料，这是一类特殊的半导体玻璃。
“这种材料因高透明度和显著的非线性光学特性而被广泛应用于光子器件中。”朴元表示，“我们的研究制造出了目前使用卤素化合物性能表现最佳的器件之一，甚至可能是全球最出色的之一。”
卤素化合物具备优异的光透过性能，使其成为实现微谐振器中高强度光操作的理想材料。
然而，这类材料在加工过程中也存在挑战，因此需要在性能与可制造性之间寻求平衡。
“卤素化合物虽然难以加工，却在非线性光子学中具有巨大潜力。”与朴元合作超过十年的朱丽叶·戈皮纳特教授表示，“我们的成果显示，通过降低弯曲损耗，可以在该材料上实现媲美其他平台的先进性能。”
精密光学测量揭示器件性能
微谐振器制造完成后，由物理学博士生詹姆斯·埃里克森负责后续的激光测试工作。他精确地将激光与微波导对准，并通过光学耦合将光引入器件，同时监测其内部行为。
研究人员关注的是透射光谱中出现的“凹陷”，这些凹陷表明光子已进入共振状态。通过分析这些凹陷的形状，他们可以推导出器件的吸收和热响应等关键参数。
“共振的形状是衡量器件质量的最直观标准。”埃里克森表示，“我们期望它足够深且窄，像一根细针穿透背景信号。当我们在新设备上看到这种尖锐的共振峰时，我们知道我们成功了。”
他补充说，制造高性能器件需要同时了解吸收与透射的光信号量。当激光功率增加时，热效应尤为关键，因为这可能引发器件的热损伤。
“大多数材料与光的相互作用受温度影响。”埃里克森指出，“因此，当装置加热时，其光学特性也会随之变化，进而影响其整体性能。”
未来，这种微谐振器有望应用于微型激光器、先进化学和生物传感器，以及量子计量和量子通信系统。
“当前，我们正在开发多种光子元件，包括激光器、调制器和探测器。”Lu表示，“像我们这样的微谐振器，将有助于将这些模块有效集成，最终目标是实现一个可以被批量制造的系统。”
《应用物理快报》（2026）。
DOI: 10.1063/5.0305459
