加州大學博爾德分校的研究人員開發了高效能的光學微諧振器，可以支援新一代強大的感測技術。
微諧振器是一種微觀結構，旨在將光限制在一個小區域內。當光在內部旋轉時，其強度會增加。當這種密度達到足夠的水平時，科學家可以實施專門的光學操作來實現感測和其他高級功能。
「我們的工作是在這些諧振器中使用更少的光功率以供將來使用，」電機與電腦工程四年級博士生、該研究的主要作者 Bright Lu 說。 “有一天，這些微型諧振器可以適用於從導航到化學識別的各種感測器。”
該研究發表於 應用物理快報。
滾道諧振器設計減少光損失
為了實現更強的性能，團隊專注於「跑道」諧振器，這種諧振器因其細長的環形形狀而得名，類似於跑道。
他們採用了「歐拉曲線」——一種在公路和鐵路設計中也發現的平滑曲線。正如車輛無法快速通過突然的直角轉彎一樣，光線也無法有效地通過急轉彎。
「這些跑道曲線減少了彎曲損耗，」Sheppard 電氣工程教授兼該計畫聯合顧問 Won Park 說。 “我們的設計選擇是這個項目的重大創新。”
透過精心設計的漸變曲線引導光線，研究人員能夠顯著減少漏光量。這使得光子能夠在諧振器內傳播更長時間並且相互作用更強烈。
盧解釋說，過多的光損失會阻止設備達到最佳操作所需的高強度。
COSINC 的精密奈米加工
微諧振器是在科羅拉多奈米製造和表徵聯合儀器 (COSINC) 無塵室中使用新型電子束微影系統製造的。
這些設施保持嚴格控制的條件，這對於小規模生產可靠的設備至關重要。許多光學和光子元件的寬度都小於一張紙的寬度，因此即使是很小的灰塵顆粒或微小的表面缺陷也會幹擾光線穿過它們的方式。
「傳統光刻使用光子，主要受到光波長的限制，」盧說。 “然而，電子束微影沒有這樣的限制。利用電子，我們可以實現亞奈米分辨率的結構，這對於我們的微諧振器至關重要。”
盧稱製造過程是這個項目中最令人滿意的部分之一。
「潔淨室絕對是令人驚嘆的。你正在使用這些巨大、精密的機器工作，然後你就可以看到你製作的只有微米寬的結構的圖像。將一層薄薄的玻璃變成一個可用的光路真的很令人滿意。”
硫系玻璃可實現極低的損耗性能
該團隊的主要成就是成功地使用硫屬化物（一種特殊的半導體玻璃系列）來建造了設備。
Park 說：“這些硫族化物因其高透明度和非線性而成為光子學的優異材料。” “我們的工作即使不是最好的，也是使用硫屬化物的性能最好的設備之一。”
硫屬化物允許強光以最小的損失通過，這對於高性能微諧振器至關重要。同時，這些材料難以加工，在製造過程中需要仔細平衡。
「硫屬化物對於非線性光子裝置來說是具有挑戰性的，但卻是有益的材料，」與 Park 在這個項目上合作了 10 多年的朱麗葉·戈皮納特 (Juliet Gopinath) 教授說。 “我們的結果表明，減少彎曲損耗使得可以使用損耗非常低的設備，其性能可與其他材料平台的最先進技術相媲美。”
雷射測試和共振測量
製造完成後，這些設備在專門研究雷射測量的物理學博士生 James Ericsson 的領導下進行了評估。他將雷射光束與微觀波導精確對準，將光線送入和送出諧振器，同時觀察其內部行為。
研究小組在傳輸的光訊號中尋找表明共振的“下降”，當光子在結構內被捕獲和散射時就會發生共振。透過研究這些凹陷的形狀，他們能夠確定它們的特性，例如吸收和熱效應。
「設備品質最明顯的指標是共振的形狀，」埃里克森說。 “我們希望它又深又窄，就像一根針刺穿信號背景。” “我們長期以來一直在尋找這種類型的諧振器，當我們看到這種新設備上尖銳的迴聲時，我們立即知道我們終於破解了密碼。”
愛立信指出，了解吸收的光量與傳輸的光量相比對於設備的性能至關重要。增加雷射功率會導致發熱，從而改變材料特性，甚至損壞設備。
「大多數材料與光相互作用的方式也會根據材料的溫度而變化，」埃里克森說。 “因此，隨著設備變得越來越熱，它的屬性會發生變化並使其工作方式不同。”
邁向微型雷射與量子光子學
展望未來，這些微諧振器可用於製造緊湊型微雷射、高靈敏度化學和生物感測器以及量子測量和網路工具。
「許多光學元件正在由雷射、調製器和探測器開發，而像我們這樣的微諧振器將有助於將所有這些部件連接在一起，」盧說。 “最終，我們的目標是建造出可以交給製造商並製造數十萬個的東西。”
發布日期: 2026-02-24 07:53:00
來源連結: www.sciencedaily.com
