回音壁模式光学微腔器件的封装与集成

回音壁模式微腔器件在现代光学中扮演着十分重要的角色,在高灵敏度传感、低阈值激光器等领域具有广泛的应用前景.然而基于回音壁模式微腔的光学系统容易受到振动、温湿度变化等外界环境干扰,这些问题为其实用化带来巨大挑战.近年来回音壁模式微腔器件的实用化问题日益受到关注,大量相关研究被报道.本文简要介绍了关于回音壁模式光学微腔器件封装和集成的最新研究进展.     

基于回音壁微腔拉曼激光的纳米粒子探测

回音壁模式光学微腔由于其品质因子高、模式体积小等优点, 近年来在非标记性的纳米粒子探测方面得到了广泛的重视, 开展了大量的研究, 取得了重要的进展. 利用回音壁微腔的拉曼激光, 通过测量纳米粒子造成的模式劈裂的拍频, 可以实现不同环境下纳米粒子的实时探测. 与传统的稀土离子掺杂法不同, 这种方法采用腔的内禀增益, 不仅提高了应用回音壁模式微腔进行纳米粒子探测的极限, 而且避免了传统方法中稀土离子能级对泵浦光的限制, 拓展了应用范围. 这种方法还可以应用于其他材料的回音壁微腔, 如硅基微环腔等, 以及光子晶体结构、超材料等受损耗限制的系统中. 本文简单介绍了回音壁模式光学微腔进行纳米粒子探测的基本原理以及最新研究进展.     

基于双回音壁模式腔光力学系统的光学传播特性和超高分辨率光学质量传感

研究基于双回音壁模式腔光力学系统中的相干光学传播特性,通过控制该系统中两腔之间的耦合,证明了基于光力诱导透明的慢光效应.该系统中的腔-腔耦合起着关键作用,提供了一个量子通道并影响透明窗口的宽度.基于该系统理论上提出一种光学质量传感方案.通过检测探测吸收谱中由于额外质量引起的机械共振频移可直接测出沉积在回音壁腔表面上的额外纳米颗粒的质量.与单腔光力学质量传感相比,多模式光力学系统中腔-腔耦合显著提高了质量传感的分辨率.双回音壁模式光力学系统将在光学存储和超高分辨率质量传感器件上有着潜在应用.     

单个回音壁微腔中Fano共振现象的观测（英文）

实验研究了香肠状回音壁光学微腔,测量了单个微腔的光学传输谱线.实验结果表明,当从两端拉伸香肠状微腔的时候,观测到的光学模式的共振波长会随着拉伸量的增加而减小,而且不同模式的共振波长减小的速度存在差异.通过拉伸香肠状微腔的方法,实验观察到了单个香肠状微腔中的Fano共振现象.另外,实验上也观测到了与Fano共振现象相关的类电磁诱导透明现象。实验所涉及到的回音壁模式的品质因子高达10~8.     

高Q值薄壁液芯毛细管微腔电场传感器

为提高电场传感器的抗电磁干扰能力、灵敏度和稳定性,将高Q值薄壁液芯毛细管微腔和电泳效应结合,增强回音壁模共振微腔对外加电场的感知能力,并进行了实验验证.基于时域有限差分法得到了液芯毛细管微腔回音壁模式共振特性随毛细管直径、壁厚等结构参数的变化规律,发现随着壁厚变薄灵敏度增加.采用熔融拉锥法制备了直径为86μm,壁厚约为2μm的薄壁毛细管微腔,通过高精度位移平台实现了锥形光纤和毛细管微腔的高效率耦合,测得回音壁模式Q值为2.8×10^6.毛细管微腔内注入不同浓度的蛋白质溶液,利用电泳原理和蛋白质分子在缓冲溶液里带电的特性,实现的最大电场传感灵敏度为10.6 pm/(kV/m).     

超高Q值mm级晶体回音壁微腔加工

回音壁微腔具有超高Q值和极小的模式体积,在微波光子系统、非线性光学和量子光学等领域中具有广阔的应用前景。通过分析mm级氟化镁(MgF₂)晶体回音壁微腔的损耗因素,确认了影响回音壁微腔品质因数的主要指标为材料等级和表面粗糙度。设计了mm级MgF₂晶体回音壁微腔的结构形式,使用DUV级MgF₂晶体,如果回音壁微腔表面粗糙度小于0.7 nm,则MgF₂晶体回音壁微腔的极限损耗理论计算值为4.781×10^-11,对应的极限Q值为2.09×10¹⁰。通过对MgF₂晶体回音壁微腔进行粗成型、精密车削、精密抛光,实现了高品质因数的微腔制造。测试结果表明,回音壁微腔的表面粗糙度Ra值为0.669 nm、微观形貌PV值为6.767 nm、品质因数为2.054×10⁹@1 550 nm。     

基于回音壁谐振模的无标记光学生物传感技术

光学生物传感器在新药研制和生命科学等领域得到广泛关注,重点对基于回音壁谐振模的无标记光学生物传感器做了评述。根据谐振腔结构将传感器分为三类。基于微球的生物传感器由于微球腔的高品质因子而成为最初研究的重点,已实验研究了对蛋白质分子、病毒和细菌的传感响应,建立了基于单光子谐振能量和微扰理论的理论模型;基于微盘的生物传感器能够利用成熟的平面光刻微加工技术,传感构想提出更早,但直到回流热处理技术的应用才使得微盘品质因子大幅提高,从而实现了单分子测量;基于微环的生物传感器具有简单的谐振模式,有利于信号探测,已采用聚合物,氮化硅,以及硅基二氧化硅等材料制作成功,作为其在三维上的扩展,微管式传感器由于能够将光通道和流体通道合二为一而在近年得到关注。     

封面解读

正微纳光学作为光学领域的重要前沿学科方向,近年来发展迅速,在片上集成光学器件、光电集成、量子计算等领域取得重要的研究进展。《光学学报》2021年第8期刊发"微纳光学"专题,封面选取"8"字回音壁模式光学微腔作为切入点,表述了微纳光学结构对光场和光子实现高自由度调控。     

具有内参考热补偿功能的三层膜结构微球腔折射率传感器

tBtB光学微腔在高灵敏度传感中有着重要的应用前景,而在传感中热漂移是制约其走向实用的重要因素.本文提出了一种镀有三层膜结构的微球腔,可以在实现高灵敏度折射率传感的同时,具备内参考热补偿功能.该结构由内到外分别涂覆折射率为高、低、高的薄膜,内外两高折射率层可以分别支持各自的回音壁模式,称之为内层模式和外层模式.研究了波导耦合的内外模式在折射率传感和温度传感应用的表现.结果表明,中间膜层厚度为550 nm时,内外模式的折射率灵敏度分别为0.0168和102.56 nm/RIU,温度灵敏度分别为–19.57和–28.98 pm/K.通过监测内外模式谐振波长的差值进行传感,对中间膜层厚度进行优化,=400 nm时,折射率灵敏度为75.219 nm/RIU,探测极限可以达到2.2×10~(–4) RIU,热漂移被减小到3.17 pm/K,极大地减小了热漂移对系统的影响.本研究可为微球腔折射率传感器的设计和改进提供指导.     

光学微球腔的壳层结构研究

使用时域有限差分法,对带表面壳层的光学微球腔进行模拟计算,分析了微腔内回音壁模式的能量密度分布,总结了壳层厚度对微球腔谐振性能的影响,并由此探讨对微球腔进行调谐和模式控制的方法.采用这种壳层结构,微球腔的谐振性能得到了有效提高（Q值提高了30％以上,模式体积减小了60％）,为光学微球腔后续的结构设计和实际应用提供了一个新的优化思路.     

基于模式分裂现象的在纤式双微盘谐振腔

为了实现结构紧凑、性能稳定的回音壁微腔,提出一种在纤式并联双微盘结构,其中回音壁微腔与激发回音壁模式的光波导均处于光纤纤芯中.采用有限时域差分法研究模式分裂现象中对称模式与反对称模式随着两微盘耦合间距增大的变化规律.研究结果表明,对称模式与反对称模式之间存在竞争关系,随着耦合间距的增大,反对称模式的透射率先变大后变小,...     

柱形微腔回音壁激光光谱模式的精确标定

由柱形微腔中回音壁模式满足的本征值方程,得到确定回音壁模式位置和间距的近似解析公式。以此近似解析公式,首次对直径在215～328 μm间的5个柱形微腔回音壁激光光谱做了模式标定。在用近似解析公式对柱形微腔激光光谱的数值作拟合的计算中,除了回音壁模的径向模式数(l)和角动量模式数(n)外无需其他拟合参数,解析公式的拟合值和实验激光光谱波长值间的偏差小于0.05 nm,拟合结果精确可靠。柱形微腔回音壁激光光谱模式的精确标定在模式的场分布计算以及频移型微腔生物传感器的研究应用中具有重要作用,文章介绍的方法亦可应用于柱形微腔直径和折射率的精密测量。     

吸附颗粒对光学微球腔形貌共振的影响研究

利用T矩阵方法研究了表面吸附有随机分布小颗粒的光学微球腔的光学特性,通过计算其散射效率和不对称因子分析了吸附小颗粒的数量、尺寸对微球腔形貌共振(Morphology-Dependent Resonances,MDR)廓线的影响;利用分离变量法研究了具有均匀吸附膜(同心双层球)微球腔的光学特性,分析了吸附膜的厚度对谐振廓线的影响。结果表明,附着于微球腔表面的小颗粒以及均匀吸附层,都将对整个微球腔的形貌共振产生影响,并使光学微球腔的品质因数降低,甚至不产生回音壁模。     

具有定向出射的回音壁模式聚合物卵形微腔

基于聚合物材料的回音壁模式卵形微腔,打破了传统微腔的圆对称性,利用微腔边缘波长级的缺口,实现了远场发散角极小的定向出射.通过三维时域有限差分法仿真分析了卵形微腔的回音壁模式及定向输出特性,重点讨论了不同的变形参数对于远场特性的影响.选用最优的变形参数,得到了波长在536 nm附近的回音壁模式的近场、远场的光场分布特性,...     

毛细管内嵌微球谐振腔的温度传感特性研究

对基于毛细管的微球谐振腔耦合器件的耦合机理与温度传感特性进行了研究。微球支持较多的高阶模式,易与石英毛细管模式满足相位匹配条件,因此微球回音壁模式会被激发。使用钛酸钡微球进行了温度传感实验,为进一步提升传感的灵敏度,采用聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate,PMMA）微球进行了温度传感实验。实验结果表明,PMMA微球温度传感灵敏度可达83.9 pm/℃,约为钛酸钡微球温度传感灵敏度的8倍,在提升温度传感灵敏度方面具有重要作用。     

光学微盘腔与三能级量子点系统中的模耦合研究

用一种全量子理论方法研究了波导、光学微盘腔与三能级量子点耦合系统的动力学过程,求出其耦合后的透射模和反射模的解析解. 由于微腔表面粗糙引起反向散射,在微腔内形成两简并回音壁耦合共振模,其耦合率为β;量子点的两激发态分别以耦合率g₁,g₂与回音壁耦合共振模产生耦合. 在实数空间里,得出透射光谱和反射光谱的数值解,这些三能级模型结果比二能级模型结果更接近真实光学微盘腔系统,能更好地显示耦合系统的动力学特性. 关键词： 模耦合 光学微盘腔 三能级量子点 全量子理论     

在纤式回音壁模式微球谐振腔及其传感特性

提出一种在纤式回音壁模式微球谐振腔，并对其温度和折射率传感特性进行研究。首先，分析了不同尺寸的微球腔与光纤结构耦合时的相位匹配情况，以锥形光纤为探针来拾取并移动钛酸钡微球，将其嵌入空心光纤，形成在纤式谐振腔结构，从而在微球中激发回音壁模式，并与空心光纤端面的反射光相互作用，产生法诺共振。实验结果表明，激发的法诺共振峰曲线的斜率高达-99.3 dB/nm。另外，通过实验证明了此结构对温度和折射率均具有较好的传感特性，灵敏度分别为26.8 pm/℃和-244.97 dB/RIU。该谐振腔性能稳定、结构紧凑、加工简单，在纤式的反射结构使其有望在复杂的传感环境中发挥作用。     

回音壁微腔激光器噪声特性数值模拟研究(特邀)

通过建立包含朗之万噪声源的三模速率方程模型,模拟研究了回音壁模式微腔激光器的噪声特性和线宽特性,特别是注入电流热效应引起的跳模及其对光功率和实现窄线宽的影响.回音壁微腔激光器单模工作时,在大偏置电流下可由低频处的频率噪声得到百kHz以下的激光器线宽;在微腔双模激射状态下,由于模式竞争作用,微腔激光器的相对强度噪声和频率...     

基于飞秒激光直写的单向单模耦合微腔

对具有高Q值的回音壁模式微腔进行调制来获得单向单模输出,对研究腔光力学和开发高质量的微激光具有重要意义.本文对利用飞秒激光直写加工的耦合回音壁模式微腔的研究进行了简要回顾,具体介绍了微腔结构设计、加工过程、激射和耦合机制研究等.利用飞秒激光直写加工的强大三维图案化能力,灵活地设计实现了具有集成功能的单个微腔和具有不同空间组合位置的多个耦合微腔.基于耦合微腔的微激光具有低阂值,同时显示出良好的单模特性和单向性.结合理论模拟可以证实,微腔与微腔/光栅之间的耦合,一方面支持游标效应和集成滤波两种选模方式,另一方面能够破坏微腔的旋转对称性从而获得单向输出,从而实现了对微腔输出的有效调控.     

弯曲氧化锌微米线微腔中的回音壁模

本文用微区共聚焦荧光光学显微镜在垂直于氧化锌微米线c轴的方向测量微米线上不同位置的光谱,通过对比直的和弯曲的微米线上TE和TM偏振的光谱,观察到了弯曲氧化锌微米线中不同位置的回音壁模式的移动,其机理是在弯曲应力作用下激子能级发生了移动,带边附近的介电常数也随之变化,导致微腔中的回音壁模式发生移动.